Técnica Destacada Vol.1

1 Pre-fase

Debido al incremento de la población en los países en desarrollo, se genera una mayor demanda de energía;por lo que se espera un incremento en las inversiones en minería, transporte y almacenamiento de los recursos energéticos, así como de los equipamientos correspondientes. Esta situación, juega un papel clave en la infraestructura de energía en todo el mundo, ya que lleva a utilizar el transporte estable y continuo de petróleo crudo y gas natural, gasoductos, en tamaños pequeños y grandes.

Hay dos grandes tipos de oleoductos: en tierra, representados en la fig. 1; y oleoductos submarinos. Se utilizan dos métodos para instalar oleoductos submarinos. Uno se llama el método S-Lay o J-Lay, en el cual los oleoductos se soldan en circunferencia a bordo de un barco y luego se bajan hasta situarlos en el fondo del mar. Por el contrario, el método de la cola del tubo tiene a los oleoductos soldados en circunferencia dentro de un oleoducto largo (unos cuantos km de longitud). Se corta dentro de un carrete y se lleva a un buque para ser instalado bajo el mar.

SMAW, GTAW, GMAW y SAW son los procesos más frecuentemente utilizados para llevar a cabo la soldadura de los tubos utilizados en los oleoductos. Sin embargo, SAW tiende a estar limitada a la soldadura de las costuras longitudinales de los oleoductos, mientras que los otros procesos son utilizados para la soldadura de circunferencia. Este artículo se centra en los insumos de soldadura de última generación para la soldadura de circunferencia.

2 Soldadura de circunferencia y requisistos para los insumos de soldadura

Las especificaciones requeridas de los oleoductos varían, dependiendo de los materiales (requisitos de resistencia), los tamaños (diámetro de tubería), las condiciones del lugar de la obra (temperatura, a bordo o en el fondo del mar), y la condición de servicio (presión). La mayoría de los países también tienen sus propias regulaciones y requisitos particulares que influirán en las especificaciones del oleoducto - y plantearán problemas cuando los oleoductos crucen las fronteras.

Los electrodos revestidos de tipo celulosa, utilizados en posición vertical hacia abajo (de 12 a 6 horas), han sido los preferidos para soldar en circunferencia desde el comienzo de la historia de los oleoductos debido a su rápida velocidad de soldadura. Su uso, sin embargo, está limitado a áreas calurosas debido a su baja resistencia a la fisuración y a que es necesario un cierto grado de habilidad de soldadura. Más recientemente están siendo reemplazados por los hilos tubulares auto-blindados (SS-FCWs). Sin embargo, estos dos insumos de soldadura todavía representan entre el 70% y el 80% de la soldadura de circunferencia total.

Figure 1: Onshore pipeline
Photo courtesy of Pipeline Service S.r.I., Manufacturer of the Proteus FAP.

Fig. 1 Oleoducto en tierra
Imágenes de Cortesía de Pipeline Service S.r.I.,
fabricante del Proteus FAP.

Porque la construcción, trasporte e instalación de oleoductos requieren inversiones de tiempo y dinero considerables, la demanda de los procesos de soldadura de circunferencia exclusivos es alta. Como se puede observar en la Fig. 2, la aplicación del equipo exclusivo de soldadura de circunferencia con GMAW automático se ha estado expandiendo gradualmente y reemplazando a los electrodos revestido y SS-FCWs. El uso de los hilos sólidos, al igual que la soldadura de metal de tipo FCWs que conecta verticalmente hacia abajo, también se está incrementando.

Figure 2: MAG welding by special girth welding machine. Photo courtesy of Pipeline Service S.r.I., Manufacturer of the Proteus FAP.

Fig. 2: Soldadura MAG por una máquina especial de
soldadura de circunferencia.
Imágenes de Cortesía de Pipeline Service S.r.I.,
fabricante del Proteus FAP.

