Soldadura en un recipiente a presión
1. Introducción Los recipientes a presión se usan en muchas industrias para almacenar y transferir gases o líquidos bajo alta presión. Esta industria no deja ningún extremo suelto cuando se trata de seguridad. Hay una serie de reglas y directrices estrictas que deben seguirse. Esto se debe a que el diseño y la fabricación de recipientes de alta presión tienen que ser precisos; de lo contrario podría resultar en accidentes mortales durante el funcionamiento del recipiente [1]. Debido a la naturaleza crítica de las aplicaciones de recipientes a presión, sus soldaduras se someten a rigurosos controles de calidad. S i una soldadura no cumple con los requisitos de una prueba no destructiva, los costos aumentan. La soldadura debe ser removida, y el área debe estar apropiadamente remendada. Este es un proceso costoso que puede hacer que un proyecto pierda sus resultados esperados por c osto y plazo. Como resultado, las técnicas de soldadura apropiadas, incluyendo la preparación de la superficie, son fundamentales para lograr proyectos rentables y clientes c lientes satisfechos [2].
2. Marco Teórico 2.1. Recipiente a presión
Es cualquier contenedor cerrado que tenga una diferencia de presión entre el interior y el exterior, independientemente de su forma y dimensiones [3]. La función que tienen los recipientes a presión es almacenar fluidos a determinada presión y temperatura necesaria, según los requerimientos del proceso a desarrollar [4]. 2.2. Tipos de recipiente a presión
Figura 1: Tipos de recipientes a presión
a. Por su uso
Los recipientes a presión de almacenamiento nos sirven únicamente para almacenar f luidos a presión, y de acuerdo con su servicio son conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores, etc. Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples y muy diversos usos, entre ellos podemos citar los intercambiadores de calor, reactores, torres fraccionadoras, torres de destilación, etc.
b. Por su forma
Los recipientes a presión cilíndricos pueden ser horizontales o verticales, y pueden tener, en algunos casos chaquetas térmicas para incrementar o disminuir la temperatura de los fluidos según su uso. Los recipientes esféricos se utilizan generalmente como tanques de almacenamiento, y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes a altas presiones. Puesto que la forma esférica es la forma “natural” que toman los cuerpos al ser sometidos a presión interna, ésta debería ser la forma más económica para almacenar f luidos a presión, sin embargo, en la practica la fabricación de recipientes esféricos es mucho más cara que los recipientes cilíndricos. (b)
(a)
Figura 2: Recipientes a presión por su forma (a) Cilíndrico, (b) Esférico.
2.3. Diseño de recipientes a presión
Independientemente de la naturaleza de la aplicación de los recipientes a presión, hay una serie de factores por lo general deben tenerse en cuenta en el diseño de la unidad. La consideración más importante a menudo es la selección del tipo de recipiente que pueda realizar los servicios requeridos de la manera más satisfactoria. Al desarrollar el diseño, se deben considerar otros criterios como las propiedades del material utilizado, las tensiones inducidas, la estabilidad elástica y la apariencia estética de la unidad. El coste de los recipientes fabricados también es importante en relación con su servicio y vida útil [5]. Los materiales utilizados para la construcción de recipientes a presión son diversos, pueden utilizarse materiales metálicos como no metálicos, revestimientos de caucho o vidrio.
También pueden utilizarse materiales compuestos de fibra de vidrio, carbono, etc. para la construcción de recipientes especiales [6]. Hay muchos estándares de ingeniería que proporcionan información sobre el diseño de recipientes a presión. Los códigos estadounidenses, indio, británico, japonés, alemán, italiano y muchos otros. Sin embargo el código internacionalmente aceptado para el diseño de recipiente a presión es el de la sociedad estadounidense de ingeniería mecánica (ASME). En la legislación peruana, se puede encontrar normas que regulan el diseño de recipientes a presión que almacenan hidrocarburos. Según el decreto legislativo Nº 052-93-EM [7]. “Artículo 44.- Los tanques de almacenamiento para presiones que excedan los 1.055 Kg/cm2
(15 psig) deberán ser diseñados de acuerdo al ASME Section VIII Div. 1 ó 2 según sea aplicable”. Además, encontramos en la subsección (i) las especificaciones de l a inspección de soldadura. “La inspección de soldaduras sea por tintas penetrantes, ultrasonido, partícula magnética o radiografía seguiría los lineamientos del ASME”.
