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APÉNDICE B – SOLDADURAS EN SERVICIO

B.1 Generalidades

Este apéndice cubre las prácticas de soldadura recomendadas para realizar reparaciones o instalación de accesorios en líneas o sistemas de tuberías que están en servicio. Para propósito de este apéndice, las líneas en servicio y sistemas de tuberías son definidas como aquellas que contienen petróleo crudo, productos de petróleo o gases combustibles que pueden ser presurizados y/o conducidos. Este apéndice no cubre líneas y sistemas de tuberías que han sido completamente aisladas y sacadas de servicio o no han sido puestas en servicio.

Hay dos puntos básicos sobre soldadura de tuberías en servicio. El primer punto es acerca de evitar “falla por descuelgue” (burning thhrough), donde el arco de soldadura causa rajadura en la pared de la tubería. El segundo punto es la fisuración por hidrógeno, donde las soldaduras en servicio han sido hechas con una velocidad de enfriamiento rápida como resultado del flujo contenido que ayuda a la evacuación de calor por la pared de la tubería.

La falla por descuelgue es poco probable si el espesor de pared es de 0.25 pulg. (6.4 mm) o mayor, empleando electrodos de bajo hidrógeno (tipo EXX18) y prácticas de soldadura normales. En soldadura de líneas de servicio en espesores de pared más delgados es considerado como rutina por muchas compañías; sin embargo, precauciones especiales, tales como el uso de procedimientos que limitan el calor de aporte, son frecuentemente especificados. Para que ocurra la fisuración por hidrógeno deben cumplirse tres condiciones simultáneamente. Estas condiciones son: hidrógeno en la soldadura, el desarrollo de una estructura susceptible a la fisuración y esfuerzos de

tracción actuando en la soldadura. Para prevenir la fisuración por hidrogeno, al menos una de estas tres condiciones necesarias debe ser eliminada o minimizada. En soldaduras hechas sobre líneas en servicio, se han logrado resultados exitosos usando electrodos o procesos de bajo hidrógeno y como bajos niveles de hidrógeno no pueden siempre ser garantizados, se usan procedimientos que minimicen la formación de microestructuras susceptibles a la fisuración. El procedimiento más común usa un suficientemente alto nivel de calor de aporte para superar el efecto de la disipación. Muchos métodos para predecir el calor de aporte han sido hechos, incluyendo un modelo computarizado de análisis térmico1. Aunque estos u otros métodos probados sean usados en la predicción del calor de aporte requerido para una aplicación de soldadura en servicio dada, estos no son un sustituto de la calificación de procedimiento (sección B.2). precalentamientos, donde sea aplicable, y/o el uso de una secuencia de deposición de pases, pueden también reducir el riesgo de una fisuración por hidrógeno. Para algunas condiciones de operación de líneas, la facilidad para evacuar calor por la pared de la tubería obliga a realizar dificultosos precalentamientos. Ejemplos de típicas secuencias de deposición de pases son mostrados en la Figura B1. Para minimizar el esfuerzo actuante en la soldadura, debería también darse una apropiada disposición para minimizar la concentración de esfuerzos en la raíz de la soldadura. 1 “Investigation and Prediction of Cooling Rates During Pipeline Maintenance Welding, and User´s Manual for Battelle´s Hot Tap Thermal-Analysis Models,” API Order No. D12750

Soldadura de ramal Soldadura de cubierta Metálica Notas: 1. Una capa de metal de soldadura, “enmantequillado” (“buttering”), es primeramente depositado usando cordones rectos. 2. Mayores niveles de calor de aporte son usados para los siguientes pases, el cual refinará y recocerá la ZAC de la primera capa.

Figura B-1-Ejemplo de Típica Secuencia de Deposición de Cordones

72 Norma API 1104 Traducción libre PUCP

La adecuada Aplicación de soldadura en servicio debe lograr un balance entre seguridad por un lado y prevención de propiedades de materiales no satisfactorios por el otro. Por ejemplo, si la pared de la tubería es delgada (menor que 0.250 pulg. (6.4 mm)), puede ser necesario minimizar el calor aportado para disminuir el riesgo de falla por quemón, sin embargo, un bajo nivel de calor de aporte puede ser insuficiente para superar la evacuación de calor por parte de la pared de la tubería resultando en una excesiva velocidad de enfriamiento con los consecuentes riesgos de fragilización por hidrógeno. Luego un compromiso debe ser alcanzado. Cuando el máximo calor aportado admisible para evitar falla por quemón es insuficiente para prever una adecuada protección contra fisuración por hidrógeno, precauciones alternativas (como una secuencia de deposición de pases) debe ser usado.

