REPARACIÓN DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENVOLVENTES

8/18/2019 REPARACIÓN DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENVOLVENTES

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“REPARACIÓN DE DUCTOS DE ACERO AL CARBONO QUE

TRANSPORTAN GAS”

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO

PRESENTAN:

JUAN CARLOS LUNA GÓMEZ

CESAR TÉLLEZ TIRADO

MANUEL GONZÁLEZ PINEDA

ASESORES DE TESIS:

M. en I. Jesús García LiraIng. Dagoberto García Alvarado

México D.F. septiembre de 2012


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REPARACIÓN DE DUCTOS DE ACERO AL CARBONO QUE TRANSPORTAN GAS.

AGRADECIMIENTOS

A MIS PADRES:

A QUIENES SIN ESCATIMAR ESFUERZOS HAN SACRIFICADO GRAN DE PARTE EN

FORMARME Y EDUCARME.

A QUIENES NUNCA PODRE PAGAR TODOS TUS DESVELOS Y APOYO INCONDICIONAL.

A MIS HERMANOS Y HERMANAS:

QUE ME HAN APOYADO EN LA VIDA Y EN ESTA ETAPA DE LA EDUCACIÓN.

AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL:

QUIEN NOS APOYO EN LA FORMACIÓN DE LA EDUCACIÓN Y QUE NOS HA PERMITO SER

PERSONAS DE BENEFICIO CON LA ENSEÑANZA.

A LOS ASESORES DE TESIS:

POR EL TIEMPO DE ENSEÑANZA EN ESTA ETAPA DE FORMACIÓN ACADÉMICA.

Y A TODAS LAS PERSONAS QUE PARTICIPARON E HICIERON POSIBLE ESTE PROYECTO,

MUCHAS GRACIAS POR SU APOYO.

GRACIAS SINCERAMENTE

JUAN CARLOS LUNA GÓMEZ

CESAR TÉLLEZ TIRADO

MANUEL GONZÁLEZ PINEDA


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PÁGINA I

ÍNDICE GENERAL

Pág.

Objetivos generales y particulares………….…………………………………………..…..…...……

Justificación………………….………………………………………………………...…….…...…..…

Resumen…………………………………………………………..…………………..….………..…...

Introducción….………………………………………………………………...…………………......…

Glosario….………………………………………………………………………………...…….....……

Símbolos y abreviaturas….……………………………………………………………...………....….

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CAPITULO 1

“CONCEPTOS GENERALES DE SOLDADURA”

1.1 Soldadura y procesos de soldadura….......…...…………………………………..……..…….

1.1.1. Soldadura por arco metal protegido………….......……..…..…......……......………

1.2 Datos de juntas de soldadas……………….………………………………........….....….…….

1.2.1 Uniones de soldadura…………………….……..…….………......….…....….………

1.2.2 Tipos de juntas soldadas……….………….………………..….…….….............……

1.2.3 Partes de una junta soldada……….……………..…….….…….....…...............……

1.2.4 Ciclo térmico de las juntas soldadas……….....................……….............….…..…

1.2.5 Posiciones de soldadura….…….……….………..…...…….……….….............……

1.2.6 Esfuerzos residuales……….…………………..…..…...….……….……............……

1.2.7 Soldabilidad y carbono equivalente……….……………............….…..............……

1.2.8 Precalentamiento…………….…...….………………………..……..…......…...…..…

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1.2.9 Temperatura entre pasos…………………………...…....…….…..…...............……

1.2.10 Calor aportado……………….…….……..…………..….....……….........…….….…

1.2.11 Tratamiento térmico posterior a la soldadura………………………….........…..…

1.3 Análisis térmico……………….……………………......................………..….…............…….

1.3.1 Modelo para análisis térmico……………...…….………………….……..….............….……

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CAPITULO 2

“PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Y NORMAS APLICABLES”

2.1 Códigos, normas y especificaciones….………………........….……………….…..........…….

2.1.1 Definición de términos empleados ……………………….…..…..............…...…….

2.1.2 Norma Oficial Mexicana (NOM)…………………………..…...…..............….…...…

2.1.3 Norma Mexicana (NMX) …….……………………………...…............…..….....……

2.1.4 Normas de Referencia (NRF)……….……………………..………...........…...…..…

2.1.5 Norma Internacional (NI)……….…….….………..………....…...............….…….…

2.1.6 Norma Extranjera (NE)………….…….…………..….…………….……................…

2.2 Normas, códigos y especificaciones para el procedimiento de soldadura……............…...

2.2.1 API STANDAR 1104 “Welding Of Pipelines And Related Facilities”…………...…

2.2.2 Cumplimiento de las normas…….………….……………..…..…................….…….

2.3 Calificación de procedimientos y personal de soldadura…………………................….…...

2.3.1 Especificación de procedimiento de soldadura…….……………...…................….

2.3.2 Calificación de la especificación del procedimiento de soldadura…..............……

2.3.3 Calificación de habilidad del soldador…….…………..........……………............……..…….

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CAPITULO 3

“CONTROL DE CALIDAD EN TRABAJOS DE SOLDADURA”

3.1 Aseguramiento de la calidad y control de calidad………………...........…..............…….....

3.1.1 Aseguramiento de la calidad…..............................................................................

3.1.2 Control de calidad…..............................................................................................

3.1.3 La calidad en las uniones soldadas……………….……..…......................…...……

3.2 Inspección por ensayos no destructivos…..........................................................................

3.2.1 Inspección…………………...........………..………….……………….....…....…....…

3.2.2 Inspección de soldaduras…...................................................................................

3.2.3 Ensayos no destructivos aplicables a soldadura en servicio………...................…

3.2.3.1 Técnicas de inspección superficial…..................................................................

3.2.3.2 Técnicas de inspección volumétricas..............................................................…

3.3 Ensayos destructivos aplicables a soldaduras en servicio…..............................................

3.3.1 Ensayos mecánicos…...........................................................................................

3.3.1.1 Ensayo de resistencia a la tracción…………………………..................……....…

3.3.1.2 Ensayo de rotura por entalla………………………………................…..…...……

3.3.1.3 Ensayo de doblado………………………………………........................…..……..

3.3.1.4 Ensayo de dureza…………………………………………….........…...…....….…..

3.3.2 Análisis químico….................................................................................................

3.3.3 Análisis metalográfico…........................................................................................

3.4 Discontinuidades en soldadura y en metal base…………………...….….............….…..….

3.4.1 Clasificación de discontinuidades…......................................................................

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3.4.2 Discontinuidades en juntas soldadas ………….…………........................……...…

3.4.2.1 Porosidad…........................................................................................................

3.4.2.2 Inclusiones de escoria …...……….………..............…..................…........…....…

3.4.2.3 Fusión incompleta…...........................................................................................

3.4.2.4 Penetración incompleta…...................................................................................

3.4.2.5 Socavado ………….……………….……………......….............……..................…

3.4.2.6 Perfil incorrecto de la soldadura…......................................................................

3.4.2.7 Quemadura….....................................................................................................

3.4.2.8 Grietas ………….……………….……………..................…....................……...…

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CAPITULO 4

“REPARACIÓN DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENVOLVENTES METÁLICAS”

4.1 Teoría sobre el reforzamiento con envolventes………………………...........……….............

4.2 Tipos de envolventes…........................................................................................................

4.2.1 Envolventes metálicas….........................................................................................

4.2.1.1 Envolventes mecánicas tipo A…..........................................................................

4.2.1.2 Envolventes metálicas tipo B…............................................................................

4.2.1.2.1 Soldaduras de filete de la envolvente tipo B…..................................................

4.2.1.2.2 Otras configuraciones de reparación con envolventes tipo B........................…

4.2.1.3 Envolventes mecánicas…....................................................................................

4.3 Precauciones, limitaciones y requerimientos adicionales….................................................

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CAPITULO 5

“DESARROLLO DE ELABORACIÓN Y CALIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO”

5.1 Elaboración de la Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS)……..........…....

5.1.1 Registro…..............................................................................................................

5.1.2 Información de la especificación…........................................................................

5.1.2.1 Proceso de soldadura……….………….……....................……….....…….…..….

5.1.2.2 Materiales de la tubería y envolventes…............................................................

5.1.2.3 Diseño de junta……….………….………........................……..............……...…..

5.1.2.4 Metal de aporte………….……….…......................……....…................……...…..

5.1.2.5 Técnicas…..........................................................................................................

