El agrietamiento sigue siendo uno de los defectos más graves que se encuentran en la producción de tubos soldados y también es uno de los menos tolerantes. - a diferencia de una desviación dimensional o una imperfección superficial, una grieta en la costura soldada es un defecto estructural que puede propagarse bajo carga de servicio y provocar una falla total. Las grietas en tuberías soldadas generalmente se clasifican según su orientación con respecto a la línea de soldadura en dos categorías:grietas longitudinales, que corren paralelas a la costura de soldadura, ygrietas transversales, que lo atraviesan. Este artículo se centra específicamente en el agrietamiento transversal - por qué se forma y qué debe controlar un productor para prevenirlo, con especial atención a la espiral (SAW) tubería soldada, donde la geometría de la costura helicoidal agrega sus propias consideraciones a la metalurgia de soldadura general involucrada.
De dónde provienen realmente las grietas transversales
Las grietas transversales en tuberías soldadas se forman más comúnmente durante la solidificación y cristalización del metal de soldadura, no después. A medida que el baño de soldadura fundida se enfría, se solidifica progresivamente desde los bordes exteriores del baño hacia adentro, hacia la línea central, con granos creciendo en la dirección del flujo de calor. Esta solidificación va acompañada de una contracción volumétrica - el metal simplemente ocupa menos espacio a medida que pasa de líquido a sólido y continúa contrayéndose a medida que se enfría más hacia la temperatura ambiente.
Esa contracción generatensión de traccióna lo largo de la soldadura, y debido a que el metal base circundante y el metal de soldadura ya-solidificado resisten la contracción, la tensión en desarrollo se concentra más intensamente en la línea central de la soldadura, donde el último metal líquido se solidifica y donde los límites de grano de ambos lados del charco se encuentran casi de frente-. Si esa región de la línea central no puede acomodar la tensión de tracción - porque la estructura del grano es desfavorable, porque los elementos traza dañinos han debilitado los límites de los granos, o porque la tensión en sí es mayor de lo necesario debido a un control deficiente del proceso -, se abre una grieta perpendicular a la dirección de la soldadura. Esa orientación perpendicular es precisamente lo que la convierte en una grieta transversal y no longitudinal.
El siguiente diagrama ilustra este mecanismo: el frente de solidificación que arrastra el soplete de soldadura, la tensión de contracción que atraviesa la línea de soldadura a medida que se enfría el baño y la grieta resultante que se abre en la línea central donde se concentra esa tensión.
El comodín metalúrgico: la contaminación del cobre
La tensión de contracción por solidificación es una condición básica de cada soldadura - y no se puede eliminar por completo, solo controlarla. Pero un segundo factor convierte la tensión de contracción ordinaria en una grieta real mucho más fácilmente: la presencia de impurezas de bajo-punto de fusión-en el metal de soldadura y en la producción de tuberías-soldadas en espiral,El cobre es el delincuente más común..
El cobre ingresa al baño de soldadura desde una fuente inesperada: la fina capa de cobre aplicada al alambre de soldadura para evitar la oxidación de la superficie durante el almacenamiento y para mejorar el contacto eléctrico y la alimentación a través del equipo de soldadura. A medida que el alambre avanza a través de la punta de contacto a alta velocidad, la fricción desgasta gradualmente el orificio de la punta y las finas partículas de cobre - tanto del recubrimiento del alambre como, en las puntas desgastadas, de la propia punta de contacto de cobre - se desprenden y son transportadas hacia el fundente y el arco, llegando finalmente al baño de soldadura fundida.
El cobre se funde a una temperatura mucho más baja que el acero. A medida que el baño de soldadura se solidifica, el cobre presente no se solidifica con la matriz de acero en masa -; permanece líquido por más tiempo y se segrega en los límites de los granos, donde los moja y los debilita. Esta es una forma defragilidad del metal-líquido: el límite de grano, que ya está bajo tensión de tracción debido a la contracción normal de solidificación, ahora tiene mucha menos resistencia a esa tensión porque el cobre ha comprometido su cohesión. El resultado es que aparecen grietas transversales en los límites contaminados con cobre-a niveles de tensión que una soldadura no contaminada toleraría sin problemas.