La mayoría de este apéndice previene la fisuración por hidrógeno en soldaduras de servicio. Si el espesor de pared de la tubería es menor que 0.250 pulg. (6.4 mm), el riesgo de falla por quemón debería ser considerado. El modelo computarizado de análisis térmico previamente mencionado u otro método preventivo debería ser usado para determinar el límite de calor aportado para determinada aplicación. Consideraciones adicionales deberían también ser dadas para soldaduras en servicio en líneas y sistemas de tuberías que contienen productos que pueden llegar a ser explosivamente inestables después de la aplicación de calor o que contengan productos que afectarían el material de la tubería por proporcionar susceptibilidad a ignición, corrosión bajo tensión o fragilización. Guías adicionales pueden ser encontradas en la práctica recomendada API 2201.

Los requerimientos para soldadura de file te en el cuerpo principal del estándar API 1104 deberían ser aplicados en soldaduras de servicio que contienen los soportes transportadores de tubería, excepto para los requerimientos alternativos/adicionales especificados abajo.

B.2 Calificación de Procedimientos de Soldadura en Servicio

Los requerimientos de los procesos de soldadura de filete de la Sección 5 deberían ser aplicados a soldaduras en servicio, excepto para los requerimientos alternativos/adicionales especificados abajo.

B.2.1 ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO

B.2.1.1 Información de Especificación

B.2.1.1.1 Materiales de Tuberías y Accesorios

Para soldaduras en servicio, el carbono equivalente del material2 que el procedimiento aplica debería ser identificado incluyendo la mínima resistencia a la fluencia. Los niveles de carbón equivalente pueden agruparse.

B.2.1.1.2 Condiciones de Operación de Tubería en Línea

Para soldaduras en servicio, las condiciones de operación de las líneas (los contenidos de la tubería, velocidad de flujo, etc.) para el cual el procedimiento aplica deberían ser identificados. Las condiciones pueden agruparse.

B.2.1.1.3 Rango de Calor de Aporte

Para procedimientos destinados a superar el efecto del flujo de los contenidos usando un alto nivel de calor de aporte3 (procedimientos de control de calor aportado), el rango requerido de calor de aporte debería ser especificado.

B.2.1.1.4 Secuencia del Deposito de Cordones de Soldadura

Para procedimientos destinados a superar el efecto del flujo de los contenidos empleando una secuencia de deposición de cordones de soldadura (procedimientos de cordones), los requerimientos de la secuencia de los cordones de soldadura deberían ser especificados.

B.2.2 VARIABLES ESENCIALES

B.2.2.1 Cambios que Requieren Recalificación

B.2.2.1.1 Materiales de Tuberías y Accesorios

Para soldaduras de filete en servicio, la mínima resistencia a la fluencia no es una variable esencial.

B.2.2.1.2 Condiciones de Operación en Línea de Tubería

Para soldaduras en servicio, un aumento en la severidad de las condiciones de operación de la tubería en línea (desde el punto de vista de la velocidad de enfriamiento de 2 CEIIW = %C + %Mn/6 + (%Cu + %Ni)/15 + (%Cr + %Mo + %V)/5. 3 Calor Aportado (J/pulg) = (Amperios x Voltios x 60) / (Velocidad de soldadura [pulg/min] x 1000) - o - Calor de aporte (kJ/mm) = (Amperios x Voltios) / (Velocidad de soldadura [mm/seg] x 1000).

Traducción libre PUCP Soldadura de Tuberías e Instalaciones Relacionadas 73

la soldadura) del grupo calificado de arriba constituye un variable esencial.

B.2.2.1.3 Espesor de Pared de la Tubería

Para soldaduras en filete de servicio, el espesor de pared de la tubería no es una variable esencial.