2.4. Métodos de fabricación
Los recipientes a presión son construidos mediante una serie de métodos bien establecidos, tales como soldadura por fusión, fundición, forja, mecanizado, soldadura fuerte, soldadura blanda y conformado de chapa metálica. Cada método tiene ciertas ventajas para determinados tipos de equipos. El tamaño, la forma, el servic io y las propiedades materiales del equipo pueden influir en la selección del método de fabricación [5]. 2.4.1.
Soldadura por fusión
Es el método de fabricación más utilizado para la construcción de recipientes de acero. Este método de construcción es prácticamente ilimitado con respecto al tamaño y se utiliza ampliamente para la fabricación y montaje de equipos de gran tamaño en el campo. En la soldadura por fusión, no se aplica presión entre las piezas que se sueldan y el calor necesario para la fusión del metal puede ser suministrándose de diferentes maneras. La soldadura por arco, la soldadura por gas y la soldadura Thermit se clasifican c lasifican como soldadura por fusión, pero la soldadura por arco es la más común [8]. 2.4.1.1. Soldadura por arco
La soldadura por arco es una fusión progresiva localizada y que fluye conjuntamente a los bordes adyacentes de las partes de metal de base, originada por el calor producido por un arco eléctrico entre un electrodo metálico o barra y el metal base. Tanto el material de soldadura (varilla o electrodo de soldadura) así como el metal base adyacente se funden. Al enfriarse se solidifican, uniendo así las dos piezas con un material continuo [8]. Dentro de este tipo de soldadura consideramos a los siguientes tipos:
Soldadura por arco manual con electrodo revestido (SMAW)
Soldadura por electrodo no consumible protegido (TIG)
Soldadura por electrodo consumible protegido (MIG/MAG)
Soldadura por arco sumergido (SAW)
Soldadura por arco sumergido (SAW)
El proceso de arco sumergido es particularmente adecuado para la soldadura automática, ya que permite la alimentación continua del alambre de relleno y a corrientes de entrada relativamente altas. El arco está completamente protegido de la contaminación atmosférica y las salpicaduras por una capa de gránulos sueltos de fundente. Si se utilizan al ambres compuestos, este proceso permite la aplicación de metales altamente aleados. Los alambres metálicos tienen la aleación principal en parte exterior con todas las otras aleaciones en el núcleo. Un fundente especial protege el arco de la contaminación del aire durante la deposición y también proporciona una manta de escoria protectora durante la solidificación. El fundente puede proporcionar también ingredientes de aleación para producir la composición de soldadura deseada [8]. Debido a las numerosas ventajas de la soldadura por arco sumergido, el uso de este proceso para unir metales en la fabricación de recipientes a presión aumenta diariamente. Los fabricantes están constantemente buscando maneras de reducir costos, mejorar las condiciones de trabajo del operador, aumentar la producción y obtener una mejor calidad y apariencia [9].
Figura 3: Esquema de la soldadura por arco sumergido (SAW) [10].
3. Caso Práctico Soldadura en la fabricación de un recipiente a presión de 600 pies3 3.1. Equipo Solicitado Se requiere un recipiente para almacenar gas natural en un recipiente de presión, el recipiente debe ser capaz de almacenar 600 pies3 de dicho fluido y mantenerlos a -61°F o -256°C como requisito para el proceso de presión que se le aplicara, el cual será de 100 psi. 3.2. Códigos Aplicados para la fabricación del recipiente a presión El código ASME para calderos y recipientes a presión contiene 22 secciones. Para el diseño del recipiente a presión utilizó como referencia la Sección VIII, división 1 , porque este establece los requisitos aplicables al diseño, la fabricación, la inspección, las pruebas y la certificación de los lo s recipientes a presión que funcionan a presiones internas o externas superiores a 15 Psi y menores a 3000 Psi [11].
