La aceptación de una soldadura de tubería de acero con penetración completa para una tubería de agua a presión exige verificar conjuntamente el material, la preparación de bordes, el procedimiento de soldadura, la competencia del soldador, la apariencia, las dimensiones, la integridad interna y la estanqueidad de la unión. Las tuberías de acero soldadas deben garantizar una penetración completa de la soldadura y no deben faltar soldaduras, soldaduras débiles, mala fusión local, etc.
La costura de soldadura debe ser uniforme y continua, sin espacios ni inclusiones de escoria negra. Ambos lados de la soldadura deben ser rectos y lisos, sin desniveles obvios, inclusiones, grietas subsuperficiales y otros defectos. La aceptación debe realizarse con base en las especificaciones de ingeniería, el código contractual aplicable y el procedimiento de soldadura aprobado.
1. Alcance técnico y requisitos de referencia
La soldadura de tubos de acero es un proceso comúnmente utilizado en la construcción, la fabricación de maquinaria, el petróleo, el gas natural, la energía hidroeléctrica, la química y otras industrias, pero la calidad de los tubos soldados afecta directamente la seguridad y la vida útil del proyecto.
Las normas de soldadura son las establecido especificaciones de guía sobre los requisitos para procedimientos, materiales, pruebas y calificaciones involucradas en la soldadura. Estas normas ayudan a que los profesionales puedan seguir pautas para lograr consistencia, eficiencia y seguridad en sus operaciones de soldadura.
Para la ejecución de trabajos de soldadura, tanto para soldaduras realizadas sobre tuberías, o entre estructuras y soportes metálicos, éstas deberán ejecutarse conforme a lo dictado en los códigos ASME B31.3, ASME II (aplicable a los materiales de aporte) y ASME IX (para las homologaciones de los procedimientos y de los operarios soldadores).
En sistemas de tuberías de agua a presión, el documento de aceptación debe identificar claramente el material de la tubería, el diseño de la junta, el procedimiento de soldadura, los ensayos requeridos, los criterios de aceptación y la prueba final de presión.
2. Material de la tubería y documentación de trazabilidad
2.1. Requisitos del material
Las tuberías de acero ASTM A672 suelen utilizar acero de baja aleación y alta resistencia, priorizando la uniformidad y estabilidad de la composición química para garantizar la soldabilidad y el rendimiento mecánico del producto final.
La norma impone límites claros para elementos como el carbono, el manganeso, el silicio, el azufre y el fósforo para equilibrar la resistencia y la tenacidad. Las tuberías de acero ASTM A672 deben cumplir los requisitos especificados para su grado, clase, dimensiones, tratamiento térmico y condición de suministro.
Realice análisis y pruebas de composición química, y el material de soldadura de la tubería de acero debe cumplir con las especificaciones de composición química del acero.
2.2. Propiedades mecánicas
La norma especifica los requisitos mínimos de límite elástico, resistencia a la tracción y elongación para garantizar que las tuberías tengan suficiente capacidad de carga y ductilidad durante el servicio.
Las propiedades mecánicas de los tubos de acero soldados deben cumplir con los requisitos de las normas nacionales o industriales. Se deben probar los valores de resistencia a la tracción, resistencia a la flexión y dureza de las soldaduras de tuberías de acero, y se deben verificar los resultados.
Los indicadores de propiedades mecánicas comúnmente utilizados incluyen: resistencia, plasticidad, dureza, tenacidad al impacto, resistencia a la fatiga, etc.
2.3. Documentación requerida
Para garantizar el cumplimiento de la norma, los requisitos de control de calidad e informes de la norma ASTM A672 exigen que los fabricantes proporcionen Informes de Ensayos de Materiales (MTR), que incluyen análisis químicos, resultados de ensayos mecánicos e informes de exámenes no destructivos.
Para garantizar la fiabilidad, la trazabilidad y el cumplimiento de las normas técnicas, las tuberías de acero soldadas ASTM A672 deben entregarse con un conjunto completo de documentos de control de calidad.
