SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS AL 9% DE NIQUEL ACEROS PARA USO CRIOGENICO

CAPITULO I ASPECTOS GENERALES

1. ANTECEDENTES

Las propiedades mecnicas como la tenacidad o la resistencia al impacto resultan muy sensibles a las temperaturas bajas, habiendo sido muy normal hasta hace poco que muchas estructuras de acero hayan sido puestas en servicio a bajas temperaturas se encontraran con un alto grado de fragilizacin. Este fenmeno empez a mostrarse de forma patente durante los aos cuarenta del siglo pasado, coincidiendo con la segunda guerra mundial, cuando comenzaron a producirse grandes buques de acero soldado los cuales llegaban, en algunos casos, a seccionarse en dos partes por efecto de fenmenos de fragilizacin en su casco de acero. La prdida de ductilidad, o fragilizacin del acero, en estas construcciones resultaba, adems, promocionada por la continuidad estructural que proporciona la soldadura, debido a que ste tipo de unin contribua a que las grietas producidas en las zonas frgiles, con alta concentracin de esfuerzos, pudiesen avanzar de forma continua por toda la estructura llegando a producirse la rotura catastrfica. Tambin que los materiales, generalmente, eran ensayados con todo rigor a temperatura ambiente y, sin embargo, esos 15 20 grados de diferencia entre la temperatura de ensayo y la de servicio eran muchas veces la causa de la catstrofe.

1

En la actualidad ya no seria compresible que se pudiese dar este tipo de situaciones, pues a pesar de lo que se ha avanzado en el campo de la mecnica de la fractura, los procesos de fragilizacion y propagacin de la fractura , y que aun sigue siendo menos conocida la influencia tan fuerte que tiene la temperatura como variable termodinmica en escalas tan bajas , los cdigos de diseo que se aplican hoy en da a estas estructuras , requieren que tanto los materiales bases como las soldaduras sean ensayadas como mnimo a la temperatura mnima de servicio , o si no algunos grados por debajo para evitar estos tipos de situaciones.

2. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA

En las plantas de licuefaccin de gas natural (GN) se emplean tanques de pared doble, para el almacenamiento de gases licuados. Estos tanques deben ser capaces de soportar temperaturas de 163C y presiones casi a la atmosfrica, para mantener el gas natural en estado liquido. Como sabemos todas las estructuras de acero que son puestas a servicio a bajas temperaturas se encuentran sometidas a un alto grado de fragilizacin. El Acero ASTM A553 tipo I, es el material que se selecciona por ser el ms idneo para estas condiciones requeridas y que se justificaran en el presente estudio. Por tal razn se tiene que elaborar un procedimiento de soldadura, que permita evaluarse bajo las normas de fabricaciones para servicios criognicos (API 620) que cumpla con las condiciones de trabajo mencionadas.

2

3. OBJETIVOS

Los objetivos planteados en el presente trabajo son:

3.1

. Objetivos Generales:

Elaborar un procedimiento de soldadura bajo las normas de fabricacin para servicios criognicos (API 620), que garantice la soldabilidad del acero ASTM A553 tipo I y pueda ser utilizado en los procesos de fabricacin y de reparacin de tanques de almacenamiento de GNL.3.2

. Objetivos Especficos :

- Comprobar que el aceros ASTM A553 tipo I, cumplan con los requisitos

de ensayos mecnicos de mxima resistencia al esfuerzo y tenacidad segn los criterios para calificacin de procedimiento de las normas API 620 y ASME IX. - Seleccionar un proceso de soldadura que permita soldar en campo, reparaciones y en diversas posiciones (como 1G, 2G y 3G)- Seleccionar un material de aporte apropiados para soldar el acero ASTM

A553 tipo I, Adems de comprobar que tenga buena constante de expansin trmica.- Seleccionar

la energa neta de aporte al proceso de soldadura que

permita conseguir buenas propiedades mecnicas y tenacidad en la ZAC o ZAT.

3

4. IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION

El incremento en los requerimientos de energa de hoy en da hace que el consumo de los combustibles se incremente del mismo modo. Asimismo, existe un mayor inters en el uso del gas, especialmente el gas natural como fuente de energa. El gas natural es ms eficientemente almacenado y transportado en fase liquida, lo cual supone llevar el material a temperaturas por debajo de -163C. Para este propsito se requiere de materiales que sean econmicos y a la vez adecuados a bajas temperaturas. Los Aceros al 9% nquel han sido desarrollados para lograr las propiedades mecnicas requeridas; su buena tenacidad y resistencia al impacto a bajas temperaturas lo hacen idneo para este propsito. Por tal motivo en este trabajo busca elaborar un procedimiento de soldadura que garantice la utilizacin del acero ASTM A553 tipo I.

5. JUSTIFICACION

Las justificaciones por la cual se realiza el presente trabajo son:5.1

. Justificacin Tcnica:

Para temperaturas de trabajo de -196C, la seleccin del material base se basa en la resistencia del metal a la traccin y de su tenacidad. Los aceros ASTM A553 tipo I con una adicin del 9% nquel, ofrecen las mejores propiedades de esfuerzo de fluencia, esfuerzo mximo y tenacidad que los aceros inoxidables y otros. Como se aprecia en la Figura 1.

4

Figura 1. Propiedades mecnicas de aceros empleados en aplicaciones criognicas

5.2

. Justificacin Econmica:

El incremento en los requerimientos de energa de hoy en da hace que el consumo de los combustibles se incremente del mismo modo. Asimismo, existe un mayor inters en el uso del gas, especialmente el gas natural como fuente de energa. El gas natural es ms eficientemente almacenado y transportado en fase liquida, lo cual supone llevar el material a temperaturas por debajo de -163C. Para este propsito se requiere de materiales que sean econmicos y a la vez adecuados a bajas temperaturas. El aceros al 9% nquel han sido desarrollados para lograr las propiedades mecnicas requeridas de buena tenacidad y resistencia al impacto a bajas temperaturas por lo que es el mas idneo para estas aplicaciones.

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CAPITULO II MARCO TEORICO

1. ACEROS PARA SERVICIOS CRIOGENICOS

La propiedad ms crtica de los aceros para aplicaciones criognicas es su tenacidad. El comportamiento mecnico de un material depende fuertemente de la temperatura y los materiales de microestructura ferrticos presentan un cambio en su comportamiento mecnico cuando son expuestos a bajas temperaturas; esto se manifiesta por una reduccin en la tenacidad o la resistencia al impacto del acero, caracterizada por un cambio de un comportamiento dctil a frgil cuando la temperatura decrece por debajo de la temperatura critica de transicin. Esta temperatura no se puede apreciar en todos los materiales dependiendo de su estructura cristalina; para el caso de los aceros. Dicha temperatura se presenta en los aceros de microestructura ferrticos mientras que no se aprecia en los de microestructura austenticos. En presente estudio nos vamos a enfocarnos al estudio de los acero al 9% nquel que ha sido desarrollado para tener una buena tenacidad o resistencia al

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impacto para evitar la propagacin de grietas, buena ductilidad y resistencia la traccin.

1.1

. Utilizacin de los aceros para servicios criognicos

El uso de los aceros para servicios criognicos comienzan desde los 0C hasta 270C, los aceros al 9% nquel su utilizacin comienza a temperaturas de servicios inferiores a -104C. Se muestra una tabla de temperaturas de licuacin de los gases industriales mas comunes junto con los aceros al Ni empleados.Gas Temperatura Tipo de Acero de Licuacin 3-1/2% Ni 5% Ni 9% Ni - 43C x - 48C x - 50C - 60C x x

Propano Propileno Sulfuro de Carbono Sulfuro de hidrogeno Dixido de carbono Acetileno Etano Etileno Kriptn Metano Oxigeno Argn Nitrgeno Gas natural

- 78C x x - 84C x x - 89C x x - 104C x - 151C x - 163C x - 183C x - 186C x - 196C x Ver nota x x Nota: La temperatura es variable segn el grado de pureza en metano

Tabla 1. Fuente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994 Autor: Manuel Reina

1.2

. Criterio de seleccin de los para servicios criognicos

Los aceros para servicios criognicos deben tener una temperatura de transicin inferior a la temperatura de servicio.7

Los aceros de grano fino al Nquel con 1% al 9%, presentan un rango de temperatura de transicin de 50% hasta 200 C. Para temperaturas por debajo de -196C la seleccin cambia a aceros inoxidables de microestructura austenticos o aluminio. 2. FACTORES QUE AFECTAN LA TENACIDAD AL IMPACTO DE LOS ACEROS CRIOGENICOS Los principales factores que afectan la temperatura de transicin y la cantidad de energa absorbida en el impacto en los aceros, se indican a continuacin:2.1

. Influencia de los principales elementos de aleacin

Se describir como contribuye los elementos de aleacin que comnmente se emplea en la fabricacin de aceros al comportamiento mecnico, as como los elementos residuales que pueden resultar beneficiosos como perjudiciales. 2.1.1. Efecto del contenido de carbono Es el elemento que tiene ms influencia en el comportamiento del acero; al aumentar el porcentaje de carbono, mejora la resistencia mecnica, la Templabilidad y disminuye la ductilidad En los aceros de microestructura ferrticos, el carbono afecta la energa de impacto; es sabido que a medida que el contenido del carbono se incrementa, la energa de impacto baja debido a la mayor formacin de perlita y la temperatura de transicin incrementa como se observa en la figura 2. Altos aumentos de carbono pueden provocar la formacin de microestructura martensita durante el enfriamiento de la soldadura (en al ZAC).

