Abstracto
Hoy en día existen numerosas formas de soldar tuberías de alto rendimiento en el campo. Es necesario comprender estos diversos procesos para asegurar que el proceso seleccionado cumpla con los requisitos de calidad y productividad de un proyecto de tubería. Se discuten varios procesos, con énfasis en la soldadura por arco de metal blindado con electrodos celulósicos y la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido.

Introducción
En el mundo actual, las tuberías de transmisión a campo traviesa tienen que abordar muchos problemas que incluyen presiones de servicio más altas, productos agrios, nuevos aceros de alta resistencia, entornos operativos más severos, códigos de gobierno más estrictos y una serie de preocupaciones ambientales. Estas condiciones deben equilibrarse con las necesidades del contratista de la tubería para controlar los costos y completar el proyecto de manera oportuna y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de calidad más estrictos. El conocimiento de los procesos de soldadura puede ayudar al contratista a satisfacer sus necesidades y ofrecer la calidad requerida. Este mismo conocimiento puede ayudar al ingeniero que especifica a comprender que existen numerosas formas de satisfacer sus necesidades de calidad y diseño sin imponer costos innecesarios al contratista.

Varios procesos y combinaciones de procesos que se utilizan actualmente para la soldadura de campo de tubería de conducción a campo traviesa. Estos incluyen soldadura por arco metálico blindado (SMAW), soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido (FCAW-S) y soldadura por arco metálico con gas (GMAW). Con GMAW también se debe considerar el modo de transferencia, arco corto, arco corto controlado como en Surface Tension Transfer®, spray y globular. Se prestará atención a aquellos procesos que se presten a una soldadura de campo de alta calidad y alta productividad con una inversión de capital conservadora.


Revisión de aceros para tuberías
Los aceros para tuberías de hoy son más resistentes que los que se usaban anteriormente y hoy en día se diseñan teniendo en cuenta la soldabilidad. Los aceros más comunes utilizados para oleoductos y gasoductos a campo traviesa cumplen con API 5LX o estándares similares.

Los niveles de resistencia se pueden lograr mediante varios métodos, incluida la química bruta, la microaleación y la expansión en frío de la tubería cuando se produce en la fábrica de tuberías. En los grados de mayor resistencia, la tendencia es utilizar la expansión en frío y la microaleación para que el carbono y el manganeso puedan mantenerse a niveles relativamente bajos, reduciendo así la dureza de la zona afectada por el calor y ayudando a reducir, aunque no a eliminar, las preocupaciones sobre el hidrógeno del metal de soldadura. Por ejemplo, es típico ver contenidos de carbono de menos del 0,05% en los aceros modernos X70 y X80, con algunos aceros X80 con valores de Pcm inferiores a 0,20.

Procesos de soldadura
Obviamente, el primer paso en la soldadura de la tubería es ejecutar la pasada de raíz. Esta es quizás la pasada más crítica en una soldadura de tubería por varias razones. Primero, esta es la pasada más difícil de realizar en una soldadura de tubería, que requiere una buena habilidad del operador para los procesos aplicados manualmente, con un buen control del proceso combinado con una buena alineación. Los procesos aplicados automáticamente requieren operadores con altos grados de habilidad técnica combinados con buenos sistemas de alineación y respaldo. El proceso automatizado de elección hoy en día es la soldadura por arco metálico con gas y generalmente se usa con un anillo de respaldo de cobre interno o, si el diámetro es lo suficientemente grande, con un sistema de soldadura interno. Ambos enfoques agregan complejidad a la soldadura de campo e imponen ciertas restricciones al uso de los modos de transferencia tradicionales de GMAW.

Con los anillos de respaldo, existe la posibilidad de que el cobre se recoja de manera inaceptable en el paso de raíz. Con los sistemas de soldadura internos hay un diámetro mínimo de tubería por debajo del cual los sistemas no son prácticos. El proceso de soldadura ideal permitiría soldar un cordón de raíz sin anillos de respaldo ni sistemas internos, y tendría un cordón de raíz con metal de soldadura sólido y la acumulación suficiente para asegurar una soldadura de espesor total. Esta soldadura tampoco tendría socavación interna, ausencia de fusión, porosidad y buenas propiedades mecánicas.

La velocidad de soldadura también debe tenerse en cuenta al observar la soldadura de la pasada de raíz. El ritmo de colocación de la tubería está determinado por la rapidez con la que se puede realizar la pasada de raíz. Si bien se puede ganar algo de tiempo poniendo más operadores en este pase, este enfoque tiene un límite práctico. Por lo tanto, las altas velocidades de desplazamiento son esenciales. Se necesita rapidez para mantener los horarios y controlar los costos de arrendamiento de equipos.

Gran parte de la soldadura de tuberías que se realiza hoy en día se realiza en las economías emergentes del mundo, a menudo en climas remotos e inhóspitos y debe recurrir a la mano de obra local para los soldadores. Esto significa que el proceso utilizado debe hacer frente a condiciones meteorológicas adversas, como viento, temperaturas extremas y humedad. Las habilidades necesarias deben existir en la mano de obra local o se deben aprender fácilmente. El equipo de soldadura requerido también debe ser resistente, confiable y duradero.

