II. RESUMEN
Al momento de realizar una inspección a un mástil o torre de perforación petrolera el ingeniero responsable del estudio se encontrara con todo tipo de uniones soldadas, posibles defectos estructurales, fenómenos de corrosión, entre otros; por lo que el conocimiento de la teoría de soldadura y ensayos no destructivos (END) serán vitales en su trabajo. El capítulo contiene conceptos y definiciones fundamentales que servirán para respaldar el análisis de la estructura metálica de una torre de perforación o mástil en lo que refiere a sus uniones soldadas, los defectos que pudieran presentarse en estas y los métodos de inspección no destructivos que ayudan a identificar fallas en el material o sus uniones.
III. OBJETIVOS
IV. TEORÍA SOBRE PROCESOS DE SOLDADURA 4.1. PROCESOS DE SOLDADURA. 4.1.1. DEFINICIÓN. Son los procesos mediante los cuales se obtiene una unión rígida permanente de dos o más materiales sólidos sin la utilización de un elemento mecánico adicional. Estos pueden llevarse a cabo con o sin calor, con o sin presión, con o sin fusión, con o sin material de aporte.
4.1.2. CLASIFICACIÓN. Los procesos de soldadura pueden ser clasificados de acuerdo al grado de participación del factor humano en el momento de efectuar el depósito, de acuerdo a la temperatura de trabajo y tipo de material de aporte utilizado, o según la Sociedad Americana de Soldadura (AWS). La siguiente figura muestra todos los tipos de procesos de soldadura basados en la AWS.
4.2. PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA SOLDADURA. 4.2.1. METALURGIA EN UNIONES SOLDADAS. La unión entre los átomos de metales se produce por enlaces metálicos, estos átomos a su vez tiende a adoptar posiciones relativamente fijas formando cristales en estado sólido. Los cristales encontrados en todos los metales comerciales son más conocidos como granos. El tamaño de grano estará determinado por la velocidad de enfriamiento y la composición química del material al momento de realizar un proceso de soldadura. El acero estructural tiene una micro estructura formada por granos de Ferrita, Perlita (estructura laminar de Ferrita y Cementita (Carburo de Hierro Fe3C)) y una dispersión de inclusiones no metálicas como óxidos, sulfuros, nitruros, entre otros. Al realizar una soldadura por fusión en un acero, los efectos que produce ésta sobre la micro estructura del metal base pueden ser observados en una zona próxima a la soladura conocida como zona afectada por el calor (ZAC); donde se producen las transformaciones de fase y el crecimiento de grano. 4.2.2. Zonas de la unión soldada. Para su estudio metalúrgico se consideran tres zonas: zona de fusión o del metal fundido, zona afectada por el calor y el metal base. La zona de fusión esta donde el metal de relleno fue colocado en el proceso de soldadura. Sus propiedades dependen del material de relleno usado y su afinidad con el material base.
La zona afectada por el calor (ZAC) es el espacio próximo al metal de soldadura donde se desarrollan procesos térmicos y transformaciones de orden físico – químico. Sus propiedades dependen del comportamiento del metal base cuando está sujeto al calor. Debido a la alteración de la micro estructura que se da en esta área, es con frecuencia más débil que el material base y la zona de fusión, y es también donde se presentan las tensiones residuales. La figura 2.2 muestra las diferentes zonas de la unión soldada con las temperaturas que ésta tiene al momento de realizar una soldadura y como se correlaciona con el diagrama de fase hierro-carbono.
Figura 2.2. Zonas de la unión soldada, temperaturas en la ZAC y relación con el diagrama hierro-carbono
4.2.3. EFECTOS TÉRMICOS PRODUCIDOS POR LA SOLDADURA. Los métodos de soldadura en los que interviene el calor causan reacciones en el metal base que si no son controladas pueden ocasionar defectos perjudiciales en las uniones y como consecuencia fallas en las estructuras soldadas. La dilatación del metal base al momento de realizar el depósito de soldadura y su posterior contracción tras enfriarse, son responsables de tensiones residuales y distorsiones longitudinales como rotatorias. Estas tensiones pueden ocasionar fisuras tanto en el cordón de soldadura como en el metal base.
Figura 2.3. Localización de fisuras en el metal base La rapidez de enfriamiento también causa efectos negativos en las partes soldadas si es que no es controlado correctamente. Cuando la unión soldada se enfría muy rápidamente, la austenita cambia a una micro estructura con poca perlita, compuesta en su mayor parte de martensita que es un material quebradizo y de alta dureza produciéndose fracturas en la zona afectada por el calor del material base.
