UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

“ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA

MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO REVESTIDO”

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO QUÍMICO

POR LA MODALIDAD DE ACTUALIZACIÓN DE CONOCIMIENTOS

PRESENTADO POR:

CARLOS CHRISTIAN RETAMOZO MEZA

LIMA – PERÚ

2015

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DEDICATORIA

El presente Informe está dedicado a mis dos (02) hijos que desde que llegaron a este

mundo fueron el motivo para poder salir adelante, a mi esposa que con su sacrificio y

tolerancia me permitieron llevar de manera adecuada y eficaz el desarrollo del

informe, a mi madre que siempre me apoya con sus consejos y con sus bendiciones, a

mi hermana que siempre fue la razón para esforzarme cada día y al Señor Dios por

permitirme poder tener salud y bienestar cada día.

3

AGRADECIMIENTO

Agradezco a mis hijos, que con su existencia alegran todos los días de mi vida y son

mi motivo para lograr mis objetivos.

Agradezco a mi esposa, que con su paciencia, comprensión e incentivo me permitió

asumir el reto de concluir con el primer gran paso de mi vida.

A mi madre, que con su ejemplo, coraje y consejos me da fuerzas para seguir

adelante y seguir superándome cada día.

A mi hermana, que con su presencia y apoyo permitió que me esfuerce cada día más

y por ser una persona muy importante para mí.

A mi familia, que contribuyeron a tener el bienestar familiar que siempre quise y que

me permitió desarrollar con normalidad el presente curso.

A Dios, que guió cada paso mis decisiones y metas planteadas permitiéndome ser

mejor cada día.

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RESUMEN

En el presente informe se demostrará el comportamiento mecánico de los materiales

que se ven alterados, producto del proceso de soldadura manual por arco eléctrico

con electrodo revestido, durante la etapa de reparación preventiva de oleoductos en la

selva peruana.

En el capítulo I se comentará brevemente el campo de aplicación del trabajo y su

aplicación en las industrias.

En el capítulo II se conocerán los conceptos y las técnicas a desarrollar durante el

informe, los mismos que nos permitirán entender la secuencia lógica de un proceso

de soldadura, comportamiento de los materiales, procedimientos a emplear y técnicas

de inspección para el aseguramiento de la calidad.

En el capítulo III iniciamos el desarrollo del trabajo con una breve descripción del

lugar donde se desarrolla la actividad, para luego hablar específicamente del proceso

que se utiliza para la unión de materiales, estudio del material empleado y los

cálculos necesarios que demuestren el comportamiento del material en el proceso de

soldadura, y finalmente las técnicas de inspección empleadas actualmente en la

industria para el aseguramiento de la calidad del proceso.

Finalmente, en el capítulo IV se presentarán las conclusiones que se tienen luego del

desarrollo del trabajo y las recomendaciones que se debe tener en cuenta para llevar a

cabo un proceso de soldadura para la unión de metales de manera satisfactoria.

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INDICE

I. INTRODUCCIÓN .........................................................................................8

II. DESARROLLO DE LOS CONCEPTOS Y TÉCNICAS ............................10

2.1. Composición Química del Acero ...............................................................................10

2.2. Propiedades Metalúrgicas ........................................................................................11

2.2.1. Componentes de la Microestructura de los Aceros al Carbono ...................11

2.2.2. Diagrama de Fase Hierro-Carbono ...............................................................11

2.2.3. La microestructura de los aceros en estado de equilibrio ...........................12

2.2.4. Microconstituyentes del acero en estado de equilibrio ...............................17

2.3. Propiedades Mecánicas ............................................................................................22

2.4. Ciclo Térmico ............................................................................................................23

2.4.1. Distribución de la Temperatura ...................................................................24

2.4.2. Gradiente de Temperatura ..........................................................................27

2.4.3. Ciclo Térmico ...............................................................................................29

2.4.4. Determinación de la temperatura máxima en cada punto de la ZAC ..........32

2.4.5. Velocidad de Enfriamiento...........................................................................33

2.5. Carbono Equivalente (CE) .........................................................................................40

2.6. Zona Afectada por el Calor (ZAC)..............................................................................40

2.6.1. Concepto de Dilución en Soldaduras por Fusión..........................................41

2.7. Ensayos Destructivos (Ensayos Mecánicos) ..............................................................43

2.7.1. Ensayo de Tracción ......................................................................................43

2.7.2. Ensayo de Dureza.........................................................................................44

2.7.3. Ensayo de Resiliencia ...................................................................................46

2.7.4. Ensayo de Doblado ......................................................................................46

2.8. Ensayos No Destructivos (END) ................................................................................47

2.9. Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS) ............................................47

2.10. Revisión de los procesos de soldadura utilizados en la industria .............................47

6

2.10.1. Soldadura por Fusión con Arco Eléctrico .....................................................49

2.10.1.1. Soldadura por Arco Eléctrico manual con electrodo metálico revestido 50

2.10.1.2. Principio de Funcionamiento de la soldadura por arco eléctrico ............50

2.10.1.3. Nociones de Electricidad con relación al arco eléctrico ..........................51

III. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO REVESTIDO ....................................56

3.1. Datos Generales .......................................................................................................56

3.1.1. Ubicación del proceso ..................................................................................56

3.1.2. Desarrollo de la Actividad ............................................................................58

3.1.3. Consideraciones para la Calificación del Procedimiento de Soldadura ........59

3.2. Soldadura Manual por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW) .................59

3.3. Características del proceso SMAW ...........................................................................61

3.4. Clasificación de los electrodos según norma AWS ...................................................62

3.5. Clasificación de los materiales según norma API ......................................................62

3.5.1. Análisis del Material Base ............................................................................62

3.5.2. Análisis de los materiales de aporte ............................................................64

3.6. Cálculo de CE y Soldabilidad del material utilizado ..................................................66

3.7. Cálculo de la Dureza de la ZAC .................................................................................67

3.7.1. Cálculo del tiempo de enfriamiento, t8/5 ....................................................68

3.7.2. Cálculo de Dureza ........................................................................................69

3.8. Determinación de la Temperatura de Precalentamiento. ........................................72

3.9. Determinación de la Velocidad de Enfriamiento (VCT) ............................................73

3.10. Análisis de variables de soldeo que modifican las propiedades mecánicas de los elementos soldados. ...........................................................................................................74

3.11. Estimación de la ZAC para el soldeo de tuberías por el proceso SMAW...................77

7

3.12. Ensayos Mecánicos a probetas soldadas por el proceso SMAW ..............................78

3.13. Abreviaturas .............................................................................................................79

3.14. Impacto Ambiental ...................................................................................................79

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...........................................81

4.1. Conclusiones .............................................................................................81

4.2. Recomendaciones ......................................................................................83

V. BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................85

VI. ANEXOS .....................................................................................................86

ANEXO – 1: Características del Material Según Código Estándar API Especificación 5L – 2012, según el Proceso de Manufactura de la Tubería...............................86

ANEXO – 2: Composición química del material utilizado. .............................................87

ANEXO – 3: Propidades de tracción del material. ...........................................................87

ANEXO – 4: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E6010. .....88

ANEXO – 5: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E7010. .....89

ANEXO – 6: Resultado de Ensayo de Tracción de probeta soldada. ...............................90

ANEXO – 7: Curva Esfuerzo – Deformación de probeta soldada. ...................................91

ANEXO – 8: Resultado de ensayo para calificación de soldadores..................................92

ANEXO – 9: Registro de Calificación de Procedimiento (PQR) .....................................93

ANEXO – 10: Especificación de Procedimiento de Soldadura (WPS) ............................95

ANEXO – 11: Registro de Calificación de Soldador (WPQ) ...........................................97

ANEXO – 12: Certificado de Calidad Cellocord P-T E6010 ...........................................98

ANEXO – 13: Certificado de Calidad Cellocord 70-T E7010..........................................99

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I. INTRODUCCIÓN

Todas las industrias de procesamiento y fabricación de productos a partir de una

materia prima están constituidas en su infraestructura principalmente por equipos de

almacenamiento (tanques, recipientes, separadores), equipos de procesos (reactores,

columnas de destilación, columnas de adsorción, intercambiadores de calor, hornos,

calderas) y tuberías de proceso o transferencia, los cuales están diseñados para

soportar ciertas condiciones de operación tales como presión, temperatura y flujo,

generalmente; dentro de la etapa de diseño se determina, entre otras cosas, el tipo de

material a utilizar y los espesores de pared mínimo.

Para el caso de las tuberías, uno de los parámetros más utilizados en el diseño es

establecer el espesor de pared mínimo que permita garantizar el normal

funcionamiento de la operación. Este espesor depende principalmente de la presión y

temperatura de diseño y de las características mecánicas del material requerido.

Justamente, el presente informe tiene como campo de aplicación las características

mecánicas del material y su comportamiento durante las etapas de transformación

que se llevan a cabo como resultado de la necesidad de construir o reparar por

ejemplo un sistema de transferencia de una determinada sustancia, el cual debe estar

conformado estructuralmente por un sistema de tuberías los cuales se deben

encontrar físicamente unidos, ya sea mediante elementos externos (bridas, pernos,

remaches) o mediante el uso de un tercer material de propiedades similares al de la

tubería.

Para nuestro caso se considerará que el sistema de tuberías requerido estará unido

mediante el uso de un tercer material de propiedades similares al de la tubería,

conocido generalmente como material de aporte, el cual mediante un proceso de

9

fusión generado por el paso de corriente a través de los materiales, se mezclarán y

formarán, al solidificarse, un material único y compacto y se logrará la unión física

de estos elementos.

Como producto del proceso de fusión de los materiales utilizado para la unión, se

generará un reordenamiento de las microestructuras de cada material, los cuales

generarán cambios en sus propiedades mecánicas finales y por ende en su

comportamiento mecánico.

10

II. DESARROLLO DE LOS CONCEPTOS Y TÉCNICAS

2.1. Composición Química del Acero

El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el

0,008% y el 1,7% en peso de su composición, dependiendo del grado del acero.

Cuando el contenido de carbono es superior al 1.7%, la aleación recibe el nombre de

fundición, material extremadamente duro y quebradizo que no puede ser deformado

ni extendido en forma de alambres o planchas, el cual se muestra en la figura 1.

Hierro Dulce

Acero Fundición

0%C 0.008%C 1.7%C 6.67%C

100%Fe 93.3%Fe

Figura 1: Diferencia entre acero y fundición por su composición química FUENTE: Introducción a la Metalurgia PUCP, pág. 4

El acero es uno de los materiales más utilizados debido a sus propiedades; existen

muchas variedades de aceros: aceros al carbono, aceros de baja aleación, acero al

cromo-molibdeno, aceros al carbono-manganeso, aceros de herramientas, aceros

inoxidables, aceros de muelles, etc. que se distinguen por su composición química y

propiedades.

Los aceros al carbono, poseen en su composición hierro, carbono, pequeñas

cantidades de manganeso (normalmente inferiores al 1.6%) y silicio (normalmente

por debajo del 0.55%), como impurezas poseen fósforo y azufre, el contenido de

estos elementos actualmente está limitado a un máximo del 0.035% por ser

sumamente perjudiciales. Estos aceros suelen tener un límite elástico inferior a 355

N/mm2 y una carga de rotura inferior a 520 N/mm2, estando su alargamiento

comprendido entre 10% y el 30%.

11

2.2. Propiedades Metalúrgicas

2.2.1. Componentes de la Microestructura de los Aceros al Carbono

El arreglo general de los granos, bordes de grano, y fases en una aleación metálica,

se llama microestructura. La microestructura es la principal responsable de las

propiedades de la aleación. La microestructura es afectada por la composición o el

contenido de aleantes, y por otros factores tales como conformación y operaciones de

tratamiento térmico. La microestructura se ve muy afectada por la operación de

soldadura, que en cambio, tiene influencia sobre las propiedades de la aleación.

Mientras que todos los metales exhiben distintas microestructuras, esta discusión

tratará exclusivamente con los cambios microestructurales que ocurren simplemente

con el acero al carbono, que es una aleación que consiste en combinación de hierro y

carbono.

También se pueden agregar otros elementos aleantes, pero sus efectos en la

microestructura no serán tan significativos como los del carbono.

Para introducir dicho tema, es importante darse cuenta que el hierro y los aceros

sufren cambios en su arreglo cristalográfico como resultado de los cambios en la

temperatura.