5.1.2.6 Precalentamiento y tratamiento térmico después de la soldadura…..................

5.1.2.7 Características eléctricas y velocidad de avance…............................................

5.1.2.8 Condiciones de funcionamiento del ducto….......................................................

5.1.2.9 Rango de entrada de calor…..............................................................................

5.1.2.10 Secuencia del depósito de soldadura…...........................................................

5.1.2.11 Estado final de la especificación del procedimiento de soldadura…................

5.2 Pruebas en campo y Calificación del Procedimiento de Soldadura…................................

5.2.1 Preparación del cupón de ensayo y soldadores…................................................

5.2.2 Control de calidad de materiales y equipo….........................................................

5.2.3 Proceso de soldadura y control de calidad…........................................................

5.3 Requerimientos y resultados de pruebas mecánicas y químicas a probetas..................…

5.3.1 Ensayo de resistencia a la tracción en soldaduras longitudinales….....................

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5.3.1.1 Resultados de ensaye de tensión en soldaduras longitudinales….....................

5.3.2 Ensayo de rotura por entalla en soldaduras longitudinales…................................

5.3.2.1 Resultados de ensayo de rotura por entalla en soldaduras longitudinales.........

5.3.3 Ensayo de doblez de raíz y cara en soldaduras longitudinales….........................

5.3.3.1 Resultados del ensayo de doblez de raíz y cara en soldaduras longitudinales..

5.3.4 Ensayo de rotura por entalla en soldaduras circunferenciales…...........................

5.3.4.1 Resultados de ensayo de rotura por entalla en soldaduras circunferenciales...

5.3.5 Ensayo de macrografía y dureza en soldaduras circunferenciales…....................

5.3.5.1 Resultados de macrografía y perfil de dureza en soldaduras circunferenciales.

5.3.6 Ensayo de doblez de cara en soldaduras circunferenciales…..............................

5.3.6.1 Resultados de doblez de cara en soldaduras circunferenciales.........................

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Conclusiones……………………………………………………..……………….....….................…

Bibliografía….............................................................................................................................

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PÁGINA 1

Objetivos generales y particulares.

Elaborar la especificación de un procedimiento de soldadura para producir soldaduras sanas en la

instalación de envolventes metálicas soldadas, para reparar un ducto de acero al carbono de 10

pulgadas de diámetro nominal, con espesores menores a 0.250 pulgadas, que transporta gas

dentro de los límites terrestres, el cual no puede sacarse de operación para ser reparado y cumplir

con los requerimientos de seguridad y mantenimiento de tuberías, requeridos en las normas

aplicables. También es parte del objetivo de este trabajo hacer notar la importancia de la

calificación del procedimiento de soldadura para la colocación de envolventes metálicas en

sistemas de tubería en servicio.

Así como, realizar la calificación del procedimiento de soldadura y soldadores, realizando la

instalación de una envolvente metálica soldada, en una sección de tubería de 10 pulgadas de

diámetro nominal, simulando condiciones más criticas a las reales del ducto, mediante envolventes

metálicas.


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Justificación.

Aplicando las normas para reparar ductos que transportan gas, se tienen diversos métodos, uno

de estos es la reparación permanente colocando envolventes metálicas soldadas, que se aplica

cuando el ducto no puede sacarse de operación. Para realizar este trabajo se requiere de un

procedimiento y personal calificados. Se consideran dos factores importantes en el análisis de las

condiciones de aplicación de la soldadura en servicio, el primero es la perforación del ducto debida

a quemadura pasante, el segundo es generar una mayor dureza por altas velocidades de

enfriamiento y por lo tanto mayor riesgo de agrietamiento. Además, de la presencia de esfuerzos

de tensión (esfuerzos residuales) y bajos espesores, lo cual aumenta el riesgo de perforar latubería durante la aplicación de la soldadura.


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Resumen.

En el presente trabajo de tesis se realizó la especificación de un procedimiento de soldadura para

realizar soldaduras sanas durante la instalación de envolventes metálicas en ductos en servicio

para el transporte y distribución de gas, de acuerdo a las normas y especificaciones aplicables.

Tomando en cuenta el riesgo que se tiene al realizar estas soldaduras en servicio, ya que el ducto

en operación cuenta con espesores menores 0.250 pulgadas, durante el proceso pueden

generarse grietas debidas a un enfriamiento rápido de las soldaduras, grietas generadas por

hidrogeno inherentes al proceso o bien perforación de la tubería.

Para minimizar estos riesgos, se siguen los requisitos y recomendaciones de prácticas

recomendadas y estándares para realizar soldaduras sobre ductos en servicio. Sin embargo, es

requerido probar que dicho procedimiento funcionará correctamente para realizar los trabajos de

reparación del ducto y calificar el procedimiento de soldadura. Se utilizó un cupón de ensayo, el

cual se realizó siguiendo los lineamientos del apéndice B “In-service welding” de la norma API STD

1104, el cupón se preparo con tubería recuperada de características mecánicas y físicas similares

a la que se encuentra en operación y simulando condiciones mas severas que las reales del ducto

en operación.

Para validar la calificación del procedimiento, el cupón ensayado se sometió a ensayos no

destructivos y destructivos, en los cuales se obtuvieron resultados aceptables por el estándar

aplicado. Dando cumplimiento a estos requerimientos y evaluando los resultados de los ensayos,

se concluyó que el procedimiento de soldadura es aptó para aplicarse en la reparación del ducto

en servicio de 10 pulgadas de diámetro externo que transporta gas y que los soldadores quedan

calificados para realizar las soldaduras de las envolventes metálicas.


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Introducción.

En la industria del petróleo, como parte del programa de mantenimiento en ductos para transporte

y distribución de hidrocarburos, requerido por las normas nacionales e internacionales, se debe

proceder a efectuar los trabajos requeridos en los mismos, conforme al tipo de mantenimiento

(preventivo y/o correctivo), que requiera el ducto en particular, los cuales deben cumplir con

requisitos específicos.

El mantenimiento a la extensa red de ductos es necesario para mantener su la integridad, en

términos de sus niveles de riesgo y ubicación con respecto a las áreas de altas consecuencias,

tanto de población, como ambientales e industriales. La administración de la integridad

proporciona información del estado en el que se encuentran los ductos, ya que toma en cuenta su

integridad, seguridad y operación.

Es requerido por las normas que una vez caracterizado y evaluado, cualquier defecto que requiera

reparación o remoción debe ser atendido inmediatamente.

De los métodos de reparación a utilizar en tuberías con defectos que no cumplen con el criterio de

aceptación y que requieren reparación, se tiene que si el ducto no puede sacarse de operación se

podrá optar por una reparación provisional colocando envolventes mecánicas tales como grapas

de fábrica o improvisadas atornilladas o por una reparación permanente del tipo reforzamiento,

consistente en la colocación de una envolvente metálica soldada o un refuerzo no metálico.

A un ducto de 10 pulgadas de diámetro nominal, con espesor nominal de 0.250 pulgadas, tubería

de especificación API 5L – Grado B, construido y puesto a opera desde el año de 1961 para el

transporte de gas; se le han realizado hasta el momento dos inspecciones mediante herramienta

de equipos instrumentados, para obtener la información detallada del estado físico del ducto, con

la cual se realizaron los Análisis de Integridad Mecánica, los cuales integran la información básicapara elaborar los programas de verificación y rehabilitación y mantenimiento.

De las inspecciones realizadas en campo con la finalidad de verificar las indicaciones reportadas

en la inspección interna con equipo instrumentado, se detectaron perdidas de metal interna,

externas e indicaciones lineales tipo grieta; con espesores en zona sana menores a 0.250

pulgadas, es decir menor al espesor nominal que se tenia como registro.

De las evaluaciones de integridad mecánica de los tramos de tubería donde se realizaron las

verificaciones de indicaciones y de los requerimientos de la normatividad aplicable, se determinó


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que las indicaciones evaluadas requieren reparación, teniendo como primera opción reparar

mediante la sustitución del tramo y como segunda opción reparar mediante la instalación de

camisas metálicas soldadas longitudinal y circunferencialmente, esto de acuerdo a la

disponibilidad del ducto y a criterio del personal responsable de la operación y mantenimiento del

ducto.

Aunado a los requerimientos de integridad mecánica se tiene el historial de fallas en el ducto, con

registros de fugas con explosiones, de las cuales de acuerdo al análisis de falla realizado, se

determinó que la falla se originó debido a un proceso de corrosión circunferencial asistido por

esfuerzos en un ambiente corrosivo y material susceptible al agrietamiento (C-SCC), es decir elresultado es que el metal se fractura repentinamente, sin deformación, después de un cierto

tiempo de servicio; aunque el ataque que recibe la superficie es generalmente muy pequeño,

puede ser imprevisible y aparece tras pocas horas como tras meses o años de servicios

satisfactorios.