Cuando se consideran todos los factores anteriores, dos procesos de soldadura emergen como los procesos principales, la soldadura por arco de metal blindado y la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido. En el caso de la soldadura por arco de metal blindado, Figura 1, existen ventajas en el uso de electrodos celulósicos en dirección vertical hacia abajo en lugar de usar electrodos de bajo contenido de hidrógeno, incluso en aceros de mayor resistencia. Debido a que los electrodos celulósicos generan una cantidad significativa de gases de protección en uso y tienen un arco fuerte enfocado, estos electrodos tienden a tener mejores propiedades de paso de raíz y mejor control de paso de raíz. La alta fuerza del arco ayuda a mantener el control de los charcos y la escoria en la progresión vertical hacia abajo, además de tener altas velocidades de desplazamiento. Los electrodos con bajo contenido de hidrógeno utilizan principalmente escoria para proteger el baño de soldadura y esto puede provocar la contaminación del baño de soldadura desde la parte posterior del cordón, lo que reduce las propiedades de la soldadura y aumenta las posibilidades de porosidad. La penetración relativamente baja de los electrodos de bajo hidrógeno en comparación con los electrodos celulósicos también significa que deben usarse espacios de raíz más anchos que aumentan el tiempo de soldadura y ralentizan la operación de soldadura. Los electrodos celulósicos pueden colocarse en pasadas de raíz a velocidades que exceden las 14 pulgadas por minuto (356 mm por minuto) y con acumulaciones internas consistentes de menos de 1/16 de pulgada (1,6 mm).

Los problemas de agrietamiento con los electrodos celulósicos se abordan con un precalentamiento adecuado y un control de temperatura entre pasadas, y mediante el uso de procedimientos que aseguran un ligamento adecuado en la pasada de raíz. Las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas están dictadas por las químicas del acero que hoy son más tolerantes que antes. El uso del tamaño de electrodo correcto en la parte media a inferior del rango para ese electrodo ayuda a asegurar un ligamento adecuado. El agrietamiento del talón de la raíz también se puede minimizar al no mover la pinza de alineación hasta que se haya completado la segunda pasada.

La soldadura de arco con núcleo de fundente autoprotegido, Figura 2, tiene las ventajas de la soldadura por arco de metal protegido con electrodos celulósicos que incluyen una alta fuerza de arco, alta penetración y excelente control de charcos al soldar con una progresión vertical hacia abajo. Además, este proceso tiene las ventajas de los procesos automatizados que incluyen altas tasas de deposición, altas velocidades de desplazamiento, altos tiempos de arco y niveles de hidrógeno controlados. Con frecuencia, se usa autoprotección sobre pasadas de raíz hechas con soldadura por arco de metal protegido. Este es un enfoque para la soldadura de X80, donde el agrietamiento por hidrógeno en el acero principal no es una preocupación para el pase de raíz, pero el agrietamiento por hidrógeno del metal de soldadura podría ser un problema en pasadas posteriores.

En la soldadura por arco de metal protegido, el blindaje se genera por la descomposición del fundente en el arco. En la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido, un electrodo tubular continuo contiene estabilizadores y materiales del núcleo que generarán un blindaje cuando alcancen el arco. Ambos procesos funcionan al aire libre bajo condiciones climáticas severas que incluyen temperaturas extremas y vientos fuertes. Asimismo, tanto la soldadura por arco de metal blindado con electrodos celulósicos como la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido se aprenden fácilmente por los operadores de soldadura que ya son expertos en otras formas de soldadura por arco de metal blindado. Por ejemplo, un instructor pudo capacitar y calificar recientemente según API 1104 a más de noventa operadores de soldadura que no estaban familiarizados con la soldadura por arco con núcleo fundente autoprotegido.

Observe en la tabla anterior que solo se recomienda el proceso de soldadura por arco autoprotegido para la soldadura de X80 una vez que se completan las pasadas de raíz y caliente.

Ambos procesos son capaces de entregar propiedades que cumplen o exceden las propiedades mínimas especificadas para los aceros madre, que es todo lo que requieren la mayoría de los códigos de gobierno. A continuación, se muestran algunos resultados de pruebas para dos grados de tubería con el detalle típico de la junta de tubería que se muestra en la Figura 3.

Economía de la soldadura
El único tema que aún no se ha discutido es el de la economía. Muchas cosas afectan el costo de la soldadura, incluidos los costos de materiales, el costo del equipo, las tarifas de mano de obra y una serie de otros fuera del alcance de este documento. A efectos de comparación, el tiempo para completar una junta soldada se utilizará como indicador relativo de costo. La suposición básica es que si los costos del equipo y las tasas de mano de obra son similares, el tiempo para completar una unión de soldadura será indicativo de costo, menos tiempo se traduce en costos más bajos y mayor productividad. Todas las comparaciones se realizarán utilizando el detalle común típico utilizado anteriormente para simplificar los resultados. En realidad, las preparaciones compuestas pueden reducir el tiempo total en tuberías de pared más pesada. Las comparaciones de soldadura utilizarán tubería de pared de 19 mm (0,750 pulgadas) y 1219 mm (48 pulgadas) de diámetro.

Estos tiempos representan minutos-hombre de soldadura. La unión realizada con toda la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido tiene el tiempo total más bajo, pero la combinación de soldadura por arco de metal protegido con soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido dará como resultado la mayor cantidad de tubería tendida en un día dado debido al ahorro de tiempo en el paso raíz. Esta combinación dará como resultado el mejor compromiso general de tiempo total reducido y tubería máxima tendida en un período de tiempo determinado.

Conclusiones
Como puede verse, la soldadura por arco de metal blindado y la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegido presentan formas rentables de producir soldaduras de calidad en condiciones de campo. Además, la mejor solución para la soldadura de campo de tuberías a campo traviesa suele ser utilizar una combinación de procesos de soldadura.



Referencias
Manual de soldadura, octava edición, (1991) American Welding Society, Miami

Manual de procedimientos de soldadura por arco, 13a edición, (1994), Lincoln Electric Company, Cleveland