Diseño de Juntas. Cuando se habla de diseño de juntas en tuberías se debe de tener en consideración varios aspectos importantes, entre los que se incluyen:

a) Diámetro, grosor y aleación de la tubería. b) Propiedades mecánicas y físicas de la tubería. c) Soldabilidad. d) Presión y fluido que acarreará. e) Características del proceso de soldadura. f) Material de aporte y sus propiedades físicas. g) Efectos por concentración de esfuerzos. h) Características del montaje del sistema de tuberías. i) Lugar donde prestara servicio y medio ambiente. j) Aplicabilidad de los estándares de seguridad y soldadura.

Estos aspectos mencionados son generales y deberán estar considerados dentro del diseño de un sistema de tuberías como un todo. Algunos de los aspectos mencionados líneas arriba requieren de conocimientos especializados y amplia experiencia. Los aspectos que veremos en el curso tienen que ver con las recomendaciones indicadas en los principales estándares, normas, códigos y practicas recomendadas por ASME, API, AWS entre otras instituciones. Al diseñar juntas para unión de tuberías que requieran exigencias mas estrictas, que las contempladas en los códigos. Deberán tomarse consideraciones especiales que incluyen, entre otras:

a) Características mecánicas del material base de la tuberia (M.B.). b) Características físicas del M.B. c) Resistencia a la corrosión del M.B. d) Características del material de aporte (mecánicas, físicas y corrosión). e) Calcular los esfuerzos de torsión, axiales, compresión y desprendimiento, a los

cuales se someterá la unión de tuberia soldada. f) Analizar e investigar los efectos de los ciclos térmicos en la estructura

metalúrgica del metal base, metal de aporte y metal depositado. Estas caracterizaciones y análisis deben de ser exhaustivos. Implica someter la unión soldada a diferentes esfuerzos y cargas que pueden incluir pruebas de tensión, presion, torsión, compresión e impacto. El diseño de este tipo de juntas no debe tratarse a ligera. Felizmente, para un basto rango de aplicaciones, los estándares y códigos recomiendan o norman diseños de juntas que se usan en la industria. Para los casos convencionales la junta a usar se selecciona primariamente en base a los requerimientos de esfuerzos que impondrá las condiciones de servicio a los cuales estará sometida la unión de tuberías.

Luego, se escoge algunas de las juntas recomendadas por el código que este usándose para el diseño del sistema y se efectúan los ajustes que pudieran ser necesarios. Recordemos que la selección de un determinado diseño de junta se basa muchas veces en ensayos de prueba y error, que pueden demorar semanas o inclusive meses, para determinar si cumplirá las exigencias del servicio impuesto y determinar su adecuación al método de soldadura a emplear. Selección de juntas Se puede afirmar que, para la unión de tuberías por soldadura, se utilizan soldaduras con penetración completa con biseles a tope. Siendo la excepción las soldaduras socket, las soldaduras a filete (elementos como bridas, válvulas, accesorios o similares). Las uniones por “brazing” responden a características diferentes de penetración del metal de aporte y tiene como factor importante el área de traslape. Algunos códigos pueden incluir diseños de juntas que usen anillos de respaldo o insertos consumibles tal como por ejemplo recomienda ASME B31.3. Los diseños, especificados en los códigos, pueden incluir restricciones al uso de ciertos tipos de junta o variar ligeramente diseños que, a simple vista, pueden parecer iguales. Los requerimientos impuestos sobre una determinada junta a usar deben ser considerados y revisados en detalle. Una vez determinado el diseño primario de soldadura adecuado a las cargas que soportara se debe de considerar lo siguiente como reglas elementales:

(1) Seleccionar el diseño de junta que requiera la menor cantidad de metal de aporte. (2) Seleccionar un diseño que permita el depósito secuenciado y uniforme de los

pases de soldadura. (3) Evitar diseños de soldadura que resulten en geometrías grandes de soldadura. (4) Cuando se suelden aceros inoxidables o aleaciones que requieran atmósferas

controladas, el diseño debe permitir un control adecuado de la perdida de los gases que se usen.

Tengamos en mente que el diseño de las uniones para soldadura en tuberías es un asunto serio. Felizmente la mayoría de las uniones de tuberías se efectúan con diseños sencillos, probados y con un historial de servicio excelente. Aun así, se debe tener mucho cuidado en respetar sus dimensiones y no modificarlos más. A continuación se muestran una serie de diseños de junta que figuran en los códigos ASME B31 para diseño y construcción de tuberías usados en el país. Estos gráficos se deben de tomar solo como referenciales y tiene como propósito llamar la atención del participante hacia los diferentes factores que se observan en la junta de soldadura. Se recomienda revisar los códigos pertinentes así como la bibliografía recomendada al final de este escrito.

ASME B31.1 Power Piping

B31.1 Juntas a tope de elementos con grosores desiguales. Fig. 127.3

B31.1 Transición de soldadura final – Desarrollo máximo. Fig. 127.4.2 Notas Generales:

(a) El valor de tm es aplicable en cualesquiera de los siguientes casos: (1) como esta definido en el par. 104.1.2(A); (2) el grosor mínimo de pared del extremo del cuerpo cilíndrico a soldar o el del accesorio (o el mas delgado de los

dos) cuando la junta es entre dos componentes. (b) El máximo desarrollo es definido por líneas sólidas. Notas:

(1) La soldadura es mostrada solamente para ilustración. (2) La transición de soldadura y el refuerzo de soldadura deben cumplir con pars. 127.4.2(B) y (C.2) y podrían estar

mas allá del desarrollo máximo. (3) El máximo grosor al final del componente es: (a) El mayor de (tm + 0.15 in.) o 1.15tm cuando se ordena en la base de pared mínima; (b) El mayor de (tm + 0.15 in.) o 1.10 tnom cuando se ordena en la base de pared nominal.