Debido a que el tubo que se construye con el método de la cola del tubo, se corta en un carrete después de ser soldado, las propiedades mecánicas como la ductilidad y resistencia, así como los métodos de inspección del metal soldado, tienen que ser cuidadosamente consideradas cuando se diseña el metal soldado y el establecimiento de los procedimientos de soldadura. Por ejemplo, la soldadura vertical descendente por el GMAW convencional con hilos sólidos a menudo sufre de falta de penetración que puede incrementar la necesidad de reparaciones en el futuro. Por lo tanto, todos los posicionales FCWs que enlazan a la soldadura vertical hacia arriba con una penetración profunda y estable son preferibles. Además, debido a que las tuberías con mayor resistencia como la API 5L X80 están siendo consideradas para proyectos de oleoductos reales, FCWs con la calidad y eficiencia adecuadas para tubos de mayor resistencia son ahora una necesidad para el desarrollo.

Los grados del acero al carbono adecuados para los tubos de los oleoductos varían del API 5L X52 a X100, como se muestra en las Tablas 1 y 2. Las tuberías con revestimiento (De base Ni) también se encuentran disponibles desde el punto de vista de la resistencia a la corrosión.


3 Insumos de Soldadura de acero al carbono para soldadura de circunferencia

Kobe Steel ha estado comercializando insumos para soldadura de circunferencia por décadas.

4 Insumos de Soldadura de circunferencia de última generación


4.1. trustarc LB-52NSU

Cuando la soldadura de pasada de raíz de tubería debe realizarse desde fuera en vez de dentro con el fin de formar el cordón trasero dentro de la tubería, GTAW o SMAW se encuentran generalmente favorecidos. Kobe Steel ha comercializado mucho a LB-52U y 62U-LB con este fin, y aún perduran como los más fiables de Kobe, productos únicos en todo el mundo.

Además de cumplir con las siempre cambiantes y diversas especificaciones de los oleoductos, LB-52NSU ha sido desarrollado específicamente para la soldadura de pasada de raíz de tubería para servicios de temperatura baja. Es un electrodo revestido de tipo de hidrógeno bajo equivalente a AWS A5.5 E7016-G. Ofrece excelente dureza a una temperatura de 60°C bajo 0, y con un bajo contenido de hidrógeno difusible aproximadamente de 3.0ml/100g. Las propiedades químicas y mecánicas de todos los metales soldados, y el contenido del hidrógeno difusible del LB-52NSU se muestran en las tablas 3, 4 y 5 respectivamente.

Tabla 1: Electrodos revestidos para soldadura de circunferencia
Grado de
Tubería
del API 5L
Pase de
Soldadura
Tipo de bajo hidrógeno Tipo de
celulosa
alta
Posición
vertical
hacia
arriba
Posición
vertical
hacia
abajo
X42-X52 Raíz LB-52U
LB-52NSU
LB-78VS KOBE-6010
Caliente LB-52-18
LB-52NS
Tapa &
Relleno
X56-X60 Raíz LB-52U
LB-52NSU
KOBE-6010
KOBE-7010S
Caliente LB-52-18
LB-52NS
KOBE-7010S
Tapa &
Relleno
X65 Raíz LB-52U LB-88VS KOBE-7010S
KOBE-8010S
Caliente LB-62
LB-62D
Tapa &
Relleno
KOBE-8010S
X70 Raíz LB-62U KOBE-7010S
KOBE-8010S
Caliente LB-62
LB-62D
Tapa &
Relleno
KOBE-8010S
X80 Raíz LB-62U LB-98VS
LB-108VS
——
Caliente LB-65D
LB-106
Tapa &
Relleno
X100 Raíz —— LB-118VS ——
Caliente LB-80L
LB-116
Tapa &
Relleno
Tabla 2: Alambres TIG y MAG para soldadura circular
Grado de
Tubería
del API 5L
Pase de
Soldadura
Temperatura (°C)
-20 -40 -60
X42-X56 Raíz &
Caliente
TG-S50
MX-100T
TG-S1N
MX-A55T
Tapa &
Relleno
DW-A50
DW-A50SR
DW-A55E
DW-A55ESR
DW-A55L
DW-A55LSR
DW-A81Ni1
X60 Raíz &
Caliente
TG-S62 TG-S60A
Tapa &
Relleno
DW-A55E
DW-A55ESR
DW-A55L
DW-A55LSR
DW-A81Ni1
X65 Raíz &
Caliente
TG-S62 TG-S60A
Tapa &
Relleno
DW-A55E
DW-A55ESR
DW-A55L
DW-A55LSR
DW-A81Ni1
X70 Raíz &
Caliente
TG-S62 TG-S60A
Tapa &
Relleno
DW-A70L DW-A55L
DW-A81Ni1
X80 Raíz &
Caliente
TG-S80AM
Tapa &
Relleno
DW-A70L ——
X100 Raíz &
Caliente
TG-S80AM
Tapa &
Relleno
DW-A80L —— ——

