Técnica Destacada Vol.4

Cumplimiento de los requisitos de las estructuras en alta mar que operan en aguas cada vez más profundas y más frías

Meeting the requirements of offshore structures that operate in ever deeper and colder water

1 Tendencias en la demanda global de estructuras marítimas

Figure 1: World oil production Figure 2: World gas production

Fig. 1: Producción mundial de petróleo
Fig. 2: Producción mundial de gas

Se prevé que el consumo global de energía en el año 2035 aumentaría 1.8 veces al del año 2010, mientras que se estima que el PIB mundial se incremente en un promedio de 2.8% anualmente desde el 2010 hasta el 2035. También se espera que el consumo de petróleo crudo aumente un poco más de 30% entre los años 2010 y 2035, principalmente debido a la demanda de vehículos de motor en los países en desarrollo. El consumo de gas natural, el cual es visto como la única fuente de energía que verá un aumento exponencial en su demanda, está previsto a incrementar en gran medida, en un 50% o más en el año 2035, en comparación con el año 2010.

Figure 3: Estimated investment in offshore structures

Fig. 3: Inversión estimada de las estructuras en alta mar

A medida que aumenta la demanda de gas natural y petróleo, las tasas de declive de los campos existentes se están intensificando; en consecuencia, nuevos sitios de perforación en alta mar deben ser investigados y desarrollados para asegurar las reservas de gas y petróleo. Se prevé que la inversión en estructuras e instalaciones conexas en alta mar entre los años 2010 y 2020 se incrementará en un factor de tres. Las Fig. 1 y 2 muestran las tendencias de la producción mundial de gas y petróleo, mientras que la Fig. 3, la inversión estimada en las estructuras en alta mar.

Alrededor del 50% de los yacimientos de petróleo descubiertos en los últimos cinco años se encuentran principalmente localizados en las aguas profundas frente a las costas de Brasil y África. Debido a que los precios del gas y petróleo se han mantenido altos, incluso la perforación en aguas profundas se ha vuelto rentable, y es probable que sea aún mucho más desarrollada. La demanda de estructuras flotantes en alta mar como las plataformas de perforación semi-sumergibles (SSRs), las plataformas pata tensoras (TLPs), producción flotante, almacenamiento y sistemas de descarga (FPSOs) y mástiles, aumentará. Incluso se espera que la demanda de buques de perforación, el buque más utilizado para la perforación exploratoria o científica de nuevo petróleo en aguas profundas o pozos de gas, incremente. La Fig. 4 muestra estructuras en alta mar comunes. Además de la perforación en aguas profundas, la exploración en áreas extremadamente frías, como las regiones polares, donde los altos costos han permanecido sin tocar, es probable que comience en un futuro próximo.

Los nuevos yacimientos de gas, en su mayoría pequeños o de tamaño mediano y en alta mar, se agotarán dentro de 10 a 20 años. La exploración o producción en tales yacimientos ha sido limitada debido a que los beneficios eran demasiado bajos como para cubrir los altos costos de inversión en los tanques de almacenamiento en tierra firme y en tuberías submarinas. Sin embargo, un nuevo concepto, Floating-LNG (F-LNG) está siendo investigado como una manera de hacer frente a los yacimientos de gas distantes donde las instalaciones de licuefacción no pueden ser construidas por razones geográficas o políticas. El F-GNL consiste en un buque flotante capaz de llevar a cabo todas las operaciones en la producción del Gas Natural Licuado (GNL), incluyendo la licuefacción, el almacenamiento y la descarga a los buques de GNL. Los primeros de estos desarrollos en el mundo han sido iniciados en Malasia y Australia.

2 Requerimientos para los metales de soldadura

Así como la perforación en alta mar se traslada a regiones cada vez más frías y más profundas, se requiere que los aceros y metales de soldadura sean más resistentes para ser capaces de soportar entornos severos.En la estructura superior (sobre el nivel del mar), tal como una cubierta, una resiliencia de vE-40°C ≥42J i es requerida, y las juntas de soldadura para aceros de clase YP420MPa con un alta resistencia a la tracción (HT), requieren una tenacidad a las fracturas de δc-20°C ≥0.25mm.