Esto es, según se calientan o enfrían las aleaciones hierro-carbono, ocurren cambios

alotrópicos. El hecho que ocurran estos cambios permite el cambio de propiedades

mecánicas para una aleación específica a través de la aplicación de distintos

tratamientos térmicos. Para entender los cambios que ocurren, los se usa un

diagrama, que muestra los rangos de distintos componentes microestructurales del

sistema hierro – carbono, este se le conoce como “Diagrama de Fase Hierro -

Carbono”.

2.2.2. Diagrama de Fase Hierro-Carbono

Este diagrama describe la naturaleza de las fases presentes en las aleaciones hierro-

carbono bajo condiciones cercanas al equilibrio, esto es calentamiento y enfriamiento

muy lentas.

12

Debe notarse que muchos de estos constituyentes microestructurales tienen nombres

múltiples y se pueden intercambiar. Por ejemplo, el hierro puro a temperatura

ambiente se conoce como hierro alfa o ferrita. El carburo de hierro que está presente

a temperatura ambiente se llama cementita o CFe3. La estructura cúbica de caras

centradas que aparece a temperaturas intermedias se conoce como hierro gama o

austenita.

Observando la figura 2 de la página 13, se nota que el eje vertical describe los

cambios de temperatura, mientras que el eje horizontal indica la cantidad de carbono

presente. En consecuencia, para un contenido de carbono dado, se puede trazar una

línea vertical que atraviesa el eje horizontal.

Moviéndose verticalmente hacia arriba, puede determinarse que microestructuras

existirán a distintas temperaturas.

Sea cual fuere el %C del acero, las fases que son estables a temperatura ambiente son

la ferrita y cementita.

2.2.3. La microestructura de los aceros en estado de equilibrio

Como se muestra en la figura 3 y Tabla 1, se considera que los aceros incluyen

dichas aleaciones que tienen desde 0.008% hasta 1.7% de Carbono. Dentro de este

rango, los aceros se dividen en tipo hipoeutectoide, eutectoide e hipereutectoide, con

el punto eutectoide (0.8% carbono) siendo la línea divisoria.

a. Aceros hipoeutectoides (%C < 0.8)

Se denomina así a todos los aceros con un contenido menor a 0.8%C. Si calentamos

un acero proeutectoide hasta una temperatura de 930°C (donde el acero se encuentra

totalmente austenizado) y luego procedemos a enfriarlo muy lentamente (en el

horno) hasta alcanzar la temperatura de 750°C. Al observar este acero al

microscopio, veríamos que parte de la austenita ha sido transformada en ferrita. Esta

ferrita que se forma inicialmente se le llama ferrita primaria o proeutectoide. Si

continuamos enfriando lentamente hasta alcanzar la temperatura de 723°C

(temperatura eutectoide), la austenita restante se transforma, de acuerdo a la reacción

eutectoide, en ferrita y cementita laminares, dando lugar a la perlita.

13

Figura 2: Diagramas de Fase Hierro – Carbono

Fuente: Google – Conceptos Generales de Proceso de Soldadura

14

Tabla 1: Características de aceros con diferente porcentaje de carbono.

Acero Hipoeutectoide

%C < 0.8

Acero Eutectoide

%C = 0.8

Acero Hipereutectoide

%C > 0.8

Ferrita proeutectoide

(o primaria) + perlita

Perlita Cementita proeutectoide

(o primaria) + perlita

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 34.

La ferrita primaria ya no sufre ninguna transformación y el resultado a esa

temperatura es una microestructura constituida por ferrita proeutectoide + perlita.

En los acero hipoeutectoides, cuando el contenido de carbono es bajo, predomina

fuertemente la ferrita, a medida que el contenido de carbono va aumentando la

proporción de ferrita disminuye y coexiste con áreas de perlita.

b. Aceros Eutectoides (%C = 0.8)

Se denomina así a los acero que tienen un contenido de carbono igual a 0.8%. Los

aceros eutectoides son aceros empleados en la fabricación de herramientas de corte,

muelles y resortes o calibres para medición. Son aceros que pueden adquirir una

elevada dureza después de ser sometidos al tratamiento térmico de temple.

c. Aceros Hipereutectoides (%C > 0.8)

Se denomina acero hipereutectoide, a aquellos aceros que en su composición y de

acuerdo con el diagrama hierro-carbono tienen un porcentaje de carbono entre el

0,77% y el 1.7% de Carbono. Su constituyente principal es la cementita (Carburo de

hierro (Fe3C)). Es un material duro y de difícil mecanización.

Figura 3: Esquema de la transformación del acero en estado de equilibrio de la austenita para tres aceros de diferentes porcentajes

de carbono. (Izq) Acero Hipoeutectoide, (Centro) Acero Eutectoide, (Der) Acero Hipereutectoide.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 38.

16

El producto microestructural de la aleación hierro-carbono de composición

eutectoide es la perlita. La perlita y la cementita proeutectoide constituyen los

microconstituyentes de los aceros hipereutectoides con un contenido en carbono

superior al de la composición del eutectoide que es de 0,77% hasta el límite del 2%

donde el producto de la aleación hierro-carbono pasa a denominarse fundición. Para

mejorar la poca maquinabilidad del acero hipereutectoide se le somete a un

tratamiento conocido como recocido globular, mediante el cual el carburo adopta una

forma esférica o globular.

Los aceros hipoeutectoides están constituidos por una estructura de granos de ferrita

en la que se intercalan colonias de perlita. Son, por lo tanto, bastante dúctiles y

resistentes, reduciendo su ductilidad y aumentando la resistencia mecánica y la

dureza conforme aumenta la proporción de perlita a media que aumenta el contenido

de carbono. Se han propuesto diversas fórmulas para expresar la resistencia o la

dureza de un acero hipoeutectoide enfriado lentamente: unas en función de las

proporciones de ferrita y perlita; otras, en función del contenido de carbono.

Se ha visto que un acero, al ser austenizado y enfriado muy lentamente (en la

práctica esto se logra dejando enfriar el elemento de acero dentro del horno en el que

previamente es calentado), adquiere una microestructura de ferrita y cementita en la

forma de perlita (acero eutectoide), ferrita y perlita (acero hipoeutectoide) o perlita y

cementita (acero hipereutectoide) según sea el %C del acero.

Este calentamiento, manteniéndose a la temperatura de austenización y enfriamiento

posterior muy lento recibe el nombre de tratamiento térmico de “recocido”. Cuando

el mismo acero, en vez de ser enfriado en el horno, es enfriado en el aire, recibe el

nombre de tratamiento térmico de “normalizado”. Solamente esta pequeña diferencia

17

en el enfriamiento puede provocar importantes cambios en las propiedades

mecánicas del acero, dos de las cuales se muestran en la figura 4.

Figura 4: Comportamiento de propiedades mecánicas (resistencia a la tracción y

dureza) en función del %C y tipo de tratamiento térmico.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 41.

2.2.4. Microconstituyentes del acero en estado de equilibrio

En los estados de equilibrio que se alcanzan durante el enfriamiento muy lento de los

aceros desde el estado líquido, aparecen sucesivamente diversos microconstituyentes.

Las características de la aleación, dependen de la naturaleza de estos constituyentes y

de la forma en que éstos se encuentren presentes en ella. Los microconstituyentes

18

que se describirán a continuación son la ferrita delta, la austenita, la ferrita alfa, la

cementita y la perlita.

Ferrita delta (δ)

Aparece a temperaturas superiores a 1495°C, donde se inicia la solidificación de los

aceros con carbono inferior al 0.50% y por encima de esa temperatura coexiste en

equilibrio con la fase líquida. Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro

δ cúbico de cuerpo centrado (CC). La solubilidad de este hierro por el carbono es

muy escasa, alcanzando un máximo de 0.10%C a 1495°C. La reducida extensión del

dominio de equilibrio de la solución δ, las elevadas temperaturas a las que esta fase

existe y la imposibilidad de retenerla en equilibrio metaestable (cuasi estable) a la

temperatura ambiente, incluso mediante temples más violentos, hacen que sea

difícilmente observable y sus propiedades escasamente conocidas. Para los aceros

comunes (al carbono o de baja aleación), esta fase no ejerce mayor influencia sobre

las propiedades mecánicas y tecnológicas del acero.

Austenita (γ)

Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro cúbico de caras centradas

(CCC). La solubilidad del hierro γ por el carbono alcanza a 1154°C un valor máximo

del 2.0% de Carbono.

Aún cuando la austenita solamente se encuentra en equilibrio en los aceros a

temperaturas superiores a A3, se la puede retener a temperatura ambiente mediante

enfriamientos suficientemente enérgicos, especialmente en los aceros aleados. La

austenita es la solución sólida Fe-C de mayor densidad. Su conductividad eléctrica es

aproximadamente una décima parte de la conductividad de la ferrita y no es

magnética. Las características mecánicas de la austenita varían con el contenido de

19

carbono. El esfuerzo máximo de tracción (resistencia a la tracción) varían entre 88 y

105 Kg/mm2 y su dureza oscila alrededor de las 2300 unidades Brinell (HB).

La austenita puede existir en el acero hasta una temperatura de 723°C. Por debajo de

esta temperatura, es inestable y se transforma en ferrita y cementita. Solamente en

aceros altamente aleados es posible conseguir austenita a temperatura ambiente,

como es el caso de algunos aceros inoxidables.

Ferrita alfa (α)

Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro α cúbico de cuerpo centrado

(CC). La capacidad para disolver el carbono en su estructura es muy inferior que la

de la austenita, pudiendo disolver sólo hasta 0.025%C a una temperatura de 723°C.

La resistencia a la tracción de la ferrita es de unos 28 Kg/mm2 y su alargamiento

aproximado es de un 35%. Su dureza es de unas 90 unidades Brinell. Comparando

con las propiedades mecánicas de la austenita, podemos comprobar que la ferrita es

el constituyente más blando del acero.

Una de las transformaciones importantes que ocurren en el acero es la

transformación de los distintos constituyentes a temperatura ambiente (ferrita, perlita,

cementita, y combinaciones de estos) a austenita, que es una estructura cúbica de

caras centradas de hierro y carbono. Con calentamiento, esta transformación

comenzará a ocurrir a 723°C (1333°F). Excepto para un contenido de Carbono de

0.8%, el porcentaje del eutectoide, esta transformación ocurrirá en un rango de

temperaturas, y la transformación completa sólo tiene lugar cuando la temperatura se

eleva sobre la curva llamada A3. En el hierro puro, la transformación se completa a

910°C (1670°F), mientras que un acero eutectoide sufrirá una transformación

completa a 722°C (1333°F).

20

Con un enfriamiento muy lento, ocurrirá el mismo cambio en sentido reverso. La

existencia de esta transformación permite endurecer o ablandar los aceros mediante

el uso de distintos tratamientos térmicos. Cuando se calentó un acero hasta el rango

austenítico y se permitió un enfriamiento lento en su rango de transformación, la

estructura resultante contendrá perlita. Esta estructura puede aparecer sólo cuando se

permite un tiempo suficiente para permitir la difusión de los átomos hasta llegar a esa

forma. La difusión no es otra cosa que la migración de los átomos dentro de la

estructura de metal sólido. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la movilidad de

los átomos en la estructura cristalina. Cuando el enfriamiento desde la austenita

ocurre en forma suficientemente lenta, se formará perlita. Los aceros que son

tratados térmicamente para producir perlita generalmente son muy blandos y

dúctiles.

Cuando el enfriamiento desde el rango austenítico ocurre más rápidamente, en esta

transformación hay cambios significativos para una aleación de un acero dado.

Primero, la transformación ocurrirá a una temperatura menor.

En segundo lugar, la microestructura resultante cambia drásticamente y se

incrementan la dureza y la resistencia a la tracción, con la correspondiente caída en la

ductilidad. A velocidades de enfriamiento más grandes, la principal microestructura

incluye perlita, bainita y martensita.

Con un ligero aumento en la velocidad de enfriamiento, la temperatura de

transformación desciende, produciendo una estructura perlítica más fina, con un

espacio menor entre las láminas. Esta estructura es ligeramente más dura que la

perlita gruesa y tiene algo menos de ductilidad. A velocidades de enfriamiento aún

más rápidas, y temperaturas de transformación menores, ya no se forma perlita.

21

En cambio, se forma bainita y su estructura tiene una forma de pluma de finas agujas

de carburo en una matriz ferrítica. La bainita tiene una resistencia y dureza

significativamente superior y menor ductilidad, siendo muy difícil de ver bajo el

microscopio.