Tabla 3: Químicos de todos los metales soldados por LB-52NSU (masa %)
C Si Mn P S Ni Ti B
0.06 0.62 1.25 0.016 0.004 0.50 0.014 0.0027
Tabla 4: Propiedades mecánicas de todos los metales soldados por LB-52NSU
Propiedades de tracción Dureza de primera
0.2%
PS
(MPa)
TS
(MPa)
EI
(%)
RA
(%)
Energía absorbida: J
(Fractura por fragilidad: %)
FATT
(°C)
-80°C -60°C -40°C
511 598 32 78 43(60)
55(60)
41(60)
Av.46(60)
44(55)
72(55)
58(52)
Av.58(54)
70(50)
137(35)
144(35)
Av.117(40)
-53
Tabla 5: Contenido de hidrógeno difusible del LB-52NSU (ml/100g)
Electrodo de diámetro (mm) 1 2 3 4 Avenida.
3.2 2.8 3.3 3.5 3.0 3.2

Nota: Método comprobado: De acuerdo a AWS A43. (Cromatografía de gas)
            Corriente de soldadura: 120 A (DCEP)
            Atmósfera de soldadura: 21°C x RH10%


Figure 3: Groove shape and pass sequence of butt joint welding with TRUSTARCTM LB-52NSU(root pass only) and TRUSTARCTM LB-52NS

Fig. 3: Forma de ranura y secuencia de pasadas de
soldadura de junta a tope con
LB-52NSU (solo pasada de raíz) y LB-52NS

En la soldadura de junta a tope sobre una placa de 25mm de grosor, 3.2 mm de diámetro. LB-52NSU fue utilizada para la pasada de raíz con DC de 90 amperios, y 3.2 mm de diámetro. LB-52NS fue utilizado para la segunda pasada en adelante junto con DC de 110 amperios en posición vertical hacia arriba. Las temperaturas de precalentamiento y entre pasada se mantuvieron entre los 115 y 135°C. La fig. 3 muestra la forma de la ranura y la secuencia de pasadas, mientras que la fig. 4, la macro estructura del metal soldado. Las propiedades químicas y de tracción se muestran en las tablas 6 y 7; las propiedades de dureza y la curva de transición del metal soldado de junta a tope se muestran en la tabla 8 y la fig. 5. respectivamente. (Nota: Ambos LB-52NSU y LB-52NS están especificados como AWS A5.5 E7016-G).


Figure 4: Macrostructure of butt joint weld metal

Fig. 4: Macro estructura de un metal
soldado de junta a tope

Tabla 6: Químicos de metal soldado de junta a tope (masa %)
Ubicación C Si Mn P S Ni Ti B
Cara 0.07 0.31 1.40 0.008 0.003 0.50 0.013 0.0022
Reverso 0.08 0.30 1.36 0.009 0.003 0.43 0.014 0.0023
Tabla 7: Propiedades de tracción de un metal soldado de junta a tope
Ubicación Propiedades de tracción
Centro 0.2%PS
(MPa)
TS
(MPa)
El
(%)
RA
(%)
506 577 25 81

Figure 5: Transition curve of butt joint weld metal

Fig. 5: Curva de transición de un metal soldado de junta
a tope

Tabla 8: Propiedades de dureza de excelencia de un metal soldado de junta a tope
Ubicación Dureza de primera
Energía absorbida: J
(Fractura por fragilidad: %)
FATT
(°C)
-80°C -60°C -40°C
Cara lateral 47(56)
73(64)
71(55)
Av. 64(58)
169(26)
145(30)
167(26)
Av. 160(27)
162(22)
172(16)
160(26)
Av. 165(21)
-75
Reverso 17(79)
108(56)
49(73)
Av. 58(69)
93(53)
92(56)
82(50)
Av. 89(53)
167(26)
114(40)
169(26)
Av. 150(31)
-58