Por otro lado, la parte inferior (por debajo del nivel del mar) de una plataforma autoelevable, la cual debe soportar la carga de las olas del mar y las corrientes marítimas, requiere la aplicación de aceros de clase YP690MPa con el fin de disminuir el peso total de un equipo de perforación y de mejorar la capacidad de carga. Además, los insumos y procedimientos de soldadura fiables son necesarios con el fin de asegurar la resiliencia y la resistencia al agrietamiento en frío apropiados.

Los insumos de soldadura en todas las posiciones son esenciales para las cubiertas en particular, ya que éstas cuentan con múltiples tubos de gran diámetro para las juntas TKY como se puede observar en la Fig. 5.

Figure 5: TKY joints

Fig. 5: Juntas TKY

Al llevar a bordo las instalaciones de licuefacción, los F-LNGs serán más largos en tamaño que las FPSOs para el petróleo, por lo que las estructuras del casco y del tanque del F-LNG están obligadas a ser fuertes sin precedentes. Otro requisito para el F-LNG será enfrentar los movimientos de las olas de GNL mientras chapotea alrededor dentro de tanques parcialmente llenos, presionando fuertemente contra las paredes del casco o del tanque. En este sentido, las placas extremadamente pesadas ​​(alrededor de 50 mm de grosor) añadirán fortaleza, y la resiliencia de las juntas de soldadura será requerida a -40°C ó -50°C, así como una resistencia a la fractura a -10° C.

Figure 4: Typical offshore structures

Fig. 4: Estructuras en alta mar típicas


Insumos de soldadura para estructuras en alta mar

La Tabla 1 (página 5) muestra insumos de soldadura típicos para las operaciones de estructuras en alta mar a bajas temperaturas. Dado que las estructuras más en alta mar están siendo construidas en ambientes cada vez más desafiantes, los insumos de soldadura desarrollados para este tipo de estructuras en alta mar, en particular aquellos desarrollados para los aceros de clase HT780MPa así como HT520/HT550MPa, son el tema de este artículo. Dado que las estructuras más en alta mar están siendo construidas en ambientes cada vez más desafiantes, los insumos de soldadura desarrollados para este tipo de estructuras en alta mar, en particular aquellos desarrollados para los aceros de clase HT780MPa así como HT520/HT550MPa, son el tema de este artículo.

3-1. Insumos de soldadura para aceros de clase HT780MPa o YP690MPa

Para las fabricaciones de estructuras en alta mar utilizando aceros de clase HT780MPa o YP690MPa, los insumos de soldadura SMAW, FCAW y SAW ya han sido desarrollados y comercializados.

3-1-1. TRUSTARC™ LB-80L

Figure 6: Example of welding processes for a rack portion of a jack-up-rig

Fig. 6: Ejemplo de procesos de soldadura para partes del rack de las plataformas autoelevables

Para la soldadura de aceros de clase YP690MPa que requieren una alta resiliencia y resistencia al agrietamiento en frío a bajas temperaturas, los electrodos cubiertos de hidrógeno ultra-bajo (bajo en oxígeno también) siguen desempeñando un rol importante. El LB-80L (AWS A5.5 E11018-G H4), que fue diseñado para la soldadura DC, cumple con todos estos requisitos, como se muestra a continuación. La Fig. 6 muestra un ejemplo de procesos de soldadura para partes del rack de las plataformas autoelevables, donde los aceros de clase YP690MPA se utilizan principalmente.

Tabla 2: Contenido de hidrógeno difusible (ml/100g)
N=1 N=2 N=3 N=4 Promedio
1.9 1.5 1.3 1.7 1.6
Nota: Método de prueba: Según el AWS A4.3 (Cromatografía de gases)
Corriente de soldadura: 150 A (4.0 mm de diámetro; DCEP)

La Tabla 2 muestra que el hidrógeno difusible en los resultados de la prueba de LB-80L es tan bajo como 2.0ml/100g y estable. Está, por lo tanto, considerado como el insumo de soldadura más fiable para la resistencia al agrietamiento en frío.