Debido a que recientemente este ducto había estado fuera de operación temporalmente, el

personal encargado de la operación y mantenimiento del ducto, determino que el ducto no podría

ser puesto fuera de operación en tiempo no definido. Ya que la producción de gas que se

transporta por este ducto no cuenta con otra opción para transportar dicha producción y tendría

que quemarse mientras se realizan los trabajos de reparación.

Con base a lo anterior, y al riesgo que se tiene al no reparar las indicaciones de tipo grieta a corto

plazo se determinó que la reparación a realizar en el gasoducto seria mediante la instalación de

camisas metálicas que actuaran como contenedoras de presión.

De acuerdo con las normas aplicables a este ducto, se requiere que las reparaciones mediante

camisas metálicas deben ser realizadas por soldadores calificados en acuerdo con un

procedimiento calificado que refleje las condiciones actuales en campo. Aun cuando muchas

compañías cuentan con procedimientos de soldadura calificado para reparación mediante

envolventes, este ducto en particular cuenta con espesores menores a 0.250 pulgadas, por lo cual,

se debe tener mayor atención a dos puntos básicos sobre soldadura de tuberías en servicio. El

primer punto es acerca de evitar falla por quemadura pasante, donde el arco de soldadura causa

una perforación en la pared de la tubería; el segundo punto es la fisuración por hidrógeno, donde

las soldaduras en servicio han sido hechas con una velocidad de enfriamiento rápida como


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resultado del flujo contenido que ayuda a la evacuación de calor por la pared de la tubería y el

tercer punto es por la formación de fases duras que pueden provocar gritas.

Un factor adicional en el análisis de las condiciones de aplicación de soldadura en servicio, esta

relacionado con la metalurgia para la fabricación de aceros, la aplicación de soldadura mediante

arco eléctrico, puede ser realizada sobre tubería de acero existentes, con composiciones químicas

que generan un mayor carbono equivalente y por lo tanto mayor riego a fisuración o en aceros

microaleados de fabricación reciente para tuberías que permiten lograr materiales con elevados

valores de esfuerzo de cedencia y una reducción en los espesores lo cual implicaría un mayor

riesgo de perforar la tubería durante la aplicación de la soldadura.

Con base al riesgo que los defectos detectados generan a la población, medio ambiente e

industriales; al riesgo que existe al realizar soldadoras de filete en la circunferencia de la tubería

en servicio con los espesores medidos, así como a los requerimientos normativos de seguridad,

operación y mantenimiento aplicables al ducto, se debe realizar y calificar el procedimiento de

soldadura, así como la calificación del personal que realizara las soldaduras en campo;

cumpliendo con los requerimientos normativos aplicables.


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Glosario.

Agrietamiento por corrosión bajo esfuerzos (SCC). Forma de ataque ambiental al metal,

habiendo interacción entre un fluido corrosivo y un esfuerzo de tensión en el tubo, lo cual produce

la formación y crecimiento de grietas.

Análisis de integridad: Es el proceso sistemático de evaluación del estado estructural de un

elemento, basándose en la identificación del tipo y grado de severidad de las discontinuidades

presentes en él, a partir de la información técnica del elemento y de los resultados de los reportes

de inspección por ensayos no destructivos.

Cordón de fondeo (de raíz). Es el primer cordón recto que inicialmente une dos secciones del

tubo, una sección de tubo a un accesorio o dos accesorios.

Cupón de prueba: Soldadura realizada en una pieza de muestra de metal exactamente con las

mismas variables delineadas en la especificación para procedimiento de soldadura, para fines de

prueba e inspección.

Defecto: Es una discontinuidad, imperfección o indicación de magnitud suficiente, la cual no es

permitida por el criterio de aceptación del estándar aplicable.

Diámetro nominal (D.N.): Es el diámetro de la tubería, tal como se produjo, o tal como se

especificó, que no debe confundirse con el NPS que es adimensional. Por ejemplo, las tubería

NPS 12, tiene un diámetro exterior especificado de 12.750 pulgadas, NPS 10 tiene un diámetro

exterior especificado de 10.500 pulgadas y NPS 24 tiene un diámetro exterior especificado de

24.000 pulgadas.

Discontinuidad: Es una interrupción de la estructura típica de un material, tal como una falta d

homogeneidad en sus características mecánicas metalúrgicas o físicas. Puede ser una simplevariación en la geometría o una inclusión de un material extraño, una grieta, etc.

Ductilidad:. Capacidad de un metal para ser extendido, estirado o formado sin romperse.

Ducto: Sistema de tubería con diferentes componentes tales como: válvulas, bridas, accesorios,

espárragos, dispositivos de seguridad o alivio, entre otros, por medio del cual se transportan o

distribuyen los hidrocarburos (Líquidos o Gases).


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Ducto de recolección: Es el ducto que colecta aceite y/o gas y agua de los pozos productores

para su envío a una batería o estación de separación.

Ducto de transporte: Es la tubería que conduce hidrocarburos en una fase o multifases, entre

estaciones y/o plantas para su proceso, traslado en el que no se presenta ningún proceso físico o

químico de los fluidos. Se consideran ductos de transporte los que se encuentran dentro de

estaciones de: bombeo, compresión y almacenamiento.

Ducto en operación: Es el ducto que conduce hidrocarburos o sus derivados y se encuentra

operando a una determinada presión interna e incluye aquellos ductos que contienen

hidrocarburos o sus derivados y se encuentran fuera de operación temporal.

Entalle (entalla): Una entalla es un concentrador de tensiones, como grietas o huecos en

materiales, en donde las tensiones aumentan debido a la menor coalescencia entre las moléculas

en su proximidad. Por este motivo, algunos materiales dúctiles pueden fracturarse en entallas.

Equipo instrumentado: Equipo de inspección utilizado para registrar daños, defectos y espesores

en la pared del ducto, comúnmente llamado diablo.

Esfuerzo: Es la relación entre la fuerza aplicada y el área de aplicación, se expresa en kPa olb/pulg2.

Esfuerzo tangencial o circunferencial: Es el esfuerzo ocasionado en la pared de la tubería por la

presión interna de un fluido, se expresa en kPa o lb/pulg2.

Esmerilado: Medio para acabar una soldadura mediante el uso de un abrasivo.

Espesor nominal de pared: Es el espesor de pared de la tubería que es especificada por las

normas de fabricación.

Indicación: Es información obtenida, sobre la superficie de la pieza examinada, en la pantalla de

un instrumento electrónico o sobre una película radiográfica, que requieren de interpretación, a fin

de determinar su significación. Una indicación es el resultado o evidencia de la aplicación de un

ensayo no destructivo.

Soldadura en posición fija. Es la soldadura en la cual el tubo o el montaje se mantienen

estacionario.


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Gas natural: Es una mezcla de hidrocarburos que se encuentran en fase gaseosa, cuya

composición es principalmente metano y en menores cantidades propano y butano; el término

"gas natural" se aplica hoy en sentido estricto a las mezclas de gases combustibles,

hidrocarburados o no, que se encuentran en el subsuelo donde, en ocasiones, se hallen asociados

con petróleo líquido.

La eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) mediante el uso de las tecnologías adecuadas.

El gas alimentado se denomina "amargo", el producto "gas dulce" y el proceso se conoce

generalmente como "endulzamiento”.

Integridad: Conjunto de actividades interrelacionadas enfocadas para asegurar la confiabilidad de

los sistemas de transporte de hidrocarburos y sus derivados. Cubre desde la fase de diseño,

fabricación, instalación, construcción, operación, mantenimiento y desmantelamiento.

Martensita: Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por

enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para

conseguir su constitución austenítica.

La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal en lugar de

cristalizar en la red cúbica centrada, que es la del hierro alfa, debido a la deformación que produce

en su red cristalina la inserción de los átomos del carbono.

MMPCD (MMSCFD): Unidad de flujo volumétrico normalmente utilizada en la industria petrolera

para el gas y que indica millones de pies cúbicos por día de gas a condiciones estándar de 1 atm y

60°F.

Reparación definitiva: Reforzamiento o reemplazo de una sección de tubería conteniendo

defecto(s) o daño(s).

Reparación permanente: Es el reforzamiento de una sección de la tubería que contiene el

defecto, mediante la colocación de una envolvente no metálica o metálica soldada

longitudinalmente y donde la correspondiente soldadura circunferencial es opcional.

Reparación provisional: Es la acción de colocar envolventes tales como grapas o abrazaderas

de fábrica o improvisadas atornilladas en la sección de la tubería que contiene un daño o defecto y

que debe ser reparada en forma definitiva.


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Resina epóxica: Polímero termoestable que endurece cuando se mezcla con un agente

catalizador o endurecedor.