4.2. trustarc DW-A70L

TRUSTARC™ DW-A70L fue desarrollado por Kobe Steel con el fin de satisfacer la necesidad de los constructores de oleoductos de una alta calidad y eficiencia en la soldadura de tuberías de alta resistencia. Un FCW de rutilo para la soldadura en posición que fue diseñado exclusivamente para la soldadura de circunferencia de oleoductos. DW-A70L está muy bien adecuado para soldar tuberías de alta resistencia y cumplir con el requisito del NACE MR0175 que especifica el contenido total de Ni en el metal soldado de no más de 1%. El contenido de hidrógeno difusible de todos los metales soldados por DW-A70L es tan bajo como 4ml/100gm.

La tabla 9 muestra la clasificación de DW-A70L; y las tablas 10, 11 y 12, las propiedades químicas y mecánicas y el contenido de hidrógeno difusible de todos los metales soldados por DW-A70L respectivamente.

Tabla 9: Clasificación del DW-A70L
Diámetro del alambre 1.2 mm de diametro
Gas de protección 80%Ar-20%CO2
Soldadura en Posición Todas las posiciones
Clasificación AWS A5.29 E101T1-GM
ISO 18276 -A- T 62 5 Mn1NiMo P M 2 H5
Tabla 10: Químicos de todos los metales soldados con DW-A70L (masa %)
C Si Mn P S Ni Mo
0.05 0.36 1.90 0.008 0.011 0.97 0.46

Tabla 11: Propiedades mecánicas de todos los metales soldados por DW-A70L
Propiedades de tracción Dureza de primera
0.2%
PS
(MPa)
TS
(MPa)
EI
(%)
RA
(%)
Energía absorbida: J
(Fractura por fragilidad: %)
FATT
(°C)
-50°C -40°C -30°C
663 739 21 63 75(23)
76(23)
66(30)
Av.72(25)
88(23)
89(18)
84(18)
Av.87(20)
95( 8 )
92(13)
92(13)
Av.93(11)
<-50
Tabla 12: Contenido de hidrógeno difusible de DW-A70L (ml/100g)
Diámetro del alambre (mm) 1 2 3 4 Ave.
1.2 3.5 3.7 3.9 3.6 3.7

Nota: Método comprobado: De acuerdo a AWS A43. (Cromatografía de gas)
            Corriente de Soldadura: 200A-24V-300mm/min.
            Longitud del cable stick-out: 25 mm


Utilizando DW-A70L FCW, la tubería API 5L X65 fue soldada de circunferencia con una máquina de soldadura CRC Evans M300-C (como se muestra en la Fig. 6), y se obtuvieron resultados exitosos. La tabla 13 muestra las condiciones de soldadura comprobadas. La macro estructura y la apariencia del cordón se muestran en las Fig. 7 y 8 respectivamente, mientras que los químicos se muestran en la tabla 14. Las propiedades mecánicas y la transición  de la curva del metal soldado se muestran en las tablas 15 y 9 respectivamente.

Tabla 13: Condiciones de soldadura comprobadas
Metal base 273.1 mm dia.× 21.4 mm
Espesor de la pared
Soldadura en Posición 5G (La tubería se fija en
posición horizontal)
Equipo de soldadura Sistema de Soldadura de Tubería
Externo M-300-C (CRC-EVANS)
Forma de ranura Groove shape
Pasadas de calor & raíces TG-S60A (2 layers)
Parámetros de soldadura:
150 A-10 V-70 mm/min
Polaridad DCEP
Parámetros de soldadura 200A-23.5V
Entrada de calor 1.7 kJ/mm
Secuencia de pasada
(FCW)
8 pasadas / 5 capas
Temperaturas de
precalentamien
to y entre pasadas
100 -130 °C
Gas de protección 80%Ar-20%CO2 , 25 L/min.
PWHT Ninguno (Como soldado)
Figure 6: CRC Evans M300-C welding machine