B.2.2.1.4 Secuencia del Deposito de Cordones de Soldadura

Un cambio en la secuencia del depósito de soldadura constituye una variable esencial.

B.2.3 ENSAYOS DE UNIONES SOLDADAS

Los requerimientos de la Sección 5.7 para las soldaduras de ramal (branch) y de cubiertas metálicas (sleeve) son apropiados para las soldaduras en servicio. Las condiciones de operación de las tuberías en línea que afectan la capacidad de los contenidos para remover el calor desde la pared de tubo debería simularse mientras son ensayadas las uniones.

Nota: Llenando la sección de prueba con agua y permitiendo un flujo de agua en la sección a prueba mientras el ensayo de la junta está siendo hecha mostrando condiciones equivalentes térmicas o más severas que cualquier aplicación de soldadura típica en servicio (ver Figura B-2). Los procedimientos calificados bajo estas condiciones son por lo tanto apropiados para cualquier servicio de aplicación típica. Los otros medios (ej., petróleo) pueden ser empleadas para simular condiciones térmicas menos severas.

B.2.4 PRUEBA DE UNIONES SOLDADAS

B.2.4.1 Preparación

Los requerimientos de la Sección 5.8 son apropiados para soldaduras en servicio, excepto cuando los especimenes de prueba son cortados de las uniones en las ubicaciones mostradas en la Figura B-3 y el mínimo número de especimenes y pruebas a las que ellos se someten están de acuerdo a lo mostrado en la Tabla B-1. B.2.4.2 Soldaduras de Costura Longitudinal

Las soldaduras de costuras longitudinales de cubierta metálica completa deben probarse según la Sección 5.6. El material de respaldo, si se usa, debería ser removido y los especimenes pueden ser acondicionados a la temperatura ambiente antes de ensayar.

B.2.4.3 Soldaduras de Ramal(Branch) y Cubierta Metálica(Sleeve)

Las Soldaduras de ramal y cubierta metálica deberían probarse en conformidad con la Sección 5.8, a excepción de ensayos de especimenes adicionales indicados en la Sección B.2.4.1.

B.2.4.4 Ensayo de Macro-Sección de

Soldaduras de Ramal y Cubierta

Metálica

B.2.4.4.1 Preparación

Las micrografías del espécimen de ensayo (ver Figura B-4) deberían ser por lo menos 1/2 pulg. (13 mm) de ancho. Pueden ser cortados por mecanizado o oxicorte, a sobre medida, y luego mecanizados por un proceso no térmico para remover por lo menos 1/4 pulg. (6 mm) desde el lado(s) que será preparado. Para cada micrografía del espécimen de ensayo, por lo menos una cara deberá acabarse a por lo menos 600 grit y ser atacado con un apropiado reactivo, tal como persulfato de amonio o ácido hidrochlorico diluido, para dar una clara definición de la estructura de soldadura. B.2.4.4.2 Examen Visual

La sección transversal de la soldadura será visualmente examinada con suficiente luz que dé a conocer los detalles de la integridad de la soldadura. El uso de dispositivos ópticos o de tintes penetrantes no es necesario. B.2.4.4.3 Ensayo de Dureza

Dos de los cuatro especimenes de prueba macro deberían ser preparados para ensayos de dureza según ASTM E92. Un mínimo de cinco indentaciones debería hacerse usando un indentador Vickers y una carga de 10-kg en la zona afectada (HAZ) del pie de soldadura de cada espécimen. B.2.4.4.4 Requerimientos

Un examen visual de la sección de transversal de la soldadura debería mostrar fusión completa en la raíz y libre de fisuras. El deposito de soldadura debería tener longitudes de la pierna de soldadura por lo menos igual a las longitudes especificada en el procedimiento de calificación y no debería desviarse en la concavidad o convexidad por más que 1/16 pulg. (1.6 mm). La profundidad del socavado no debería exceder 1/32 pulg. (0.8 mm) o 12 1/2 % del espesor de tubería, cualquiera sea menor. Los procedimientos que producen dureza en la ZAC mayores de 350 HV deberían evaluarse con el riesgo de fisuración por hidrógeno.