El precalentamiento del metal base reduce la probabilidad de fisuración a causa de los mencionados efectos térmicos, ya que disminuye la rapidez de enfriamiento del metal de aporte y de la zona afectada por el calor dando como resultado una micro estructura más dúctil y resistente; de la misma forma disminuye las tensiones residuales al acortar la diferencia de temperatura entre el metal base y el metal de aporte, minimizando la contracción.
4.3. ALIDAD DE LAS SOLDADURAS.
El concepto de calidad, en producción, está relacionado con el grado en que las características de un producto cumplen con especificaciones establecidas. La calidad de las uniones soldadas en estructuras metálicas se establece de acuerdo a normas como la AWS D1.1, ASME IX, entre otras; o a su vez por criterios desarrollados en una empresa. Todos estos cumplen el objetivo de indicar las cualidades necesarias que debe tener la soldadura para asegurar su buen desempeño. El trabajo mancomunado en las áreas de diseño, construcción e inspección de un proyecto, que desde su inicio tiene que estar basado en especificaciones de procedimientos de soldadura (WPS) con sus respectivos registros de calificación de procedimientos (PQR) y la calificación de las habilidades que posee un soldador (WPQ), avalan la calidad en las uniones soldadas. El control de calidad de los equipos y materiales utilizados durante el desarrollo de la obra, la continua fiscalización por parte de los supervisores, de los propios soldadores y de personal especializado independiente al proyecto ayudan también a garantizar la calidad de las soldaduras.
4.4. POSICIONES DE SOLDADURA, TIPOS DE UNIONES SOLDADAS, TIPOS DE SOLDADURA Y CONFIGURACIONES DE BISELES. La norma ASME IX en sus artículos 461.3, 461.4, 461.5, 461.6 y 461.7 establece las posiciones de soldadura con códigos estandarizados para su identificación y uso en la elaboración de procedimientos de soldadura. Las siguientes figuras muestran las posiciones de soldadura que son utilizadas en el diseño y calificación de uniones soldadas.
Figura 2.4. Posiciones de Soldadura de ranura en placa – Posición para pruebas
Figura 2.5.Posiciones de Soldadura de ranura en tubería – Posición para pruebas
Figura 2.6. Posiciones de Soldadura de filete en tubería – Posición para pruebas
Figura 2.8. Posiciones de Soldadura en varillas rígidas – Posición para pruebas
Figura 2.7. Posiciones de Soldadura de filete en tubería – Posición para pruebas
En cuanto a las uniones soldadas se tiene configuraciones básicas que son utilizadas frecuentemente, de las cuales tenemos: -
Unión a Traslape
-
Unión a Tope
-
Unión de esquina
-
Unión de orilla
-
Unión en T
La figura 2.9 muestra de forma esquemática los diferentes tipos de uniones soldadas.
Figura 2.9. Tipos de uniones soldadas De la misma manera se tienen tipos de soldadura los cuales se utilizan de acuerdo a la configuración de la unión soldada, el tipo de proceso, la accesibilidad a la junta de soldadura, y hasta factores económicos. Entre los tipos básicos de soldaduras se tiene los siguientes: -
De Filete
-
De Bisel
-
De Relleno
-
De Tapón
A continuación en la figura 2.10 se muestra los tipos básicos de soldadura.
Figura 2.10. Tipos de soldadura
Una junta de soldadura, para efectos de su unión, puede tener diferentes configuraciones en su bisel; siempre buscando que su diseño favorezca el grado de penetración del metal de aporte y la resistencia. En la figura 2.11 se señalan algunas configuraciones de bisel.
Figura 2.11. Configuraciones de bisel.
4.5.
DISCONTINUIDADES EN LA SOLDADURA.