- Informes de análisis de composición química para metales base y metales de relleno.
- Resultados de ensayos mecánicos.
- Especificación de procedimiento de soldadura (WPS).
- Registro de calificación de procedimiento (PQR).
- Certificados de calificación de soldadores.
- Informes de ensayos no destructivos, incluidas imágenes o registros de detección de fallas.
- Documentación del tratamiento térmico posterior a la soldadura.
- Registros de inspección visual, dimensional y de presión.
Asimismo, a cada operario soldador se le asignará un código de identificación (formado por un número o letra) que deberá marcar en todas y cada una de las soldaduras que realice. De esta manera se mantendrá una trazabilidad de todas las soldaduras ejecutadas en la obra.
3. Preparación de la junta para penetración completa
3.1. Preparación de bordes
Entre los trabajos preparatorios a realizar antes de ejecutar una unión soldada está la preparación de bordes de las piezas a unir. La preparación de bordes para soldar se realizará mediante mecanizado siempre que sea posible.
Los bordes a unir mediante soldadura se limpiarán cuidadosamente eliminando toda la herrumbre o suciedad, y en especial las manchas de grasa y pintura.
La unión deberá ser continua en toda su longitud. La penetración será completa para lo que se realizará la preparación de bordes y separación entre piezas adecuada para asegurar una penetración total del cordón.
La alineación, la separación de raíz, el ángulo del bisel, el talón y el desalineamiento entre tubos deben mantenerse dentro de los valores establecidos en el WPS y en las especificaciones de ingeniería.
3.2. Tolerancias de preparación
Las tolerancias permitidas para las dimensiones de biseles practicados en la preparación de bordes y en la garganta, así como para la longitud de las soldaduras, serán las siguientes:
| Dimensión | Tolerancia |
|---|---|
| hasta 15 mm. | ± 0,5 mm. |
| de 16 a 50 mm. | ± 1 mm. |
| de 51 a 151 mm. | ± 2 mm. |
| mayor de 151 mm. | ± 3 mm. |
Los puntos de soldadura que a veces se practica para alinear tuberías o piezas que se pretenden soldar, deberán ser eliminados de manera que no lleguen a formar parte del cordón de soldadura final.
Las esquinas de chapas que coincidan con puntos de cruce de cordones, se recortarán para evitar dicho cruce. En todo caso, no se realizará una soldadura a lo largo de otra ya ejecutada.
3.3. Condiciones ambientales
En aplicaciones de construcción civil y obras exteriores se procurará que durante el soldeo se mantengan bien secos y protegidos de la lluvia tanto los bordes de la costura como las piezas a soldar.
Se tomarán las debidas precauciones para proteger los trabajos de soldeo contra el viento y en especial contra el frío, no realizándose ninguna soldadura cuando la temperatura ambiente descienda de cero grados (0 ºC).
En general, no embridar las piezas a soldar. Distribuir las soldaduras lo más simétricamente posible. Emplear el mínimo de material de aporte posible.
4. Procedimiento de soldadura y calificación
4.1. WPS, PQR y WPQ
Una WPS es un documento formal que detalla cómo realizar una soldadura. Se trata de un conjunto de directrices que ayudan a los soldadores a realizar su trabajo de forma que proporcionen resultados consistentes, garantizando siempre que la soldadura producida cumpla con los criterios de calidad.
- Proceso de soldadura.
- Materiales base.
- Diseño y preparación de la junta.
- Materiales de relleno.
- Posición y técnica.
- Temperaturas de precalentamiento y entre pasadas.
- Parámetros eléctricos.
Un PQR significa Registro de Calificación de Procedimiento. Es el registro de los resultados de las pruebas realizadas en una WPS. Este registro evidencia que un procedimiento de soldadura es capaz de depositar soldaduras con las propiedades e integridad correctas.