Con un enfriamiento muy rápido, o temple, no hay tiempo suficiente para que ocurra

la difusión. En consecuencia, algo de carbón queda atrapado en la red. Si la

velocidad de enfriamiento es suficientemente rápida y la cantidad de carbono

presente es suficientemente alta, se formará la martensita. La formación de

martensita es un proceso de falta de difusión (la velocidad de enfriamiento es tan

rápida que los átomos no tienen tiempo de desplazarse). La transformación de

austenita a martensita se da a causa de una acción tipo corte (shear type) o mecánica.

La estructura cristalina resultante se conoce como una estructura tetragonal de cuerpo

centrado, que simplemente es una distorsión de la estructura cúbica de cuerpo

centrado en una rectangular. Debido a la presencia de esta forma de red

distorsionada, la estructura martensítica exhibe una energía interna más elevada o

deformación que da como resultado una resistencia a la tracción y dureza

extremadamente altas. Sin embargo, la martensita tiene como características baja

ductilidad y tenacidad.

Para mejorar la ductilidad y la tenacidad sin una disminución significativa de la

dureza y la resistencia a la tracción de la martensita, se emplea el proceso conocido

como ‘revenido’. Este tratamiento térmico consiste en recalentar la estructura

martensítica del temple a alguna temperatura por debajo de la temperatura más baja

de transformación (722 °C).

Esto permite al material templado solamente, de estructura martensítica inestable

pasar a ser martensita revenida permitiendo al carbono precipitar en forma de

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partículas reducidas de carburo. Mediante la elección del tiempo de revenido y

temperaturas adecuadas, se pueden controlar la resistencia y ductilidad deseada.

Mayores temperaturas de revenido logran propiedades más blandas y dúctiles. El

tratamiento térmico de temple y revenido se usa frecuentemente para mejorar las

propiedades de los aceros con requerimientos mecánicos, debido que desarrollan

altas fluencia y a resistencia la tracción, altas relaciones resistencia de

fluencia/tracción y tenacidad a la entalla mejorada comparando con las propiedades

del laminado, recocido o normalizados.

2.3. Propiedades Mecánicas

Las propiedades mecánicas de los materiales determinan la capacidad que tienen para

resistir el efecto de las cargas o fuerzas (la presión, los golpes, etc.).

Estas propiedades dependen de la composición química del material, de su

estructura, el método de conformado y otros muchos factores como la temperatura o

el tipo de carga que se aplique.

Los esfuerzos sobre un material pueden ser de diferentes tipos: tracción, compresión,

cortadura, flexión y torsión.

Las propiedades mecánicas de los metales se clasifican en dos grandes grupos:

a) Las relacionadas con la resistencia, que miden la aptitud del material para resistir

a cargas estáticas, entre las que se distinguen:

• La resistencia, que es la aptitud del material para resistir las fuerzas que tienen a su

rotura o a causar deformaciones permanentes.

• La dureza, que es la resistencia que oponen los metales a ser penetrados

superficialmente.

23

b) Los relacionados con la deformabilidad, que gobiernan en gran medida su

capacidad para soportar cargas dinámicas sin romperse y, de otra, su aptitud para

aceptar, sin agrietarse o fracturarse, la profunda deformación plástica que se requiere

en ciertos proceso de conformación. Se distinguen:

• La elasticidad, que es la capacidad de los metales para recuperar su forma y tamaño

original después de retirar las fuerzas que provocaban una deformación elástica. Por

eso se dice que los neumáticos o las gomas son elásticos.

• La tenacidad, que es la capacidad de los metales para ser deformados sin romper.

• La resiliencia, que es la capacidad que tienen los materiales para resistir los golpes.

2.4. Ciclo Térmico

En los puntos anteriormente citados, se vio como las propiedades mecánicas de una

aleación están íntimamente ligadas a su microestructura. Asimismo, la

microestructura de una aleación depende de su “historia térmica”, es decir, de los

calentamientos y enfriamientos a los que ha sido sometido previamente. A esto se le

conoce como ciclos térmicos. Dependiendo de cómo haya sido el ciclo térmico, se

tendrá una determinada microestructura en la aleación y, por lo tanto, unas

propiedades mecánicas específicas.

De la misma forma, cuando aplicamos calor a un metal para unirlo por soldadura,

éste calor que aplicamos localmente a la zona de unión se transmite y viaja a través

del metal (que es un buen conductor del calor) a otras zonas del mismo, aumentando

también su temperatura.

Ello conduce a que estas zonas del metal pueden sufrir transformaciones

metalúrgicas como consecuencia de este calentamiento y posterior enfriamiento.

24

Pero también el calentamiento y enfriamiento locales traen como consecuencia

cambios dimensionales e el elemento, que pueden provocar distorsión o la formación

de esfuerzos en el elemento soldado.

Por lo tanto, el ciclo térmico es un evento inevitable en la soldadura por fusión, pero

puede ser controlado a fin de lograr los mejores resultados durante la soldadura.

2.4.1. Distribución de la Temperatura

Si el calor aportado por la soldadura no fluyera a través de la pieza a soldar, todo el

calor se concentraría solamente en la zona a fundir. De esta manera, una zona

estrecha en el material alcanzaría la temperatura de fusión, mientras que el resto del

metal permanece a la temperatura ambiente. Sin embargo, los metales son buenos

conductores, es decir, sus átomos transmiten rápidamente el calor a sus alrededores,

difundiéndolo a lo largo del elemento; entonces, si midiéramos la temperatura con

termocuplas en cada punto del material durante la soldadura, tendríamos una

distribución de la temperatura.

La distribución de la temperatura se muestra en forma de una curva y representa las

temperaturas existentes en un momento determinado, en varios puntos del metal que

ha sido o está siendo soldado. Estas curvas de distribución de temperaturas son muy

importantes, pues no permiten conocer en un momento determinado cuál es la

temperatura en diferentes puntos de la pieza que está siendo soldada. Al conocer la

temperatura en cada punto, se puede estimar las zonas del metal donde se verán

afectadas microestructuralmente e incluso se puede estimar el grado de distorsión a

la que estaría cometida la unión como consecuencia del calor de soldadura.

25

Ahora bien, la fuente de calor se aplica al elemento a soldar un lapso de tiempo

determinado; por lo tanto, es lógico pensar que en un primer momento, ésta se

caliente y luego, una vez que la fuente de calor deja de actuar, comienza a enfriarse.

Esto significa que cada punto experimentará una variación de su temperatura en

función de tiempo, es decir, un ciclo térmico. El Ciclo Térmico representa la

variación de la temperatura a lo largo de todo el tiempo de un punto cualesquiera del

metal durante la soldadura.

Si se representa los dos conceptos, distribución de temperaturas y ciclo térmico en un

mismo gráfico, se obtendrá una serie de curvas de temperatura que van cambiando en

el tiempo como se indica en la figura 5.

Figura 5: Distribución de temperaturas de una sección cualquiera a lo largo del eje x.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 79.

26

Si se coloca ahora termocuplas sobre toda la superficie de las planchas a soldar, para

medir en cada punto de aquella el ciclo térmico durante la soldadura y se dibuja las

curvas isotérmicas a partir de las mediciones de temperatura, se obtendrá una

representación como la mostrada en la figura 6.

Figura 6: Curvas isotérmicas en una plancha de acero sometida a soldadura a tope.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 81.

Tanto las curvas de distribución de temperatura como las isotermas dependen de los

siguientes factores:

El baño fundido, que actúa como foco de calor más o menos permanente.

Aquí los parámetros en cuenta son la intensidad de corriente el voltaje y la velocidad

de avance.

27

La masa del metal base, que absorbe el calor. Aquí el factor determinante es el

espesor del elemento a soldar y la configuración del tipo de junta.

La temperatura inicial del metal base, que incide sobre la gradiente de

temperatura. Aquí el factor a considerar es la temperatura del ambiente o la

temperatura a la cual el metal ha de ser precalentado antes de soldar.

2.4.2. Gradiente de Temperatura

Se le conoce como gradiente de temperatura o gradiente térmico a la diferencia de

temperatura que existe entre dos puntos separados entre sí una determinada distancia.

El gradiente de temperatura determina la velocidad del flujo de calor entre ambos

puntos. Es decir, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas que existe entre esos

puntos (mayor gradiente térmico), tanto mayor será la velocidad de enfriamiento o de

calentamiento entre ellos.

Observe la figura 7. En ella se muestran dos distribuciones de temperaturas en una

unión soldada. En la curva de la izquierda, se observa un gradiente térmico entre los

puntos a y b; mientras que en la curva de la derecha el gradiente térmico es menor.

Al igual que en el ejemplo anterior, un menor gradiente térmico significa una menor

velocidad de enfriamiento. Por lo tanto, la soldadura de la derecha se está enfriando

más lentamente que la unión soldada de la izquierda.

Analice ahora lo que sucede durante la soldadura en diversos puntos de la unión

soldada. La figura 8 representa los ciclos térmicos correspondientes a los puntos 1, 2,

3, 4 y 5 ubicados en la unión soldada.

28

Figura 7: Gradiente de temperaturas en una unión soldada que se presenta entre dos

puntos cualesquiera de la pieza a soldar.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 82.

Figura 8: Ciclo térmico de diferentes puntos de una unión soldada, donde se indica el

gradiente térmico entre dos puntos cualesquiera.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 83.

29

2.4.3. Ciclo Térmico

El metal adyacente a una soldadura está expuesto a ciclos térmicos rápidos,

produciéndose en esta región diferentes y complejos cambios metalúrgicos.

Teóricamente, si pudiésemos conocer con precisión tanto los ciclos implicados en un

proceso de soldadura como la respuesta del metal o aleación a dichos ciclos térmicos,

podríamos predecir los cambios resultantes en la microestructura y en las

propiedades mecánicas y, de esta manera, resolver una serie de problemas de

soldabilidad que se presentan en la práctica.

Al respecto, existen datos acumulados considerables respecto al efecto del calor de

aporte de la soldadura por arco eléctrico sobre la distribución de temperaturas en las

proximidades del metal soldado; por ello, consideraremos aquí con algún detalle el

proceso de soldadura por arco eléctrico.

Factores que influyen en los cambios de temperatura durante la soldadura por

arco

La distribución de temperaturas en la soldadura por arco eléctrico con electrodos

revestidos (SMAW) está influenciada por los siguientes factores:

a) Aporte de Calor

El aporte de calor es la energía que se genera durante la soldadura. Puede ser de

origen químico, eléctrico o mecánico; en este caso nos referiremos

fundamentalmente a los proceso de soldadura por arco eléctrico.

El aporte de calor se expresa normalmente en términos de Joules por milímetro

(J/mm) de soldadura y se define como:

30

Sin embargo, de toda la energía generada en el proceso de soldadura, solamente una

parte es aprovechada para fundir las piezas a unir por soldadura. Esta energía o

aporte de calor neto viene condicionada por la eficiencia del proceso de soldadura

empleado (y, en menor parte, por la posición de soldadura). La figura 9 muestra una

tabla de las eficiencias térmicas de diferentes procesos de soldadura.

Figura 9: Eficiencia térmica de diferentes procesos de soldadura

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 86.

Es importante observar que la soldadura oxiacetilénica tiene una eficiencia térmica

muy baja (35%), por lo que la cantidad de calor que se aporta es mucho más alta que

la necesaria para fundir la región de material a unir. Asimismo, el proceso SAW

(arco sumergido) tiene la eficiencia térmica más alta (caso 100%), debido a la capa

de escoria y flux que cubre la soldadura durante todo el proceso.

Así, el calor de aporte neto viene expresado por la siguiente ecuación:

31

Donde “f” es la eficiencia térmica del proceso de soldadura. Por lo tanto, el aporte de

calor es el parámetro más importante que condiciona las propiedades mecánicas de la

unión soldada dependientes de la microestructuras del material.

b) Temperatura inicial del material (o temperatura de precalentamiento)

c) Geometría de la soldadura

La geometría de la soldadura incluye el espesor del elemento, la forma y dimensión

del depósito de soldadura y el ángulo entre las piezas a unir.

d) Propiedades térmicas del material

La velocidad con que el calor fluye a través de un cuerpo para un gradiente de

temperatura determinado proporcional a la conductividad térmica e inversamente

proporcional al producto de la densidad por el calor específico. Por lo tanto, el

término difusividad térmica, empleado para describir las características térmicas de

un material, se define como sigue:

Donde:

K = conductividad térmica (cal/s/cm/°C)

δ = densidad (g/cm3)

C = calor específico (cal/g/°C)

32

k = difusividad térmica (cm2/s)

e) Diámetro del electrodo

Este factor de importancia secundaria, pero influye en el tamaño efectivo de la fuente

de calor.