74 Norma API 1104 Traducción libre PUCP

B.2.4.5 Ensayo de Doblado de Cara en

Soldaduras de Ramal y Cubierta

Metálica

B.2.4.5.1 Preparación

Los especimenes de doblado (ver Figura B-5) deberían ser aproximadamente de 9 pulg. (230 mm) de largo y aproximadamente 1 pulg. (25 mm) de ancho. Pueden ser cortados mediante mecanizado, o por oxicorte sobredimensionado y mecanizado por un proceso no-térmico para remover al menos 1/8 pulg. (3 mm) desde cada lado. Los lados deberían ser lisos y paralelos, y los bordes largos redondearon. Los ramales, cubiertas metálicas y los refuerzos deberían ser removidos de la superficie, pero no debajo de la superficie del espécimen de prueba. Cualquier socavación no debería removerse.

Nota: En lugar de tomar los especimenes para el doblado de cara separados, la porción sobrante del ensayo de rotura con entalla pueden usarse.

B.2.4.5.2 Método

Los especimenes de doblado de cara no deberían probarse antes de 24 horas de la soladura. Los especimenes de doblado de cara deberían doblarse en una curva orientada parecido a la mostrada en la Figura 9. Cada espécimen debería colocarse con el ancho de la soldadura en el medio. La cara de la soldadura debería ponerse hacia la abertura del molde. El punzón debería forzarse dentro de la abertura hasta que la curvatura del espécimen sea aproximadamente forma de U.

B.2.4.5.3 Requerimiento

El ensayo de doblez de cara debería considerarse aceptable si, después del doblado, no presentan fisuras u otras imperfecciones que excedan a 1/8 pulg. (3 mm) o la mitad del espesor nominal de pared (el que sea menor), presente en cualquier dirección en el metal de soldadura o en la zona afectada por el calor. Las grietas que se originan en el radio exterior a lo largo de los la dos del espécimen durante la prueba y que son menores que ¼” pulg. (6 mm), medidos en cualquier dirección, no deberían ser considerados a menos que obvias imperfecciones sean observadas.

B.3 Calificación en-servicio de Soldadores

Para soldadura en-servicio, el soldador debería estar calificado para aplicar el procedimiento específico que esta siendo usado de acuerdo a los requerimientos de la sección 6.2, excepto para los requerimientos alternativos o adicionales especificados abajo.

B.3.1 Soldadura del Cupón de Ensayo

Para soldadura en-servicio, las condiciones de operación de las tuberías que afectan la capacidad de que fluya el calor removido de la pared de la tubería deberían ser simuladas mientras las juntas de ensayo están siendo hechas.

Nota: Llenar la sección del cupón con agua y permitir que el agua fluya en ella mientras la junta esta siendo hecha permite producir las condiciones térmicas equivalentes a una típica o una más severa aplicación de soldadura en servicio (ver Figura B-2). Los soldadores calificados bajo estas condiciones están también calificados para cualquier aplicación típica en servicio. Se puede utilizar otro medio ( p. ej. aceite de motor) para simular condiciones térmicas menos severas.

Para procedimientos de control de calor aportado, el soldador debería se capaz de demostrar habilidad para mantener un nivel de calor aportado dentro del rango especificado. Para procedimientos de cordones revenidos, el soldador debería ser capaz de demostrar un apropiado posicionamiento del cordón.

B3.2 Ensayos de la Soldadura

La soldadura debe ser ensayada y considerada como aceptable si reúne los requerimientos de 6.4 y 6.5.

B3.3 Registro

Se debe identificar las condiciones de operación de la línea de tuberías (contenido de la tubería, flujo, etc.) para las cuales es calificado el soldador. Las condiciones pueden ser agrupadas.

Traducción libre PUCP Soldadura de Tuberías e Instalaciones Relacionadas 75

Nota: Esta posición de prueba califica los procedimientos de todas las posiciones. Ensayos pueden realizarse en otras posiciones el cual solo calificará los procedimientos para aquellas posiciones.

Figura B-2-Procedimiento Sugerido y Montaje de Prueba de Calificación de Soldador

B.4 Practicas sugeridas de Soldadura en Servicio

Los requerimientos para soldadura de producción de la Sección 7 deberían ser aplicados a las soldaduras en servicio, excepto para los requerimientos alternativos/adicionales especificados abajo.