Tabla 3: Condiciones de prueba de la junta a tope (LB-80L: 4.0mm de diámetro)
Placa de prueba Acero de Clase HT780MPa;
50mm de grosor
Preparación de rutina Doble V (50º y 70º)
Posición de Soldadura Vertical hacia arriba (3G)
Parámetros de soldadura 120 A-22 V (DCEP)
Entrada de calor 2.0 kJ/mm
Temperatura de precalentamiento
& de entre pasada
150°C

Las condiciones de prueba y las propiedades de tracción de una junta a tope de acero de clase HT780MPa soldada por el LB-80L se muestran en las Tablas 3 y 4. Mientras que la macroestructura y curva de transición de la resiliencia, en las Figs. 7 y 8 respectivamente.


Tabla 1: Insumos de soldadura típicos para estructuras en alta mar a bajas temperaturas
Proceso de
soldadura
Insumos de
Soldadura
Fuerza mínima
aplicable*1(MPa)
Temperatura
aplicable*1(°C)
Composiciones químicas del
metal de soldadura (% de masa)
Gas de
polaridad o
protección
vE CTOD (δ)
0.2%YP
(MPa)
TS
(MPa)
≥47J ≥0.25mm ó
≥0.10mm*4
C Si Mn Ni Mo Ti B
SMAW LB-7018-1 400/390*2 520/490*2 -40 0 0.06 0.4 1.5 - - 0.03 0.004 AC/DCEP
*3
LB-52NS 400/390*2 520/490*2 -60 -30 0.08 0.4 1.4 0.5 - 0.02 0.002
NB-1SJ 460/400*2 550/520*2 -60 -40 0.08 0.3 1.3 1.3 - 0.02 0.002
LB-55NS 470/460*2 570/550*2 -60 - 0.06 0.3 1.5 0.9 0.1 0.01 0.003
LB-62L 530/460*2 620/550*2 -60 -10 0.07 0.3 1.0 2.1 0.1 0.02 0.002
LB-67L 530 620 -60 -20 0.06 0.3 1.1 2.6 - 0.01 0.002 DCEP
LB-67LJ 530 620 -60 -40*4 0.07 0.4 1.1 2.6 - 0.02 0.002
LB-88LT 690 770 -60 - 0.04 0.6 1.8 2.6 0.7 - - AC
LB-80L 690 770 -60 - 0.04 0.5 1.4 3.0 0.8 - - DCEP
SAW PF-H55LT/US-36 400 520 -60 -50 0.08 0.2 1.4 - - 0.02 0.004 AC
PF-H55LT/US-36J 465 550 -60 -20 0.09 0.3 1.7 - - 0.02 0.004
PF-H55S/US-2N 530 620 -60 -20 0.08 0.3 1.3 2.3 0.2 - -
PF-H80AK/US-80LT 690 770 -60 - 0.08 0.3 1.7 2.5 0.7 - -
PF-H55AS/US-36J 400 520 -60 -20 0.07 0.2 1.4 - - 0.02 0.004 DCEP
PF-H62AS/US-2N 530 620 -60 -20 0.05 0.3 1.3 2.5 0.2 0.01 -
PF-H80AS/US-80LT 690 770 -60 - 0.06 0.5 1.6 2.4 0.7 - -
GMAW
(Sólido)
MG-S50LT 400 520 -60 -30 0.09 0.4 1.9 - - 0.08 0.006 80%Ar-
20%CO2
MG-S88A 690 770 -60 - 0.06 0.5 1.6 3.6 0.8 - -
GMAW
(FCW)
DW-55L 400 520 -60 0 0.04 0.4 1.3 1.4 - 0.05 0.003 CO2
DW-55SH 400 520 -60 -10 0.05 0.3 1.4 1.6 - 0.04 0.003
DW-55LSR 420 550 -60 -10 0.06 0.3 1.2 1.5 - 0.05 0.004
DW-62L 500 610 -60 -40*4 0.06 0.3 1.2 2.5 - 0.06 0.004
DW-A81Ni1 420 550 -60 -10 0.05 0.3 1.3 0.9 - 0.04 0.005 80%Ar-
20%CO2
DW-A55L 460 550 -60 -20 0.06 0.3 1.2 1.4 - 0.06 0.003
DW-A55LSR 420 550 -60 -20 0.05 0.3 1.3 0.9 - 0.04 0.003
DW-A62L 500 610 -60 -40*4 0.07 0.3 1.3 2.1 - 0.04 0.003
DW-A80L 690 770 -40 - 0.07 0.3 1.9 2.5 0.2 0.07 -
Nota:
*1: Se encuentra en condición de soldado, pero no bajo el tratamiento térmico de post-soldadura.
*2: El valor de la izquierda es aplicable a la soldadura AC (de corriente alterna), y el derecho a la soldadura DCEP (de corriente continua, electrodo positivo).
*3: Las composiciones químicas de los metales de soldadura LB-52NS, NB-1SJ y LB-62L se obtienen mediante la soldadura AC, y los otros mediante la soldadura DCEP.
*4: Valor CTOD a -40°C es ≥0.10mm.
Tabla 4: Propiedades de tracción de un metal de soldadura a tope conjunta
Ubicación Propiedades de tracción
0.2%PS (MPa) TS (MPa) El (%)
Final 773 865 19
Centro 807 864 17
Atrás 753 832 17
Figure 7: Macrostructure of butt joint weld metal Figure 8: Notch toughness transition curves