Finalmente, debemos tener en cuenta que determinados rangos de temperatura

provocan en el metal transformaciones microestructurales que afectan

significativamente las propiedades mecánicas de la unión soldada.

2.4.4. Determinación de la temperatura máxima en cada punto de la ZAC

Como resultado del análisis de las transformaciones que sufren los metales durante el

proceso de soldadura, se presentan algunas ecuaciones que nos permiten analizar

mejor cómo afectan distintas variables sobre las diferentes características del ciclo

térmico en un proceso de soldadura, mostradas en la figura 10. La distribución de las

temperaturas máximas, en el metal base adyacente a la soldadura, viene dada por la

ecuación:

Figura 10: Soldadura a tope con penetración completa y de una sola pasada realizada

en plancha.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 95.

33

Donde:

Tmax = Temperatura máxima (°C) a una distancia Y (mm) del extremo o contorno del

metal fundido.

T0 = Temperatura inicial del material

Tfusión = Temperatura de fusión (°C)

Hneto = Energía aportada neta = f1.E.I/V (J/mm)

E = voltios; I = amperaje; f1 = rendimiento de la transferencia de calor, V =

velocidad de avance de la fuente de calor en mm/seg.

ρ = Densidad del material (g/mm3)

C = Calor específico del metal sólido (J/g°C)

ρC = Calor específico volumétrico (J/mm3°C)

t = Espesor del material a soldar (mm)

2.4.5. Velocidad de Enfriamiento

Después que un punto en el metal fundido o en sus proximidades ha alcanzado su

máximo de temperatura, la velocidad a la cual se enfría puede tener un significativo

efecto sobre la estructura metalúrgica y las propiedades mecánicas de la ZAC.

Si observamos el ciclo térmico de algún punto de la ZAC, veremos que no podemos

hablar de una velocidad de enfriamiento sino de varias velocidades de enfriamiento

según sea la temperatura a la cual se encuentra el acero durante su enfriamiento.

34

La utilidad de calcular la velocidad de enfriamiento a partir de los parámetros de

soldadura proviene del hecho de conocer si el enfriamiento provocará en el acero

microestructuras frágiles como aquellas obtenidas por las transformaciones

martensíticas. Para que la austenita se transforme en martensita, se requiere de

enfriamientos que permitan que el acero se enfríe sin tocar la nariz de la curva TTT o

curva de la “S”.

Teniendo en cuenta esta consideración, se puede advertir que la zona de temperaturas

en la que el acero se debe enfriar rápidamente es la región cercana a la nariz de la

curva (800°C – 500°C). Por ello, la velocidad de enfriamiento que se suele emplear

para caracterizar el ciclo de enfriamiento durante la soldadura se encuentra

justamente en este rango de temperaturas.

Pero aquí es importante hacer la siguiente observación: la templabilidad y la

soldabilidad son conceptos antagónicos. Mientas que, por un lado, una buena

templabilidad es ideal para alcanzar las mejores propiedades mecánicas de un

elemento de acero, por otro lado, esa misma buena templabilidad contribuirá a

generar enormes dolores de cabeza al momento de soldar dicho acero. Un acero

altamente templable tiene una elevada tendencia a alcanzar transformación

martensítica por acción de un enfriamiento rápido. Este mismo acero al ser soldado

puede formar martensita en la ZAC durante el enfriamiento y provocar con ello la

fragilidad del cordón y el riesgo a la fisuración en frío.

Este principio metalúrgico para las uniones soldadas lo podemos enunciar de una

manera lado más general: “La unión soldada no debe admitir la presencia de

constituyentes frágiles en su microestructura”.

35

Uno de esos constituyentes tremendamente frágiles es justamente la martensita. Sin

embargo, existen otros microconstituyentes (o combinaciones de ellos) que

proporcionan un comportamiento frágil a la unión soldada y que, por lo tanto,

también deben evitarse. El común denominador de todos ellos, además de fragilizar

la unión, es que se forman como consecuencia de enfriamientos rápidos desde la

temperatura de austenización. Por tanto, en términos generales, los aceros al carbono

y de baja aleación deben ser soldados de acuerdo a un procedimiento que no

provoque elevadas velocidades de enfriamiento después de la soldadura. Las

condiciones específicas que permitan conseguir este objetivo dependerán del tipo de

acero, el espesor de la plancha, el procedimiento de soldadura y el calor de aporte

empelado.

A continuación, se analizará algunas ecuaciones que permitan estimar la velocidad

de enfriamiento en cada punto de una unión soldada.

Velocidad de enfriamiento para espesores gruesos y delgados.

Los cálculos y comparaciones de las velocidades de enfriamiento requieren una

cuidadosa especificación de las condiciones en que se producen. Como se vio en el

tema anterior, indicar solamente “velocidad de enfriamiento” de una soldadura no es

adecuado, debido a que la velocidad de enfriamiento varía con la temperatura. El

método más útil es determinar la velocidad de enfriamiento en el momento en que el

metal está a una temperatura determinada de interés, Tc. A temperaturas por debajo

de la de fusión, la velocidad de enfriamiento en la soldadura y en su ZAC inmediata

es substancialmente independiente de la posición.

En los aceros al carbono y de baja aleación, la temperatura de interés está en las

proximidades de la “nariz” perlítica de acuerdo al diagrama Tiempo-Temperatura-

36

Transformación (diagrama TTT). La temperatura exacta no es crítica pero debe ser la

misma para todos los cálculos y comparaciones. Un valor de Tc=550°C es suficiente

para la mayoría de aceros.

El uso práctico más importante de la ecuación de la velocidad de enfriamiento es el

cálculo de los requisitos de precalentamiento, Por ejemplo, cuando los espesores son

relativamente gruesa y se necesitan varias pasadas (más de seis para completar la

unión), la velocidad de enfriamiento, R, viene dada por:

Donde:

R = Velocidad de enfriamiento en un punto sobre el eje central de la soldadura

(°C/seg), en el momento justo en que el punto se está enfriando a la temperatura de

interés Tc.

k = Conductividad térmica del metal (J/mm x seg x °C)

Sin embargo, la velocidad de enfriamiento en las proximidades de la zona fundida es

sólo un pequeño porcentaje menor que al del eje central de la soldadura.

Consiguientemente, la ecuación de la velocidad de enfriamiento se aplica a toda la

soldadura y a la región inmediata de la ZAC (ver figura 11).

Si los espesores son relativamente delgados, requiriendo menos de cuatro pasadas, la

fórmula es:

37

Figura 11: Ecuaciones de las velocidades de enfriamiento para chapas delgadas y

gruesas.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura – Carlos Fosca, PUCP, pág. 106.

De las ecuaciones anteriores, se debe definir cuando se trata de espesores gruesos y

cuando de delgados, por lo que la siguiente ecuación permitirá definir en qué caso se

está trabajando, la ecuación del cálculo de espesor relativo es:

Cuando: r > 0.9, espesor grueso

r < 0.9, espesor delgado

Soldabilidad

De todo lo expuesto anteriormente se llega a la conclusión, que la variable

fundamental a efectos de la calidad de la unión es el aporte térmico aplicado durante

38

el proceso de soldadura y depende de la tensión (V) e intensidad (I), velocidad y

rendimiento térmico de soldeo.

El término de rendimiento térmico aparece como consecuencia de que, el calor

generado por la fuente de energía no es utilizado en su totalidad para realizar la

soldadura, parte se pierde durante el proceso de soldeo en calentar el aire, gases

circundantes y productos fundentes. En conclusión, cuanto mayor sea el rendimiento

mayor será el aporte térmico para un determinado proceso.

De la combinación de estas variables surge el término ENA (Energía Neta Aportada)

y cuya expresión es:

Donde:

ρ: Rendimiento o eficiencia del proceso.

V: Voltaje de la Fuente.

I: Intensidad de la Fuente.

v : Velocidad de Soldeo.

El ENA va a controlar las velocidades de calentamiento y enfriamiento y el tamaño

del baño fundido, así como el tamaño de grano en la zona afectada por el calor y en

el baño fundido. En general cuanto mayor es el valor de la energía neta aportada,

menor será la velocidad de enfriamiento y mayor la extensión del baño fundido y al

zona ZAC.

39

Otras dos variables importantes que surgen como consecuencia de la ENA son:

Precalentamiento: El precalentamiento solo se realiza en materiales que presentan

problemas de soldabilidad y que de no aplicarse podrían dar lugar a agrietamiento en

las soldaduras. También se realizaría un precalentamiento cuando no se pudiesen

conseguir las temperaturas de soldeo adecuadas por la gran conductividad térmica

del material. Los objetivos que se buscan con el precalentamiento son, reducir la

velocidad de enfriamiento de las piezas y, disminuir perdidas de calor en materiales

muy conductores de calor.

Tratamiento Térmico Post Soldadura: Los objetivos que se pretenden con los

tratamientos térmicos post soldadura son, reducir el nivel de tensiones residuales que

se hayan producido durante el proceso de soldeo, y mejorar alguna propiedad o

característica del cordón de soldadura o de la ZAC que haya podido quedar afectada

durante el ciclo térmico de soldadura. Es en éste último punto donde crece la

importancia de conocer la respuesta del material al someterlo a un ciclo térmico y su

respuesta a un tratamiento de envejecimiento.

La ejecución de una soldadura además provoca, como consecuencia del gradiente

térmico originado, un estado tensional durante el proceso de soldeo (tensiones

térmicas) y una vez concluido éste y enfriada la pieza (tensiones residuales). Estas

tensiones son autoequilibradas y de magnitud suficiente como para poder tener

influencia sobre la propiedades mecánicas de la unión. En soldaduras que se lleva a

cabo con material de aporte, la naturaleza de éstos últimos será fundamental a la hora

de determinar las propiedades mecánicas de la unión soldada.

40

Fundamentalmente, las propiedades van a ser influidas por el tamaño y la

distribución de las fases precipitadas durante el proceso de soldadura. Cuanto más

finos sean los granos y las fases precipitadas, mayores serán los valores de

resistencia de tracción.

2.5. Carbono Equivalente (CE)

Como el carbono es el elemento que más influye en la templabilidad y en la dureza

final de un acero, se ha considerado conveniente denominar “carbono equivalente” a

índice que permite correlacionar la composición química de un acero con su

tendencia a presentar estructuras frágiles cuando éste es sometido a un proceso de

soldadura. El CE de un acero es una medida de su tendencia potencial a fisurarse

durante o después de la soldadura.

Existen diferentes fórmulas establecidas para determinar el valor del carbono

equivalente de los diferentes materiales de acero al carbono, los cuales presentan

ciertas condiciones para su aplicación y uso.

2.6. Zona Afectada por el Calor (ZAC)

Una vez realizado el proceso de soldadura por fusión se distinguen tres (03) zonas

metalúrgicas diferentes en la unión, que tendrán unas u otras dimensiones en función

de los aportes térmicos y procesos de solidificación.

• Cordón de soldadura o baño fundido: Es la zona formada por el metal base y el

metal de aportación que han sido fundidos.

41

• Zona Afectada por el Calor (ZAC): Zona adyacente al cordón de soldadura que se

calienta en gran medida y se ve afectada por el calor, pero no se funde. Esta zona

sufre cambios metalúrgicos y cambios en sus características mecánicas.

• Metal Base que no ha sufrido transformación alguna durante el proceso de

soldadura.

La Zona Afectada por el Calor (ZAC) se define como la parte del metal base que no

ha fundido durante la soldadura pero cuyas propiedades mecánicas o su

microestructura han sido alteradas por el calor, tal como se muestra en la figura 12.

Figura 12: Zona Afectada por el Calor (ZAC)

FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,

pag. 15.

2.6.1. Concepto de Dilución en Soldaduras por Fusión

Dilución: Se define como el porcentaje de la unión soldada que corresponde al metal

base.

42

Dilución en Soldadura a Tope

Figura 13: Diagrama de dilución en el cordón de soldadura

FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,

pag. 16.

Dilución en Soldaduras con Preparación de Bordes

Figura 14: Composición de la dilución en el cordón de soldadura.

FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,

pag. 16.

Valores típicos de la dilución que pueden alcanzarse en distintos casos

Estos valores se muestran en la tabla 2.

43

Tabla 2. Valores típicos de la dilución que pueden alcanzarse en distintos casos.