Antes de soldar en una línea de tuberías en servicio o en un sistema de tuberías, los soldadores deberían considerar aspectos que afecten la seguridad, tales como la presión de operación, las condiciones de flujo y el espesor de pared en la zona de soldadura. Las áreas a ser soldadas deberían ser inspeccionadas para asegurar que no hay imperfecciones y el espesor de pared es el adecuado. Todos los soldadores que realicen trabajos de reparación deberían estar familiarizados con las precauciones de seguridad asociadas con el corte y soldadura de tuberías

que contengan o han contenido petróleo crudo, productos del petróleo o gases combustibles. Una guía adicional se puede encontrar en el documento Prácticas Recomendadas API 2201.

B4.1 ALINEAMIENTO

B.4.1.1 Montaje

Para soldaduras de cubierta metálica (sleeve) y soporte (saddle), la abertura entre la cubierta metálica (sleeve) o el soporte (saddle) y la tubería de transporte no debería ser excesiva. Los dispositivos de sujeción deberían ser usados para obtener un apropiado montaje. Cuando sea necesario, el metal de soldadura acumulado en la tubería de transporte puede ser utilizado para minimizar la abertura.

45° ± 5°

Entrada de fluido

Salida de fluido

Plato final

Soporte posterior

76 Norma API 1104 Traducción libre PUCP

Soldadura de ramal Soldadura de cubierta Metálica

Nota: T = tensión; RB = doblado de raíz, FB = doblado de cara; NB = rotura por entalla; SB = doblado de lado; MT = ensayo de macrografía.

Figura B-3-Localización de los especimenes de ensayo-Ensayo de Procedimiento de Calificación de Soldadura

en Servicio

Tabla B-1 – Tipo y Numero de Especímenes – Ensayos de Calificación de Procedimiento de Soldadura en Servicio

Numero de Especímenes a

Espesor de pared

Tipo de Soldadura Tracción Rotura por

Entalla Doblado de Raíz

Doblado de Cara

Doblado de Lado Macrografía Total

≤0.500 pulg. Canal 2 2 2 2 8 (12.7 mm) Cubierta 4b 4 4 12

Ramal 4b 4 4 12 >0.500 pulg. Canal 2 2 4 8 (12.7 mm) Cubierta 4b 4 4 12

Ramal 4b 4 4 12

a Para tubos o ramales con diámetro menor o igual a 4,500 pulg (114.3 mm), podrían ser necesarias dos soldaduras. b Es la opción del propietario, que la porción de los especímenes sobrantes podrían ser preparados y sometidos al ensayo de doblado de cara (ver B.2.4.5) después serán sometidos al ensayo de rotura por entalla.

TRB o SB

NB

FB o SB

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Nota: Al menos una cara de la sección transversal de cada espécimen de soldadura se pulirá y atacará con un apropiado reactivo para dar una clara definición de la estructura soldada.

Figura B-4-Espécimen de ensayo para macrografía de soldaduras en servicio.

Notas: 1. Los especimenes de ensayo pueden ser cortados por mecanizado u oxicorte sobredimensionado y

mecanizados (ver B.2.4.5.1). 2. Los refuerzos en ramales y cubiertas metálicas deberían ser removidos de la superficie del espécimen de

ensayo. Los ensayos de los ramales soldados son mostrados en la dirección axial; especimenes en otra dirección son curvadas. Los especimenes de ensayo no deberían ser aplanados antes del ensayo.

3. Cuando el espesor del ensayo es mayor que 0.500 pulg. (12,7 mm), pueden ser reducidos a 0.500 pulg. (12.7 mm) por maquinado de la cara interior.

4. En el caso de tomar un espécimen separado para el ensayo de doblado de cara, la porción restante del ensayo por entalla puede ser usado.

Figura B-5-Espécimen de ensayo de doblado de cara.

B.4.1.2 Abertura de Raíz – Soldaduras Longitudinales en Vigas

Para soldaduras longitudinales a tope de cubierta metálica completa, cuando se requiere un 100% de penetración, la abertura de raíz (el espacio entre los bordes) debería ser la suficiente. Estas juntas deberían ser montadas con un anillo de soporte de acero ordinario o una cinta adecuada para prevenir penetración de la soldadura dentro de la tubería de transporte.