Fig. 6: Máquina de Soldadura CRC Evans M300-C

Figure 7: Macrostructure of the weld metal in the 3 o’clock position

Fig. 7: Macro estructura del metal soldado en la posición 3
en punto


Tabla 14: Químicos del metal soldado (masa %)
C Si Mn P S Ni Mo
0.05 0.30 1.77 0.008 0.006 0.89 0.42
Figure 8: Bead appearance of the weld metal in the 3 o’clockposition

Fig. 8: Apariencia del cordón del metal soldado en la
posición 3 en punto

Tabla 15: Propiedades químicas del metal soldado
Propiedades de tracción Dureza de primera
0.2%
PS
(MPa)
TS
(MPa)
EI
(%)
RA
(%)
Energía absorbida: J
(Fractura por fragilidad: %)
FATT
(°C)
-60°C -50°C -40°C
627 691 29 66 57(37)
63(44)
54(48)
Av.58(43)
63(38)
70(37)
49(45)
Av.61(40)
82(22)
86(23)
82(34)
Av.83(26)
<-60
Figure 9: Transition curve of weld metal

Fig. 9: Curva de transición del metal soldado

Como se ve en la tabla 14, el contenido de Ni de 0.89%, en el metal soldado cumple con el requisito de la NACE. Las propiedades mecánicas como la resistencia (0.2% PS al igual que TS) y la dureza de excelencia a tan baja temperatura como 60°C bajo cero, son también satisfactorias, gracias a la optimización de los elementos de aleación incluidos los componentes de menor flujo en el DW-A70L. Finalmente, la cantidad y composición de la escoria en el flujo de DW-A70L es óptima y proporciona una buena capacidad de soldadura como se puede ver en las Fig. 7 y 8, la macro estructura del metal soldado en la posición 3 en punto, también como la apariencia del cordón.


4.3. trustarc DW-N625P

Dependiendo de dónde se perfore, el petróleo crudo o gas natural puede, a veces, contener sustancias que pueden corroer las tuberías. En tales casos, el tubo interno tiene que ser resistente a la corrosión, por lo que se utilizan las tuberías revestidas en las que la superficie interior es soldada de superposición. Para la soldadura de circunferencia de tuberías resistentes a la corrosión así como tubos de acero revestidos, la aleación Ni-Cr-Mo 625 se aplica normalmente a causa de su sorprendente resistencia a la corrosión. Su resistencia es generalmente diseñada para

Hasta hace poco, un FCW con buena capacidad de soldadura, resistencia a la corrosión, al igual que propiedades mecánicas para la soldadura de circunferencia no estaba disponible en el mercado. Sin embargo, el recientemente desarrollado hilo tubular DW-N625P de Kobe Steel cumple con todos los requisitos mencionados. La tabla 16 muestra la clasificación de DW-N625P y las tablas 17 y 18 muestran los químicos y propiedades mecánicas de todos los metales soldados por DW-N625P respectivamente.

Tabla 16: Clasificación de DW-N625P
Diámetro del alambre 1.2 mm de diametro
Gas de protección 75-80%Ar+Bal.%CO2
Soldadura en Posición Todas las posiciones
Clasificación AWS A5.34/A5.34M: ENiCrMo3T1-4
ISO 12153 T Ni 6625 P M21 2
Figure 10: Welding of pipe by PREMIARCTM DW-N625P and Magnatech machine.Photograph supplied, courtesy of Magnatech International B.V.

Fig. 10: Soldadura de tubería por DW-N625P y la máquina
Magnatech
Imágenes de Cortesía de Magnatech International B.V.