Espesor (mm) Preparación de bordes Dilución (%)

3 A tope 65 - 10010 A tope, pasada única 85 - 9010 A tope, 2 pasadas 75 - 8010 En V, pasada única 55 - 60

cualquiera Cordón ortogonal 30 - 40

FUENTE: Introducción a los procesos de soldadura - Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Bilbao,

pag. 16.

2.7. Ensayos Destructivos (Ensayos Mecánicos)

Los ensayos mecánicos son una serie de pruebas efectuadas cobre los materiales para

determinar sus propiedades mecánicas. En todo ensayo se utilizan probetas. Una

probeta es una muestra de dimensiones y formas normalizadas del material objetivo

de ensayo sobre la que se realiza dicho ensayo.

Las aplicaciones de los metales, y las operaciones de conformación a que pueden

verse sometidos, son extremadamente variadas. Se han desarrollado, por tanto,

numerosos ensayos mecánicos encaminados a medir propiedades diferentes con

vistas a disponer, en cada caso, del ensayo o ensayos que mejor caractericen a un

material para una utilización concreta.

2.7.1. Ensayo de Tracción

En el ensayo de tracción se somete una probeta del material en estudio, de forma,

sección y longitud normalizadas, a una fuerza de tracción, en la dirección del eje de

la probeta, que cree lenta y gradualmente hasta su rotura.

44

A medida que aumenta la fuerza aplicada, la probeta se alarga, es decir la probeta

sufre una deformación.

Con este ensayo se puede determinar una serie de propiedades:

Propiedades Resistentes

A. Límite Elástico

El valor de la tensión al que corresponde la máxima deformación exclusivamente

elástica se denomina límite elástico.

B. La tensión de rotura

Es la máxima tensión que aguanta el material antes de romper.

Propiedades Dúctiles

A. Alargamiento

Indica el cambio de longitud que experimenta la probeta. Se expresa como un

porcentaje de la longitud de la probeta.

Si un material sufre un alargamiento de valor elevado se dice que su comportamiento

ha sido dúctil. Si por el contrario, la rotura se produce sin que el material se alargue

su comportamiento se considera frágil.

2.7.2. Ensayo de Dureza

La dureza de un metal es la resistencia que opone a ser penetrado superficialmente

por otros cuerpos.

45

El ensayo de dureza consiste en comprimir un penetrador, de forma y dimensiones

fijas, contra la superficie preparada de la pieza que se ensaya, se le aplica una

precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y

obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15

segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la

carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza

directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de

material que se utilice.

Figura 15: Ensayo de Dureza Rockwell

FUENTE: Google – Ingefix.cl/catálogo/anclajes químicos_Relación entre grados de dureza y

resistencia a la tracción

Se mide, después, alguna dimensión de la huella y se expresa numéricamente la

dureza como función de esa dimensión.

Existen diversos ensayos de dureza que difieren en la forma y material del

penetrador. Los más utilizados son:

Dureza Brinell, utiliza un penetrador consistente en una bola de acero. Se designa

como HB.

46

Dureza Vickers, emplea como penetrador una pirámide de diamante de base

cuadrada. Se designa por HV.

Dureza Rockwell, se utiliza un penetrador cónico de diamante o un penetrador

esférico de acero. Se expresa con las iniciales HRC si el penetrador es un cono de

diamante o HRB si es una bola de acero.

2.7.3. Ensayo de Resiliencia

El ensayo se efectúa con el péndulo Charpy utilizando probetas de sección cuadrada

que poseen una entalla, generalmente en V.

La resiliencia es la energía de impacto, es decir, la energía consumida para romper

una probeta mediante impacto. Se mide en Julios (J) o en Kg/m.

La resiliencia de un material depende de la temperatura, los materiales poseen menor

resiliencia cuanto menor es su temperatura.

2.7.4. Ensayo de Doblado

Los ensayos de doblado (plegado) se realizan sometiendo la probeta a flexión, hasta

doblarla con una determinada curvatura, de forma que su cara exterior quede

sometida a fuertes tensiones de tracción.

Dependiendo de la norma aplicable puede exigirse un determinado ángulo de

doblado sin que aparezcan grietas o, más frecuentemente, un doblado a 180° (caras

paralelas) sin que las grietas superen un determinado tamaño.

Se trata de un ensayo muy exigente que permite medir la ductilidad del material en la

zona estirada. Suele aplicarse para valorar la capacidad de deformación, o para

47

detectar posibles anomalías en una zona, por ejemplo, donde se haya realizado una

soldadura.

2.8. Ensayos No Destructivos (END)

Los ensayos no destructivos son métodos de inspección que se realiza al cordón de

soldadura con el objetivo de la búsqueda y exploración de imperfecciones tanto en el

interior como en la superficie del cordón. En la industria metalmecánica, para la

inspección, se utilizan 05 métodos de inspección conocidos: Inspección Visual,

Inspección con Líquidos Penetrantes, Inspección con Partículas Magnéticas,

Inspección por Ultrasonido Industrial e Inspección por Gammagrafía Industrial.

2.9. Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS)

La especificación del Procedimiento de Soldadura es un documento físico en el que

se registran las variables del proceso (tipo y dimensiones de material base a soldar y

material de aporte a emplear, posición de soldeo, número de pasadas, diseño de

junta) así como variables operativas (valores de amperaje y voltaje a emplear,

velocidad de soldeo y diámetro de electrodos a emplear en cada pase se soldadura).

2.10. Revisión de los procesos de soldadura utilizados en la industria

El proceso de soldadura es un proceso físico-químico en la cual se unen dos

materiales metálicos con características similares (parecidas propiedades físicas y

químicas: soldabilidad) a través del aporte de energía proporcionado por una fuente

externa.

Existen diferentes procesos de soldadura dentro de las cuales podemos citar:

48

1. Soldadura por Presión: Una forma de lograr el contacto íntimo de dos superficies

metálicas para la producción de una soldadura, es someter las mismas a una presión

recíproca. Si ésta es de magnitud adecuada, será capaz de romper las capas de óxido

y humedad y deformar la superficie, logrando así el contacto necesario. Este proceso

puede o no ser asistido por energía térmica, pero debe tenerse en cuenta que, cuando

así ocurra, la temperatura del proceso debe mantenerse por debajo del punto de

fusión de los materiales que intervienen. El principal efecto del uso de energía

térmica es el de reducir la tensión de fluencia de los materiales que se sueldan, así

como disociar los óxidos

2. Soldadura por Fusión: Para lograr la unión de materiales es utilizando energía

térmica para fundir localmente los metales que se deseen unir y, de esta manera,

lograr la eliminación de las capas mencionadas y el íntimo contacto de las piezas por

la fusión y solidificación de los materiales en contacto.

En la figura 16 se muestra un esquema en la cual se clasifican los procesos de

soldadura por Fusión y por Presión.

Figura 16 Clasificación General de los proceso de soldadura

Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pag. 23

49

2.10.1. Soldadura por Fusión con Arco Eléctrico

Es un proceso de soldadura, donde la unión es producida por el calor generado por

un arco eléctrico, con o sin aplicación de un metal de aporte.

La energía eléctrica se transforma en energía térmica, pudiendo llegar esta energía

hasta una temperatura aprox. 4000°C. La energía eléctrica es el flujo de electrones a

través de un circuito cerrado. Cuando ocurre una pequeña ruptura dentro de cualquier

parte, o apertura el circuito, los electrones se mueven a gran velocidad y saltan a

través del espacio libre entre los dos terminales, produciendo una chispa eléctrica,

con la suficiente presión o voltaje para hacer fluir los electrones continuamente. A

través de esta apertura, se forma el arco eléctrico, fundiéndose el metal a medida que

se avanza. El arco eléctrico es por lo tanto, un flujo continuo de electrones a través

de un medio gaseoso, que genera luz y calor.

Figura 17: Diagrama del circuito de soldadura por arco eléctrico.

Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 25

50

2.10.1.1. Soldadura por Arco Eléctrico manual con electrodo metálico revestido

Este tipo de soldadura es un proceso de unión por fusión de piezas metálicas, en la

cual para lograr la unión, se concentra el calor de un arco eléctrico establecido entre

los bordes de las piezas a soldar y una varilla metálica, llamada electrodo,

produciéndose una zona de fusión que, al solidificarse, forma la unión permanente.

El equipo de soldeo consta de:

Figura 18: Partes del Circuito de Soldadura por Arco Eléctrico

Fuente: Manual de Soldadura pág. 25

1. Generador de Corriente (Fuente de Poder)

2. Cables de Conexión

3. Porta-Electrodo

4. Masa o Tierra

5. Electrodo

6. Pieza de Trabajo

2.10.1.2. Principio de Funcionamiento de la soldadura por arco eléctrico

El circuito se cierra momentáneamente, tocando con la punta del electrodo a la pieza

de trabajo, y retirándola inmediatamente a una altura establecida, formándose de esta

manera un arco. El calor funde un área restringida del material base y la punta del

electrodo, formando pequeños glóbulos metálicos, cubiertos de escoria líquida, los

51

cuales son transferidos al metal base por fuerzas electromagnéticas, con el resultado

de la fusión de dos metales y su solidificación a medida que el arco avanza, según se

muestra en la figura 19.

Figura 19: Diagrama del proceso de fusión durante el proceso de soldadura.

Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 25

El proceso de soldadura por fusión por arco eléctrico con electrodo metálico

revestido genera una gran emisión de calor y luz, los cuales muchas veces son

perjudiciales para la persona produciendo muchas veces quemaduras, ligeras lesiones

a la piel y dolores temporales a los ojos, si es que no se protege debidamente.

Además de esto al emitir gran cantidad de calor al medio ambiente la eficiencia

térmica del proceso es relativamente baja en comparación con los demás

proceso de soldeo.

2.10.1.3. Nociones de Electricidad con relación al arco eléctrico

Para comprender mejor la aplicación del arco eléctrico a la soldadura, es necesario

conocer ciertos principios fundamentales relacionados con la electricidad.

52

a) Circuito Eléctrico: La corriente eléctrica en un flujo de electrones que circula por

un conductor en circuito cerrado, denominado circuito eléctrico.

b) El circuito de soldadura por arco eléctrico: La corriente fluye a partir del borne de

la máquina de soldar, donde se fija el cable del electrodo (1), y termina en el borne

de la máquina, donde se fija el cable de tierra o de trabajo (2).

Figura 20: Flujo eléctrico durante el proceso de soldeo.

Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 26

Como puede observarse en la Figura 20, a partir del punto (1) la corriente fluye al

porta-electrodo y por éste al electrodo; por el extremo del electrodo salta la

electricidad a la pieza formando el arco eléctrico; sigue fluyendo la electricidad por

el metal base al cable de tierra (2) y vuelve a la máquina.

El circuito está establecido sólo cuando el arco se encuentra encendido.

c) Voltaje y Amperaje

La característica de la fuente de alimentación es la representación gráfica de la

relación que existe en todo momento entre la tensión (voltaje) y la intensidad de

corriente (amperaje) de la fuente. La corriente y el voltaje reales obtenidos en el

53

proceso de soldeo vienen determinados por la intersección de las curvas

características de la máquina y del arco, y son las variables principales de establecer

la calidad del cordón de soldadura.

d) Clases de Corriente Eléctrica

Corriente Alterna (CA): El flujo de corriente varía de una dirección a la opuesta.

Este cambio de dirección se efectúa 100 a 120 veces por segundo. El tiempo

comprendido entre los cambios de dirección positiva o negativa se conoce con los

nombres de ciclo o período (50 a 60 ciclos).

Por lo general se utiliza la corriente alterna de 220 voltios y 60 ciclos. Esta corriente

es transportada por redes eléctricas monofásicas que utilizan 2 cables, o bien es

conducida por redes eléctricas trifásicas, que utilizan 3 cables de transportación.

Las máquinas de soldar pueden utilizar tanto la corriente monofásica como la

trifásica.

Corriente continua (CC): El flujo de corriente conserva siempre una misma

dirección: del polo negativo al positivo.

e) Polaridad: En la corriente continua es importante saber la dirección del flujo de

corriente. La dirección del flujo de corriente en el circuito de soldadura es expresada

en término de polaridad. si el cable del porta-electrodo es conectado al polo negativo

(-) de la fuente de poder y el cable de tierra al polo positivo (+), el circuito es

denominado polaridad directa o normal.

Cuando el cable del porta-electrodo es conectado al polo positivo (+) de la fuente de

poder y el cable de tierra al polo negativo, el circuito es denominado polaridad

invertida o indirecta.