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Figura 2. Efecto del contenido de carbono en la tenacidad del acero.

2.1.2. Efecto del contenido de fosforo

El fosforo tiene un efecto similar (reduccin de la energa de fractura de la regin de comportamiento dctil) de adems de aumentar al temperatura de transicin en torno a 7C por cada 0.01% de fosforo. El fosforo tambin contribuye de forma muy acusada a potenciar la fragilidad del revenido en algunos aceros de baja aleacin.

2.1.3. Efecto del contenido de azufre Los efectos del azufre en los valores de tenacidad de los aceros esta directamente relacionado con el proceso de desoxidacin que le haya sido aplicada. Un contenido que no sobrepasa las 40 milsimas tiene un efecto inapreciable en la tenacidad de los aceros efervescentes, semicalmados y calmados al silicio. Sin embargo, en los aceros doblemente calmados al Si-Al, Cualquier reduccin del contenido en azufre se traduce en un incremento apreciable de la energa absorbida9

en la zona dctil, con efectos inapreciable en la zona frgil y temperatura de transicin. Al aumentar el contenido de azufre aumenta igualmente la fraccin de las inclusiones MnS, que facilitan el mecanismo de la fractura dctil.

Figura 3. Efecto del contenido de azufre en la tenacidad del acero.

2.1.4. Efecto del contenido de silicio Empleado en cantidades comprendidas entres 0.15% y 0.30% como desoxidante acta de forma positiva bajando la temperatura de transicin y elevando la energa absorbida. En comparacin con los efervescentes y semicalmados, los aceros calmados al silicio son mucho ms limpios y poseen una textura de grano ferritico muy uniforme. Aunque estos efectos pueden ser imputables mas a los procesos de desoxidacin que al propio silicio. La temperatura de transicin sube a partir de contenidos de 0.06% 2.1.5. Efecto del contenido de nitrgeno Este elemento por si solo acta de forma negativa, descendiendo los valores de tenacidad y elevando la temperatura de transicin. Sin embargo, la mayora de los aceros nitrogenados estn desoxidados con10

silicio y aluminio combinndose ambos con el nitrgeno. El nitruro de aluminio que se forma en al desoxidacin sirve adems, para estabilizar el grano fino y por tanto mejorar los valores de tenacidad de estos aceros.

2.1.6. Efecto del contenido de Manganeso El manganeso puede bajar sustancialmente la temperatura de transicin de los aceros de bajo contenido en carbono, mientras que su efecto puede ser menos beneficioso en los aceros de mayor contenido de carbono. El aumento de manganeso en un acero normalizado de contenido de carbono de medio, produce una bajada en la temperatura de transicin que posiblemente sea asignado a que el manganeso adicional reduce el espaciado entre placas de la perlita. En aceros al manganeso, bonificado y revenidos, el efecto resulta contrario. El manganeso, adems puede hacer al acero susceptible a la fragilizacion por revenido y puede causar tambin durante el enfriamiento por normalizado la formacin de la frgil microestructura bainita superior en lugar de la perlita fina. En aceros con bajo %C mejora la tenacidad hasta un 2%Mn.

Figura 4. Variacin de la energa de impacto para diferentes cantidades de Manganeso

11

2.1.7. Efecto del contenido de aluminio El efecto del aluminio en la tenacidad de los aceros de contenido medio en carbono se presenta cuando los contenidos superan el necesario para la formacin de nitruros de aluminio 0.075%, los valores de tenacidad disminuyen segn se muestra en la figura 5.

Figura 5. Variacin de la energa de impacto para diferentes cantidades de aluminio

2.1.8. Efecto del contenido de nquel El nquel mejora la tenacidad del acero a bajas temperaturas, reduciendo la temperatura de transicin, desapareciendo la temperatura de transicin dctil-frgil como se observa en la figura 6. Adems de afectar las propiedades mecnicas del acero, el nquel impacta la transformacin de la microestructura austenita a productos tpicos de baja temperatura, de microestructura ferrita, bainita y martensita. El nquel no solo demora la transformacin de la microestructura austenita, sino que aumenta la templabilidad del acero. La Figura 7, muestra la curva de enfriamiento continuo (CCT), y el efecto de la adicin de 9% de nquel que mejora la templabilidad, dado que reduce la velocidad crtica de enfriamiento, durante los tratamientos12

trmicos para producir la microestructura martensita. Se observa tambin que el nquel reduce las temperaturas, de inicio y final, de la transformacin de la microestructura martensita, pudiendo de esta manera obtener microestructura austenita retenida despus del enfriamiento, lo que contribuye a mejorar la tenacidad de estos aceros criognicos.

Figura 6. Variacin de la energa de impacto para diferentes cantidades de nquel.

Figura 7. Curva CCC.

13

2.1.9. Efecto del contenido de cromo Eleva ligeramente la temperatura de transicin. En los aceros cuyos contenidos en cromo superar los 0.9% resulta muy difcil desarrollar las microestructuras y las propiedades mecnicas de los aceros al carbono no aleados; por lo tanto, los valores de tenacidad no son comparables. Las adiciones de cromo son generalmente para elevar la templabilidad y poder obtener microestructura martensitica de mayor energa de impacto en zona dctil. Los aceros al cromo de contenido medio de carbono son, sin embargo susceptibles de fragilizacion cuando se templan para producir microestructura martensitica y luego son sometidos a un revenido entre 375 y 575 C.

2.1.10.

Efecto del contenido de molibdeno

En contenidos alrededor del 0.4%, su comportamiento, aumenta la templabilidad y eleva ligeramente la temperatura de transicin, es similar al cromo. En contenidos del 0.5% al 1%, el molibdeno reduce la susceptibilidad a la fragilizacion por revenido, si bien su efecto beneficioso solo es eficaz en periodos de revenido cortos dentro del mencionado rango. Este fenmeno se asocia a que el molibdeno no elimina la fragilizacion del revenido, sino que la retrasa como ha sido demostrado en experimentos mediante revenidos largos. 2.1.11. Efecto del contenido de boro

La adicin de boro es beneficiosa para el aumento de la tenacidad sin bajar la resistencia en los grados de aceros bajos en carbono. Sin embargo esta propiedad solo es aplicable en aceros bonificados, pues en los aceros normalizados, o en estado bruto de laminacin, este elemento produce efectos contrarios.

14

2.1.12.

Efecto del contenido de cobre

En los aceros que no han sido sometidos a procesos de endurecimiento por precipitacin, la adicin de cobre puede mejorar ligeramente la tenacidad a baja temperatura. Por el contrario, en los aceros aleados con cobre y sometidos a tratamiento de envejecimiento, el efecto de este elemento se considera perjudicial en lo relativo a la tenacidad. 2.1.13. Efecto de los elementos intersticiales

El efecto de los elementos intersticiales, como son el carbono, oxgeno, nitrgeno e hidrgeno, tienden a bajar la tenacidad de los aceros, como queda evidenciado en la figura 8. La presencia del oxgeno est normalmente determinada por el proceso de desoxidacin que sea aplicable, resultando que los aceros efervescentes poseen una temperatura de transicin ms alta que los calmados. El hidrgeno tambin reduce la tenacidad de los aceros ligeramente, si bien este efecto negativo resulta ms patente en condiciones de aplicacin de cargas bien estticas o muy lentas.

Figura 8. Variacin de la energa de impacto por efecto de los elementos intersticiales

15

2.1.14.

Efecto del tamao de grano

La temperatura de transicin de los aceros ferrticos-perlticos disminuye linealmente con la inversa de la raz cuadrada del tamao de grano como se observa en la figura 9, siendo este uno de los medios mas efectivos para obtener aceros de alta tenacidad a baja temperatura (aceros microaleados) dado que, adems, al disminuir su tamao de grano, se incrementa su limite elstico y resistencia mecnica. Una microestructura de tamao de grano pequeo presenta muchas juntas de grano que actan como barreras a la progresin de la grieta de un mecanismo de rotura frgil. Cuando un acero se calienta por encima de la temperatura Ac1, el grano va creciendo de forma continua con el tiempo y la temperatura; cuanto mas alta es esta, mayor crecimiento pues su cintica obedece a una ley exponencial. Las propiedades mecnicas como resistencia, tenacidad y ductilidad de los materiales de grano grueso, no son solamente perjudiciales por el tamao de este, sino que a este efecto hay, adems que aadirle el fenmeno de precipitacin en el borde del grano. Normalmente los efectos de crecimiento de grano por permanencia del material a altas temperaturas, si no ha llegado a situacin de fusin incipientes, son posibles de neutralizar regenerando el grano fino mediante un tratamiento de normalizado.