La cualificación del desempeño del soldador es un proceso que determina la capacidad de cada soldador para realizar soldaduras de calidad utilizando un procedimiento de soldadura (WPS) cualificado.
Los procedimientos de cualificación garantizan que el soldador posea la competencia y la habilidad necesarias. Las soldaduras de prueba se inspeccionan visualmente y también pueden someterse a pruebas destructivas o no destructivas.
4.2. Homologación del personal
Todos los soldadores deberán homologarse ante un Organismo de Control Autorizado (O.C.A.) y entregar el certificado correspondiente antes del comienzo de los trabajos, de acuerdo con lo dictado en la Norma ASME IX.
De todos los procedimientos de soldadura que se practiquen en la obra deberán realizarse su correspondiente homologación y presentar dicho informe a la Supervisión de Obra o Dirección Facultativa que deberá dar su aprobación.
Todas estas homologaciones, tanto de procedimientos como de soldadores, se harán a través de Organismo de Control Autorizado (O.C.A.), y se enviará copia de las mismas a la Supervisión de Obra.
4.3. Procesos aplicables
De entre los distintos tipos de procedimientos de soldadura existentes, los de mayor aplicación, tanto industrial como en edificación y obra civil, son los siguientes:
- Soldadura por arco manual con electrodo metálico revestido (SMAW).
- Soldadura por arco eléctrico con varilla de tungsteno en atmósfera de gas inerte (GTAW ó TIG).
- Soldadura por arco eléctrico con varilla desnuda (GMAW ó MIG/MAG).
- Soldadura Oxiacetilénica (OW).
- Soldadura por arco sumergido automático (SAW).
La soldadura que se practique entre piezas de acero al carbono se realizará con penetración completa por el procedimiento del arco manual con electrodo revestido.
Las tres primeras pasadas se harán con electrodos de diámetro 2,5 mm, y las siguientes con electrodos de diámetro 3,25 mm. Podrá también utilizarse el procedimiento TIG a plena penetración en la pasada de raíz.
La soldadura de aceros de baja aleación, se realizarán mediante el procedimiento TIG a plena penetración en la pasada de raíz. En el caso de soldadura de tuberías y conductos, durante el proceso de soldadura TIG se purgará interiormente la tubería con argón, de acuerdo con el código.
Las sucesivas pasadas de relleno pueden hacerse empleando el procedimiento de arco manual con electrodo revestido.
5. Consumibles, precalentamiento y tratamiento térmico
5.1. Compatibilidad de los consumibles
Los electrodos y el fundente deben coincidir con el material base para garantizar que las propiedades mecánicas del metal de soldadura no sean inferiores a las del metal base.
Todos los materiales consumibles en el proceso de soldadura estarán elegidos para cada procedimiento de acuerdo con los códigos citados.
El tipo de la corriente eléctrica que se vaya a emplear y el valor del amperaje tienen que estar de acuerdo con las recomendaciones del fabricante de los electrodos y la clasificación AWS, adaptándose en todo caso a los parámetros utilizados en el proceso de homologación del procedimiento de soldadura.
5.2. Conservación de electrodos
- Deben ser almacenados bajo condiciones de temperatura y de un ambiente seco adecuado, y nunca debe permitirse que absorban humedad.
- Todos los soldadores llevarán consigo una estufa portátil, donde dispondrán los electrodos a consumir durante su periodo de trabajo.
- Todos los electrodos que no hayan sido usados deberán ser devueltos al almacén al final de cada turno y ser almacenados en la estufa adecuada.
- El secado de los electrodos será llevado a cabo de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
5.3. Precalentamiento y PWHT
Para tuberías con paredes más gruesas, se recomienda el precalentamiento y el PWHT para reducir las tensiones residuales y mejorar la tenacidad.
En estas condiciones extremas, las tensiones residuales y los cambios metalúrgicos en la zona afectada por el calor (ZAC) pueden causar grietas. Por lo tanto, se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para aliviar la tensión y mejorar la tenacidad.