54

F

Figura 21: Tipos de polaridad para el proceso de soldadura.

Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 26

En algunas máquinas no es necesario cambiar los cables en los bornes, porque

poseen una manija o llave de conmutación que permite cambiar de polaridad con

facilidad.

En una máquina de corriente alterna no es posible diferenciar los cables por sus

conexiones de grapa y porta electrodo porque la electricidad fluye por ellos

alternando su sentido o dirección.

Generalmente, el electrodo conectado al polo positivo (polaridad invertida) permite

una mayor penetración y el electrodo conectado al negativo (polaridad directa) da

una mayor velocidad de fusión. Sin embargo, los componentes químicos del

revestimiento del electrodo pueden hacer variar los efectos de la polaridad y, por

ello, es conveniente seguir las instrucciones del fabricante para conectar el electrodo

correctamente, ya sea al polo positivo o negativo.

Cuando se suelda con un electrodo, debe usarse siempre la polaridad correcta para

obtener los resultados satisfactorios que se esperan: buena penetración, aspecto

uniforme del cordón, excelente resistencia de la junta soldada.

55

Figura 21: Efectos de la polaridad y el tipo de la corriente.

Fuente: Manual de Soldadura OERLIKON pág. 27

f) Fenómenos del arco eléctrico para soldar: En los polos del arco, el voltaje varía

según la longitud de éste. Al rozar el electrodo con la pieza, el voltaje es cero y va

aumentando a medida que la longitud del arco se hace mayor, hasta que -por alejarse

demasiado el electrodo- el arco se interrumpe y la máquina vuelve a su “voltaje en

vacío”, que es siempre más elevado que el voltaje de trabajo.

La intensidad de corriente o amperaje necesario para fundir el electrodo y, por lo

tanto, la pieza a soldar debe elevarse a medida que aumenta el diámetro del electrodo

utilizado. La regulación o aumento del amperaje la hace el soldador.

Como se ha visto, durante el proceso de soldadura el metal base es expuesto a altas

temperaturas llegando incluso hasta su temperatura de fusión en la cual las moléculas

de los materiales interactúan formando nuevas estructuras cristalinas y por ende

generando variaciones en las propiedades físicas de los materiales.

56

III. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS

MATERIALES DURANTE EL PROCESO DE SOLDADURA

MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO

REVESTIDO

Como se ha estudiado, durante el proceso de soldadura los materiales base sufren

alteraciones en la geometría, distribución y tamaño de sus granos, los cuales generan

variaciones en sus propiedades mecánicas que repercuten en el comportamiento final

del elemento en servicio.

A continuación se desarrollará una evaluación del comportamiento del material de

una tubería de acero al carbono de 8” de diámetro cédula 40 de material API 5L GR

X42 soldada mediante proceso SMAW (Soldadura manual por arco eléctrico con

electrodo revestido) con el electrodo E6010 para el pase raíz y E7010 para los demás

pases de soldadura.

3.1. Datos Generales

3.1.1. Ubicación del proceso

El trabajo consiste en la reparación del Oleoducto de 8” que transporta Petróleo

Crudo desde la Base Capahuari Sur hasta la Estación Gathering en el Lote 1AB de

Andoas, en el cual se realizará el reemplazo de cierto tramo de tubería que presenta

corrosión localizada y que se encuentra fuera de los valores permitidos y establecidos

por el área de PGID (Programa de Gerenciamiento e Integridad de Ductos) de la

empresa.

En la figura 3.1 de la página 62 se muestra la ubicación geográfica del trabajo de

reparación del oleoducto.

57

Figura 22: Esquema de ubicación geográfica de zona de trabajo.

FUENTE: Diagrama de Flujo – Layout General Capahuari Sur Lote 1AB – Andoas, Loreto, Perú. Plano N° FM-P2-152.1

58

Por éste motivo se deberá realizar la construcción del tramo de tubería a reemplazar

teniendo en cuenta la siguiente información:

Tubería de 8” de diámetro cédula 40 (espesor de pared 8.18 mm).

Material de Tubería: API 5L Grado X42

Norma de Construcción: Standard API 1104 Edición 2013 – Soldadura de

Tuberías e Instalaciones Relacionadas.

3.1.2. Desarrollo de la Actividad

Según el requerimiento de la Norma de Construcción API STD 1104 – 2013 el

constructor deberá realizar el soldeo de la tubería utilizando para esto un

Procedimiento de Soldadura Calificado, para lo cual deberá preparar una probeta

(tubería del mismo material) y realizar el soldeo teniendo en cuenta la regulación de

los parámetros de soldadura I (Corriente) y V (Voltaje) que permitan asegurar la

saneidad del cordón de soldadura.

Un Procedimiento de Soldadura es un documento escrito en el cual se establece

todos los parámetros de soldadura necesarios para poder realizar una correcta y

adecuada unión entre materiales semejantes.

Debido a consideraciones de facilidades y principalmente consideraciones de costos

se decidió utilizar el proceso de soldadura SMAW (soldadura manual por arco

eléctrico con electrodo revestido) para el soldeo de las tuberías, por lo que la

calificación del procedimiento de soldadura se realizará utilizando éste método de

soldeo.

59

3.1.3. Consideraciones para la Calificación del Procedimiento de Soldadura

Para el proceso de calificación del Procedimiento de Soldadura se tendrá en cuenta la

siguiente información:

Material Base: Tubería de acero sin costura longitudinal (SMLS) de 8” de diámetro

cédula 40 de material API 5L Grado X42.

Material de Aporte: E6010 (para el pase raíz) y E7010-A1 (para los demás pases de

soldadura)

Proceso de soldadura: SMAW

3.2. Soldadura Manual por Arco Eléctrico con Electrodo Revestido (SMAW)

La soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido, conocido como

proceso SMAW, tiene como base la generación del arco eléctrico producido entre el

elemento a soldar y un electrodo metálico recubierto. El recubrimiento protege el

interior del electrodo hasta el momento de la fusión. Con el calor del arco, el extremo

del electrodo se funde y se quema el recubrimiento, de modo que se obtiene la

atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido desde el

núcleo del electrodo hasta el baño de fusión en el material base.

Elementos del proceso de soldadura SMAW.

Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van del

polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al negativo,

de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme pierden o

ganan electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que ayudarán a la

formación de una atmósfera protectora. Esta misma alcanza la mayor temperatura del

proceso.

60

Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que éste,

formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por la

combustión del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma cónica.

Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del material, donde

parte de éste se mezcla con el material de aportación del electrodo, provocando la

soldadura de las piezas una vez solidificado.

Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y profundidad

vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.

Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de aportación

del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria, compuesta por impurezas

que son segregadas durante la solidificación y que posteriormente son eliminadas, y

sobre el espesor, formado por la parte útil del material de aportación y parte del

metal base, la soldadura en sí.

Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del circuito; en

su extremo se genera el arco eléctrico. En algunos casos, sirven también como

material fundente. Los electrodos están compuestos de dos piezas: el alma y el

revestimiento. El alma o varilla es un alambre (de diámetro original 5,5 mm) que se

comercializa en rollos continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa

mecánicamente (a fin de eliminar el óxido y aumentar la pureza) y posteriormente lo

trefila para reducir su diámetro. El revestimiento se produce mediante la

combinación de una gran variedad de elementos (minerales varios, celulosa, mármol,

61

aleaciones, etc.) convenientemente seleccionados y probados por los fabricantes, que

mantienen el proceso, cantidades y dosificaciones en riguroso secreto.

La composición y clasificación de cada tipo de electrodo está regulada por AWS

(American Welding Society), organismo de referencia mundial en el ámbito de la

soldadura.

3.3. Características del proceso SMAW

Dentro de las características que se presentan en el proceso de soldadura SMAW se

pueden citar:

El metal de aportación y los medios para su protección durante el soldeo proceden

del propio electrodo revestido. No es necesaria protección adicional mediante gases

auxiliares o fundentes granulares.

Es menos sensible al viento y a las corrientes de aire que los procesos por arco con

protección gaseosa. No obstante el proceso debe emplearse siempre protegido del

viento, lluvia y nieve.

Se pueden emplear en cualquier posición, en locales abiertos y en locales cerrados,

incluso con restricciones de espacio. No requiere conducciones de agua de

refrigeración, ni tubería o botella de gases de protección, por lo que puede emplearse

en lugares relativamente alejados de la fuente de energía.

Es aplicable en gran variedad de espesores, en general mayores de 2 mm.

No es aplicable a metales de bajo punto de fusión como plomo, estaño, cinc y sus

aleaciones, debido a que el intenso calor del arco es excesivo para ellos.

62

3.4. Clasificación de los electrodos según norma AWS

Los electrodos utilizados para el soldeo de las tuberías de 8” SCH 40 son los

siguientes:

Nombre Común: CELLOCORD 70-T (Para el pase caliente, relleno, acabado)

Clasificación: E7010 – A1

Especificación: AWS A5.5

Diámetro: 4.0 mm

Nombre Común: CELLOCORD P-T (Para el pase raíz)

Clasificación: E6010

Especificación: AWS A5.1

Diámetro: 3.25 mm

3.5. Clasificación de los materiales según norma API

3.5.1. Análisis del Material Base

Las tuberías de este tipo de material presentan una resistencia mecánica de 415 MPa

y son utilizados principalmente para el transporte de hidrocarburo líquido y gaseoso.

En el anexo 1 se muestra la tabla de procesos aceptables de manufactura y niveles de

especificación de las tuberías que se utilizaran para el desarrollo del proyecto.

Composición Química de la tubería

Según la Especificación API 5L la composición química del material varía según el

proceso de manufactura, por lo que nos muestra en la Tabla 4 y 5 las diferentes

63

composiciones que puede tener cada material para cada proceso de manufactura, para

nuestro caso se comprimirá solamente al material API 5L Grado X42.

En el anexo 2, se muestra la composición química de la tubería que se utilizará en el

proyecto, el mismo que se encuentra especificado en el código API 5L.

Propiedades Mecánicas

Propiedades de Tracción de la tubería

Las propiedades de tracción que debe cumplir la tubería que se utilizará en el

proyecto se encuentra especificado en el anexo 3.

Antes de iniciar cualquier trabajo se debe inspeccionar primero el material base a fin

de detectar imperfecciones (discontinuidades) en la superficie los que puedan generar

fallas durante la operación. Las principales discontinuidades superficiales que se

pueden encontrar en las tuberías se muestran a continuación.

Tabla 3: Discontinuidades superficiales en tuberpias API.

Discontinuidad Criterio de Aceptación

Presencia de Fisuras No AceptableGolpes de Arco No AceptableSocavación, para tuberías con costura Aceptable hasta una longitud < 0.5t

LaminacionesAceptable hasta una longitud < 6.4 mm (en la dirección circunferencial)

Desviaciones geométricas (cilindricidad) Aceptable hasta una desviación < 3.2 mmOtras discontinuidades Aceptable cuando la profundidad < 0.125tt: espesor de la pared de la tubería.

DISCONTINUDADES SUPERFICIALES EN TUBERÍAS API

FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L.

64

Las tolerancias indicadas en el cuadro (criterios de aceptación) se indican en la

Especificación API 5L, por lo que deben ser cumplidas para el aseguramiento de la

calidad.

3.5.2. Análisis de los materiales de aporte

Electrodo E 6010

El electrodo E6010 es un electrodo revestido alto contenido de celulosa, diseñado

para proporcionar un arco uniforme y estable con suficiente fuerza para lograr una

penetración profunda dentro del metal base. Este electrodo muestra una gran

eficiencia de deposición y poca perdida por salpicadura. Produce un charco de

soldadura que se humedece y distribuye bien, mientras que se fija con suficiente

rapidez para hacer que este electrodo sea ideal para técnicas de soldadura vertical

hacia arriba o hacia abajo. Los electrodos E6010 producen un cordón plano de

soldadura con ondulaciones gruesas y una escoria delgada de fácil remoción. Los

electrodos E6010 pueden utilizarse en posiciones planas, horizontales, verticales o

elevadas.

Aplicaciones Típicas

Los electrodos E6010 se utilizan más comúnmente para las soldaduras fuera de

posición tales como en la construcción en el campo, los astilleros, torres de agua,

recipientes a presión, tuberías a presión, piezas de acero fundido, tanques simples de

almacenaje y de acero galvanizado, etc.

En el anexo 4 se muestra la composición química y propiedades mecánicas del

electrodo E6010 que será utilizado en el proyecto.