Hay que recalcar que una soldadura no es ciento por ciento perfecta, que siempre estarán presentes anomalías en su estructura, y hasta que no se determine que su efecto es perjudicial serán llamadas como discontinuidades, de tal manera que una discontinuidad es la perdida de homogeneidad en un material. Si luego de haber realizado un análisis basado en estándares de la unión soldada se determina que las discontinuidades existentes pueden llevar a una falla, éstas serán llamadas como defectos, así un defecto es una discontinuidad cuyo tamaño, forma, ubicación o propiedades son inaceptable para una norma específica la cual obliga su reparación. Una discontinuidad puede producirse en cualquier momento de la vida de un material. Se puede originar en la producción inicial desde el estado de fusión, durante procesos posteriores de terminado y montaje, o durante su uso diario debido a circunstancias ambientales o esfuerzos. Entre las discontinuidades más relevantes que se encuentran en una soldadura están: -
Porosidad
-
Inclusiones de escoria
-
Fusión incompleta
-
Socavamiento o mordeduras
-
Grietas o Fisuras
-
Falta de penetración
La Porosidad es una discontinuidad del tipo de concavidad producida por gases atrapados durante la solidificación del metal de soldadura. Por lo general tiene la forma de agujeros redondos denominados porosidades esféricas o de forma alargada llamada porosidad tubular o vermicular. Puede presentarse en forma aislada (porosidad esférica aislada), agrupada (nido de poros), o alineada.
La porosidad es causada por reacciones químicas en la soldadura con alto contenido de azufre en el electrodo o el metal base, humedad excesiva en el electrodo, arco excesivamente corto, corriente incorrecta o polaridad inversa o limpieza prematura de la escoria; en definitiva por una técnica de soldadura incorrecta, materiales defectuosos o por un inicio o fin inadecuado del arco de soldadura.
Figura 2.12. Porosidad esférica alineada y nido de poros.
Las Inclusiones de escoria son depósitos de carbón, óxidos y silicatos atrapados en el metal de soldadura o entre el metal de soldadura y el metal base. Las inclusiones de escoria se producen frecuentemente por superficies sucias e irregulares, falta de penetración, fusión deficiente, fallas en la técnica de soldadura o diseño de junta tal que no permita un acceso adecuado del fundente.
Figura 2.13. Inclusiones de escoria aisladas.
La Fusión incompleta o falta de fusión es una discontinuidad causada por la incapacidad de fusionar franjas contiguas de metal de soldadura y metal base o entre cordones de soldadura. Se produce por diseño de juntas inapropiadas, insuficiente aporte de calor en la soldadura, incorrecta alineación de los elementos a soldar o por fallas en la penetración.
Figura 2.14. Falta de fusión en el bisel. El socavamiento o mordeduras de borde es una canaleta o hendidura ubicada en los bordes la raíz de la soldadura o de la sobremonta. Es causada por corrientes excesivas, electrodo inadecuado, exceso de calor o velocidad de avance incorrecta. Si la longitud del socavamiento no constituye una muesca profunda y está dentro de especificaciones, no es considerado un defecto de soldadura.
Figura 2.15. Socavamiento a un costado de la sobremonta y en la raíz.
Las Grietas o Fisuras se producen por tensiones localizadas que exceden la resistencia del material. Se las puede encontrar ubicadas en el metal base o en el metal de aporte.
Las fisuras pueden producirse por agrietamiento en frio o en caliente. Las fisuras en frio se desarrollan luego de la solidificación y son causadas por un elevado contenido de hidrogeno en la zona fundida. Las fisuras en caliente se desarrollan durante la solidificación y son causadas principalmente por un medio o alto contenido de carbono y de impurezas de fosforo y azufre en el metal base. Las fisuras son, independientemente de su longitud, consideradas como defectos de soldadura y por lo tanto una vez detectadas deben ser eliminadas.
Figura 2.16. Fisura longitudinal en el centro del cordón de soldadura y fisura en ZAC.
a falta de penetración ocurre cuando el metal de aporte no ocupa todo el espesor de la junta, dejándola inadecuadamente rellena con metal. Puede ocasionarse por insuficiente separación de la raíz, un electrodo demasiado grueso, una corriente de soldadura insuficiente o una velocidad de pasada excesiva. Esta discontinuidad no es aceptable, es un defecto de soldadura y tiene que ser eliminado.
Figura 2.17. Falta de penetración en un cordón de soldadura.
4.6. SÍMBOLOS NORMALIZADOS PARA SOLDEO Y ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS. Al momento de efectuar una inspección a una estructura metálica soldada el encargado de la certificación tiene que tener planos de construcción en donde consten especificaciones de las soldaduras; como las dimensiones, el tipo, las configuraciones de bisel, el proceso efectuado, etc. De igual manera, se tiene que documentar en planos las secciones donde se realizarán ensayos no destructivos indicando el tipo de ensayo a realizarse. La Sociedad Americana de Soldadura es su norma AWS A2.4 ha desarrollado símbolos estándar para soldeo y ensayos no destructivos los cuales se utilizan en la elaboración de los planos anteriormente mencionados. 4.6.1.