La División 1 también contiene apéndices obligatorios y no obligatorios que detallan los criterios de diseño suplementarios, los exámenes no destructivos y las normas de aceptación de inspecciones. La División 1 se divide en subsecciones, las consideradas en el diseño fueron: Subsección A - Requisitos generales. Parte UG - Requisitos generales para todos los métodos de construcción y todos los materiales. Subsección B - Requisitos relativos a los métodos de fabricación de los recipientes a presión. Parte UW - Requisitos para los recipientes a presión fabricados por soldadura. Adicionalmente la sección IX especifica los certificados exigidos para los soldadores y habla de los procedimientos requeridos para las soldaduras. 3.3. Parámetros de Diseño
Presión de diseño 130 Psi
Presión de operación 100 Psi.
Temperatura de trabajo 321.8° F (161° C).
Temperatura de Diseño 321.8° F (161 °C)
Densidad del fluido (en estado líquido)=0.60 kg/m 3
Volumen del recipiente 600 ft 3.
Recipiente tipo cilíndrico
Margen de corrosión de 1/16 pulgadas (1.5875 mm.)
Tipo de material a utilizar según Código ASME Sección VIII y en base al tipo de fluido contendrá se determina el siguiente material Acero SA-283 Gr C.
Esfuerzo ultimo del material Sy = 15700 Psi.
Temperatura de operación del material -20 a 650° F.
Eficiencia de soldadura en base a la experiencia de los fabricantes de recipientes, E =1 (CUERPO), E= 0.85 (TAPAS).
Limite elástico mínimo 30Ksi
Esfuerzo Ultimo a la tensión 55 a 75 ksi
Figura 4: Esquema del recipiente a presión diseñado [12].
Los datos de diseño fueron recopilados de la Tesis de Alberto Rodríguez y Carlos Reyes: “Memoria cálculo, selección y análisis numérico de un recipiente a presión de 600 ft 3 de capacidad ” [12]. La eficiencia de las soldaduras, un parámetro que servirá para el cálculo del espesor del recipiente cilíndrico se halló de acuerdo a la tabla UW-12 (ASME Boiler and Pressure Vessel Code-Section VIII, Div 1): “Eficiencias máximas permisibles permisibles para soldaduras de arco y a gas . ”
Los valores de E=1 representan a un soldadura a tope con radiografiado al 100%, mientras que E=0.85, indican una soldadura a tope con radiografiado aleatorio.
3.4. Consideraciones para las soldaduras
Es importante señalar que las soldaduras es el aspecto más crítico de la construcción de recipientes a presión, pues es a través de ellas que se pueden generar las posibles fugas de fluidos del recipiente y que se pueden generar fallas del equipo o inclusive graves accidentes una vez que estos son sometidos a presión [13] . Es por esto que cada una de las soldaduras del recipiente, serán cuidadosamente inspeccionadas por métodos no destructivos como examinación radiográfica, ya sea completa o por zonas, o cuando este tipo de examinación no pueda ser aplicable, se emplea entonces el método de líquidos penetrantes, partículas magnéticas o incluso inspección por ultrasonidos si es económicamente viable o está especificado por el cliente y siguiendo la norma UW-11 (ASME Boiler and Pressure Vessel Code- Section VIII, Div 1) “Examinación Radiográfica y por ultrasonidos [12]. Las superficies de soldadura deben estar limpias y libres de incrustaciones, óxido, aceite, grasa y otros materiales extraños nocivos a una distancia mínima de ½ pulg. de la junta de soldadura. Los óxidos dañinos deben eliminarse de la zona de contacto del metal de soldadura [8]. Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido, el cual puede ser manual o automático. En cualquiera de los dos casos, deberá tener penetración completa y se deberá eliminar la escoria dejada por un cordón de soldadura, antes de aplicar el siguiente [12].
(a)
(b)
Figura 5: Fabricación del recipiente a presión, (a) Preparación de la superficie, (b) Soldadura SAW automática [2].