65

Tamaños Disponibles y Corrientes Recomendadas

En la tabla 4 se muestran los tamaños disponibles y corrientes recomendadas del

electrodo E6010 que será utilizado en el desarrollo del proyecto.

Tabla 4: Tamaños Disponibles y Corrientes recomendadas para electrodos.

Diám. (pulg.) 3/32 1/8 5/32 3/16 7/32 1/4Longitud (pulg.) 14 14 14 14 14 14Amperaje (A) 60-85 80-120 110-160 150-200 160-210 190-240Voltaje (V) 50-70 70-110 110-150 130-170 130-190 --

FUENTE: Google_Información de Electrodos

Electrodo E7010-A1

El electrodo E7010-A1 es un electrodo con alto contenido de celulosa desarrollado

específicamente para soldar líneas de tuberías. Aunque este electrodo puede

utilizarse en cualquier posición, se presta mejor para la soldadura vertical hacia

arriba o hacia abajo. El electrodo E7010-A1 rinde un arco fuerte con penetración

profunda, produciendo un charco de soldadura que se humedece y se distribuye bien,

con una solidificación rápida. Los depósitos de soldadura son de calidad de rayos X,

con resistencias a la tensión de 70,000 libras por pulgada cuadrada que contienen

1/2% Mo. Los electrodos E7010-A1 pueden utilizarse con corriente alterna o directa

(polaridad invertida).

Se recomienda un precalentamiento de 300-575°F al soldar aceros con carbono-

molibdeno. La temperatura exacta de precalentamiento dependerá de las

características del espesor y endurecido de la pieza de trabajo.

66

Aplicaciones Típicas

Los electrodos E7010-A1 se utilizan comúnmente para soldar tuberías de carbono-

molibdeno para servicio al vapor con presiones y temperaturas altas y formas, placas

y piezas estructurales fundidas con un contenido de 1/2% de Mo.

En el anexo 5 se muestra la composición química y propiedades mecánicas del

electrodo E6010 que será utilizado en el proyecto.

3.6. Cálculo de CE y Soldabilidad del material utilizado

Para el cálculo del carbono equivalente (CE), existe un gran número de expresiones

diferentes, de las cuales, teniendo en cuenta el rango de aplicación, se tomará en

cuenta la fórmula del IIW (Instituto Internacional de Soldadura).

En base a la composición química del acero al carbono API 5L grado X42, tomada

del Estándar API 5L, se determinarán los valores:

Composición química del acero al carbono API 5L Grado X42.

%C=0.28; Mn=1.3; P=0.03; S=0.03, V=0.0015; Nb=0.0015; Ti=0.0015.

Se obtiene:

( )%497.0=CE

67

En base a las experiencias establecidas por diferentes autores relacionados con el

tema, podemos hacer una clasificación algo genérica de la soldabilidad de los aceros

en función de su CE, según el siguiente cuadro:

Carbono Equivalente Grado de soldabilidad

CE < 0.2 – 0.3% Buena soldabilidad

CE > 0.4% Presenta riesgo de fisuración en frio en la ZAC

En base a lo indicado líneas arriba, se puede deducir que, debido a que CE > 0.4%, el

acero presenta un riesgo a la fisuración en frio en la ZAC (mala soldabilidad).

Debido a los resultados obtenidos, resulta importante estimar cual será el valor de la

dureza en la zona ZAC, a fin de evaluar las medidas preventivas a considerar durante

el proceso de soldadura, debido a que la fisuración en frio se ve influenciada

directamente por la presencia de estructuras martensíticas en el acero y aparecen días

después del proceso de soldeo.

3.7. Cálculo de la Dureza de la ZAC

La dureza en la Zona Afectada por el Calor (ZAC) se ve afectada directamente por la

aparición de estructuras martensíticas en la estructura ferrítica del acero al carbono,

esto debido al proceso de transformación de los granos de ferrita ante un

enfriamiento rápido del material.

68

De lo indicado en el párrafo anterior, podemos concluir que para el cálculo de la

dureza, es necesario primero determinar el tiempo de enfriamiento.

3.7.1. Cálculo del tiempo de enfriamiento, t8/5

El t8/5 es el tiempo de enfriamiento de una curva en el intervalo entre 800º y 500ºC.

Conociendo además, que es justamente la velocidad en este rango de temperaturas la

que define la posibilidad de tener microestructuras martensíticas o, en general,

microestructuras frágiles en el acero a temperatura ambiente.

La secuencia de cálculo del t8/5 se establece a continuación:

Cálculo de espesor de plancha crítico, tc

- Hnet, depende de los valores de la corriente (A), voltaje (V) y velocidad de soldeo

(mm/seg) obtenidos en el proceso de soldadura, datos obtenidos de campo; y

eficiencia del proceso, SMAW = 75%.

Los datos regulares que se obtienen en campo son:

V = 30v, I = 130A, υ = 5 mm/seg

De donde, usando la siguiente fórmula:

75.0513030 xxH net =

69

cmJ

mmJH net 5850585 ==

- T0, consideramos temperatura inicial: 30°C (selva, clima tropical).

- Densidad (ρ), 7.85 g/cm3 y calor específico (c), 0.48 J/g°C.

- De donde:

mmcmtc 3.1663.1 ==

Teniendo en cuenta el valor de tc obtenido, y conociendo el valor de espesor de

pared t = 8.18 mm, podemos indicar que se trata de un espesor de pared delgado,

debido a que el espesor de pared t < tc.

Por lo que se estimará el tiempo de enfriamiento t8/5 utilizando la siguiente fórmula:

2

2

0

2

02

2

8001

50011

415/8 F

TTtHnet

ckt

−

−

−

=ρπ

- Conductividad térmica del acero, k = 0.53 J/s.cm.°C.

- Factor de junta, F2 = 1.0 (valor que depende del tipo de junta)

De donde, t8/5 = 1.87 seg.

3.7.2. Cálculo de Dureza

Usando el método de Suzuki, según formula siguiente:

70

Donde:

CM

CMK

CM

K

PCYPCa

PCKKCH

Kaa

77.7603.028805532566

11571633237287884

/

5 +−−=−+=−+=−+=

=

BVMoCrNiCuMnSiCPCM 510152060202030

++++++++=

Reemplazando los valores, se obtiene:

PCM = 0.345

Y5 = 0.97065

aK = 1121.36

K = 295.075

H = 239.445

a = 3.8

Por lo que se obtiene: HV = 515.0

Ahora, se calcula los límites de la dureza utilizando el método de Düren, donde:

305802 +== CHVHV M (100% martensita)

101305 +== BB CEHVHV (0% martensita)

Donde: 361759811VMoNiCrCuMnSiCCEB +++++++=

Reemplazando los valores, obtenemos:

71

CEB = 0.4425

HVM = 529.56 (Dureza 100% martensita)

HVB = 235.96 (Dureza 0% martensita)

De donde podemos observar que el valor estimado de la dureza en la ZAC, después

del proceso de soldadura, se encuentra cercano al valor de la máxima dureza (cuando

existen 100% estructuras martensíticas en el acero), y es debido a que la dureza

máxima que se puede obtener en la ZAC es cuando toda la estructura es martensítica.

De la ecuación propuesta por Suzuki, podemos observar que la única variable que

puede modificar el valor de HV es el t8/5, por lo que estimamos diferentes valores

para ver su tendencia:

Figura 23: Comportamiento de la Dureza del material variando el valor de t8/5.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura, Carlos Fosca – PUCP

De donde se concluye que, mientras mayor sea el valor de t8/5, menor será la dureza

de la ZAC y por ende menor será la formación de estructuras martensíticas.

72

Como recomendación general para las construcciones soldadas, se procura que el

tiempo de enfriamiento entre 800º y 500ºC (t8/5) debe encontrarse dentro del

siguiente rango: 10 seg < t8/5 < 25 seg

El valor de la temperatura de enfriamiento, t8/5, depende entre otras cosas de la

temperatura inicial del material, T0, por lo que resultaría muy necesario precalentar el

elemento antes de soldar.

3.8. Determinación de la Temperatura de Precalentamiento.

Para determinar el calor de la temperatura de precalentamiento es necesario definir el

método a emplear teniendo en cuenta los rangos de aplicación, para éste caso

emplearemos el método de CET, debido a que toma en cuenta la templabilidad

(grado de endurecimiento) como criterio de susceptibilidad a la fisuración en frío,

criterio que justamente lo determinamos como crítico al estimar un alto valor de

dureza en la ZAC.

Método del CET

Reemplazando los datos inicialmente indicados, se obtiene:

CET = 0.41

Hneto = 5.85 KJ/cm

HD = 10

73

t = 8.18 mm

Ahora, para el cálculo de la Temperatura Mínima de precalentamiento, se utilizará la

siguiente relación:

330)3253(62)35(160700)( 35.0 −−+++=° netHCETHDtTanhCETCTp

Reemplazando los valores obtenidos:

33085.5)3241.053(1062)3518.8(16041.0700)( 35.0 −−+++=° xxxTanhxCTp

De donde obtenemos: Tp = 73.37°C

A partir de este valor de Temperatura Inicial (T = 75ºC) se volverá a determinar el

valor de tc, t8/5 y HV con las fórmulas anteriormente indicadas.

Para T0 = 75ºC

De la fórmula del punto 3.7.1., obtenemos que tc = 17 mm.

A partir de este valor, obtenemos que el nuevo t8/5 resulta un valor de 7.4 seg.,

mucho mayor que el 1.87 obtenido anteriormente.

Y finalmente, obtenemos un nuevo valor de la dureza de 415.0, valor mucho menor

al 515 obtenido anteriormente, lo que demuestra explícitamente la función e

importancia del precalentamiento de los elementos antes de soldar.

3.9. Determinación de la Velocidad de Enfriamiento (VCT)

Teniendo en cuenta, para el espesor de pared utilizado, utilizaremos la siguiente

ecuación para determinar la velocidad de enfriamiento.

74

Obtenemos: R = 131°C/seg, el cual evidentemente representa un valor muy elevado

debido a que dicho cálculo es puntual (a un valor de Tc = 550°C), por lo que a

continuación se muestra la variación de la temperatura final de la tubería a través del

tiempo (obtenido a partir de los valores de velocidad de enfriamiento).

Figura 24: Variación de la Temperatura de la tubería con el tiempo de enfriamiento.

FUENTE: Introducción a la Mtelurgia de la Soldadura, Carlos Fosca – PUCP

3.10. Análisis de variables de soldeo que modifican las propiedades mecánicas de los

elementos soldados.

Como hemos visto en los temas anteriores, existen diversas variables de soldeo que

repercuten en el comportamiento final y en las propiedades mecánicas finales del

material soldado, veremos los mas resaltantes.

75

Velocidad de Soldeo (υ)

La velocidad de soldeo modifica la Hneto según cálculo desarrolado en el punto 3.7.1,

por ende modifica el valor de la temperatura de enfriamiento, t8/5, alterando el valor

de la dureza final de la ZAC del elemento soldado.

Figura 25: Variación de la Dureza con la velocidad de soldeo.

FUENTE : Introducción a la Mtelurgia de la Soldadura, Carlos Fosca – PUCP

Temperatura inicial del elemento, antes del soldeo (T0)

La temperatura inicial de la tubería repercute principalmente en la velocidad de

enfriamiento final y en el valor de la dureza en la ZAC al final del soldeo.

En las figuras 26 y 27 se muestran las variaciones de la temperatura de enfriamiento

y la dureza en referencia a la temperatura de precalentamiento.

76

Figura 26: Variación de la Temperatura de Enfriamiento con la Temperatura de

precalentamiento.

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Sodadura, Carlos Fosca - PUCP

Figura 27: Variación de la dureza con la temperatura de precalentamiento

FUENTE: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura, Carlos Fosca - PUCP

77

3.11. Estimación de la ZAC para el soldeo de tuberías por el proceso SMAW

Para la estimación del ancho de la ZAC (Zona Afectada por el Calor) durante el

proceso de soldadura de tuberías por el proceso SMAW se utilizará la ecuación

indicada en el punto 2.4.4.

Los valores a reemplazar son.

Tmáx = 723°C (considerada como la temperatura de transformación del acero)

T0 = 40°C (temperatura promedio en el Lote 1AB – Andoas, Loreto)

ρ.C = 0.0044 J/mm3°C (calor específico volumétrico del acero)

Hneto = 585 J/mm (valor obtenido del cálculo 3.7.1)

Tfusión = 1510°C (temperatura de fusión del acero al carbono)

Reemplazando los valores en la ecuación.