SIMBOLOS DE SOLDADURA.
El símbolo de soldadura indica el tipo de soldadura y su configuración de bisel, forma parte del símbolo de soldeo. La figura 2.18 muestra los símbolos de soldadura que nos proporciona la norma AWS A2.4.
Figura 2.18. Símbolos de Soldadura. 4.6.2. SÍMBOLO DE SOLDEO El símbolo de soldeo es una representación gráfica simplificada que indica, sobre un plano, la forma de ejecución de una soldadura. Está constituido por varios elementos, los cuales no todos son necesarios, a menos que se requieran para facilitar información de soldeo específica. Los elementos del símbolo de soldeo utilizado con mayor frecuencia son: - Línea de referencia. - Flecha - Símbolos de soldadura - Dimensiones - Símbolos suplementarios - Cola (Especificaciones, normas, códigos y procesos.) La figura 2.19 y 2.20 señalan respectivamente la situación normalizada entre los elementos de un símbolo de soldeo y los símbolos suplementarios.
Figura 2.19. Situación Normalizada de los elementos de un símbolo de soldeo
Figura 2.20. Símbolos suplementarios 4.6.3. SIMBOLOS DE ENSAYO NO DESTRUCTIVO. El símbolo de ensayo no destructivo consta de los siguientes elementos: -
Línea de referencia
-
Flecha
-
Letras de Designación del método de examen
-
Extensión y número de los exámenes
-
Símbolos suplementarios
- Cola (especificaciones, códigos u otras referencias) Los elementos de un símbolo de ensayo no destructivo tendrán situaciones normalizadas entre ellos, como se indica en la figura 2.21.
Figura 2.21. Situación Normalizada de los elementos de un símbolo de ensayo no destructivo. Los métodos de ensayo no destructivo se designan mediante letras. El cuadro 2.1 muestra los métodos de ensayo no destructivo con sus correspondientes letras de dignación establecidas en la AWS A2.4 en su Parte C.
METODO DE EXAMEN
LETRAS DE DESIGNACIÓN
Emisión acústica
AET
Electromagnético
ET
Fuga
LT
Partículas magnéticas
MT
Radiografía neutrónica
NRT
Tintas Penetrantes
PT
Prueba
PRT
Radiográfico
RT
Ultrasónico
UT
Visual
VT
Tabla 2.1. Métodos de ensayos no destructivos con sus letras de designación.
4.7. ENSAYOS DESTRUCTIVOS EN JUNTAS SOLDADAS. Los ensayos destructivos son aquellos en que las propiedades físicas de un material son alteradas y sufren cambios irreversibles a causa de las pruebas realizadas, con el fin de lograr una evaluación de sus propiedades mecánicas. Este método es utilizado para determinar que la soldadura propuesta para construcción sea capaz de proveer las propiedades requeridas para su aplicación destinada. Los ensayos destructivos son usados para el registro de calificación de procedimientos de soldadura (PQR). Los comúnmente más utilizados son: - Ensayos de Tensión: usados para determinar la resistencia última de juntas de soldadura en ranura. - Ensayos de Doblez Guiado: usados para determinar el grado de solidez y ductilidad de juntas de soldadura en ranura. - Ensayo Nick Break: usado para determinar la calidad interna del metal de soldadura. Mediante esta prueba se puede evaluar defectos internos tales como: inclusiones de escoria, porosidad y falta de fusión. - Macrografía: usado para analizar la zona afectada por el calor y el metal de aporte en busca de defectos de soldadura.
4.8.
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS A JUNTAS SOLDADAS.
Los ensayos no destructivos (END) son aquellos que permiten detectar y evaluar discontinuidades sin modificar las propiedades físicas de un material. Son de gran utilidad en la inspección de equipos y estructuras en los cuales no es posible modificar sus condiciones de uso o capacidades de servicio y que comúnmente suelen estar expuestos a desgaste por corrosión o fatiga.