B31.1 Refuerzo de las soldaduras longitudinales y axiales a tope. Tabla 127.4.2

B31.1 Tamaño de las soldaduras a filete. Fig. 127.4.4 (A).

ASME B31.1

B31.1

B31.1

B31.1

B31.1

ASME B31.3 PROCESS PIPING

ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids.

(parcial)

ASME B31.5 Refrigeration Piping and Heat Transfer Components

ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems

B31.8 Apéndice F. Figuras F3 y F4

DISEÑOS DE JUNTA PARA BRAZING Se muestran algunos diseños de soldaduras Brazing se debe de recordar en todo momento que son referenciales. Su selección dependerá de los calculos que se efectúen, los requerimientos de normas y resultados de los ensayos a los que se le sometan. Existen muchos tipos de juntas que se pueden aplicar. Pero los problemas se simplifican bastante debido al hecho que solo existen dos tipos de juntas básicos.

a) a tope, y b) traslapadas.

El resto son esencialmente variaciones de las anteriores. Observemos primero las juntas a tope para unión de tuberías. Como se puede apreciar la ventaja obtenida es que se mantiene un mismo grosor en el conjunto unido. La preparación es simple, y la junta tendrá la suficiente resistencia a la tensión útil para muchas aplicaciones. No obstante la resistencia a la tensión, las juntas a tope tienen ciertas limitaciones. Esta depende, en parte, al área de la superficie de unión, hay que tener en cuenta que esta área no puede ser mayor que la seccion transversal de contacto del miembro mas delgado.

Ahora si observamos la junta traslapada, lo primero que notaremos que el área de la superficie de unión, independientemente del grosor de los miembros, es mayor. Muy raras veces se utilizan traslapes con áreas pequeñas. Las juntas traslapadas pueden soportar cargas muchas mayores que las que soportan las juntas a tope, debido a su mayor área de unión. Las juntas traslapadas incrementan en grosor en el área de la unión, en algunas aplicaciones el aumento de grosor en las uniones no es cuestionable. Otra ventaja es que las uniones traslapadas se auto-soportan durante el proceso de unión.

Sin embargo, supongamos que se requiere una junta que reúna las ventajas de ambos tipos básicos de unión: espesor de pared igual combinado con una mayor resistencia a la tensión. Podemos lograr esto con una junta traslapada a tope, como se muestra en la figura. Cierto que este tipo de junta requiere mas preparación que el requerido para una junta a tope o traslapada, pero el trabajo extra puede beneficiarnos de gran manera. Uno logra una unión de gran resistencia a la tensión, con grosor de pared uniforme y la unión es auto-soportable.

Existe también otra manera de lograr una combinación de resistencia a la tensión y grosor de pared de unión uniformes en las uniones Brazing. Esto se logra diseñando uniones con biseles de trayectoria diagonal (scarf). En esta junta las áreas de contacto son muy anguladas con la finalidad de aumentar el área de unión, tal como se muestra en la figura. Para lograr un buen rendimiento de este tipo de junta, el empalme debe ser por lo menos tres veces la seccion transversal del miembro mayor. Estas juntas son frecuentemente útiles, pero tienen algunos inconvenientes. Los miembros a unir son más difíciles de preparar, y la junta no se auto-soporta durante el proceso de unión.

Cuando uno desea resistencia y espesores de pared homogéneos definitivamente se tiene que tomar ventaja de la junta a tope traslapada. Uno debe tener presente las configuraciones especiales en que se puede presentar los miembros a unir y aprovechar las ventajas de estas. En la siguiente figura se muestra una formula para calcular el área de traslape, una regla simple nos dice “que el área de traslape debe de ser tres veces mas el grosor del miembro mas delgado”.

X = largo área de traslape. W = grosor de pared menor. D = diámetro área traslape. T = resistencia a la tensión menor. C = factor integridad de junta de .8 L = resistencia al desgarre = 25,000 psi

Si queremos ser más específicos, si se conoce aproximadamente la resistencia de los metales a unir, el traslape requerido para una unión con una resistencia a la tensión óptima en uniones con aleaciones de plata, el traslape debera ser como se muestra:

Resistencia a la tensión del miembro mas débil Largo del traslape = factor x W (W representa al grosor del miembro mas débil.

35,000 psi 2 x W 60,000 psi 3 x W 100,000 psi 5 x W 130,000 psi 6 x W 175,000 psi 8 x W

Consideraciones para juntas de materiales disímiles. El diseño de juntas de soldadura para uniones con metales disímiles requiere de muchos y cuidadosos análisis. Aplican todas las pautas mencionadas a lo largo de este manual.

Aspectos Practicos en Soldadura y Ensayos. W.M Ham, A.A.P. Summers,y J.A. Menzies. The Welding Institute ISBN 0 85300158 8 –1986

Debido a que se tienen que efectuar técnicas conocidas como “mantequillados” de soldadura, hay que tomar ciertas consideraciones especiales para que esta técnica se pueda ejecutar. La imagen mostrada sugiere un tipo de junta a usar en una tuberia compuesta, por una seccion con material base AISI 316, que sirve de transición entre otras dos secciones de materiales base diferentes (Acero aleado 9Cr - Mo y Acero aleado 21/4Cr – Mo, respectivamente). La configuración y diseño de este tipo de juntas es muy variado y reiteramos la necesidad de un análisis cuidadoso. JRC/2006