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Figura 9. Efecto del tamao de grano de microestructura ferritico en la temperatura de transicin de un acero 0.11% C

2.1.15.

Efecto de la microestructura

Las propiedades mecnicas, la tenacidad tiene una dependencia muy acusada respecto a la microestructura pues aunque la influencia ms directa la produce la composicin qumica, esta siempre se manifiesta a travs de la microestructura. Entre las diferentes microestructuras que se pueden encontrar en los aceros, es la ferrita la que presenta una temperatura de transicin ms alta seguida de la perlita, y la bainita superior ;finalmente, son la martensita revenida, y la bainita inferior los dos microconstituyentes que mejor comportamiento producen en este sentido, segn se observa en al figura 10. El tratamiento trmico de temple y revenido que da lugar a una microestructura de martensita revenida, es la que las partculas de cementita se disponen de forma fina y dispersa da lugar a los productos ms tenaces.

17

Figura 10. Efecto de la microestructura sobre la tenacidad.

3. CONDICIONES DE SUMINISTRO ACEROS AL NIQUEL Las condiciones ms importantes son:3.1

Y

PREFABRICACION

DE

LOS

. Composicin qumica de los aceros al nquel

Los aceros al nquel tratados responden a las composiciones qumicas tpicas siguientes:Acero 3 1/2 % Ni 5 % Ni 9 % Ni %C 0,20 0,13 0,13 %Mn 0,70 0,30 - 0,60 0,90 %Si 0,15 - 0,40 0,20 - 0,40 0,15 - 0,40 %Ni 3,25 - 3,75 4,75 - 5,25 8,50 - 9,50 %P 0,035 0,025 0,035 %S 0,040 0,025 0,040

Tabla 2. Fuente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994 Autor: Manuel Reina

3.2

. Caractersticas mecnicas de los aceros al nquel

18

Las caractersticas mecnicas tpicas de estos aceros, con independencia del tratamiento trmico de suministro, y que se requieren como mnimas en sus especificaciones, son las siguientes:Li mite Elstico Alargamiento (Kg/mm2) (%) 25 45 52 23 20 20 Ensayos de Impacto Charpy V Expansin Temp. Energa (J) Lateral(mm) (Nota (C) (Nota 1) 2) -101 -170 -196 27/20 34/27 34/27 0,38 0,38

Acero 3 1/2 % Ni 5 % Ni 9 % Ni

Carga de Rotura (Kg/mm2) 45 65 70

Notas: (1) El primer valor es la energa media absorbida por un juego de 03 probetas y el segundo, la energa mnima absorbida por una sola probeta. (2) La expansin lateral deber medirse en la cara de la probeta opuesta a la entalla.Tabla 3. Fuente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994 Autor: Manuel Reina

Los aceros al 5% y 9% Ni presentan una peculiaridad excepcional y contraria a lo que sucede con casi todos los materiales metlicos: incrementan sus caractersticas mecnicas a medida que desciende la temperatura. Adems de estos 02 aceros al Ni, tan solo las aleaciones de Al-Mg en estado bruto presentan estas propiedad. En base a ello, el cdigo ASME tabula tensiones admisibles mximas de diseo tanto ms elevadas cuanto ms baja es la temperatura; as por ejemplo, a 160 C estas tensiones son un 43% o un 36% ms elevadas que las correspondientes a temperatura ambiente para el 5% Ni o el 9% Ni, respectivamente.3.3

. Tratamiento trmico de los aceros al nquel

La acera puede suministrar los aceros al nquel bajo las siguientes condiciones:Tratamiento Trmico Normalizados Normalizados y Revenidos Doble Normalizados y Revenidos Templados y Revenidos Clave Simplificada N N&T NN&T Q&T

Tabla 4. Fuente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994 Autor: Manuel Reina

Los rangos de las temperaturas de austenizacion y de revenido de los aceros contemplados son:19

Acero 3 1/2 % Ni 5 % Ni 9 % Ni

Temperatura en C Austenizacion Revenido 870 900 580 - 635 800 850 580 - 620 780 820 560 - 600

Tabla 5. Fuente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994 Autor: Manuel Reina

El tratamiento trmico seleccionado tiene una clara influencia en los valores de tenacidad que se pretenden obtener. Tanto las caractersticas mecnicas como la tenacidad conseguida en el estado de Q&T son superiores a las que se obtiene en los de N&T y NN&T. La diferencia entre los efectos de estos tratamientos aumentan con el espesor de la planchas.

3.4

. Conformado de los aceros al Nquel

El conformado de los aceros al Ni es una etapa clave en la manipulacin previa a la soldadura. 3.4.1. Conformado en frio El conformado en fri tiene una fuerte influencia negativa en la tenacidad. Para los aceros al 5% Ni y 9% Ni, el cdigo ASME obliga a un alivio de tensiones despus de la conformacin en frio, si la elongacin de la fibra externa al aplicar las siguientes formulas, excede del 5%. Para curvatura doble, por ejemplo fondos de recipientes a presin: %Ed = 75e (1- Rf / Ro) / Rf Para curvatura simple, por ejemplo virolas de recipientes cilndricos: %Es = 50e (1- Rf / Ro) / Rf En donde: Ed y Es: Elongacin de la fibra externa. e : Espesor de la plancha Rf: Radio de curvatura final Ro: Radio de curvatura Inicial, igual a infinito cuando se parte de planchas plana.

20

Cuando se lleve a cabo este tratamiento la temperatura a alcanzar debe ser inferior a la del revenido y estar comprendida en el rango de 520550C. La velocidad de enfriamiento no ser inferior a 165C/h hasta llegar a los 315C. 3.4.2. Conformado en caliente Cuando el grado de deformacin vaya a ser elevado, el conformado deber realizado en caliente, pues al disminuir el lmite elstico con la temperatura resulta ms fcil. Cuando la temperatura del conformado se mayor a la del revenido, se deber realizar de nuevo uno de los tratamiento trmicos de suministro a excepcin del temple, ya que su energtico enfriamiento provocara deformaciones que probamente haran necesaria volver a conformar. En el caso de los aceros al 5% y 9% Ni, el tratamiento trmico posterior al conformado en caliente idneo seria NN&T. una alternativa a este NN&T es indicada por el cdigo ASME que sugiere realizar el conformado a una temperatura controlada dentro del intervalo de temperatura del primer normalizado, para realizar a continuacin un N&T.3.5

. Magnetismo de los aceros al nquel

Esta familia de aceros, en particular los de tipos 5% y 9% Ni, es muy sensible al efecto del campo magntico que deriva: Del magnetismo remanente del material tras su fabricacin en la De la manipulacin de las planchas por puentes gras que utilicen Del efecto de la soldadura. La consecuencia de lo anterior es que se denomina soplo magntico durante el proceso de soldeo, que provoca arcos tremendamente inestables y depsitos de soldaduras muy defectuosos. Para evitar el21

acera. un sistema magntico de elevacin de la carga

problema, la cantidad mxima magnetismo de las planchas deber ser inferior a +- 60 gauss (150-200 Oersteds) y se procurara trabajar con corriente alterna mejor que con corriente continua.

4. ENSAYOS PRINCIPALES PARA MATERIALES Y UNIONES SOLDADAS Los aceros al 9% nquel se emplean para servicios criognicos. Por ello es de gran importancia el conocimiento y medicin de sus propiedades.4.1

. Resistencia mecnica

Propiedad que se entiende como la capacidad de un material para soportar cargas sin llegar hasta su rotura o sin llegar a fallar. Se mide en forma directa mediante el ensayo de traccin segn figura 11, dicho ensayo consiste en someter una probeta, de forma y dimensiones determinadas, a la accin de una carga axial de manera lenta y progresiva hasta la rotura del material.

Figura 11. Esquema de una probeta sometida a traccin.

22

Los valores caractersticos de la resistencia mecnica de los metales son el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo ltimo (resistencia mxima), como se observa en la figura 12.

Figura 12. Diagrama Esfuerzo vs Deformacin para acero estructurales en traccin.

4.2

. Ductilidad

Esta propiedad se entiende como la capacidad de un material aceptar deformacin plstica. Se mide en un ensayo de traccin mediante el alargamiento de rotura y mediante la estriccin de rotura. Ar (%) = (Lf Lo)/Lo x 100 Er (%) = (Ao Af)/Ao x 100 Donde: Ar : Alargamiento de rotura / Er : Estriccin de rotura4.3

. Tenacidad

Esta propiedad se entiende como la capacidad de un material para absorber energa antes de la fractura. En condiciones estticas (Baja velocidad de deformacin) la tenacidad es el rea bajo la curva de esfuerzo deformacin segn se muestra en la figura 13. Las unidades de la tenacidad son energa por unidad de volumen (J/m3). Los materiales ms tenaces poseen alta resistencia y alta ductilidad23

Figura 13. La tenacidad es el rea bajo la curva de esfuerzo o tensin vs deformacin

4.4

. Dureza

Se entiende como la resistencia de un material a dejarse penetrar por otro ms duro. La dureza tambin se entiende como la medida de la resistencia de un material a la deformacin plstica localizada, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado. Con la finalidad de que los resultados obtenidos en un ensayo de dureza sean representativos de las caractersticas del material, se han normalizado diversos ensayos de dureza: Brinell, Rockwell, Vickers, etc.