3-1-2. TRUSTARC™ DW-A80L

Ya que el SMAW es ineficiente y requiere un nivel bastante alto de habilidad, el desarrollo de hilos tubulares de tipo rutilo para todas las posiciones (FCWs) han sido deseados. Sin embargo, los FCWs de tipo rutilo depositan metales de soldadura con un mayor contenido de oxígeno y con más inclusiones de óxido que aquellos del SMAW en general. Resultó en una mala resiliencia. El DW-A80L (AWS A5.29 E111T1-GM-H4) proporciona una solución mediante el control del contenido de oxígeno en el flujo, al mismo tiempo que mantiene una alta resiliencia. El contenido de hidrógeno difusible con DW-A80L se encuentra alrededor de 2.5ml/100g, como se muestra en la Tabla 5, un nivel extremadamente bajo para un FCW de tipo rutilo.

Tabla 5: Contenido de hidrogeno difusible (ml/100g)
N=1 N=2 N=3 N=4 Promedio
2.5 2.3 2.3 2.7 2.4
Nota: Método de prueba: Según el AWS A4.3 (Cromatografía de gases)
Parámetros de soldadura: 265A-28V-300mm/minuto
protrusión del alambre: 20mm; Gas de protección: 80% Ar-20%CO2
Tabla 6: Condiciones de prueba de la soldadura a tope conjunta (DW-A80L:1.2mm de diámetro)
Placa de prueba HT780MPa class steel; 50mm thick
Posición de
Soldadura
Vertical hacia arriba (3G) Horizontal (2G)
Preparación
de rutina
Doble V (40° & 60°) Doble bisel
(50° & 60 °)
Parámetros
de soldadura
180-200A, 23-24V 220-260A, 25-28V
Entrada de calor 1.7 kJ/mm 1.0 kJ/mm
Gas de protección 80%Ar-20%CO2, 25 l/minuto
Temperatura de
precalentamiento
100 °C
Temperatura de
entre pasada
100-150 °C
PWHT En condición de soldado

La soldadura a tope conjunta con DW-A80L en acero de clase HT780MPa se llevó a cabo en la posición vertical hacia arriba (3G) y la posición horizontal (2G). Las Tablas 6 y 7 muestran las condiciones de prueba y las propiedades de tracción; las Fig. 9 y 11, muestras las macroestructuras; y las Fig. 10 y 12, las curvas de transición de resiliencia en las posiciones 3G y 2G respectivamente.

Tabla 7: Propiedades de tracción de las juntas a tope de metales de soldadura
Posición de
Soldadura
Ubicación Propiedades de tracción
0.2%PS (MPa) TS (MPa) El (%)
3G Final 736 811 23
Centro 807 856 23
Back 738 817 24
2G Final 776 814 19
Centro 833 863 18
Atrás 808 843 20

3-1-3. TRUSTARC™ PF-H80AS/TRUSTARC™ US-80LT

Tabla 8: Contenido de hidrogeno difusible (ml/100g)
N=1 N=2 N=3 N=4 Promedio
1.2 1.3 1.6 1.4 1.4
Nota: Método de prueba: Según el AWS A4.3 (Cromatografía de gases)
Parámetros de soldadura: 500A-30V-300mm/minuto; DCEP
Tabla 9: Condiciones de prueba de soldadura a tope conjunta con PF-H80AS/US-80LT
Placa de prueba Acero de Clase HT780MPa;
50mm de grosor
Posición de
Soldadura
Llano (1G)
Condición de
restricción
Parámetros
de soldadura
600A-30V-300mm/min
Entrada de calor 3.6 kJ/mm
Temperatura de
precalentamiento
75 °C 100 °C
Temperatura de
entre pasada