Sanidad: Condición de un ducto cuyo material base y/o soldadura no contiene defectos.

Soldadura de filete: Es toda soldadura de sección triangular aproximadamente, depositada entre

dos superficies en ángulo recto en una junta a traslape, en te o en rincón.

Soldadura en servicio: En muchas ocasiones, debido a necesidades de operación, es

imprescindible realizar soldaduras en tuberías que están en funcionamiento con presión y flujo

interior, este tipo de unión se denomina “soldadura en servicio”.

Socket Weld: Término no estandarizado en español, que se entiende como unión con enchufe

para soldar, se llama así cuando se introduce la punta de un tubo hasta que haga tope en el fondo

de un agujero (socket) de la otra pieza. Luego se aplica un cordón de soldadura por el borde

exterior que une el tubo con la otra pieza.

Tubería: Componente tubular que se utiliza para construir un sistema de ductos, tal componente

puede ser fabricado de diferentes materiales.

Variables esenciales: son aquellos factores que deben registrarse y, si se alteran de cualquier

modo, el procedimiento debe volverse a probar y a recalificar.

Variables no esenciales: son generalmente de menor importancia y pueden alterarse dentro de

límites prescritos.


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Símbolos y abreviaturas.

ANSI - American National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de Estándares).

API - American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo).

ASM - American Society for Metals (Sociedad Americana para Metales).

ASME - American Society Mechanical Engineer (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).

ASNT - American Society for Nondestructive Testing (Sociedad Americana de Pruebas No

Destructivas).

AWS - American Welding Society (Sociedad Americana de Soldadura).

CE - Carbono Equivalente.

CMRT - Reporte Certificado de Prueba del Material o registros de prueba FAT (Pruebas de

aceptación de fabricación)

D.N. - Nominal size (Diámetro nominal).

EWI - Edison Welding Institute (Instituto de soldadura Edison).

FB - Doblez de cara (Face Bend).

Gr - Grado.

HB - Dureza Brinell (Harness Brinell).

HR - Dureza Rockwel (Hardness Rockwell).

HV - Dureza Vickers (Harnesss Vickers).

IIW - International Institute of Welding (Instituto Internacional de Soldadura).

ISO - International Organization for Standardization (Organización Internacional de Normalización).

MT - Ensayo de macrografía (Macro Test)

NACE - National Association of Corrosion Engineers (Asociación Nacional de Ingenieros en

Corrosión).


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N/A - No aplica.

NB - Designación para ensayo de rotura por entalla (Nick Break - Sanidad).

NMX - Norma Mexicana NOM Norma Oficial Mexicana.

No. - Número.

Nominal pipe size - (Diámetro nominal de la tubería).

NRF - Norma de Referencia.

PQR - Procedure Qualification Record (Registro de Calificación de Procedimiento).

PRCI - Pipeline Research Council International, Inc. (Consejo de Investigación Internacional de

Tubería)

Pulg - Pulgadas (“).

PWHT - Postweld Heat Treatment (Tratamiento Térmico Posterior a la Soldadura).

RP - Recomended Practice (Práctica recomendada).

SC - Soldadura Circunferencial.

SL - Soldadura Longitudinal.

STD - Estándar (Standar ó norma).

WPS - Welding Procedure Specification (Especificación de Procedimiento de Soldadura).

WPQ - Welder's Performance Qualification (Calificación de Habilidad del Soldador)

SMYS - Specified Minimum Yield Strength (Esfuerzo Mínimo Especificado a la Cedencia), en kPa

(lb/pulg2).

UNE - Una Norma Española.

°C - Grado Celsius.


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CAPITULO 1 “CONCEPTOS GENERALES DE SOLDADURA”

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CAPITULO 1

“CONCEPTOS GENERALES DE SOLDADURA”

La soldadura, al igual que la mayoría de los procesos industriales y disciplinas técnicas, posee sus

propios términos especializados, mismos que resultan necesarios para lograr una comunicación

efectiva entre la gente que de alguna manera está relacionada con los procesos, operaciones,

equipo, materiales, diseño y otras actividades pertenecientes a los métodos de unión involucrados.

Debido a que es indispensable el uso correcto y preciso de estos términos, los institutos y

organizaciones técnicas encargadas de las aplicaciones y del desarrollo científico y tecnológico dela soldadura de diferentes países, han preparado y publicado normas que establecen los términos

estandarizados a emplearse y la definición de los mismos.

La norma AWS 3.0 “Standard Welding Terms and Definitions” (Términos y Definiciones Estándar

de Soldadura), de la Sociedad Americana de Soldadura que trata sobre este tema.

1.1 Soldadura y procesos de soldadura.

En su aspecto más amplio podemos definir la soldadura como un procedimiento de unión de

materiales iguales ó diferentes entre sí, bajo la acción del calor como forma de energía, seguida

de una solidificación, con ó sin adición de materiales de aporte, y en o sin presencia de presión

externa con el objeto de formar un todo continuo y homogéneo.

Como puede observarse, este procedimiento de unión da lugar a multitud de variantes y procesos

condicionados por infinidad de factores; como por ejemplo:

Forma de la fuente de energía.

Características de los materiales a unir (composición química).

Protección durante el proceso de la zona a unir, etc.

Es difícil hacer una clasificación de los numerosos procedimientos de soldadura conocidos

actualmente, ya que variaría considerablemente su ordenación según se tuvieran en cuenta uno u

otro de los factores que la afectan. A continuación vamos a exponer una clasificación

generalmente aceptada por los manuales y publicaciones sobre soldadura que en la actualidad se

utilizan de forma general.


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En general, las podemos clasificar en función de las características de los metales base y metales

de aporte (heterogénea y homogénea) y a su vez, esta clasificación en función del estado físico de

los bordes durante la soldadura; una clasificación general la podemos observar en la figura 1.1.

Figura 1.1 Diagrama general de clasificación de procesos de soldadura.

Las soldaduras se deben realizar por alguno de los procesos aceptados en los códigos, normas y

prácticas recomendadas aplicables, y con alguna de las técnicas automáticas, semiautomáticas,

manuales o combinación de los mismos. A continuación se enlistas los procesos de soldadura

aceptados en la NRF-020-PEMEX “Calificación y certificación de soldadura y soldadores”, en

concordancia con API PR 582 “Welding Guidelines for the Chemical, Oil and Gas Industries y API

1104 STD “Welding of Pipelines and Related Facilities”:

a) SMAW – Shielded Metal Arc Welding (Soldadura por Arco Metal Protegido).

b) GMAW – Gas Metal Arc Welding (Soldadura por Arco Metal Protegido con Gas).


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c) FCAW – Flux Cored Arc Welding (Soldadura por Arco con Núcleo de Fundente).

d) GTAW – Gas Tugsten Arc Welding (Soldadura por Arco de Tungsteno Protegido con Gas).

e) SAW – Submerged Arc Welding (Soldadura por Arco Sumergido).

Como hemos visto, existe una gran variedad tipos y procesos de soldadura, para nuestro caso de

aplicación será la unión de dos materiales de características similares, además de ser el proceso

con el que cuenta quien realizará la reparación, por lo cual, solo abundaremos en el proceso de

soldadura por arco metálico protegido.

1.1.1 Soldadura por arco metal protegido.

La soldadura por arco metal protegido (Shielded Metal Arc Welding – SMAW) es un proceso de

soldadura en el que se produce la posibilidad de unir dos o más materiales en un cuerpo único de

metales por medio del calor generado por un arco eléctrico que se mantiene entre la punta de un

electrodo cubierto y la superficie del metal base. También se le conoce con los nombres de

“soldadura manual”, “soldadura de varilla” y “soldadura eléctrica”.

La soldadura por arco de metal protegido es por mucho el más ampliamente utilizado de los

procesos de soldadura por arco. Aprovecha el calor del arco para fundir el metal base y la punta

de un electrodo consumible recubierto. El electrodo y la pieza de trabajo forman parte de un

circuito eléctrico, que comienza con la fuente de potencia eléctrica e incluye los cables de

soldadura, un porta electrodo, una conexión con la pieza de trabajo, la pieza de trabajo y un

electrodo de soldadura. En la figura 1.2 se muestra el diagrama típico de circuito de soldadura.

Figura 1.2 Diagrama típico de circuito de soldadura.


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La soldadura se inicia cuando se enciende un arco eléctrico entre la punta del electrodo y la pieza

de trabajo, el intenso calor del arco derrite la punta del electrodo y la superficie de trabajo cerca

del arco. En la punta del electrodo se forman con rapidez pequeños glóbulos de metal fundido, los

cuales se transfieren hasta el charco de soldadura fundida. De esta forma se deposita metal de

aporte conforme el electrodo se va consumiendo. El arco se mueve sobre la pieza de trabajo con

una longitud de arco y velocidad de desplazamiento apropiados, fusionando una porción del metal

base y añadiendo continuamente metal de aporte. En la figura 1.3 ejemplifica el proceso de

soldadura por arco metal protegido, donde se muestran los elementos que lo conforman.