El oxicorte es aceptable en algunos casos, por ejemplo, para soldar piezas de acero al carbono, o piezas de acero de baja aleación. En este último caso es imprescindible precalentar las piezas a soldar, de acuerdo con ASME B31.3, y una vez cortado, eliminar alrededor de 1,5 mm de material de la pieza mediante mecanizado.
6. Ejecución del cordón con penetración completa
6.1. Secuencia y control de pasadas
Para las soldaduras a tope con penetración completa se recomienda el siguiente orden de disposición de los cordones.
Cuando participen más de un soldador, ejecutar todos los cordones al mismo tiempo.
Si la longitud de la soldadura es superior a 1 metro, se recomienda usar el denominado "paso de peregrino".
Como se indicaba en la Figura 7 del apartado 2, cuando la longitud del cordón soldadura a ejecutar no tenga una longitud superior a 500 mm, para su realización se comenzará por un extremo y se seguirá hasta el otro.
Si dicha longitud está comprendida entre 500 y 1000 mm, el cordón se ejecutará en dos tramos, comenzando por el centro.
Para longitudes mayores de 1000 mm se ejecutará por cordones parciales, terminando cada tramo dónde comenzó el anterior.
6.2. Resalte interior
Cuando se practique soldadura en tuberías y conductos en los cuales haya sido necesario la introducción de "pigs" para limpieza del producto, varillas termométricas, baquetas, etc., las soldaduras tendrán un resalte interior máximo de 1,5 mm.
6.3. Prohibición de anillos de respaldo
Estarán totalmente prohibidas las soldaduras con anillo de respaldo.
La ausencia de anillo de respaldo obliga a controlar cuidadosamente la separación de raíz, el talón, la estabilidad del arco, la protección gaseosa y la ejecución de la pasada de raíz, porque la falta de penetración y la falta de fusión son defectos especialmente relevantes en una tubería a presión.
7. Criterios de aceptación visual
7.1. Formación y continuidad
La costura de soldadura debe ser uniforme y continua, sin espacios ni inclusiones de escoria negra. Ambos lados de la soldadura deben ser rectos y lisos, sin desniveles obvios, inclusiones, grietas subsuperficiales y otros defectos.
La soldadura debe ser lisa y continua, libre de socavaduras, cráteres de arco, salpicaduras y otros defectos superficiales.
La transición entre la soldadura y el metal base debe ser suave, sin desajustes ni desfases evidentes.
7.2. Defectos no aceptables
Las tuberías de acero soldadas deben garantizar una penetración completa de la soldadura y no deben faltar soldaduras, soldaduras débiles, mala fusión local, etc.
Las soldaduras deben estar libres de grietas, porosidad y penetración incompleta.
Una vez descubierto, es necesario corregirlo de inmediato.
7.3. Refuerzo y geometría
La altura del refuerzo de soldadura y el ancho del cordón deben cumplir con los requisitos de tolerancia estándar o del dibujo.
La inspección dimensional debe comprobar el diámetro de la tubería, el espesor de la pared, la ovalidad, la rectitud, la curvatura, el desalineamiento y la geometría del cordón.
Al inspeccionar tuberías de acero soldadas, se debe tener en cuenta que las desviaciones básicas como el diámetro de la tubería, el espesor de la pared, las tolerancias y la curvatura deben cumplir con los requisitos de las especificaciones de ingeniería.
8. Ensayos no destructivos de la soldadura
8.1. Alcance de los END
Según la norma ASTM A672 para pruebas de tuberías de acero soldadas, se exigen ensayos no destructivos (END) del 100 % de la costura de soldadura para garantizar su solidez interna.
Las pruebas no destructivas se refieren al uso de calor, sonido, luz, electricidad, magnetismo y otros métodos para inspeccionar el interior de materiales mecánicos sin dañar ni afectar el rendimiento del objeto que se está probando.