Desarrollado por Kobe Steel, el PF-H80AS es un fundente SAW con alta alcalinidad que permite un muy bajo contenido de oxígeno en los metales de soldadura. En combinación con el fundente PF-H80AS y el alambre US-80LT (AWS A5.23 F11A10-EG-G), ofrece una excelente resiliencia incluso a bajas temperaturas. El contenido de hidrógeno difusible en los metales de soldadura se reduce hasta un tan extremadamente bajo 1.5ml/100g (Tabla 8) por el efecto del flujo en el arco. También se muestran las condiciones de prueba, los resultados de las pruebas de agrietamiento de múltiples capas, y las propiedades mecánicas en las Tablas 9, 10 y 11, respectivamente. Esta combinación genera metales de soldadura de muy alta calidad.

Tabla 10: Resultados de la pruebas de agrietamiento de múltiples capas de soldadura
Temperatura de precalentamiento&
de entre pasada (°C)
Resultado de la
prueba ultrasónica
75 Sin defecto
100 Sin defecto
Tabla 11: Propiedades mecánicas del metal de soldadura
0.2%PS
(MPa)
TS
(MPa)
El
(%)
Absorbed energy (J)
-80 °C -60 °C -40 °C
768 895 23 88, 88, 90
Promedio 88
101, 93, 93
Promedio 96
101, 105, 106
Promedio 104
Figure 9: Macrostructure of butt joint weld metals in 3G position Figure 10: Notch toughness transition curve in 3G position
Figure 11: Macrostructure of butt joint weld metals in 2G position Figure 12: Notch toughness transition curve in 2G position

3-2. FCWs para aceros de clase HT520MPa y HT550MPa

Una serie de FCWs para aceros de clase HT520MPa y HT550MPa existe en los mercados mundiales, los FCWs de tipo rutilo que son fáciles de operar, satisfacen el nivel de resiliencia requerido a -60° C, así como el CTOD a -10° C. Sin embargo, no existe una serie de FCWs, de mayor resistencia que PWHT. Sin embargo, el DW-55SH (no para PWHT), DW-55LSR y DW-A55LSR (ambos para PWHT) son FCWs que cumplen con estos requisitos.

3-2-1. TRUSTARC™ DW-55SH

La construcción de la más grande F-LNG del mundo (el proyecto de Shell Prelude F-LNG) ha comenzado en Corea. Se trata de más de 450 m de longitud, más de 70 m de altura, y una capacidad de almacenamiento de GNL superior a los 200,000m3. Soldar una enorme estructura flotante como tal requiere estrictos controles, así como una alta eficiencia de soldadura. El DW-55SH (AWS A5.29 E81T1-K2C) se ha desarrollado a petición del cliente. Un FCW de tipo rutilo para la soldadura en todas las posiciones, ofrece resiliencia superior hasta los -60° C y el CTOD hasta -10 ° C.

Las Tablas 12 y 13 muestran las respectivas condiciones de prueba y propiedades mecánicas, incluyendo el CTOD a -10 ° C. Las Fig. 13 y 14 muestran la macroestructura y la curva de transición de resiliencia en los metales de soldadura a tope conjunta con DW-55SH, respectivamente.