Figura 1.3 Diagrama de soldadura por arco de metal protegido.

El electrodo revestido consiste en una varilla de acero cubierta por combinación de materiales, o

bien una varilla encerrando metal en polvo en una. En cualquiera de los casos, la varilla conduce

la corriente eléctrica al arco y suministra metal de aporte a la unión.

La protección empleada, junto con otros ingredientes del recubrimiento, controlan en gran medida

las propiedades mecánicas, la composición química y la estructura metalúrgica del metal de

soldadura, así como las características de arco del electrodo. Además, dependiendo del tipo de

electrodo que se use, el recubrimiento desempeña una o más de las siguientes funciones:

a) Provee un gas para proteger el arco y evitar una contaminación exclusiva del metal de

aporte derretido por parte de la atmósfera.

b) Suministra limpiadores, desoxidantes y agentes fundentes para purificar la soldadura y

evitar un crecimiento excesivo de granos en el metal de soldadura.

c) Establece las características eléctricas del electrodo.


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d) Proporciona un manto de escoria que protege la soldadura caliente del aire y mejora las

propiedades mecánicas, la forma del cordón y la limpieza superficial de dicho metal.

e) Constituye un medio para añadir elementos de aleación que modifiquen las propiedades

mecánicas del metal de soldadura.

f) En todos los casos, la cobertura contiene la mayor parte de los materiales de protección,

limpieza y desoxidación. La mayor parte de los electrodos para SMAW tienen un núcleo de

acero.

Para los electrodos empleados en este proceso, las especificaciones de la American Weld Society(AWS) que aplican son las siguientes:

AWS A5.1 para electrodos de acero al carbono.

AWS A5.3 para electrodos de aluminio y sus aleaciones.

AWS A5.4 para electrodos de acero inoxidable (al Cromo y al Cromo-Níquel).

AWS A5.5 para electrodos de acero de baja aleaciones.

AWS A5.6 para electrodos de cobre y sus aleaciones.

AWS A5.11 para electrodos de Níquel y sus aplicaciones.

AWS A5.13 para electrodos sólidos con revestimientos superficiales.

AWS A5.15 para electrodos de hierro colado.

AWS A5.21 para electrodos compuestos para revestimientos superficiales.

Podemos clasificar los electrodos de acuerdo al proceso de soldadura que se utilice, parasoldadura por arco metal protegido (SMAW), la clasificación general de los estos electrodos

involucra la información siguiente, usando como ejemplo un electrodo de tipo E7018:

E: Designa un electrodo. Este designador puede ser omitido del grabado (del producto) requerido

para la identificación del electrodo.

70: Designa la resistencia mínima a la tensión, en miles de libras por pulgada cuadrada (ksi), del

metal correspondiente. En este ejemplo indica 70,000 libras/pulg² de resistencia mínima a la

tensión del metal de soldadura.


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1: Designa la posición de soldadura en que pueden ser empleados los electrodos. En este ejemplo

significa que el electrodo puede usarse en posiciones planas, vertical, horizontal y sobre cabeza.

8: Indica el tipo de recubrimiento y el tipo de corriente de soldadura para los cuales los electrodos

son adecuados. En este ejemplo significa revestimiento de bajo hidrogeno con potasio y polvo de

hierro; electrodo para ser empleado con corriente directa y electrodo al positivo.

1.2 Datos de juntas de soldaduras.

1.2.1 Uniones de soldadura.La preparación de las piezas a soldar hace parte fundamental de un proceso de soldadura, ya que

esta afecta a las caras a unir. Una junta de soldadura, también llamada unión, es el contacto de

los bordes o superficies de metales, que van a ser unidos o que han sido unidos y depende

básicamente del espesor del material y la posición de los elementos a unir. Existen cinco tipos

básicos de uniones para integrar dos partes de una junta, mostrados en la figura 1.4 y definidos de

la siguiente forma:

a) Unión a Tope. Las partes se encuentran en el mismo plano, se unen en sus bordes.

b) Unión de Esquina. Las partes forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo.

c) Unión en “T”. una parte es perpendicular a la otra en forma parecida a la letra T.

d) Unión de Traslape. Consiste en dos partes que se sobreponen.

e) Unión de Borde o de Orilla. Las partes de los bordes están paralelas en al menos uno de

sus bordes en común.

Figura 1.4 Tipos básicos de uniones de soldadura.


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1.2.2 Tipos de juntas soldadas.

Una junta soldada es una unión de dos ó más miembros producida por la aplicación de un proceso

de soldadura. Según la forma, la sección transversal del metal de soldadura y otras características,

algunos de los tipos de soldadura existentes, se ejemplifican en la figura 1.5 y se enlistan a

continuación:

a) Soldadura de Ranura.

b) Soldadura de Filete.

c) Soldadura de Pernos.

d) Soldadura de Tapón.

e) Soldadura de Botón.

f) Soldadura de Puntos ó Proyección.

g) Soldadura de Respaldo.

h) Soldadura de Costura.

i) Soldadura de Borde ó Reborde

Figura 1.5 Tipos de juntas soldadas.


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1.2.3 Partes de una junta.

Las partes de las juntas soldadas o bien a soldarse son relativamente numerosas, y a fin de poder

interpretar y describir correctamente cualquier junta, es necesario identificar y ubicar cada una de

sus partes. Inicialmente, es necesario conocer las partes en la preparación del bisel como se

muestra en la figura 1.6.

Figura 1.6 Partes de un bisel en V para juntas a tope.

Las soldaduras ya terminadas involucran condiciones, partes y rasgos adicionales a aquellos

presentes en las juntas antes de ser soldadas, y resulta indispensable conocer la nomenclatura

para designar tales partes y rasgos a fin de describir e interpretar toda la información relativa a las juntas soldadas. En la figura 1.7 se ejemplifican las principales partes de una soldadura de filete y

una soldadura a tope.

Figura 1.7. Partes de una junta soldada: a) A tope, b) De filete.

1.2.4 Ciclo térmico de las juntas soldadas.

Al efectuarse las operaciones de soldadura, las juntas experimentan un ciclo de calentamiento y

enfriamiento en el que sus diferentes partes se ven sometidas a un amplio intervalo de


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temperatura, que oscila desde temperaturas superiores a la fusión en el metal de soldadura hasta

prácticamente la temperatura ambiente en el metal base, pasando por intervalos de

transformación.

La porción del metal base que no se funde durante la soldadura, pero que es calentada a

temperaturas en las que se altera la micro-estructura y las propiedades mecánicas del metal base

es llamada zona afectada por el calor (ZAC) o zona afectada térmicamente, la figura 1.8 muestra

las principales partes de la zona afectada por el calor en una unión soldada.

La resistencia mecánica y la tenacidad de la zona afectada por el calor depende del tipo del metal

base, del proceso y el procedimiento de soldadura usados. Los metales base en los que más

influye la soldadura son aquellos cuya ZAC se ve sometida a recocido o endurecimiento por ciclos

térmicos que involucran altas temperaturas.

Figura 1.8 Principales partes de la zona afectada por el calor en una unión soldada.

1.2.5 Posiciones de soldadura.

En el proceso de soldadura por arco eléctrico, se pueden aplicar diversas posiciones, estas

dependen de la configuración de las piezas a soldar y del tipo de soldadura, es decir en las que

pueden aplicarse a estructuras como perfiles (soldadura filete), tubería (soldadura de filete oranura) o en placa (a tope o filete), por lo cual, los estándares de soldadura como ASME, AWS o

UNE clasifican de diversas formas las posiciones de soldadura. En la figura 1.9 se muestran

posiciones de soldadura comparadas entre dos normas.

Las posiciones de soldadura, se refieren exclusivamente a la posición del eje de la soldadura en

los diferentes planos a soldar. Básicamente son cuatro las posiciones de soldar y todas exigen un

conocimiento y dominio del soldador para la ejecución de una unión soldadura.


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Figura 1.9 Comparación de posiciones de soldadura aceptadas.

En la ejecución del cordón de soldadura eléctrica, aparecen piezas que no pueden ser colocadas

en posición cómoda. Según el plano de referencia fueron establecidas cuatro posiciones:

Posición plana.

Posición horizontal.

Posición vertical.

Posición sobre cabeza.