24

Figura 14. Indentadores tpicos de cada una de las durezas mecnicas

4.5

. Energa de Impacto

Se ha observado que el comportamiento mecnico de un material puede variar de dctil a frgil cuando se somete a cargas de impacto (carga dinmica). En el caso de condiciones de carga esttica (baja velocidad de deformacin) la tenacidad se puede evaluar como el rea bajo la curva esfuerzo - deformacin, obtenida a partir de un ensayo de traccin (ensayo esttico).

25

En el caso de condiciones de cargas de impacto, la energa absorbida antes de la fractura se puede medir por medio de un ensayo de impacto o tenacidad a la entalla. El ensayo mas utilizado para determinar la energa de impacto en los materiales metlicos es el ensayo de impacto Charpy (Agustn Charpy, 1865-1945, metalrgico francs, desarrollo el ensayo de impacto que lleva su nombre).

Figura 15. Martillo de Charpy

En

algunos

materiales

la

energa

de

impacto

suele

disminuir

significativamente a temperaturas bajas (Temperatura de transicin dctil frgil), como se observa en la figura 16.

Figura 16. La transicin dctil frgil para distintos materiales

26

4.6

. Ensayo de doblado

Es un ensayo tecnolgico que sirve para evaluar la aptitud de un material para soportar deformacin plstica sin fisurarse, en un proceso de plegado (por lo general a 180), como se observa en la figura 17. La caracterstica que se evala en un ensayo de doblado es la probable presencia de signos de fragilidad en el material ensayado (fisuracin de la cara externa de la probeta, la misma que soporta esfuerzos de traccin). El objetivo de un ensayo de doblado, aplicado a soldadura, es evaluar la presencia de zonas fragilizadas en la junta soldada (cordn de soldadura y ZAC). Por lo general, la rotura de la probeta no debe producirse ni en el cordn de soldadura ni en la ZAC. Cuando se requiere evaluar ductilidad, se especifica un cierto valor porcentual, en relacin al metal base.

Figura 17. Se muestra una probeta de soldada sometida a ensayo de doblado.

27

CAPITULO III: ELABORACION Y CALIFICACION DE UN PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA PARA EL ACERO ASTM 553 TIPO I

1. ELABORACION DEL PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA PARA EL

ACERO ASTM 553 TIPO I Para la elaboracin de un procedimiento soldadura se requiere de los datos tcnicos de la aplicacin del material (Para el presente estudio se tomara los datos tcnicos usados en las fabricaciones de los tanques de pared doble, para almacenamiento de LNG en el Proyecto Melchorita , que es la primera planta de licuefaccin de gas natural de Sudamrica y primera en el emplear el acero ASTM 553 tipo I, en nuestro pas) y luego incluir informacin especificada.

1.1

. Datos Tcnicos:

Los datos tcnicos principales son: PROYECTO: Tanque de Almacenamiento de LNG / Tipo Doble Pared. MATERIAL: Segn ASTM A-553 Tipo I / Acero al 9% de Nquel Templado y Revenido. TEMPERATURA DE SERVICIO: -170 C ( -270 F ) Segn API 620 2002 CDIGO DE DISEO DEL TANQUE: Segn ASME IX 200728

CDIGO DE CALIFICACIN DEL PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA:

1.2 . Seleccin del proceso de soldadura

Los procesos de soldadura tales como soldadura por arco sumergido (SAW), soldadura con arco protegido con gas (GMAW), soldadura de arco con electrodo de tungsteno (GTAW), soldadura con electrodo revestido (SMAW) y Tubular (FCAW) pueden ser empleados, sin embargo seleccionamos el proceso SMAW resulta ser un proceso viable y flexible para soldar en cualquier posicin o material y en campo. Se menciona una descripcin del proceso seleccionado, ventajas y desventajas:1.2.1. Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW)

La soldadura por arco elctrico manual es un proceso de soldadura en el que la coalescencia se produce por el calor generado por el arco elctrico establecido entre el extremo del electrodo revestido y la superficie del metal base en la unin en que se esta soldando. El material de aportacin se obtiene por la fusin del electrodo en forma de pequeas gotas (Ver figura 18). La proteccin se obtiene por la descomposicin del revestimiento en forma de gases y en forma de escoria liquida que flota sobre el bao de fusin y posteriormente solidifica. La AWS lo denomina como Shield Metal Arc Welding (SMAW)

Figura 18. Descripcin del proceso SMAW

29

Ventajas del proceso-

Fuente de poder sencilla, econmica y porttil. Menos sensible al viento. El metal de aporte no requiere de proteccin adicional. Se puede emplear en cualquier posicin. Es aplicable en cualquier espesor (> 1,60 mm). Es aplicable a la mayora de los metales y aleaciones de uso Se puede emplear en zonas de acceso limitado. Es un proceso lento, por la baja tasa de deposicin, por tiempos Requiere gran habilidad por parte del soldador. No es aplicable en metales de bajo punto de fusin (Pb,Ag), ni a Es un proceso manual.

-

industrial. Desventajas del proceso muertos en retirar la escoria y cambio de electrodo.

los metales sensibles a la oxidacin. No es aplicable para espesores menores de (< 1.5 mm) Para espesores mayores a 38mm el proceso es sumamente Baja rendimiento.

improductivo.

1.3 . Seleccin del material de aporte Los materiales de aporte varan desde aleaciones ferrticas hasta aqullas de alto porcentaje de Ni (80Ni/20Cr/0.10C), stas generalmente son utilizadas en aplicaciones de baja temperatura. El objetivo primordial en seleccionar el material de aporte es conseguir un metal homlogo al metal base que sea tenaz, dctil para reducir las tensiones residuales de la ZAC y con un coeficiente de expansin trmica bajo y similar al metal base, para evitar la fatiga trmica en la unin. Debido a que los tanques para gas natural lquido estn sujetos a continua expansin y contraccin, la constante de expansin trmica de los materiales de aporte deben ser similares a los del material base. En la figura 19, se observa que el material30

de aporte ENiCrMo-6 se acerca ms a la expansin trmica del material base a diferentes temperaturas.Para el presente estudio se utilizara el material de aporte ENiCrMo-3, que tiene similares propiedades mecnicas al ENiCrMo-6.

Figura 19. Coeficiente trmico lineal en funcin de la temperatura, para diferente metales de aporte y material base acero al 9% de carbono.

Para la eleccin del material de aporte para la soldadura de los aceros al 9%Ni existen 02 alternativas:- Materiales de aporte inoxidables austeniticos. - Materiales de aporte aleaciones altas de Ni.

1.3.1 Materiales de aporte inoxidables austeniticos Los aceros inoxidables austenicos, aunque a bajas temperaturas tiene un comportamiento igual o mejor que los aceros al Ni, solo se utilizan cuando no sea necesarios realizar un PWHT ya que la diferencia entre los coeficientes de dilatacin de ambos aceros es perjudicial a la temperatura propia del tratamiento trmico. Esta misma diferencia no supone ningn problema a baja temperatura porque gracias al elevado lmite elstico del material austenitico, se absorben las tensiones de contraccin que se origina. Los materiales de aporte inoxidables austenicos que se recomiendan son del tipo CrNiMo 22/16/2 y CrNiMnW 17/13/9/3.5.

31

1.3.2 Materiales de aporte de aleaciones altas de nquel Estas aleaciones, aunque presentan una presentan una estructura austenitica, tienen un coeficiente de dilatacin trmica muy similar al de los aceros al Ni y, por tanto, no representan ningn problema a la hora del PWHT. Cuando estas aleaciones se utilizan como metal de aporte en sustitucin de los aceros inoxidables austeniticos debe tenerse presente su menor limite elstico, particularmente si el diseo se basa en esta propiedad en lugar de en la carga de rotura. Las alecciones de Ni recomendables son las del tipo NiCrFe 70/15 con Mo o Nb y NiCrFeMo 50/13. 1.4 . Seleccin de la energa aportada (ENA) En la soldadura de estos aceros se busca conseguir que la tenacidad en la junta soldada se a la misma que la del metal base. Pues bien mientras estos resultan relativamente sencillos para el metal aportado, pues se resuelve mediante una adecuada seleccin de material de aporte, en el caso de la zona afectada trmicamente el tema se complica. Los aceros al Ni son muy propensos al crecimiento de grano austenitico en la ZAT o ZAC, y este fenmeno disminuye sensiblemente la tenacidad. Desde el prisma de la soldadura, para minimizar este efecto se limita la ENA a valores inferiores a 3KJ/mmm o incluso ms bajos. Otra posible solucin al crecimiento del grano la puede aportar la siderurgia aadiendo al acero en el momento de su fabricacin pequeas cantidades de elementos generadores de carburos y nitruros como Ti , Al , Nb y V. Los aceros al 9% nquel deben ser soldadas con calores de aporte controlados para obtener ciertas microestructuras deseadas y preservar su caracterstica de resistencia al impacto en la ZAT (Zona Afectada Trmicamente) o ZAC (Zona Afectada por el Calor) similar a la del metal

32

base. Por lo que bajos aportes de calor son necesarios y se sugieren aportes de calor basado en datos de laboratorio por espesor de plancha.