Nota: La penetración de la soldadura a tope longitudinal dentro de la tubería de transporte es indeseable ya que cualquier fisura que permite desarrollar es expuesta al esfuerzo del aro de la tubería de transporte.

B.4.2 SECUENCIA DE SOLDADURA

Secuencias de soldadura sugeridas para cubierta metálica y ramal son mostradas desde la figura B-6 a la B-11.

> 1/2” (13 mm)

Espesor de pared de acoplamiento

Espesor de pared de la tubería

SOLDADURA DE RAMAL SOLDADURA DE CUBIERTA METÁLICA

RAMALES / CUBIERTA METÁLICA REMOVIDAS

Aproximadamente 1” (25 mm)

Máx. R de todos los bordes 1/8” (3 mm)

Aprox. 9” (230 mm)

Espesor de pared

Espesor depared

Espécimen de ensayo (ver Nota 3)

Remover hasta la superficie

(ver Nota 2)

Ver Nota 1

78 Norma API 1104 Traducción libre PUCP

B.5 Inspección y Ensayo de Soldaduras en Servicio

Los requerimientos para inspección y ensayo de la Sección 8 deberían ser aplicados a las soldaduras en servicio, excepto para los requerimientos alternativos/adicionales especificados abajo.

Dado que las soldaduras en servicio que contactan la tubería de transporte son particularmente susceptibles a fisuración diferida por hidrógeno o bajo el cordón, debería utilizarse un método de inspección capaz de detectar estas fisuras, particularmente en la garganta de la soldadura de la tubería de transporte.

Nota: Ensayo de partículas magnéticas, ensayo de ultrasonido, o una combinación de ambos, usando procedimientos desarrollados, calificados y aprobados, tienen que mostrar ser efectivos detectando fisuras por hidrógeno en la garganta de las soldadura entre cubierta metálica, soporte y ramal a la tubería de transporte.

B.6 Estándares de Aceptabilidad: Ensayos No Destructivos (Incluida la Inspección Visual)

Los estándares de aceptabilidad de la Sección 9 para imperfecciones localizadas por ensayos no destructivos deberían aplicarse a las soldaduras en servicio.

B.7 Reparación y Remoción de Defectos Los requerimientos de la Sección 10 para la reparación

y remoción de defectos deberían aplicarse en las soldaduras en servicio. Debería tenerse cuidado durante la remoción de defectos para asegurar que el espesor de pared no se ha reducido a un espesor menor al aceptable para la presión de operación de la tubería transportadora.

Figura B-6-Placa de Refuerzo

Nota: Esta es la secuencia de soldadura sugerida; se pueden seguir otras a decisión de la compañía.

Traducción libre PUCP Soldadura de Tuberías e Instalaciones Relacionadas 79

Nota: Esta es la secuencia de soldadura sugerida; se pueden seguir otras a decisión de la compañía.

Figura B-7-Soporte de Refuerzo

Figura B-8-Cubierta Completa

Nota: Esta es la secuencia de soldadura sugerida; a decisión de la compañía se pueden seguir otras y las soldaduras

circunferenciales 3 y 4 no necesitan ser hechas.

80 Norma API 1104 Traducción libre PUCP

Notas: 1. Esta es la secuencia de soldadura sugerida, se pueden seguir otras a decisión de la compañía.

2. En operación, la conexión está a la presión de la línea de tuberías.

Nota: Esta es la secuencia de soldadura sugerida; a decisión de la compañía se pueden seguir otras y las soldaduras

circunferenciales 3 y 4 no necesitan ser hechas.

Figura B-9-Cubierta Metálica Envolvente en Forma de T

Figura B-10-Cubierta Metálica y Soporte Envolvente

Traducción libre PUCP Soldadura de Tuberías e Instalaciones Relacionadas 81

Nota: Esta es la secuencia de soldadura sugerida; se pueden seguir otras a decisión de la compañía.

Figura B-11 – Soporte Envolvente

82 Norma API 1104 Traducción libre PUCP

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