1.2.6 Esfuerzos residuales.

Las contracciones que ocurren a lo largo de las juntas soldadas, durante la fase de enfriamiento

del ciclo térmico de soldadura (mismas que se desarrollan a diferentes velocidades y varían en

magnitud en cada región de las juntas), originan esfuerzos residuales en éstas. Los esfuerzos


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residuales son definidos como aquellos que están presentes en los materiales (incluidas las juntas

soldadas) sin que estén sujetos a fuerzas externas como la gravedad o gradientes térmicos y

transformaciones de fase. Estos esfuerzos pueden ser de una magnitud suficiente para provocar,

en las partes soldadas, deformación, distorsión, agrietamiento y disminución de propiedades tales

como resistencia a la tensión, tenacidad y resistencia mecánica a bajas temperaturas.

En general, se distinguen tres clases de esfuerzos residuales de acuerdo con la distancia o rango

sobre el cual pueden ser observados. La primera clase de esfuerzos residuales, denominados

macroscópicos, son de naturaleza de largo alcance y se extienden sobre varios granos del

material. La segunda clase de esfuerzos residuales son denominados micro esfuerzosestructurales, abarcan la distancia de un grano o parte de uno, y pueden presentarse entre fases

diferentes y tener características físicas distintas. La tercera clase de esfuerzos residuales se

presenta sobre varias distancias interatómicas dentro de un grano.

Algunos factores que influyen en los esfuerzos residuales son el grado de restricción de las juntas,

(tal como expansión impedida y contracción resultante de una distribución de temperatura no-

homogénea), efectos de enfriamiento rápido la diferencia de los coeficientes de expansión térmica

de los metales soldados, la secuencia de soldadura, el calor total aportado y la velocidad de

enfriamiento. Estos esfuerzos pueden reducirse y controlarse, en alguna medida, con el empleo de

precalentamiento y control sobre el calor aportado por paso.

Una vez generados en las partes soldadas, los esfuerzos residuales pueden eliminarse en porción

considerable mediante el empleo del tratamiento térmico posterior a la soldadura conocido como

alivio o relevado de esfuerzos.

1.2.7 Soldabilidad y carbono equivalente.

En este documento se han tratado del acero como si únicamente estuvieran aleados con carbono,ya que este es el elemento de aleación que más afecta las propiedades de los aceros, incluida la

soldabilidad, pero todos los otros elementos presentes en la composición química también afectan

a las propiedades.

La soldabilidad puede definirse como la mayor o menor facilidad con que un metal permite que se

obtengan soldaduras sanas y homogéneas, que respondan a las necesidad para las que fueron

concebidas incluyendo códigos de fabricación. Desde el punto de vista metalúrgico durante la

soldadura en estado líquido en una región muy pequeña el material a ser soldado alcanza el


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estado líquido y luego solidifica. El aporte térmico suministrado se utiliza para fundir el metal de

aporte (si existe), fundir parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal de

soldadura modificando la microestructura (y propiedades mecánicas) inicialmente presentes.

Desde el punto de vista de la soldadura, el efecto de mayor interés es la composición química que

tiene en los aceros. Se considera que a mayor contenido de carbono corresponde una mayor

templabilidad y dureza, pero también menor soldabilidad.

Los otros elementos de aleación también afectan a la soldabilidad y su influencia puede ser

estimada en términos de su efecto comparado con el efecto del carbono. Así el efecto total del

contenido de aleantes puede ser expresado en términos de equivalente en carbono o carbono

equivalente (CE).

La soldabilidad, en términos de la sensibilidad al agrietamiento debajo de los cordones y de la

dureza, es inversamente proporcional al carbono equivalente.

El carbono equivalente (CE) puede ser utilizado como un medio para determinar la necesidad real

de precalentamiento y el nivel requerido, de acuerdo a la formula sugerida en el apéndice B de API

STD 1104, desarrollada por el International Institute of Welding (IIW) este carbono equivalente se

calcula como sigue:

Es importante mencionar que se debe tener en cuenta las normas o especificaciones para

fabricación de los materiales base (tubería), para determinar el carbono equivalente máximo,

permitido en fabricación, como la NRF-001-PEMEX “Tubería de acero para recolección y

transporte de hidrocarburos”, ANSI/API5L/ISO3138 “Specification for Line Pipe”, ASTM A572

“Standard Specification for High-Strength Low-Alloy Columbium-Vanadium Structural Steel, entre

otras:

Utilizando los siguientes criterios, aplicables a ductos podemos establecer la temperatura de

precalentamiento y del tratamiento térmico requerido.


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ASPE PCC2 “Repair of Pressure Equipment and Piping”, indica el siguiente criterio:

CE ≤ 0.45%; El precalentamiento normalmente es opcional.

0.45% ≤ CE ≤ 0.60%; precalentamiento entre 200°F (93 ºC) y 400 °F (204 ºC).

CE > 0.60%; precalentamiento entre 400 °F (º204 ºC) y 700 °F (371 ºC).

API RP 577 “Welding Inspection and Metallurgy, menciona lo siguiente:

Por lo general, los aceros con CE menor de 0.35% no requieren precalentamiento. Aceros con un

CE de 0.35 a 0.55% por lo general requieren de precalentamiento. Los aceros con un CE mayorde 0.55% requieren tanto de precalentamiento y un Tratamiento Térmico Posterior a la Soldadura

(PWHT). Sin embargo, los requisitos para el precalentamiento deben ser evaluados para

considerar otros factores tales como el nivel de hidrógeno, humedad, y grosor de la sección a

soldar.

El Manual de Reparaciones de Tubería-PRCI (Pipeline Research Council International, Inc.),

requieren que el fabricante debe proveer el análisis químico de los materiales base (envolvente o

tubería), sino es así, estos se deben realizar, mostrando que el CE es menor o igual que 0.38,

usando la ecuación desarrollada por el Instituto Internacional de soldadura (IIW).

1.2.8 Precalentamiento.

El precalentamiento, para nuestros propósitos, se define como el calentamiento de la soldadura y

metal base que rodea a una temperatura predeterminada inmediatamente antes del inicio de la

soldadura. En soldaduras de pasos múltiples, también es la temperatura a la que se encuentra el

metal base antes de que se inicie el segundo paso y los subsecuentes.

Generalmente, en los procedimientos se especifica la temperatura mínima de precalentamiento,

aunque en algunos casos también el límite máximo, y éste coincide con la temperatura máxima

entre pasos.

El propósito primario del precalentamiento para aceros al carbón y de baja aleación es:

Reducir la tendencia del agrietamiento debido al hidrogeno inducido.

Disminuir la velocidad de enfriamiento, la cual previene la formación de martensita (evitar

formación de grietas) en la soldadura y en la zona afectada por el calor.


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Minimizar los efectos perjudiciales de los gradientes de temperaturas altos, o sea reduce

las variaciones de temperatura y los cambios dimensionales de expansión y concentración,

con lo que se reducen los esfuerzos residuales.

La temperatura de precalentamiento es definida por el código de construcción aplicable para el

equipo donde se realizará la soldadura, por ejemplo NRF-030-PEMEX “Diseño, construcción,

inspección y mantenimiento de ductos terrestres para transporte y recolección de hidrocarburos,

ASME B31.8 “Gas Transmission and Distribution Piping Systems”, etc. La temperatura de

precalentamiento depende principalmente del tipo de material, espesor de pared, composición

química y carbono equivalente.

El precalentamiento puede realizarse con la llama (aire-combustible u oxi-combustible), resistencia

eléctrica, o métodos de inducción eléctrica, tanto en taller y en campo. Independientemente del

método, la temperatura debe ser uniforme y por medio de espesor, a menos que se especifique lo

contrario. Para el monitoreo, una variedad de dispositivos están disponibles para la medición y

control de las temperaturas, equipo común son los crayones indicadores de temperatura y pistolas

térmicas.

El componente o pieza a soldar debe ser precalentado para permitir que el calor penetre en elmaterial. Siempre que sea posible, esto debe ser supervisado y validado. Control de la

temperatura de la superficie a una distancia predeterminada alejada del borde de la soldadura es

normalmente suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

1.2.9 Temperatura entre pasos.

Cuando se realiza más de un cordón de soldadura (soldaduras de pasos múltiples), es la

temperatura a la que se encuentra el área a soldar entre pasos de soldadura. Normalmente se

especifica la temperatura máxima permitida entre pasos, aunque también suele establecerse lamínima, que por lo general coincide con la mínima de precalentamiento.

Las temperaturas muy altas entre pasos provocan reducciones de la velocidad de enfriamiento,

incremento en el ancho de la zona afectada por el calor y excesivo crecimiento de grano, lo que a

su vez provoca que las propiedades mecánicas disminuyan. En la práctica, en los aceros simples

al carbono existen pocos problemas asociados con la temperatura entre pasos.