Tabla 6. Fuente: Internet http://ingenieriademateriales.wordpress.com

Para nuestro estudio calculamos el calor de aporte con valores mximos y mnimos de la ficha tcnica del material de aporte:CALCULO DE APORTE DE CALOR ( HEAT INPUT ) Hnet (KJ/mm) = E(Volts) x I (Amp)xn (%) V(mm/s) Cantidad SMAW 3,20 0,75 27,00 110,00 0,92 2,43 24,00 70,00 2,50 0,50 Unidad mm --Voltio Amperaje mm/s KJ/mm Voltio Amperaje mm/s KJ/mm No Cumple

Datos Tcnicos Proceso de Electrodo Eficiencia (n) Voltaje (E) Amperaje (I) Velocidad (V) Hnet - Mximo Voltaje (E) Amperaje (I) Velocidad (V) Hnet - Minimo

Cumple

Si observamos los resultados vemos que las energas aportadas mnima cumplen con las recomendaciones de la tabla 6 para los aceros al 9% nquel, pero mxima no cumple por los que calcularemos nuevamente la mximaVoltaje (E) Amperaje (I) Velocidad (V) Hnet - Maximo 27,00 86,00 1,10 1,58 Voltio Amperaje mm/s KJ/mm

Cumple

Con estos nuevos valores mximos se elabora el WPS33

1.5

. Preparacin de bordes

Estos aceros se sueldan en la condicin posterior al tratamiento trmico. La preparacin de la junta debe realizarse cuidadosamente; debe evitarse bordes agudos para tratar de no inducir magnetizacin en las planchas. A causa de la templabilidad de estos aceros, cuando la preparacin de bordes se realiza por un procedimiento trmico como oxicorte o arco-aire, se forma superficialmente una capa dura de profundidad variable segn el contenido en nquel el acero. En los aceros de 9% Ni la profundidad puede llegar hasta varias decimas de milmetro. Debido a esto, es prctica habitual realizar en primer lugar un precalentamiento a 100-150C con objeto de evitar fisuraciones en esta capa dura y un eliminarla. Las superficies deben limpiarse cuidadosamente para eliminar contaminante que puedan ocasionar defectos en la soldadura. esmerilado de 0,50mm. de profundidad con el fin de

1.6 . Precalentamiento Indicado en el efecto del tratamiento trmico y la microestructura resultante influencia notablemente la tenacidad de los aceros, y en particular del acero al 9% de nquel, se prefiere una estructura con martensita revenida, en lugar de una microestructura que no contenga martensita, puesto que esta depende de la velocidad de enfriamiento en el momento de la solidificacin hasta su enfriamiento a tempera ambiente. Por consiguiente, el precalentamiento influencia adversamente este propsito ya que reduce las velocidades de enfriamiento obtenindose microestructuras diferentes a la martensita, por tanto con una tenacidad al impacto ms baja. Las soldaduras de aceros al 9% nquel realizadas con materiales de aporte austenticos son relativamente inmunes a problemas de fisuracin en fro.

34

Sin embargo, para espesores mayores que 25.0 mm se sugiere un precalentamiento a 35C y que planchas ms delgadas no sean soldadas por debajo de la temperatura de roco. El cdigo ASME Seccin VIII Caso 2214 provee informacin adicional acerca de los requerimientos de precalentamiento en situaciones especiales.

1.7

. Temperatura entre pasadas

Dado que estos aceros son propensos a la fisuracion en caliente se recomienda que la temperatura entre pasadas se mantenga inferior a 200C para los aceros al 5% y al 9% Ni.

1.8

. Tratamiento trmico posterior a la soldadura (PWTHT)

El cdigo ASME no sugiere un tratamiento trmico posterior a la soldadura para aceros al 9% Ni de espesores igual o menores a 50.0 mm. Pero existen excepciones para requerimientos de fabricacin segn ASME Seccin VIII. La temperatura para tratamiento trmico post soldadura debe ser controlada y menor de la temperatura de revenido del metal base; el rango usado es 551-583C. La velocidad de enfriamiento debe ser menor a 167C/h para evitar la reduccin en la tenacidad al impacto del acero. El PWTHT, que es recomendable desde el punto de vista de la reduccin de tensiones, ocasiona un deterioro general de las propiedades de tenacidad en el rango de temperatura de transicin por lo que solo deber realizarse cuando el espesor de la unin soldada sea superior a los lmites establecidos en el cdigos de diseo. Por ejemplo, el cdigo ASME para los aceros al 5% y 9% Ni requiere PWHT si el espesor es mayor de 50 mm. Y para el 3 1/2% Ni si es mayor de 16 mm, conforme a la tabla siguiente.35

Acero 3 1/2 % Ni 5 % Ni 9 % Ni

Temperatura (C) Min. 595 550 585 550 - 585

Mantenimiento Normal Mnimo (hr/25mm) (horas) 1 1 1 2 1 2

Tabla 7. Fuente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994 Autor: Manuel Reina

No obstante, la temperatura del PWHT deber ser inferior a al del revenido de suministro o a la de conformado. Cuando sea necesario realizar el PWHT se deber tener la precaucin de no elegir como metal de aporte un acero inoxidable austenitico, pues su coeficiente de dilatacin trmica es mayor que el de los aceros al Ni y a las temperaturas de PWTH, las tensiones de origen trmico que se inducen en la junta soldada son elevadas y pueden llegar a fisurarla.

1.9

. Procedimiento de soldadura (WPS)

EL WPS involucra todas las variables esenciales (son aquellas en las cuales un cambio, se considera que afecta las propiedades mecnicas de la soldadura y requieren de recalificacin), variables suplementarias (son aquellas que por requerimientos de otras secciones del cdigo requieren pruebas de impacto. Cuando se especifica pruebas de impacto un cambio en una variable suplementaria requiere recalificacin de WPS) y variables no esenciales ( son aquellas en que un cambio no afecta las propiedades mecnicas de la soldadura y por lo tanto se puede hacer sin recalificar el WPS, pero se debe documentar el cambio. Para este este estudio las variables esenciales y suplementarias las determina el cdigo ASME IX.

36

ESPECIFICACION DE PROCEDIMIENTO DE HOJA: SOLDADURA (WPS) (De acuerdo a ASME Seccin IX-2007) EMISION:

01 de 03 07/09/2009 1

WPS N:A553-001

REVISIO N:

QW-482 - ESPECIFICACIN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (WPS)Nombre de la compaa: Especificacin de Procedimiento No. Revisin No. Proceso(s) de soldadura: INGESOLD A553-001 Fecha : Fecha : Por: 0709/09 PQR de soporte :

1 SMAW

07/09/09

Tipo:

JUNTA (QW-402)Diseo de junta: Respaldo: (Si) Material de respaldo: (Tipo): Metal No metlico N/A A tope en V (No) N/A Refractario Otro N/A

Detalles

METAL BASE (QW-403)N P: 11 A Grupo N: 1 al N P: 11 A Grupo N: 1

Especificacin de tipo y grado: Hasta la especificacin de tipo y grado:

ASTM A553 Tipo I ASTM A553 Tipo I

Anlisis qumico y propiedades mecnicas: Hasta el anlisis qumico y propiedades mecnicas:

%C mx.= 0.13; % Mn. mx.= 0.98; %Ni. Mx.=9 ; %Si .mx.= 0.130.45;% S. Mx. =0.035 ;%P .mx.= 0.035 %C mx.= 0.13; % Mn. mx.= 0.98; %Ni. Mx.=9 ; %Si mx.= 0.130.45 ;%S. mx. =0.035 ;%P. mx.= 0.035

Resistencia a la Traccin: 690 MPa. (100 Ksi.)

37

Rango de espesores: Metal base: 16mm Diam. Tubo Ranur a: Ranur a: 16mm N/A Filet e: Filet e: N/A N/A

Otro

N/A

METAL DE APORTE (QW-404)Especificacin N (SFA) AWS No (Clase) N F 5.11 Enicrmo3 43

N A Tamao del electrodo 3mm

Metal depositado Rango de espesores Ranura Filete Fundente (clase) Aporte nombre comercial Inserto consumible 16mm N/A N/A Inconel Welding Electrod 112 N/A

POSICIONES (QW-405)Posicin(es) de ranura Progresi n: Asc: X Vertical

TRATAMIENTO DE POST-CALENTAMIENTORango de temperatur a: N/A Tiem p o : N/A N/A

Desc .

38

Posicin filete

de

N/A

GAS (QW-408)Composicin Porcentual Gas(es) Mezcla Flujo

PRECALENTAMIENTO (QW-406)Temp. Precalentami ento Temp. Interpase Mn: 20C

Mx

150C 20C

Protecci n Arrastre Respaldo

N/A N/A N/A

N/A N/A N/A

N/A N/A N/A

Mantenimiento precalentamiento:

CARACTERSTICAS ELCTRICAS (QW-409)Corriente AC o DC Rango de amperaje Tamao y tipo de electrodo de tungsteno DC 70-110 A Polaridad Rango de voltaje N/A (Tungsteno puro, 2% toriado, etc) Modo de transferencia en GMAW N/A (Arco spray, corto circuito, etc) Velocidad de alimentacin de alambre N/A EP 23-25 V.