Existen varios tipos de ensayos no destructivos, estos pueden ser utilizados de forma específica o complementarse entre ellos dependiendo de la complejidad de lo que se desee analizar o de las indicaciones que la norma imponga. Los ensayos no destructivos se los utiliza principalmente para detectar discontinuidades sean estas internas o superficiales, detección de fugas, medición de espesores, monitoreo de corrosión, determinación de propiedades físicas y químicas, y en la inspección de uniones soldadas. A continuación se detalla los métodos de END que serán útiles al momento de la inspección para la certificación de una torre de perforación petrolera. 4.8.1. INSPECCIÓN VISUAL (VT) Es el método más utilizado de los END por ser el ojo humano su principal instrumento y por qué mediante éste se puede obtener de forma inmediata información de las condiciones superficiales de los materiales que estén siendo inspeccionados. Es usado para detectar corrosión, erosión, para evaluación de rugosidad y defectos superficiales. Se lo aplica en la inspección de uniones soldadas y partes mecánicas. 4.8.2. TINTAS PENETRANTES (PT) Este método está basado en el principio físico conocido como capilaridad, que permite que líquidos penetren y sean retenidos en aberturas estrechas. Consiste en primera instancia de la aplicación de un líquido con buenas características de penetración, posterior a esto se aplica un revelador que es simplemente un líquido absorbente de diferente color al líquido penetrante; permitiendo observar fisuras, grietas y poros superficiales de un material. Se lo utiliza principalmente en la inspección de piezas fundidas y soldaduras en aceros inoxidables.
Las tintas penetrantes pueden ser, en general, de dos tipos: Fluorescentes o Visibles. Las tintas fluorescentes emplean líquidos que solo son visibles en la oscuridad y con la utilización de luz negra o ultravioleta. Las tintas visibles (pigmento colorado) emplea líquidos que pueden ser perceptibles a simple vista o con ayuda de luz artificial blanca. 4.8.3. ENSAYO RADIOGRAFICO (RT). El ensayo radiográfico se basa en la capacidad de penetración que caracteriza a los Rayos X y Gamma, que por su longitud de onda muy corta permiten un análisis volumétrico de los materiales. El ensayo consiste en irradiar un material con cualquiera de los dos tipos de radiación electromagnética mencionados, estos penetran en su interior e interaccionan con el mismo, y si internamente presenta discontinuidades se verán reflejadas en una placa fotográfica. La figura 2.22 muestra el mecanismo de toma radiográfica. Este método es usado para detección y evaluación de discontinuidades internas en todo tipo de materiales, es de gran utilidad en la inspección de juntas soldadas de chapas de medio y gran espesor.
Figura 2.22. Esquema de ensayo radiográfico.
4.8.4. ULTRASONIDO (UT) El método de ensayo por ultrasonido se basa en la generación y propagación de ondas sonoras a través de un material. Las ondas son generadas por un palpador que contiene un cristal piezoeléctrico el cual transforma la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Esté elemento convierte los pulsos eléctricos en movimientos vibratorios de alta frecuencia produciendo ultrasonido. Las ondas producto de las vibraciones se propagan a través del material y cuando se encuentran con una discontinuidad sufren un cambio de dirección, intensidad y ángulo de propagación; los cuales son detectados por el elemento piezoeléctrico y registrado por una pantalla o monitor que muestra estas alteraciones en forma de ondas, con picos y valles bien pronunciados, o con valores numéricos para lo referente a medición de espesores. La figura 2.23 muestra el mecanismo de un ensayo radiográfico. Mediante el uso de este método es posible detectar discontinuidades internas y medir espesores; por lo que es utilizado para la inspección de tuberías y de soldaduras de chapas de medio y gran espesor.
Figura 2.22. Esquema de ensayo de ultrasonido.
4.8.5. PARTÍCULAS MAGNÉTICAS (MT) El ensayo no destructivo por el método de partículas magnéticas se fundamenta en el principio físico del magnetismo, por el cual los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El método consiste en magnetizar una pieza mediante el uso de un imán natural, de un imán artificial permanente, de un yugo magnético, de un electroimán
o utilizando directamente corriente eléctrica. Una vez
magnetizado se aplica un indicador conocido como partícula magnética y si el material presenta alguna discontinuidad en su superficie, esta actuará como polo magnético, atrayendo las partículas esparcidas en la pieza, marcando la existencia, ubicación y tamaño aproximado de las discontinuidades. Las partículas magnéticas son usadas para la detección de defectos superficiales y sub superficiales en materiales ferromagnéticos, entre sus principales aplicaciones están: el control de calidad o inspección de piezas forjadas y laminadas, inspección de soldaduras de acero de alta resistencia y detección de discontinuidades de componentes sujetos a cargas cíclicas.
V. TIPOS DE SOLDADURA 5.1. 4.1.1. DEFINICIÓN.