4015101

58518.80044.013,4

407231

−+=

−xYxx

Se obtiene: Y = 3 mm

Esto quiere decir que, la zona ZAC del proceso de soldeo de las tuberías de 10” SCH

40 es de 3 cm, área en la cual se pueden presentar posibles problemas de fisuración

en frío, si no se tienen los cuidados necesarios indicados en los puntos anteriormente

78

indicados; además que en esta región se presenta una composición química diferente

al del material base inicial, lo que conlleva a tener propiedades mecánicas diferentes.

3.12. Ensayos Mecánicos a probetas soldadas por el proceso SMAW

Para la construcción, cambio y/o reparación de ductos que transportan Hidrocarburo

se debe cumplir con los lineamientos establecidos en el DS 081-2004-EM

Reglamento de Transporte de Hidrocarburo por Ductos, que en el artículo 47 del

Anexo 1 establece que: “Antes de realizar cualquier actividad de soldadura de las

tuberías del Sistema de Transporte, se deberá realizar la calificación del

procedimiento de soldadura y la calificación de soldadores”, los mismos que se rigen

en el Código API 1104.

Según el código API 1104 para realizar la calificación del procedimiento de

soldadura y calificación de los soldadores se deben realizar probetas de calificación,

las mismas que simularán los parámetros de soldeo que se emplearán en el trabajo

(principalmente valores de amperaje, voltaje, progresión de soldeo, posición de

soldadura y electrodo a usar).

Una vez realizado las probetas soldadas para calificación, éstas deberán ser

aprobadas mediante la técnica de inspección visual, realizado por un inspector de

soldadura calificado en la técnica visual mínimo como Nivel II, según los

requerimientos del código SNT-TC-1A, y mediante ensayos destructivos.

Los ensayos destructivos que deberán ser realizados a las probetas ensayadas están

establecidos en el código API 1104 de la siguiente manera.

79

Para Calificación de Procedimiento de Soldadura:

Ensayo de Tracción (Ver Anexo 1 y 2)

Ensayo de Dobles

Ensayo de Nick Break

Para Calificación de Soldadores (Ver Anexo 3)

Ensayo de Tracción

Ensayo de Dobles

Ensayo de Nick Break

3.13. Abreviaturas

ZAC: Zona Afectada por el Calor

PQR: Registro de Calificación de Procedimiento

WPS: Especificación del Procedimiento de soldadura

WPQ: Registro de Calificación de Soldador

SMAW: Soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido

API: Instituto Americano de Petróleo

DS: Decreto Supremo

3.14. Impacto Ambiental

Los trabajos de cambio de tuberías en el Oleoducto de 8” que transporta Petróleo

Crudo desde la Base Capahuari Sur hasta la Estación Gathering en el Lote 1AB de

Andoas son desarrollados en medio de la selva, donde viven diversas especies de la

flora y fauna del Perú, las mismas que deben ser respetadas y conservadas para

asegurar su supervivencia y evitar su extinción.

80

Como parte del programa de prevención y conservación del medio ambiente se

considera muy importante el cumplimiento de las normativas vigentes y prácticas

recomendadas establecidas por la empresa para la ejecución del trabajo de cambio de

tubería, ya que es de vital importancia asegurar la saneidad del cordón de soldadura

para garantizar el normal funcionamiento del oleoducto y evitar eventos que puedan

causar grandes impactos negativos al medio ambiente producto de derrames de

petróleo.

Un proceso de soldadura adecuado y el empleo de personal calificado darán como

resultado un cordón de soldadura adecuado, el mismo que, ante esfuerzos externos

(flexión del ducto por deslizamiento de terreno, golpes en el cordón de soldadura

producto de caída de árboles, etc.) tendría poca probabilidad de fallar y evitar un

derrame de petróleo.

Dentro del programa de aseguramiento de la integridad del ducto se ha establecido de

manera obligatoria realizar una prueba de hermeticidad del tramo nuevo que se

colocará, a fin de validar la resistencia tanto del material (tubería) como del cordón

de soldadura, exponiéndolos a éstos a presiones por encima de la presión de

operación, esto respaldado según DS 081-2007-EM y norma internacional ASME

B31.4:2009.

81

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. Conclusiones

1. El proceso de soldadura es un proceso físico de unión de materiales por el aporte de

calor que genera una alteración en sus propiedades mecánicas, he allí la importancia

de controlar la cantidad de calor aportado.

2. Observando la figura 24 de la página 74, se puede concluir que la velocidad de

enfriamiento del material después de la soldadura es una función exponencial

negativa, observándo un alto gradiente de temperatura al inicio y un enfriamiento

muy lento mientras pasa el tiempo.

3. Para la tubería de 10” de diámetro y espesor 8.18 mm se tiene que el tamaño de la

ZAC es de 3mm (según punto 3.11 de la página 68), zona en la cual se observan las

variaciones de las propiedades mecánicas.

4. La velocidad de soldeo modifica la Hneto según cálculo desarrollado en el punto 3.7.1.

de la página 68, por ende modifica el valor de la temperatura de enfriamiento, t8/5,

alterando el valor de la dureza final de la ZAC del elemento soldado, según cálculo

desarrollado en el punto 3.7.2. de la página 69.

5. De la figura 25 de la página 75 se concluye que la velocidad de soldeo de las tuberìas

a soldar debe ser baja para evitar una elevada dureza de la ZAC final.

6. De la figura 23 de la página 71 se concluye que, mientras mayor sea el valor de t8/5,

menor será la dureza de la ZAC y por ende menor será la formación de estructuras

martensíticas.

82

7. Para realizar el soldeo de las tuberías de 10” de espesor 8.18 mm en el lote 1AB, se

debe realizar un precalentamiento inicial de la tubería a una temperatura mínima de

75°C, con el objetivo de minimizar la presencia de estructuras martensíticas que se

producirían por un enfriamiento rápido, además de lograra incrementar la

soldabilidad del acero. Además con el precalentamiento se logra eliminar toda

presencia de partículas de agua (humedad) que pueden existir suspendidas en la

atmósfera, y que puedan ingresar al proceso de soldeo y posteriormente producir

porosidades en el cordón de soldadura.

8. Para realizar cualquier trabajo de construcción, reparación o cambio de tuberías en

un ducto de transporte de hidrocarburo debemos cumplir con los requerimientos del

Reglamento de Transporte de Hidrocarburo en Ductos DS 081-2004-EM.

9. Para realizar todo trabajo de soldeo de tuberías, previamente debe haber una revisión

de toda las consideraciones técnicas a cumplir, dentro las cuales se incluyen a la

calificación del procedimiento de soldadura a emplear, calificación del o de los

soldadores que realizarán el soldeo, selección correcta del electrodo a utilizar,

verificación de los parámetros del equipo de soldeo, dotación adecuada de los

equipos de protección personal y todas las consideraciones de seguridad en el lugar

de trabajo.

10. Para el proceso de calificación de procedimiento de soldadura y calificación de

soldadores, debe tenerse en consideración que se debe utilizar los mismos materiales

e insumos que serán empleados durante el soldeo durante la construcción, esto con el

objetivo de simular las mismas condiciones de trabajo y garantizar una correcta

aplicación del proceso.

83

4.2. Recomendaciones

1. Antes de realizar una unión de materiales mediante soldadura, se debe realizar una

calificación del procedimiento y calificación del soldador los cuales garanticen la

saneidad del cordón de soldadura.

2. Como práctica recomendada se recomienda siempre realizar controles y

aseguramientos de calidad antes de realizar el proceso de soldadura, a fin de validar

los trabajos que se desarrollen.

3. Es recomendable que al finalizar el procedo de soldadura se debe aislar el cordón de

soldadura con una manta aislante a fin de disminuir la alta velocidad de enfriamiento

que se inicia justo después del soldeo.

4. Siempre es recomendable utilizar un material de aporte con similares propiedades

físicas y composición química que el material base.

5. Para minimizar los cambios bruscos de temperatura luego de que se haya concluido

el proceso de soldadura, es recomendable realizar un post-calentamiento con soplete

alrededor del cordón de soldadura, con el objetivo de minimizar al gradiente de

temperatura que se origina con la tubería alrededor; luego de ello, se recomienda

cubrir con una manta térmica el área soldada a fin de disminuir el gradiente de

temperatura con la atmósfera.

6. Luego de realizar el soldeo de las tuberías, se debe realizar la inspección visual del

cordón soldado y evaluarlo mediante técnicas de inspección mediante ensayos no

destructivos, los cuales están establecidos en el código ASME/ANSI B31.4 para

tuberías que transportan hidrocarburo líquido. Estos ensayos deben ser del tipo

84

volumétrico a fin de poder verificar la saneidad del cordón de soldadura en el

interior, este tipo de ensayos pueden ser mediante la emisión de placas radiográficas

o mediante la emisión de ondas ultrasónicas.

85

V. BIBLIOGRAFÍA

1. Hernández Riesco, Germán – Manual del Soldador.

2. OERLIKON – Manual de Soldadura.

3. Pontificia Universidad Católica del Perú – Introducción a la Metalurgia de la

Soldadura.

4. ASME Sección IX Edición 2010: “Código Internacional de Calderas y Recipientes a

Presión – Calificación de soldadura”

5. Norma ANSI/ASME B31.4 Edición 2009: “Sistema de Tubería para el Transporte de

hidrocarburos líquidos y otros líquidos”.

6. Código Estándar API 1104 Edición 2010: “Soldadura de Tuberías e Instalaciones

Relacionadas”.

7. Código Estándar API Especificación 5L Edición 2012: “Especificación para línea de

tubería”.

8. Decreto Supremo 081 Edición 2007 – EM: “Reglamento para el Transporte de

Hidrocarburo por Ductos”.

86

VI. ANEXOS

ANEXO – 1: Características del Material Según Código Estándar API

Especificación 5L – 2012, según el Proceso de Manufactura de la Tubería

FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L, pág. 28.

87

ANEXO – 2: Composición química del material utilizado.

C Mn S V Nb Ti

máx. máx. min. máx. máx. máx. máx. máx.

Seamless pipe 0.28 1.3 - 0.03 0.03 < 0.0015 < 0.0015 < 0.0015

Welded pipe 0.26 1.3 - 0.03 0.03 < 0.0015 < 0.0015 < 0.0015

C Mn S V Nb Ti

máx. máx. min. máx. máx. máx. máx. máx.

Seamless pipe 0.24 0.4 1.2 0.025 0.015 0.06 0.05 0.04

Welded pipe 0.22 0.45 1.3 0.025 0.015 0.05 0.05 0.04

GRADO DE MATERIAL API 5L GRADO X42 - PSL 1 (%fracción en peso)

GRADO DE MATERIAL API 5L GRADO X42 - PSL 2 (%fracción en peso)

Porceso de Manufactura

P

Porceso de Manufactura

P

FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L, pág. 34, 35.

ANEXO – 3: Propidades de tracción del material.

min. máx. min. máx.PSL 1 290 (42 100) - 415 (60 200) -

PSL 2 290 (42 100) 495 (71 800) 415 (60 200) 760 (110 200)

GRADO DE MATERIAL: API 5L GRADO X42

Yield Strength Tensile StrengthMpa (psi)Mpa (psi)Tipo de Tubería

FUENTE: Código Estándar API Especificación 5L, pág. 37, 38.

88

ANEXO – 4: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E6010.

FUENTE: Certificado de Calidad, SOLDEXA

89

ANEXO – 5: Composición Química y Propiedades Mecánicas del electrodo E7010.

FUENTE: Certificado de Calidad, SOLDEXA

90

ANEXO – 6: Resultado de Ensayo de Tracción de probeta soldada.

Fuente: Laboratorio de Materiales – PUCP

91

ANEXO – 7: Curva Esfuerzo – Deformación de probeta soldada.

Fuente: Laboratorio de Materiales – PUCP

92

ANEXO – 8: Resultado de ensayo para calificación de soldadores

Fuente: Reporte de Ensayos Mecánicos – Facultad de Ingeniería Mecánica – UNI

93

ANEXO – 9: Registro de Calificación de Procedimiento (PQR)

94

95

ANEXO – 10: Especificación de Procedimiento de Soldadura (WPS)

96

97

ANEXO – 11: Registro de Calificación de Soldador (WPQ)

98

ANEXO – 12: Certificado de Calidad Cellocord P-T E6010

99

ANEXO – 13: Certificado de Calidad Cellocord 70-T E7010