TCNICAPase recto o con oscilacin Orificio o tamao de proteccin gaseosa Limpieza inicial y entrapazada (escobillado, esmerilado, etc) Recto N/A Cepillado y esmerilado con cerdas o abrasivos para acero inoxidable por lo menos 15mm desde el borde del bisel.

Mtodo de resane de raz Oscilaci n

Esmerilado con abrasivo de acero inoxidable hasta lograr sanidad de la raz N/A N/A Mltiple Simple 55-150mm/min.

Distancia de boquilla a pieza de trabajo Pase mltiple o simple Electrodo simple o mltiple Velocidad de avance (rango)

39

Martil Otro

N/A 1-La preparacin de la junta se realizara a travs de Corte por Plasma y se limpiara el resto de la escoria fundida por esmerilado con abrasivos para acero inoxidable. (Se deber verificar las ptimas condiciones del filtro de aceite y de humedad) 2- Mtodo de control de temperatura interpase con medidores digitales de temperatura. 3-La junta de soldadura deber estar libre de xidos, suciedad, grasa, filudos de corte, pinturas, lquidos penetrantes u otros restos que puedan afectar la composicin qumica de la unin soldada. SECUENCIA DE SOLDEO

40

P

Proce

Metal de aporte Clase Diam.

Corriente Polarid a d Amperaj e ( A )

Voltaje

(V)

Velocidad de ava nce (m m./ mi n.)

Aporte d e c a l o r ( K J / m m )

Dureza en la ZAC HV10

1

SMAW

Enicrmo 3

3mm

DCEP

70 - 86

24 -27

66 - 150

0.50 1 . 5 8

345

2

SMAW

Enicrmo 3

3mm

DCEP

70 - 86

24-27

66 - 150

0.50 1 . 5 8

345

VB SUPERVISOR

VB ING

VB SUPERVISIN

41

1.10 . Proceso de soldeo de probeta

Antes del proceso de soldeo de la probeta se debe inspeccionar la preparacin de bordes midiendo la abertura y la raz para asegurarse que est de acuerdo al diseo de junta especificado en WPS, tambin que los materiales de aporte (Varillas) cumplan con sus correspondientes especificaciones de calidad. Durante la ejecucin de soldadura se bebe inspeccionar que se aplique correctamente el WPS elaborado. Se observara el depsito de los cordones prestando una especial atencin al pase de raz, ms susceptible de fisurarse que las de relleno. Se debe asegurar que se est utilizando los materiales de aporte idneos, los parmetros de soldeo especificados. Tambin se verificara, con medios adecuados, la temperatura de precalentamiento y entre pasadas.

Figura 20. Se observa la probeta en pleno proceso de soldeo.

42

Figura 21. Se observa los parmetros de soldeo

2. ELABORACION DEL PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA PARA EL

ACERO ASTM 553 TIPO I

Al inicio de toda fabricacin de una construccin por soldadura es preciso garantizar que el procedimiento de soldadura y soldadores u operadores que hayan demostrado, antes de iniciar la construccin, su capacidad para producir uniones soldadas de calidad. Con objeto de avalar estas garantas, es necesario realizar previamente la calificacin del procedimiento que se va a emplear, as como la homologacin de la mano de obra que va ejecutar el mismo.2.1 . Requerimientos para calificacin del WPS43

De acuerdo con el Cdigo de Diseo del Tanque segn API 620 2002 y el Cdigo de Calificacin del WPS segn ASME IX 2007, ambos especifican que en la probeta soldada se debe someter a diversos ensayos mecnicos y no destructivos y luego el cumplimiento de verificacin de ciertos criterios de aceptacin, para que el WPS pueda ser confiable en producir soldaduras sanas y con las propiedades mecnicas requeridas para la aplicacin en particular. 2.1.1. Requerimiento segn ASME IX 2007 Ensayo Visual ( Obligatorio ) Ensayo de Traccin ( Obligatorio ) Ensayo de Doblez ( Obligatorio ) Ensayo Charpy con muesca ( Requerimiento extra segn necesidad de la aplicacin particular) Ensayos END ( No obligatorio ) 2.1.2. Requerimiento segn API 6220 2002 Ensayo Visual (Obligatorio) Ensayo Macrogrfico (Para ubicacin de la ZAC y la zona de fusin) Ensayo Charpy con muesca (Especifica la temperatura de ensayo, la ubicacin y cantidad de los especmenes de prueba, as como los criterios de aceptacin) Ensayos END (No obligatorio) 2.1.3. Requerimiento adicionales para estudio Ensayo / Barrido de Dureza Vickers

44

. Tipos y nmeros de pruebas requeridas para la calificacin del WPS2.2

Nuestro WPS considera calificar las soldaduras verticales (Posicin 3G, segn definicin de AWS) del tanque mediante proceso SMAW. La probeta de soldadura es de acero ASTM A553 tipo 1, y el espesor es de 16mm. De acuerdo al espesor de la probeta, en la tabla 8 se resume el tipo y cantidad de ensayos mecnicos requeridos por ambos cdigos, indicando adems el grado de requerimiento.

ENSAYOS MECANICOS TRACCION DOBLEZ

UBICACIN / CANTIDAD

ESPECIMENES 2

REQUERIMIENTO OBLIGATORIO SI SI

CODIGO APLICABLE ASME IX ASME IX

IMPACTO DUREZA Notas:

De Raz De Cara De Lado En el Metal depositado En la Zona afectada En la Raz y Cara

2 2 4* 3 3

4

6 2

SI NO

API 620 NA**

* Los 4 ensayos de dobles de lado pueden reemplazar en su conjunto a los 4 ensayos de doblez de raz y cara, para espesores de probeta entre 3/8" (10mm) y 3/4" ( 19mm). **No aplicable, sin embargo consideraciones metalrgicas indican limitar la dureza de la Vickers de la microestructura en la zona de fusin y en la ZAC.

Tabla 8. Tipo y cantidad de ensayos mecnicos

De la Probeta soldada se proceder a ubicar los especmenes para ensayos mecnicos segn la norma de calificacin.

Descarte45

1/2

1/8

Doblez de lado1/8

3/8 11/41/8

Tension Dureza1/8

3/8 7/161/8

CVN test ZAC CVN test ZAC1/8

7/16 7/161/8

CVN test ZAC Doblez de lado1/8

3/8 3/81/8

Doblez de lado CVN test Zona de fusin1/8

101/4

7/16 7/161/8

CVN test Zona de fusin CVN test Zona de fusin1/8

7/16 3/81/8

Dureza Tensin1/8

11/4 3/81/8

Doblez de lado Descarte

1/2

6Figura 22. Distribucin de los especmenes en la probeta soldada.

46

En la tabla 9, se resume los criterios de aceptacin de los ensayos mecnicos y no destructivos a realizar:CRITERIOS DE ACEPTACION DE LOS ENSAYOS MECANICOS Y NO DESTRUCTIVOSTipo de Indicacin / Condicin a evaluar INSPECCION VISUAL Fisuras Falta de Fusin Falta de Penetracin Socavacin Porosidad aislada Porosidad agrupada Sobremonta Conformid ad / Rechazo No aceptable No aceptable No aceptable posible posible posible posible 1/64" (0.4mm) 5/32" (4mm) t/4 3/32" (2.4mm) 1/8" (3mm) Existenci a de indicaci n Tamao Mximo individual Observaciones / Condiciones adicionales

Para la soldadura longitudinal (juntas verticales) t es el espesor de soldadura sin sobremonta Frecuencia no mayor de uno en cada 4"

ENSAYO DE TRACCION Esfuerzo de Rotura menor a la Mnima Resistencia a la Traccin Especificada del Metal Base. El espcimen rompe en el metal base, fuera de la zona de fusin. No aceptable posible Mnimo 690Mpa ( 100 KSI ). Excepcin si el espcimen rompe en el metal base. Esfuerzo de Rotura no menor al 95% de 690Mpa ( 100 KSI )

ENSAYO DE DOBLEZ Discontinuidades abiertas en la superficie convexa del doblez. Discontinuidades abiertas en los bordes de la superficie convexa del doblez. Aceptable

posible

1/8" (3mm) No aceptable, si resultan como consecuencia de discontinuidades en la soldadura como falta de fusin, inclusin de escoria, porosidad u otros.

posible

ENSAYO DE IMPACTO CHARPY V Energa absorbida en el Impacto de cada espcimen Energa absorbida en el Impacto promedio del set Energa absorbida en el Impacto de cada espcimen Energa absorbida en el Impacto promedio del set Expansin lateral opuesta a la muesca. Temperatura de Ensayo Cantidad de especmenes por set Orientacin de los especmenes

Mnimo 21.6 J (16 lb-ft). Espcimen 10x10mm Mnimo 27 J (20 lb-ft). Espcimen 10x10mm Mnimo 16.2 J (12 lb-ft). Espcimen 10x7.5mm Mnimo 20.3 J (15 lb-ft). Espcimen 10x7.5mm Mnimo 0.015" ( 0.381mm). Mximo -196C ( -320F ) 3 especmenes Transversal a la direccin de laminado

ENSAYO DE DUREZA VICKERS Barrido de dureza a 2mm de la capa de acabado. Barrido de dureza a 2mm de la raz.