Tabla 17: Químicos de todos los metales soldados por DW-N625P (masa %)
Elementos C Si Mn P S Cu Ni
DW-N625P 0.031 0.21 0.02 0.007 0.004 0.01 65.2
ENiCrMo3Tx-y ≤0.10 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.02 ≤0.015 ≤0.05 ≥58.0
Elementos Cr Mo Ti Fe Nb+Ta Otros
DW-N625P 21.3 8.8 0.17 2.0 3.23 ——
ENiCrMo3Tx-y 20.0
-23.0
8.0
-10.0
≤0.40 ≤5.0 3.15-4.15 ≤5.0
Tabla 19: Condiciones de soldadura de circunferencia
Soldadura
en Posición
5G
(6 →12 o’clock)
Secuencia de pasada
Tipo de
Acero
Carbon steel* Wire
Tamaño de
la tubería
Grosor de la
pared 30 mm
Diámetro externo
267 mm
Proceso de
soldadura
1 -3 pasadas:
GTAW
4-10 pasadas:
FCAW
Hilo 1-3 pasadas:
TG-SN625
2.4 mm dia.
(AWS A5.14
ERNiCrMo3)
4-10 pasadas:
DW-N625P
1.2 mm dia.
Gas de
protección
1-3 pasadas:
(100%Ar
(Depuración
trasera: 100%Ar)
4 -10 pasadas:
80%Ar-20%CO2
(25 l/min)
Cable
stick-out
4 -10 pasadas:
15 mm (160A)
Ángulo de
antorcha
10°detrás-mano
Temperatura
entre
pasadas
150°C máx.
* Solo para comprobar la usabilidad de DW-N625P
Tabla 18: Propiedades mecánicas de todos los metales soldados por DW-N625P
Propiedades de tracción Dureza de primera
0.2%
PS
(MPa)
TS
(MPa)
EI
(%)
Energía absorbida: J
-196°C -100°C 0°C
DW-N625P 479 765 45 Av.70 Av.78 Av.84
ENiCrMo3Tx-y Not
required
≥690 ≥25 No requerido
Figure 11: Fourth-pass bead appearance Figure 12: Cap-pass bead appearance

Fig.11: Apariencia del cordón a la cuarta pasada
Fig.12: Apariencia del cordón a la pasada de tapa

Fig. 10 muestra una tubería al ser soldada de circunferencia en una máquina Magnatech con DW- N625P en la posición 5G. GTAW y FCAW fueron utilizados para conducir la soldadura de acuerdo a las condiciones de soldadura establecidas en la tabla 19. GTAW fue utilizada para las pasadas de raíz, calor y de tercera (3 pasadas) con la barra TG-SN625, y FCAW fue utilizado desde la cuarta pasada hasta la pasada de la tapa (décima pasada) con DW-N625P.

La apariencia del cordón desde las posiciones 6 y 3 en punto de la cuarta pasada y la pasada de la tapa se muestran en las Fig. 11 y 12 respectivamente. Las macro estructuras de las posiciones 6, 4 y 3 en punto a diferentes temperaturas hasta bajar a 196°C bajo 0.

Tabla 20: Resultados de la prueba de impacto de la soldadura de circunferencia
Posición Temperatura
comprobada (°C)
Energía absorbida (J)
3 en punto 0 Av. 96
-30 Av. 93
-100 Av. 87
-196 Av. 82
Figure 13: Macrostructure of the weld metal in the 6 o’clock position

Fig. 13: Macro estructura del metal soldado en la
posición 6 en punto

Figure 15: Macrostructure of the weld metal in the 3 o’clock position

Fig. 15: Macro estructura del metal soldado en la
posición 3 en punto

Figure 14: Macrostructure of the weld metal in the 4 o’clock position

Fig. 14: Macro estructura del metal soldado en la
posición 4 en punto

Estas pruebas muestras que la soldadura de circunferencia fue capaz de obtener una extraordinaria apariencia del cordón en las posiciones 6, 4 y 3 en punto, con las cuales conseguir resultados libres de defectos es una tarea muy dura de alcanzar.


5 Postdata

Postscript

Considerando que la mayoría de las estructuras en alta mar son construidas de acuerdo a las mismas especificaciones, por lo tanto, se utilizarán los mismos procesos e insumos de soldadura. Los proyectos de oleoductos tienen más posibilidades de aplicar a las especificaciones establecidas por el propietario del proyecto particular. Por esta razón, un proyecto debe diferir significativamente en términos de soldadura de otro. Se puede suponer, sin embargo, que los futuros proyectos de oleoductos especificarán, incluso requisitos más altos de calidad.

La demanda de procesos e insumos de soldadura más estables y eficientes no se detendrá, y Kobe Steel estará siempre listo para combatir contra los límites de la tecnología actual.

Agradecimientos especiales a los fotógrafos, cortesía de:
Pipeline Service S.r.I., Manufacturer of the Proteus FAP Magnatech International B.V.


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