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1.2.10 Calor aportado.

El calor aportado (entrada de calor) por paso es la energía calorífica que se introduce en la junta

soldada en cada paso de soldadura, e influye de manera directamente proporcional en la

velocidad de enfriamiento. Para soldadura con arco eléctrico, el calor aportado puede calcularse

fácilmente por medio de la siguiente formula:

J = VA / S

Calor aportado (KJ/pulg)= (Amperios x Voltios x 60) / (Velocidad de soldadura [pulg/min] x 1000)

ó Calor de aporte (KJ/mm)= (Amperios x Voltios) / (Velocidad de soldadura [mm/seg] x 1000)

Donde:

J= calor aportado, en Joules/pulg.

V= voltaje del arco, en voltios.

A= corriente de soldadura, en amperios.

S= velocidad del arco, en pulgadas/minuto.

El excesivo calor aportado por paso puede ocasionar los mismos problemas que las temperaturas

entre pasos muy altas, y también pueden incrementar los esfuerzos residuales y la distorsión.

El propósito de las consideraciones anteriores es ilustrar la influencia que el precalentamiento, la

temperatura entre pasos y el calor aportado tienen sobre la velocidad de enfriamiento (y sobre la

microestructura y las propiedades de las juntas soldadas), y que hacer énfasis en el sentido de

que estas variables deben ser controladas de manera rigurosa, dentro de los intervalos

establecidos en las especificaciones de procedimiento de soldadura calificados, a fin de que el

inspector no pierda de vista la importancia que tiene el hecho de asegurar que durante susasignaciones de inspección, tales variables se mantengan dentro de los valores especificados.

1.2.11 Tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Después de realizar las soldaduras se procede a llevar a cabo un tratamiento térmico posterior a la

soldadura (Postweld Heat Treatment – PWHT), en particular el de relevado de esfuerzos. Este se

emplea para reducir los esfuerzos residuales, mismos que, durante la soldadura pueden ser

minimizados mediante el empleo de diseños de junta y técnicas adecuadas, pero no pueden ser

evitados por completo.


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La determinación de realizar o no este tratamiento depende del código de construcción o posterior

a la construcción del ducto y esta ligado al precalentamiento y espesor de los materiales.

1.3 Análisis térmico.

El análisis térmico es una rama de la ciencia de los materiales, donde las propiedades de los

materiales son estudiados a medida que cambian con la temperatura. Varios métodos son

comúnmente utilizados, éstos se distinguen entre sí por las propiedades que miden, como el

análisis térmico dieléctrico ó el análisis térmico diferencial.

Es usual para controlar la temperatura de una manera predeterminada, ya sea por un aumentocontinuo o disminución de la temperatura a una velocidad constante o llevando a cabo una serie

de determinaciones a diferentes temperaturas.

Además de controlar la temperatura de la muestra, también es importante para controlar su medio

ambiente (por ejemplo, la atmósfera). Las mediciones pueden llevarse a cabo en aire o en

atmósfera de gas inerte (por ejemplo, nitrógeno o helio). El Análisis Térmico se utiliza a menudo

como un término para el estudio de la transferencia de calor a través de estructuras.

1.3.1 Modelo para análisis térmico.

Los procedimientos más comunes usan un nivel suficientemente elevado de entrada de calor para

vencer el efecto de fluido contenido. Se han desarrollado varios métodos de predicción de la

entrada de calor, incluidos los modelos computacionales de análisis térmico.

Los anteriormente mencionados modelos computarizados para análisis térmico u otro método

probado debe ser utilizado para determinar los límites de calor de entrada para estas aplicaciones

como: “Development of Simplified Weld Cooling Rate Models for In-Service Gas Pipelines”, PRCI

Catalog No. L51660 or “Thermal Analysis Model for Hot-Tap Welding,” PRCI Catalog No. L51837.

El Edison Welding Institute (Instituto de soldadura Edison - EWI) desarrolló el “Thermal Analysis

Model for Hot-Tap Welding,” (PRCI Modelo de Análisis Térmico para soldaduras en Hot Tap). El

modelo está destinado a proporcionar a los ingenieros de soldadura una guía para establecer los

parámetros de seguridad para la soldadura en tuberías en servicio.

El modelo proporciona una guía para establecer los parámetros de seguridad, pero no proporciona

medios para demostrar que estos parámetros son prácticos en condiciones de campo, es decir el


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uso de este modelo no es un sustituto de la calificación del procedimiento de soldadura. Para

demostrar que los parámetros son prácticos, un procedimiento de soldadura sobre la base de

estas predicciones debe ser calificado bajo condiciones simuladas.

El Modelo de Análisis Térmico para soldadura en servicio es de fácil aplicación, basado en

complejos modelos matemáticos de elementos finitos, en la figura 1.10 se muestra una sección del

modelo computacional. El modelo posee un programa de solución de elementos finitos

desarrollado, con capacidades de generación de una malla, incluyendo envolventes, ramales, y las

geometrías de cordón sobre tubo, este último para aplicar capas de soldadura y reparaciones con

depósito de soldadura. Valores de disipador de calor, también puede ser predicho para lacomparación con valores de campo medidos. El diseño y desarrollo de este modelo satisface los

requerimientos del apéndice B de API STD 1104, y otros como ASME Sección IX.

El modelo permite controlar riesgos por quemada pasante, limitando la temperatura interna de la

superficie y el riesgo de agrietamiento por hidrógeno para ser controlado mediante la limitación de

velocidad de enfriamiento de la soldadura.

Figura 1.10. Vista del modelo de cómputo para análisis térmico.


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CAPITULO 2 “PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Y NORMAS APLICABLES”.

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CAPITULO 2

“PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Y NORMAS APLICABLES”

2.1 Códigos, normas y especificaciones.

La seguridad pública está involucrada en el diseño, mantenimiento y la fabricación de estructuras

tales como edificaciones, líneas de tuberías, embarcaciones y recipientes de alta presión, entre

otros; para minimizar el peligro de fallas catastróficas, o incluso fallas prematuras, se han

establecido documentos para regir y regular estas actividades industriales. Incluso, aunque la

seguridad pública no esté envuelta, algunos productos son construidos para reunir requerimientosdefinidos que aseguren un nivel de calidad y uniformidad; estos documentos son los llamados:

Normas, Especificaciones, Códigos, Estándares, Prácticas Recomendadas y Reglas.

Algunas normas, particularmente los códigos, son muy extensos y se refieren a todos los aspectos

de su campo de aplicación, por lo cual la intención de este capitulo es presentar la información

básica necesaria para adquirir una visión acerca de la estructura, campo de aplicación y requisitos

generales de normas con mayor aplicación para reparación de ductos, teniendo mayor enfoque en

procedimientos, calificación de procedimientos, personal de soldadura, inspección, pruebas y

requisitos de calidad.

2.1.1 Definición de términos empleados.

El personal que participa en la producción de bienes soldados, tienen la necesidad de conocer, por

lo menos, las porciones particulares de las normas que aplican a sus actividades.

Los códigos, normas, especificaciones y otros documentos de uso común en la industria tienen

diferencias en cuanto a su extensión, alcance, aplicabilidad y propósito. Estos, son documentos

que rigen y regulan actividades industriales. A continuación se mencionan las característicasclaves de algunos de estos documentos.

A) Código.- Conjunto de requisitos y recopilación de reglas técnicas que forma un sistema

completo que regulan de manera integral la selección, diseño, fabricación, montaje e inspección,

reparación, operación, mantenimiento, pruebas y certificación de elementos, equipos o sistemas

constructivos, ejemplo de esto son los códigos ASME.


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B) Norma ó estándar .- Son reglas o lineamientos que emite un organismo nacional o

internacional relativo a la materia; en México reconocido por el Gobierno Mexicano en términos de

la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, en los términos del derecho internacional.

Donde se fijan las condiciones de elaboración de un producto o servicio para obtener un óptimo

grado de calidad y se pueden clasifican como obligatorias y opcionales, tal es el caso de las

normas ANSI/ASTM, API, NMX, NOM.

C) Especificación.- Documento en donde se determina con todo detalle las características de

elaboración de un producto o condiciones de fabricación, los requerimientos esenciales y técnicos

que un material, producto, sistema o servicio debe satisfacer; ejemplo de esta son las

especificaciones de PEMEX, CFE, SCT.

D) Práctica recomendada.- Es generalmente considerada como una técnica, o un acercamiento

para resolver o para impedir ciertos problemas. Son normas cuyo propósito principal es brindar

asistencia a través de la descripción de reglas y principios de efectividad comprobada sobre una

actividad específica, la cual ha surgido como resultado de su experiencia acumulada.