Entre 250 @ 345 HV Entre 250 @ 345 HV

47

Nota: son 3 mediciones por zona ( MB, ZAC, MS)

Tabla 9. Criterios de aceptacin de los ensayos mecnicos y no destructivos

48

2.3

. Resultados de los Ensayos

Seguidamente se mostraran todos los resultados:2.3.1 Resultado del ensayo de traccin

El resultado del ensayo a traccin se muestra en la tabla 10: Resultado de los ensayos de Traccin Resistencia Resistencia Tipo de Espcimen de Rotura Traccin falla y (Mpa) Min. ( Mpa) ubicacin T1 710.77 690 Dctil / MB T2 712.53 690 Dctil / MB Donde : MB = Material BaseTabla 10. Resultados del ensayo de traccin

Resultado Aceptable Aceptable

Figura 23. Espcimen T1, luego del ensayo de traccin

Figura 24. Espcimen T2, luego del ensayo de traccin

49

2.3.2 Resultado del ensayo de dobles El resultado del ensayo de dobles se muestra en la tabla 11: Resultado ensayo de dobles de lado Espcimen DL1 DL2 DL3 DL4 Indicaciones Fisura de Borde 2 mm Ninguna Inclusin de Escoria 1.6mm Ninguna Resultados Aceptable Aceptable Aceptable Aceptable

Tabla 11. Resultados del ensayo de dobles

Figura 25. Espcimen DL1 y DL2, luego del ensayo de dobles.

Figura 26. Espcimen DL3 y DL4, luego del ensayo de dobles.

2.3.3 Resultado del ensayo de impacto50

El resultado del ensayo de impacto se muestra en la tabla 12: Resultado de ensayo de ImpactoUbicacin Temperatura Energa de la Dimensiones de ensayo Absorbida muesca 1 MA 10 x10x55 -196 C 60 J 2 MA 10 x10x55 -196 C 64 J 3 MA 10 x10x55 -196 C 66 J 4 ZAC 10 x10x55 -196 C 104 J 5 ZAC 10 x10x55 -196 C 74 J 6 ZAC 10 x10x55 -196 C 80 J Donde : MA = Metal de Aporte ZAC = Zona afectada por el Calor Espcimen %Corte 100% Frgil 100% Frgil 100% Frgil 85% Frgil 70% Frgil 85% Frgil MILS. 49 65 46 59 50 62

Tabla 12. Resultados del ensayo de dobles

Figura 27. Momento donde se colocan los especmenes al nitrgeno liquido.

Figura 28. Especmenes despus del ensayo de Charpy

2.3.4 Resultado del ensayo de dureza51

El resultado del ensayo de dureza se muestra en la tabla 13 y 14:Barrido a 2 mm de la cara de acabado en : A 1 MB A 2 MB A 3 MB A 4 ZAC A 5 ZAC A 6 ZAC A 7 MA A 8 MA A 9 MA A 10 ZAC A 11 ZAC A 12 ZAC A 13 MB A 14 MB A 15 MB Donde : MA = Metal de Aporte MB = Metal Base Espcimen Puntos de Inspeccin

Ubicacin (mm)

Dureza Vickers Resultado (HV10) Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme

22 237 35 235 48 235 52 281 55 283 59 322 62 232 75 245 90 215 92 319 95 276 100 249 103 232 115 228 125 238 ZAC = Zona afectada por el Calor

Tabla 13. Resultado de barrido de dureza en la cara de Acabado de la soldadura

Espcimen B B B B B B B B B B B B B B B

Puntos de Inspeccin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Barrido a 2 mm de la cara de acabado en : MB MB MB ZAC ZAC ZAC MA MA MA ZAC ZAC ZAC MB MB MB

Ubicacin (mm) 22 35 48 52 55 59 62 75 90 92 95 100 103 115 125

Dureza Vickers Resultado (HV10) 235 235 230 322 322 219 258 260 336 290 233 228 228 220 235 Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme

Donde : MA = Metal de Aporte MB = Metal Base ZAC = Zona afectada por el CalorTabla 14. Resultado de barrido de dureza en la cara de Raz de la soldadura

52

Figura 29. Especmenes A, grafico del barrido de dureza en la cara de la soldadura.

Figura 30. Especmenes A, barrido de dureza en la cara de la soldadura.

Figura 31. Especmenes B, grafico de barrido de dureza en la raz de la soldadura.

Figura 32. Especmenes B, barrido de dureza en la raz de la soldadura.

53

2.3.5 Resultado del ensayo de macrografa El resultado del ensayo de macrografa se muestra en la tabla 15: Resultado de ensayo MacrograficoEspcimen Estado Macroestructura Se observa la secuencia de soldadura, se puede contabilizar en total 9 pases Se observa en la zona ZAC, tiene una extensin de 3.00 a 4.00 mm. La zona de difusin entre los materiales base y aporte presenta uniformidad en su macroestructura. La unin soldada no presenta defectos de soldadura, como falta de fusin o fisuras. Resultados En general, el estado de la macroestructural en la zona de difusin de la unin soldada es uniforme en las dos probetas analizadas, indicando buena continuidad entre el metal base y aporte en cada caso.

D1 y D2

Tabla 15. Resultado de ensayo de macrografa

Figura 33. Especmenes D1y D2, Atacado qumicamente para ver sus macroestructura.

54

2.3.6 Resultado del ensayo de micrografa

El resultado del ensayo de micrografa se muestra en la tabla 16: Resultado de ensayo de MicrografaEspcimen Estado de la Microestructura Resultados

D1

En general, el estado de la La medicin se microestructural es aceptable,se observan realizo con un que los granos son grandes en la ZAC y microscopio ptico de Metal de Aporte producto de la energa 50 a 1000 aumentos. neta aportada por el proceso.Tabla 16. Resultado de ensayo de micrografa

Figura 34. En la imagen se muestran las zonas a estudiar

Zona A: Ubicacin entre ZAC/M.A - Lnea de Fusin

Figura 35. Imagen Tomada a 500 Aumentos, Estructura: Martensitica de tamao de grano Grande, Tamao de Grano: N 7

Zona B: Ubicacin entre ZAC - Cerca de la Lnea de Fusin

55

Figura 36. Imagen Tomada a 1000 Aumentos, Estructura: Martensitica de tamao de grano Grande, Tamao de Grano: N 7.5

ZONA C: Ubicacin: ZAC - Lejos de la Lnea de Fusin

Figura 37. Imagen Tomada a 1000 Aumentos, Estructura: Martensitica de tamao de mediano, Tamao de Grano: N 8.5

ZONA D: Ubicacin entre el M.B - Lejos de la ZAC 56

Figura 38. Imagen Tomada a 1000 Aumentos, Estructura: Martensitica de fina y carburos globulares , Tamao de Grano: N 10

ZONA E: Ubicacin entre la ZAC/M.A - Lnea de Fusin

Figura 39. Imagen Tomada a 500 Aumentos, Estructura: Martensitica de tamao de grano Grande, Tamao de Grano: N 7

ZONA F: Ubicacin entre la ZAC - Cerca de la Lnea de Fusin 57

Figura 40. Imagen Tomada a 1000 Aumentos, Estructura: Martensitica de tamao de grano Grande, Tamao de Grano: N 7.5

ZONA G: Ubicacin: ZAC - Lejos de la Lnea de Fusin

Figura 41. Imagen Tomada a 1000 Aumentos, Estructura: Martensitica de tamao de mediano, Tamao de Grano: N 8.5

ZONA H: Ubicacin en el M.A 58

Figura 42. Imagen Tomada a 500 Aumentos, Estructura: Dendritas Columnares Solucin solida, Tamao de Grano: No se considera

ZONA I: Ubicacin entre el M.A - Cerca de la zona de Fusin

Figura 43. Imagen Tomada a 500 Aumentos, Estructura: Dendritas Columnares Solucin solida, Tamao de Grano: No se considera

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CAPITULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. CONCLUSIONES Del presente estudio se pudo obtener las siguientes conclusiones:-

El acero ASTM A553 tipo I, cumplen con los requisitos de ensayos

mecnicos de mxima resistencia al esfuerzo y tenacidad hasta temperaturas alrededor de -196C. La microestructura muestra gran resistencia a la iniciacin y propagacin de fisuras.-

Considerando los buenos resultados obtenidos en el presente estudio se

puede afirmar que el proceso de soldadura empleado SMAW, resulta ser un proceso viable y flexible para soldar en posiciones (1G, 2G y 3G), para la realizacin de soldaduras en campo y reparaciones.-

El material de aporte seleccionado ENiCrMo3 con alto contenido de

nquel, es apropiados para soldar estos aceros ASTM A553 tipo I, Adems de mostrar buena constante de expansin trmica.