Antes de aplicar cualquier soldadura, en recipientes a presión, debemos preparar un Procedimiento de Soldadura para cada caso en particular, el cual nos indica la preparación, diámetro del electrodo, etc., para cada tipo y espesor de material. Debemos D ebemos también hacer pruebas a los soldadores para asegurarnos que la soldadura será aplicada por personal debidamente calificado. Estas pruebas y procedimientos deberán apegarse estrictamente a las recomendaciones hechas por el Código ASME., Sección IX "Welding and Brazing Qualifications" [13]. La Sección IX del código ASME cubre los muchos detalles que están involucrados en la obtención de un procedimiento de soldadura técnicamente certificado, así como en la obtención de la certificación para el soldador. Los documentos deben ser preparados y certificados para demostrar que los procedimientos y soldadores cumplen con los requisitos del código. Se debe establecer una línea de comunicación entre los ingenieros de soldadura responsables de preparar las especificaciones, las personas que harán la soldadura y el personal de control de calidad que están involucrados en el control y verificación de que la soldadura cumple con todas las condiciones de aceptación [8]. El fabricante o contratista es responsable de mantener todos los registros del procedimiento y las pruebas de calificación de los operadores. Los inspectores tienen el derecho, sin embargo, de pedir re-tests si creen que la soldadura no es aceptable por los requisitos de código. En el Anexo I se muestra un formulario de registro recomendado para una prueba de calificación del procedimiento de soldadura ASME. En el Anexo II se muestra un formulario de registro recomendado para una prueba de calificación de rendimiento de un soldador ASME [8].
Figura 6: Soldadura de tapas [12].
Figura 7: Soldadura de tapas con placas de acero a traslape [12].
Figura 8: Soldadura de boquillas [12].
Adicionalmente a los ensayos no destructivos para inspeccionar la calidad de las soldaduras, una vez que se termina de fabricar el cuerpo y accesorios del equipo, este es sometido a una prueba hidrostática, la cual consiste en llenar el recipiente con agua y elevar la presión interna a una presión mayor a la de diseño (1.3 veces mayor), la cual es calculada de acuerdo a los procedimientos especificados en la párrafo UG- 99 del código ASME Sección VIII, Div 1. Esta prueba permite ubicar cualquier fuga o goteo que se pudiera generar en cualquiera de las secciones del recipiente, particularmente en las uniones soldadas que es por donde existen mayores posibilidades de fallas [4], [13].
4. Bibliografía [1]
Didiosmech, «Challenges in High Pressure Vessels Design», 2017. [En línea]. Disponible en: http://www.didionsmech.com/blog/challenges-inhttp://www.didionsmech.com/blog/challenges-in-high-pressure high-pressure
[2]
T. Hufford, «Welding prep in pressure vessel fabrication», 2015. [En línea]. Disponible en: http://www.thefabricator.com/article/cuttingweldprep/weldingprep-in-pressure-vessel-fabrication.
[3]
A. R. Pendbhaje, M. Gaikwad, N. Deshmukh, y R. Patil, «Design and analysis of pressure vessel», Int. J. Innov. Res. Technol. Sci., vol. 2, n.o 3, pp. 28-34, 2013.
[4]
J. M. Leon, «Diseño y Calculo de recipientes a presión», 2001.
[5]
M. Joseph, «Design of pressure vessel», 2004.
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C. Ruiz, Proyecto y construcción de recipientes a presión. URMO, 1976.
[7]
MINEM, «Decreto Supremo N° 052-93-EM», 1993.
[8]
A. L. Kohan, Pressure Vessel Systems. McGraw-Hill, 1987.
[9]
W. W. Weber, «How to weld high-pressure vessels with automatics», Weld. J., vol. 3, n.o 1, pp. 265-268, 1956.
[10]
P. . Houldcroft, «Submerged-Arc Welding», 2003.
[11]
ASME, «ASME Boiler and Pressure Vessel Code».
[12]
A. G. Rodíguez y C. A. Reyes, «Memoria cálculo, selección selección y análisis numérico de un recipiente a presión de 600 ft3 de capacidad», Instituto Politécnico Nacional, 2008.
[13]
L. J. Guzman, «Diseño mecánico de de recipientes a presión bajo el codigo asme asme sección VIII, División 1», Universidad Simon Bolivar, 2006.
ANEXOS
ANEXO I: SUGGESTED FORMAT FOR WELDING PROCEDURE SPECIFICATIONS (ASME Section IX: QW-482)
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QUALIFICATIONS ANEXO II: SUGGESTED FORMAT FOR WELDER PERFORMANCE QUALIFICATIONS (ASME Section IX: QW-301)
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