Tabla 12: Condiciones de prueba de la junta a tope (DW-55SH: 1.2mm de diámetro)
Placa de prueba JIS G3106 SM400B; 40mm thick
Preparación de rutina Doble V ( 45°y 60° )
Posición de Soldadura Vertical hacia arriba (3G)
Parámetros de soldadura 200A - 26V
Gas de protección 100%CO2, 25 l/min
Preheating and interpass temp. 130 -150 °C
Tabla 13: Resultados de la prueba de tracción y CTOD
Ubicación Tensile properties CTOD crítico
(mm a -10 °C)
0.2%PS (MPa) TS (MPa) El (%)
Final 536 613 29 0.95; 0.91; 0.88
Atrás 541 621 30

3-2-2. TRUSTARC™ DW-55LSR &TRUSTARC™ DW-A55LSR

El DW-55LSR y el DW-A55LSR (FCWs de la serie SR para aliviar el estrés) (AWS A5.29 E81T1-K2C,-Ni1M) fueron desarrollados para aplicaciones PWHT a mediados de la década de 1990 y han estado desde entonces en uso para las fabricaciones de estructuras en alta mar. Son FCWs de tipo rutilo para todas las posiciones, los cuales ofrecen una excelente facilidad de uso, así como niveles extremadamente bajos de impurezas tales como el Nb y V. La Fig. 15 muestra que el contenido de Nb y V reducido puede incrementar la resiliencia a -60° C en la condición de soldado, así como reducir el deterioro de la resiliencia después del PWHT.

Los FCWs de la serie SR son muy reputados por muchos fabricantes de estructuras en alta mar por su estabilidad, alta resiliencia e increíbles propiedades CTOD. Productos singulares fabricados exclusivamente por Kobe Steel, estos FCWs han estado llegando a más de 300 toneladas en ventas al año.

Fig. 15: Relación entre el Nb, V y la Resiliencia

Metales de soldadura a tope conjunta depositados por el DW-A55LSR fueron puestos a prueba. Las Tablas 14 y 15 muestran las condiciones de prueba y la propiedad CTOD en la condición de soldado y después del PWHT. La Fig. 16 muestra las macroestructuras en las posiciones 3G y 2G; mientras que las Fig. 17 y 18, muestras las curvas de transición de resiliencia en condición de soldado y después de las condiciones del PWHT en las posiciones 3G y 2G respectivamente.

Tabla 14: Condiciones de prueba de la soldadura a tope conjunta (DW-A55LSR: 1.2mm de diámetro)
Placa de prueba NK KF36; 50mm thick
Preparación de rutina Doble bisel (50° & 60 °)
Posición de Soldadura Vertical upward (3G) Horizontal (2G)
Parámetros de soldadura 220A - 24V 260A - 28V
Gas de protección 80%Ar-20%CO2, 25 l/min
Entrada de calor 1.9 kJ/mm 0.8 kJ/mm
Temperatura de
precalentamiento
100 °C
Temperatura
de entre pasada
100 -150 °C
PWHT En condición de soldado
& PWHT (623 °C x 2h)

Fig. 16: Macroestructuras de los metales de soldadura a tope conjunta

Tabla 15: Resultados de la prueba de CTOD
PWHT Posición de
Soldadura
Test temp.
(°C)
Critical CTOD
(mm)
En condición
de soldado
3G -35 0.75, 0.75
2G 0.62, 0.63
623°C x 2h 3G -20 0.89, 0.98
2G 0.86, 0.85

4 Posdata

A pesar de que la revolución de la energía de esquisto en los EE.UU. está impactando en la oferta y la demanda de la energía a nivel mundial, la dependencia del petróleo crudo y gas natural continuará, ya que la demanda global de energía sigue en aumento. La perforación continuará trasladándose en alta mar hacia aguas más profundas y más frías. En consecuencia, mientras las estructuras en alta mar operen en condiciones más extremas, las normas y los requisitos, particularmente de los metales de soldadura, se harán más severos. Por ejemplo, se rumorea que un proyecto de perforación prevista actualmente para el Ártico requiere de propiedades del CTOD a -60°C. Sin embargo, estamos listos para desarrollar las soluciones totales de soldadura necesarias para cualquier necesidad que se presente.

Aunque las especificaciones y requisitos para estructuras en alta mar variarán de acuerdo con las necesidades del cliente, las sociedades de clasificación de buques, las dimensiones en particular, las condiciones operativas y meteorológicas, debemos mantener los procedimientos y controles de soldadura estrictos. Para más información sobre cómo obtener y utilizar nuestros productos, por favor acérquese a la oficina más cercana de Kobelco o contáctese con nuestros representantes de ventas.

Referencias
【1】 Ministerio de Tierra, Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón, Documento de la Oficina Marítima
【2】 Fotografías proporcionadas por Japan Drilling Co., Ltd.


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