-

La energa neta seleccionada en le rango 0.50 a 1.58 KJ/mm, permite

preservar la tenacidad en la ZAC o ZAT.

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2. RECOMENDACIONES Del presente estudio se puede brindar las recomendaciones:-

Para mejorar el tamao de grano en la ZAC y el metal de aporte, se

puede cambiar la secuencia o tcnica de soldeo de continua ha intercalado con lo que se consiguiera una especie revenido de los cordones adyacentes y con ello se consigue disminuir el tamao granos.

-

Para aplicaciones de fabricaciones masivas se recomienda cambiar de

proceso a uno con mayor eficiencia y deposicin por hora, como Saw y Fcaw (cabe mencionar que estos procesos se utilizaron con xito en el proyecto melchorita).

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CAPITULO V: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICA Y ANEXOS 1. BIOGRAFIA: La biografa para el presente estudio es la siguiente: Soldadura de los aceros, 3er Edicin 1994

Autor: Manuel Reina-

Manuel del soldador, 18 va Edicin 2007

Autor: Germn Hernndez Riesco-

Introduccin a la Metalurgia de la soldadura, 7ma Edicin 2007

Autor: Dr. Carlos Fosca-

Resistencia de los materiales, 5ta Edicin 2005

Autor: James M. Gere-

Welding, Brazing and Soldering, 6ta Edition 1993

Autor: Handbook-

Standard Welding Terms and Definitions/ AWS A3.0, Ao 2001

Autor: ANSI/AWS-

ASTM Standards, Reapproved 2000

Autor: ANSI/AWS62

-

Structural Welding Code Steel / AWS D.1.1, 20th Edition 2006

Autor: ANSI/AWS-

Qualification Standard for Welding and Brazing procedures, Welders,

Brazers, and Welding and Brazing Operators, Edition 2007 Autor: ASME Boiler and Pressure Vessel Committee Design and construction of large, Welded, Low Pressure Storage Tanks/API 620 , Edition 2002 Autor: API Standard

2.

ANEXOS 2.1 . Especificacin del material base63

Steel, in Specification A 20/A 20M.

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66

2.2 . Especificacin del metal de aporte

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2.3

. Extracto de la norma o cdigo API 620 - 2002

REQUERIMIENTOS DE INSPECCION VISUAL (segn API 620 - 2002) 7.15.5 VISUAL EXAMINATION METHOD 7.15.5.1 All welds shall be visually examined in accordance with 7.15.5.2 and 7.15.5.3. 7.15.5.2 A weld shall be acceptable by visual examination if examination shows the following: a. The weld has no crater cracks or other surface cracks. b. Undercut does not exceed the applicable limit in 6.13 for circumferential or latitudinal butt joints and for longitudinal or meridional butt joints. For welds that attach nozzles, manholes, or clean-out openings, the maximum allowable undercut is 1/64 in. c. The frequency of surface porosity in welds does not exceed one cluster (one or more pores) in each 4 in. of length, and the maximum diameter of each cluster does not exceed 3/32 in. d. Complete fusion and required penetration exists at the joint between the weld metal and the base metal. 7.15.5.3 Welds that fail to meet the visual examination criteria of 7.15.5.2 shall be reworked before hydrostatic testing in accordance with the following: a. Defects shall be repaired in accordance with 6.16. b. Rewelding shall be required if the resulting thickness is below the minimum required for design and hydrostatic test conditions. All defects in areas above the minimum thickness shall be feathered to at least 4:1 taper. c. The repair weld shall be examined visually for defects. 6.12 REINFORCEMENT ON WELDS (Refuerzo de soldadura) 6.12.1 Butt joints shall have complete joint penetration and complete fusion for the full length of the weld and shall be free from undercuts, overlaps, or abrupt ridges or valleys. To ensure that the weld grooves are completely filled so that the surface of the weld metal at any point does not fall below the surface of the adjoining plate, weld metal may be built up as reinforcement on each side of the plate. The thickness of the reinforcement on each side of the plate shall not exceed the thickness listed in Table 6-2, but the reinforcement need not be removed except when it exceeds the permissible thickness or when required in 7.15.1.

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6.13 MERGING WELD WITH PLATE SURFACE The edges of the weld shall merge smoothly with the surface of the plate without a sharp angle. There shall be a maximum permissible undercutting of 1/64 in. for longitudinal or meridional butt joints and 1/32 in. for circumferential or latitudinal butt joints.

REQUERIMIENTOS DE ENSAYO DE IMPACTO ( segn API 620 - 2002) Q.6.2 IMPACT TESTS FOR 9% AND 5% NICKEL STEEL Impact tests for primary components of 9% and 5% nickel steel shall be made for each welding procedure as described in Q.6.2.1 through Q.6.2.5. Q.6.2.1 Charpy V-notch specimens shall be taken from the weld metal and from the heat-affected zone of the welding procedure qualification test plates or from duplicate test plates. Q.6.2.2 Weld metal impact specimens shall be taken across the weld with the notch in the weld metal. The specimen shall be oriented so that the notch is normal to the surface of the material. One face of the specimen shall be substantially parallel to and within 1/16 in. of the surface. Q.6.2.3 Heat-affected zone impact specimens shall be taken across the weld and as near the surface of the material as is practicable. The specimens shall be of sufficient length to locate the notch in the heataffected zone after etching. The notch shall be cut approximately normal to the material surface to include as much heat-affected zone material as possible in the resulting fracture. Q.6.2.4 Impact test specimens shall be cooled to the temperature stated in Q.2.2 Q.6.2.5 The required impact values and lateral expansion values of the weld metal and the heat-affected zone shall be as given in Q.2.2.2, items c and d, respectively. Where erratic impact values are obtained, retests will be allowed if agreed upon by the purchaser and the manufacturer. Q.2.2 IMPACT TEST REQUIREMENTS FOR PRIMARY COMPONENTS Q.2.2.1 All primary components of 9% or 5% nickel steel shall be impact tested in accordance with Q.2.2.2 through Q.2.2.4. Impact testing is not required for primary components of austenitic stainless steel, nickel alloy, and aluminum materials. Welds in high-alloy (austenitic) stainless steel shall be impact tested if required by Q.6.3.70

Q.2.2.2 Impact testing of plates, including structural members made of plate, shall comply with the following: a. Impact test specimens shall be taken transverse to the direction of final plate rolling. b. Charpy V-notch specimens shall be cooled to a temperature of 320F for A 353, A 553, and A 645 steels for impact testing. Note: This temperature is selected to be consistent with the standard requirements of the ASTM specifications. The temperature of 320F also provides a convenient and safe medium (liquid nitrogen) for cooling; for testing techniques, see ASTM A 370. For ethylene and ethane service, the test temperature of 220F is also acceptable. c. The transverse Charpy V-notch impact values shall conform to Table Q2. d. Each test shall consist of three specimens, and each specimen shall have a lateral expansion opposite the notch of not less than 0.015 in. (15 mils) as required by ASTM A353, A553, and A645. e. Retests shall be in accordance with ASTM A 353, A 553, and A 645.

2.4

. Extracto de la norma o cdigo ASME IX - 2007

REQUERIMIENTOS DE ENSAYOS DE TRACCION ( segn ASME IX2007) QW-153 Acceptance Criteria Tension Tests QW-153.1 Tensile Strength. Minimum values for procedure qualification are provided under the column heading Minimum Specified Tensile, ksi of table QW/QB-422. In order to pass the tension test, the specimen shall have a tensile strength that is not less than (a) the minimum specified tensile strength of the base metal; or

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(b) the minimum specified tensile strength of the weaker of the two, if base metals of different minimum tensile strengths are used; or (c) the minimum specified tensile strength of the weld metal when the applicable Section provides for the use of weld metal having lower room temperature strength than the base metal; (d) if the specimen breaks in the base metal outside of the weld or weld interface, the test shall be accepted as meeting the requirements, provided the strength is not more than 5% below the minimum specified tensile strength of the base metal. (e) the specified minimum tensile strength is for full thickness specimens including cladding for Aluminum Alclad materials (P-No. 21 through P-No. 23) less than 12 in. (13 mm). For Aluminum Alclad materials 12 in. (13 mm) and greater, the specified minimum tensile strength is for both full thickness specimens that include cladding and specimens taken from the core. REQUERIMIENTOS DE ENSAYO DE DOBLEZ ( segn ASME IX-2007) QW-163 Acceptance Criteria Bend Tests The weld and heat-affected zone of a transverse weld bend specimen shall be completely within the bent portion of the specimen after testing. The guided-bend specimens shall have no open discontinuity in the weld or heat-affected zone exceeding 18 in. (3 mm), measured in any direction on the convex surface of the specimen after bending. Open discontinuities occurring on the corners of the specimen during testing shall not be considered unless there is definite evidence that they result from lack of fusion, slag inclusions, or other internal discontinuities. For corrosion-resistant weld overlay cladding, no open discontinuity exceeding 116 in. (1.5 mm), measured in any direction, shall be permitted in the cladding, and no open discontinuity exceeding 18 in. (3 mm) shall be permitted along the approximate weld interface.

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