Para detectar posibles defectos en las soldaduras se utilizan tecnologías de pruebas no destructivas de alta precisión, como pruebas ultrasónicas, pruebas de rayos X o pruebas de partículas magnéticas.
8.2. Métodos principales
- Pruebas ultrasónicas (UT): para detectar fallas internas como grietas, porosidad o inclusiones de escoria.
- Prueba radiográfica (RT): a menudo se utiliza para la inspección de soldaduras en tuberías de paredes gruesas.
- Pruebas de partículas magnéticas (MT): adecuadas para detectar defectos superficiales y cercanos a la superficie.
- Pruebas de líquidos penetrantes (PT): adecuadas para detectar discontinuidades abiertas a la superficie.
Los procedimientos de END suelen seguir normas complementarias como ASTM E213 y ASTM E165. Solo las tuberías que superan estas inspecciones pueden pasar a la siguiente etapa de producción.
La inspección visual deberá cubrir los criterios y otros métodos de prueba no destructivos, como pruebas radiográficas y ultrasónicas. Los criterios incluyen niveles de aceptación de imperfecciones en la soldadura que garantizan el mantenimiento de la integridad de la tubería.
8.3. Registro de resultados
De acuerdo con los requisitos de control de calidad e informes de la norma ASTM A672, los registros completos de inspección de soldadura deben incluirse en los Informes de Pruebas de Materiales (MTR) que se entregan en el momento de la entrega.
Estos registros suelen incluir: Especificación de procedimiento de soldadura (WPS) y registro de calificación de procedimiento (PQR); Certificados de calificación de soldadores; Informes de END (incluidas imágenes o registros de detección de fallas); Documentación PWHT.
9. Control de tensiones residuales y deformaciones
Las tensiones residuales en las uniones soldadas se originan como consecuencia del aporte de calor que se realiza durante la ejecución de la soldadura y aparecen una vez solidificado el cordón y enfriada la pieza.
Estas tensiones son autoequilibradas, esto es, aparecen a la vez tensiones residuales de tracción y de compresión (generalmente, cerca de la soldadura son de tracción y conforme se aleja del cordón aparecen tensiones residuales de compresión).
Las tensiones residuales pueden mermar de forma considerable la capacidad resistente de la unión soldada. De hecho, las tensiones residuales que sean de tracción favorecen una posible rotura frágil del cordón de soldadura, reduciendo su resistencia a fatiga.
Por otro lado, las zonas sometidas a tensiones residuales que sean de compresión tienen más tendencia a que aparezcan fenómenos de inestabilidad, reduciendo de esta forma su capacidad portante.
Por último, generalmente las tensiones residuales llevan aparejadas también la aparición de deformaciones residuales que alteran significativamente la geometría inicial del conjunto soldado.
Por todo ello, antes de ejecutar una unión soldada se deberá tener en cuenta las siguientes consideraciones cuyo objetivo es tratar de limitar la aparición de estas tensiones residuales.
- Distribuir las soldaduras lo más simétricamente posible.
- Emplear el mínimo de material de aporte posible.
- Aplicar una secuencia de pasadas que reduzca la concentración térmica.
- Utilizar precalentamiento cuando lo exijan el espesor, el material o el WPS.
- Aplicar PWHT cuando lo establezcan el código, el diseño o el procedimiento aprobado.
- Verificar la deformación y la alineación después de la soldadura.
10. Pruebas de presión y estanqueidad
La prueba de presión es una verificación complementaria de la integridad de la tubería terminada y no sustituye la inspección visual, dimensional, mecánica ni los ensayos no destructivos.
Prueba hidrostática: la tubería se llena con agua y se presuriza a 1,5 veces la presión de diseño, se mantiene durante 10 a 30 minutos y se verifica si hay fugas.
Pruebas neumáticas: utilizando aire o nitrógeno; para secciones selladas, el aumento de presión no debe exceder los 0,05 MPa/hora.