E) Procedimiento.- Es un conjunto de instrucciones precisas y ordenadas para desarrollar una

actividad por ejemplo, todos los procedimientos operativos de soldadura.

F) Métodos y guías.- Indican las prácticas reconocidas para realizar actividades tales como las

pruebas, análisis, muestreos y mediciones aplicables a un campo específico. Este tipo de

documentos establecen los procedimientos necesarios para determinar la composición, integridad,

propiedades o funcionamiento de las partes o materiales a los que se aplican.

Un método describe procedimientos uniformes que aseguran o mejoran la confiabilidad de los

resultados a obtener, y no incluyen los límites numéricos de las propiedades o composición

involucradas; tales límites de aceptación están contenidos en las normas y códigos

correspondientes. Ejemplos de estos son los métodos de examen no destructivo.

2.1.2 Norma Oficial Mexicana (NOM).

Es la regulación técnica de observancia obligatoria expedida por las dependencias competentes,

conforme a las finalidades previstas por la Ley Federal Sobre Metrología y Normalización, que

establece reglas, especificaciones, atributos, directrices, etc. La característica de estas normas es

que son de aplicación obligatoria en México.


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Estas tendrán como finalidad establecer las características que deban reunir los productos y

procesos cuando estos puedan constituir un riesgo para la seguridad de las personas o dañar la

salud humana, animal, vegetal, el medio ambiente general o laboral; requerimientos de los

productos utilizados como materias primas, partes o materiales; las características que deban

reunir los servicios y lo relacionado con instrumentos para medir, los patrones de medida y sus

métodos de medición, verificación, calibración y trazabilidad, etc.

2.1.3 Norma Mexicana (NMX).

Es la norma que elabora un organismo nacional de normalización privado, o bien la Secretaria de

Energía. Su finalidad principal es establecer especificaciones de calidad de un bien, proceso o

servicio.

Es de uso común y repetido de reglas, especificaciones, atributos, métodos de prueba, directrices,

características o prescripciones aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad,

servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología,

simbología, embalaje, marcado o etiquetado. Son de aplicación voluntaria, salvo en que los

particulares manifiesten que sus productos, procesos o servicios son conformes con las mismas y

sin perjuicio de que las dependencias requieran en una norma oficial mexicana su observanciapara fines determinados.

2.1.4 Normas de Referencia (NRF).

Con fundamento en la Ley Federal Sobre Metrología y Normalización, las Normas de Referencia

son las que elaboran las entidades de la administración pública federal (PEMEX, CFE, IMSS etc.),

en aquellos casos en que las normas mexicanas o internacionales, no cubran sus requerimientos,

o bien las especificaciones que se contengan se consideren inaplicables u obsoletas, cuando

dichas entidades requieran adquirir, arrendar o contratar bienes o servicios.

Una NRF es un documento técnico – administrativo donde se refleja la especificación técnica del

bien o servicio que se pretende adquirir, arrendar o contratar.

2.1.5 Norma Internacional (NI).

Es la norma que elabora un organismo internacional dedicado a la normalización y el cual ha sido

reconocido por el gobierno de México en los términos del derecho internacional. Como es la


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International Organization for Standardization (ISO), Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) o

la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU).

2.1.6 Norma Extranjera (NE).

Regulación técnica que expide el gobierno de otro país, o bien, sus organismos nacionales de

normalización, y cuya aplicación es de carácter local, como las normas americanas editadas por

API.- American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo), ASNT.- American Society for

Nondestructive Testing (Sociedad Americana para Pruebas No Destructivas) ó las normas

canadienses como las CSA - Canadian Standards Association (asociación de normas de Canadá).

2.2 Normas, códigos y especificaciones para el procedimiento de soldadura.

Las normas mexicanas (NOM, NMX, CFE, NRF) relacionadas con estructuras, líneas de tubería,

equipos y componentes soldados no cubre la amplia gama de este tipo de bienes que se producen

en el país, por lo que para cubrir las necesidades relacionadas con su diseño, construcción y,

mantenimiento, se tiene recurrir a normas extranjeras o internacionales.

Las Normas Mexicanas, en repetidas ocasiones hacen referencia, concordancia y/o equivalencia

con las normas o especificaciones internacionales o extranjeras que deben utilizarse en conjunto

con estas y a su vez son listadas su bibliografía.

Para la elaboración y calificación de un procedimiento de soldadura existen diversas normas, y su

aplicación depende de las directrices del código con que se diseñaron, construyeron o se les da

mantenimiento (pos-construcción).

En México, la NRF-030-PEMEX “Diseño, operación y mantenimiento de ductos para transporte y

recolección de hidrocarburos”, la cual dice que el procedimiento que se utilice para la operación de

soldadura en ductos debe ser calificado y certificado, mediante pruebas destructivas y no

destructivas, para asegurar que las soldaduras tengan propiedades mecánicas adecuadas para la

tubería y accesorios, conforme a lo establecido en la NRF-020-PEMEX. Para servicio no amargo,

la calificación de los procedimientos de soldadura debe realizarse de acuerdo a lo establecido en

el API STANDARD 1104 o equivalente. Para el caso de servicio amargo y trampas de diablos, la

calificación de los procedimientos de soldadura deben realizarse de acuerdo a lo establecido en la

Sección IX del Código ASME, y a la sección 7.3.3, Parte 2 de la NACE MR 0175/ISO 15156-2 o

equivalente.


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Por su parte, la NRF-020-PEMEX “Calificación y certificación de soldadores y soldadura, dice que

la calificación de los procedimientos de soldadura debe efectuarse por medio de las pruebas

indicadas en la normativa de referencia. Cada procedimiento de soldadura debe ser calificado

conforme a lo siguiente, más lo que indique el código de construcción de los elementos que se va

usar en particular:

Soldadura de estructuras metálicas debe ser de acuerdo al código AWS D1.1 (código de

soldadura estructural) o equivalente.

Soldadura de sistemas de tuberías de proceso y servicios debe ser la Sección IX del código

ASME o equivalente.

Soldadura de ductos terrestres y marinos para transporte de hidrocarburos debe ser de

acuerdo al API-1104, código ASME Sección IX o equivalente, según aplique.

Soldadura de recipientes a presión debe ser de acuerdo a la Sección IX del código ASME o

equivalente.

Soldadura de tanques atmosféricos debe ser de acuerdo a la Sección IX del código ASME o

equivalente.

Para el caso de reparaciones mediante encamisados, la NRF-030-PEMEX, dice que los

procedimientos, calificación de soldadores y soldadura deben cumplir con lo establecido en los

párrafos anteriores, por lo cual tendremos que utilizar API STD 1104, ya que es la norma aplacible

a ductos de transporte a campo traviesa, además de contener en su apéndice B los

requerimientos para soldadura en servicio.

Así mismo, la NOM-007-SECRE “Transporte de gas natural”, menciona que la soldadura en

tuberías de acero en un sistema de transporte, la soldadura debe ser realizada por un soldadorcalificado utilizando procedimientos calificados. Ambos, los soldadores y los procedimientos,

deben cumplir además con los requerimientos de la norma.

La NOM-007-SECRE no especifica una norma para calificar el procedimiento, solo menciona que

antes de que se realicen las soldaduras en una tubería de acero se debe contar con un

procedimiento de soldadura calificado de acuerdo con las prácticas internacionalmente

reconocidas; aunque si menciona que los soldadores serán calificados de acuerdo con la sección


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6 de API STD1104; por lo cual para la calificación del procedimiento podemos utilizar esta norma

anexa en la bibliografía para dicha calificación y elaboración de procedimientos de soldadura.

En Estados Unidos, el códigos ASME B31.8, “Gas Transmission and Distribution Piping Systems”,

refiere las actividades en general de acuerdo al porcentaje de esfuerzos circunferenciales a los

que opera el ducto, que en la calificación de procedimientos y soldadores, aplica el mismo

contexto:

Los procedimientos de soldadura y los soldadores que realicen trabajos en tubería para

construcciones nuevas y fuera de servicio, deben estar calificados bajo la sección IX de ASME

“Boiler and Pressure Vessel Code o API 1104. Para soldadura en servicio, el procedimiento de

soldadura y los soldadores deben ser calificados bajo el apéndice B de API STD 1104.

2.2.1 API ESTÁNDAR 1104 “Welding Of Pipelines And Related Facilities”.

La norma API 1104 para Soldadura de Tuberías de línea e Instalaciones Relacionadas, establece

los requisitos de las soldaduras por arco y gas de uniones a tope, filete

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REPARACIÓN DE DUCTOS EN SERVICIO MEDIANTE ENVOLVENTES