Prevención: lo que realmente reduce el agrietamiento transversal
Prevenir el agrietamiento transversal no es una cuestión de una sola solución - sino que requiere controlar tanto la tensión de contracción subyacente como la contaminación metalúrgica que hace que la soldadura sea vulnerable a ella. En la práctica, esto se reduce a cinco áreas de control de procesos.
1. Selección de consumibles de soldadura
El punto de partida es elegir alambre de soldadura y fundente con una química adecuada al material base y libre de oligoelementos nocivos excesivos. La selección cuidadosa de los consumibles reduce, en primer lugar, el nivel base de impurezas que ingresan al baño de soldadura, lo que reduce la probabilidad de grietas transversales independientemente de lo que suceda aguas abajo en el proceso. Esta es una decisión que se toma incluso antes de que comience la soldadura y establece el límite de cuán limpio puede estar el metal de soldadura. - Ningún control del proceso posterior puede compensar completamente una mala elección de consumible.
2. Diseño de bisel y control de penetración
La geometría de la ranura o bisel en la unión soldada afecta directamente la cantidad de metal de soldadura que se deposita y cómo se desarrolla el patrón de solidificación. El principio general aquí es reducir el bisel de soldadura interno siempre que sea posible, sin sacrificar la profundidad de penetración que la unión realmente necesita. Un bisel interno más pequeño, combinado con una penetración adecuada, da como resultado un volumen de baño de soldadura más pequeño y un camino de solidificación más corto, los cuales reducen la magnitud de la tensión de contracción que se desarrolla a medida que se enfría la soldadura. Lograr este equilibrio requiere una estrecha coordinación entre el diseño de bisel y los parámetros de soldadura (corriente, voltaje, velocidad de desplazamiento) realmente utilizados en la línea, ya que un diseño de bisel no se puede evaluar de forma aislada del proceso con el que está asociado.
3. Conformado de precisión y alineación de rodillos
Específicamente en los tubos soldados en espiral-, la precisión del proceso de perfilado-que da forma a la tira plana en el cuerpo del tubo helicoidal tiene una relación directa con la tensión residual presente en la junta soldada incluso antes de que comience la soldadura. Si los bordes de la tira no se alinean con precisión - espacio consistente, altura de borde consistente, curvatura consistente que coincida con el diámetro de tubería previsto - la soldadura tiene que adaptarse a un desajuste geométrico además de la contracción de solidificación normal. Esa tensión residual adicional reduce el margen disponible antes de que se inicie una grieta transversal. La conformación precisa, a veces denominada "ajuste de forma" en la planta de producción, reduce esta tensión residual en la fuente en lugar de intentar compensarla más adelante en los parámetros de soldadura.
4. Control del factor de forma de soldadura
Elfactor de forma de soldadura- la relación entre el ancho de la superficie del cordón de soldadura y su profundidad de penetración - tiene una relación directa y bien-documentada con la susceptibilidad al agrietamiento. Un baño de soldadura estrecho y profundo se solidifica con granos que crecen abruptamente hacia adentro desde ambos lados y se encuentran casi de frente-en la línea central, concentrando la tensión de contracción a lo largo de una banda estrecha. Un baño de soldadura más amplio y menos profundo permite que los granos crezcan hacia el centro en un ángulo menos profundo, distribuyendo la misma tensión de contracción general en una región más amplia en lugar de concentrarla.
Como objetivo práctico, el factor de forma de la soldadura generalmente se mantieneencima de 1(ancho del cordón mayor que la profundidad de penetración) específicamente para evitar esta concentración de tensiones. Esto se controla principalmente a través de los ajustes de corriente, voltaje y velocidad de desplazamiento de soldadura, y debe verificarse como parte de la calificación del proceso de rutina en lugar de asumirse únicamente a partir de ajustes de parámetros nominales, ya que el desgaste del electrodo, la condición del flujo e incluso la temperatura ambiente pueden cambiar la geometría real del cordón producida en un día determinado.