Los criterios de aceptación son: Sin fugas, deformación permanente que no exceda el 0,5% del diámetro de la tubería y las soldaduras permanecen libres de defectos.
En una tubería de agua a presión, la prueba debe ejecutarse con el fluido, la presión, el tiempo de mantenimiento, la instrumentación y las medidas de seguridad establecidos por la especificación de ingeniería aplicable.
11. Ensayos mecánicos y aceptación del metal de soldadura
Se utilizan equipos de prueba estandarizados para medir las propiedades mecánicas de los tubos de acero soldados eléctricamente desde múltiples ángulos para determinar si cumplen con los requisitos y estándares de ingeniería.
Las soldaduras de tuberías de acero deben probarse para determinar los valores de resistencia a la tracción, resistencia a la flexión y dureza y se deben verificar los resultados.
En aplicaciones sometidas a alta temperatura y alta presión, las propiedades mecánicas de la soldadura deben cumplir con los requisitos del metal base.
La resistencia a la tracción de la soldadura debe ser mayor o igual al 95% del metal base. La resistencia al impacto mediante prueba Charpy debe ser mayor o igual a 27 J (20 grados). La dureza de soldadura debe ser menor o igual al metal base + 20%.
Estos valores solo deben aplicarse cuando estén establecidos por la especificación del proyecto, el código de diseño o el grado de material correspondiente.
12. Aceptación de reparaciones
Si hay soldaduras irregulares, se puede utilizar chorro de arena, limpieza química, etc. para eliminar las soldaduras.
Las reparaciones deben ejecutarse con un procedimiento aprobado y por personal calificado, eliminando completamente el defecto antes de volver a soldar.
Después de la reparación, se deben repetir los ensayos no destructivos requeridos para la zona afectada y actualizar los registros de trazabilidad, incluyendo la identificación del soldador, la ubicación, la causa, el método de reparación y el resultado de la reinspección.
Una soldadura reparada solo puede aceptarse cuando la inspección visual, los ensayos no destructivos, las verificaciones dimensionales y, cuando corresponda, la prueba de presión confirman el cumplimiento de los criterios establecidos.
13. Lista de comprobación para la aceptación final
- Confirmar la identificación, el grado y la trazabilidad de la tubería de acero.
- Verificar los certificados de material, la composición química y las propiedades mecánicas.
- Comprobar que la WPS está aprobada y que el PQR demuestra su validez.
- Confirmar que cada soldador posee la calificación correspondiente.
- Revisar la preparación de bordes, la separación de raíz, la alineación y la limpieza.
- Verificar el precalentamiento y la temperatura entre pasadas cuando sean aplicables.
- Comprobar los consumibles, su clasificación, almacenamiento y secado.
- Confirmar la penetración completa y la ausencia de anillo de respaldo cuando esté prohibido.
- Inspeccionar visualmente la continuidad, el perfil, el refuerzo, las socavaduras, los cráteres, las salpicaduras y las grietas.
- Verificar las dimensiones de la tubería y de la soldadura.
- Ejecutar los END establecidos, incluidos UT, RT, MT o PT, según corresponda.
- Revisar los informes de END y la trazabilidad de cada soldadura.
- Verificar el PWHT y sus registros cuando sea requerido.
- Realizar los ensayos mecánicos especificados.
- Ejecutar la prueba hidrostática o neumática conforme al procedimiento aprobado.
- Registrar y reinspeccionar todas las reparaciones.
- Emitir el expediente final de calidad con todos los certificados y resultados.
El proceso de soldadura debe ser estricto durante el proceso y la seguridad debe ser siempre la primera prioridad. Al mismo tiempo, debemos cooperar activamente para llevar a cabo el trabajo de aceptación lo antes posible, descubrir y corregir rápidamente posibles defectos y garantizar la calidad de la soldadura de tuberías de acero y el progreso de la construcción del proyecto.
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