5. Control de la contaminación de las puntas de contacto y del cobre
Debido a que la contaminación por cobre es un factor tan desproporcionadamente dañino en relación con las pequeñas cantidades realmente involucradas, merece controles de proceso dedicados en lugar de ser tratado como un efecto secundario de la calidad general de los consumibles. Esto incluye la inspección programada y el reemplazo de las puntas de contacto antes de que el desgaste del orificio se vuelva significativo, monitorear la alimentación del alambre para detectar descamaciones visibles o degradación del recubrimiento y, en algunos casos, especificar el alambre con un tratamiento superficial más ligero o alternativo donde la captación de cobre ha sido un problema recurrente. Debido a que esta vía de contaminación es en gran medida invisible en la soldadura terminada hasta que aparece una grieta, es una de las áreas donde la disciplina del mantenimiento preventivo es más importante que la resolución de problemas reactiva.
Guía de compra: evaluación de las prácticas de prevención-de grietas de un proveedor de tuberías soldadas
Para un comprador que adquiere SSAW u otra tubería soldada, las grietas transversales son en gran medida invisibles en un certificado de fábrica estándar, a menos que ya hayan progresado hasta convertirse en un defecto detectable detectado mediante pruebas no-destructivas -, momento en el cual un tramo ya ha sido rechazado o reparado, lo que agrega costos y riesgos de cronograma al pedido. El enfoque más confiable es evaluar si los controles de proceso de un proveedor hacen que el agrietamiento transversal sea improbable en primer lugar. Vale la pena confirmar los siguientes puntos antes de realizar un pedido, especialmente para proyectos más grandes o con mayores-especificaciones:
- Pregunte cómo se monitorea el factor de forma de la soldadura, no solo se configura.Un proveedor que puede describir cómo se mide y verifica realmente la relación entre el ancho del cordón-y-la profundidad durante la producción - en lugar de simplemente citar una hoja de parámetros objetivo -, está demostrando un control real del proceso en lugar de una especificación en papel.
- Pregunte sobre los intervalos de reemplazo de las puntas de contacto y las prácticas de manejo de cables.Un proveedor con un cronograma de mantenimiento preventivo-definido para las puntas de contacto y un almacenamiento/manipulación controlados del alambre de soldadura para evitar daños en el recubrimiento, está abordando la vía de contaminación del cobre de manera proactiva en lugar de reaccionar únicamente a los defectos después de que ocurren.
- Confirmar qué tolerancias de formación/alineación se mantienen antes de soldar., especialmente para tuberías soldadas en espiral-, ya que la alineación del borde de la tira antes de la pasada de soldadura tiene una relación directa con la tensión residual en la unión.
- Solicite la cobertura de pruebas no-destructivas real aplicada a la costura de soldaduraLas pruebas - completas- detectan problemas que un régimen de inspección por muestreo puede pasar por alto, y esto es más importante para los defectos de tipo-grietas que para la mayoría de las otras características de calidad, ya que una grieta que escapa a la detección puede propagarse bajo carga de servicio mucho después de que la tubería haya salido del molino.
- Pregunte si los parámetros de soldadura están calificados por ciclo de producción o se supone que son estáticos.Debido a que la geometría del cordón y la calidad de la soldadura pueden cambiar con el desgaste del electrodo, la condición del fundente y otras variables a lo largo del tiempo, un proveedor que recalifica los parámetros periódicamente - en lugar de tratar la calificación de un procedimiento inicial como permanente - ofrece una resistencia a las grietas más consistente en todo un pedido, no solo en las primeras longitudes producidas.
- Cuando las especificaciones del proyecto lo permitan, solicite datos de producción o ejemplos de pedidos anteriores de diámetro y espesor de pared similares., ya que la susceptibilidad a las grietas está influenciada por la geometría de la tubería así como por los parámetros del proceso, y el historial de un proveedor en tamaños comparables es un indicador más directo que las afirmaciones generales sobre los sistemas de calidad.
En última instancia, el agrietamiento transversal es un defecto controlable, no un riesgo inherente del proceso de soldadura -, pero controlarlo requiere atención a detalles que no aparecen en una hoja de especificaciones estándar: geometría del cordón, condición de la punta de contacto y precisión de conformado, todo trabajando junto con una buena selección de consumibles. Los compradores que preguntan sobre estos detalles en la etapa de calificación, en lugar de confiar únicamente en los resultados de las pruebas químicas y mecánicas, están en una posición mucho más fuerte para evitar el cronograma y el impacto en los costos de un rechazo-relacionado con grietas más adelante en el proyecto.
