Se abordan principios, prácticas y técnicas de pruebas de resistencia a la fractura por impacto (Por William C. LaPlante)

En aplicaciones de petróleo y gas donde las soldaduras de tuberías están sujetas a ambientes extremos como frío extremo, sulfuro de hi- drógeno (H2S), actividad sísmica y al- tas presiones de operación, las soldadu- ras capaces de mostrar una elevada re- sistencia a la fractura por impacto son sumamente importantes. Para lograr el desempeño de resistencia al impacto de Charpy con muesca V (Charpy V-notch, o CVN, por sus siglas en inglés), uno debe apegarse a técnicas, prácticas y principios de ingeniería de la soldadura fundamentales y específicas — Fig. 1

Fracturas frágiles de numerosas co- nexiones de acero en juntas soldadas como resultado de la actividad de te- rremotos devastadores en Northridge, California y Kobe, Japón, en los 90’s

del siglo pasado ampliaron tremenda- mentela conciencia sobre resistencia a las muescas de material donde la carga dinámica de una soldadura es una con- dición de diseño. Actualmente, los cri- terios de ensayos y diseño de resisten- cia a las muescas se encuentran escri- tos en códigos de soldadura, estánda- res y publicaciones de ingeniería como aquellos de la AWS, ASME, API, ASTM, e ISO. En la cualificación de un proyecto Registro de Cualificación de Procedimiento (Procedure Qualifica- tion Record, o PQR, por sus siglas en inglés), una Autoridad en la Ingeniería a menudo estipula pruebas CVN. Este artículo realza las técnicas, prácticas y principios de ingeniería de soldadura y las pruebas de resistencia a la fractura por impacto CVN que se encuentran

en la soldadura por arco de aceros de baja aleación de alta resistencia (high- strength, low-alloy, o HSLA, por sus si- glas en inglés).

Definiciones de fracturas

Antes de proceder, es importante revisar definiciones clave de fractura:

  • Tenacidad es la habilidad de un material de deformarse plástica- mente y de absorber energía antes de
  • Tenacidad de muesca es la habilidad de una aleación de material base o metal de aporte de soldadura de absorber energía en presencia de un factor que incrementa el esfuerzo como por ejemplo un defecto de soldadura o un borde .En presencia de un factor que incrementa el esfuerzo/muesca, un material mostrará una disminución tanto en la tenacidad a la fractura como en la resistencia a la fatiga y/o vida. Se recomienda el desbarbado/pulidode los pies de soldadura después de que soldar.
    • Una fractura débil (clivaje) es catas- trófica y ocurre de forma repentina. La fractura se propagara a través del material (v.g. transgranular o inter- granular) a una alta velocidad. Una fractura débil ocurre con poca o sin ninguna advertencia y con baja absorción de energía. Además, hay poca o ninguna deformación plástica del material que se aprecie en la fractura (v.g. no hay expansión lateral, ).

Ensayos de tenacidad al impacto CVN

En esencia, el ensayo CVN saca el comportamiento de muesca de un ma- terial (v.g. debilidad vs. tenacidad). Los ensayos Charpy con muesca en V tie- nen que ver con aplicar impacto a una probeta de tamaño real o reducido con

un péndulo de peso controlado que se lanza desde una altura determinada — Fig. 2. Una probeta de tamaño real para CVN tiene 55 mm de largo x 20 mm2 con una muesca en V maquinada de 2 mm de profundidad con un radio de punta de 0.25 mm — Fig. 3. La pro- beta con muesca se coloca en un dispo- sitivo; luego un brazo de péndulo gol- pea el lado opuesto de la muesca. La cantidad de energía absorbida en el proceso de fractura de la probeta se mide en pies-libras (ft-lb) o Joules (J) indicando la tenacidad de muesca del material. Los ensayos CVN indican si la fractura del metal es débil o dúctil o es una combinación de ambos (modo mixto). Esta información es importan- te para un acero HSLA de cúbico cen- trado en cuerpo que muestra una tem- peratura de transición de dúctil a débil. Durante las pruebas de impacto, un metal débil absorberá una cantidad re- ducida de energía de impacto, mien- tras que un metal más dúctil absorbe una cantidad aumentada de energía.

La morfología de la superficie de la

fractura proporciona información acer- ca del tipo de fractura: una fractura débil (fractura de clivaje) es brillosa/ brillante y cristalina, mientras que

una fractura dúctil (fractura de cizalla- miento) es opaca, fibrosa y rugosa en textura.

Ubicación y microestructura de la probeta

La posición de probetas CVN de ta- maño real o reducido dentro de una soldadura es extremadamente impor- tante relativa a la colocación de la pro- beta y la orientación de la muesca. Por ejemplo, en un acero HSLA, los valores de impacto más bajos se encuentran tí- picamente cerca del límite de fusión como resultado del crecimiento del grano/grano grueso. Para optimizar el desempeño de la tenacidad, la meta durante la cualificación de PQR es ob- tener una fracción de alto volumen de ferrita acicular. Una microestructura de metal de soldadura de ferrita acicu- lar posee rutas de frontera de grano tortuosas que resisten la propagación de fisuras. Una microestructura de fe- rrita acicular proporciona la combina- ción óptima de resistencia y tenacidad. Sin embargo, en la práctica, existe la falta de homogeneidad en cordones de soldadura donde alternan áreas de gra- no grueso y grano fino. Deben anticiparse las propiedades CVN más pobres donde la proporción de granos gruesos a granos finos es mayor. La muesca de la probeta determina la dirección de la propagación de la fractura/fisura mientras que el comportamiento de la fractura y la orientación de la muesca (transversal vs. longitudinal) están in- terrelacionados. Característicamente, una probeta se posiciona de manera tal que su muesca esté en la línea central del metal de soldadura, la interfaz de soldadura, la interfaz de soldadura + 2 mm, etc. Además, las probetas pueden tomarse de la junta de la soldadura a diferentes niveles de grosor (T) para evaluar mejor las propiedades de tena- cidad generales de la soldadura (v.g., T/2, T/4).

 

Interpretación de resultados de ensayos

Después de que se han fracturado las probetas con muesca de los ensa- yos, se determina visualmente el por- centaje de fractura por cizallamiento de las superficies fracturadas de acuer-

 

do al ASTM E23/A370 — Fig. 4. La evaluación de las superficies fractura- das de probetas rotas es subjetiva y está basada en la experiencia y conoci- miento del evaluador. También se en- cuentra disponible software/tecnolo- gía de imágenes digitales, pero muchos laboratorios de ensayos todavía reali- zan la examinación visual. Una tabla de la apariencia de la superficie de fracturas de muesca y una ilustración del comparador de porcentaje de frac- tura por cizallamiento se pueden en- contrar en ASTM A370. La gráfica pro- porciona una guía visual para evaluar una superficie fracturada. Además, hay expansión lateral, la cual es una medi- da de la ductilidad de la probeta del ensayo. Cuando un metal dúctil se fractura, el material se deforma. En los ensayos CVN, se elimina material del lado del golpe/compresión y se expresa como expansión lateral. A medida que la ductilidad de un material incremen- ta, la expansión lateral incrementa y viceversa.

Nota que los resultados de ensayos CVN son solamente cualitativos. En otras palabras, los resultados de los ensayos solamente pueden compararse entre sí o con un requerimiento especí- fico dentro de un código/estándar o especificación de una Autoridad en In- geniería. Los resultados Charpy con muesca en V no pueden utilizarse para calcular la tenacidad a la fractura de una soldadura o metal base. Informa- ción del ensayo se encuentra disponi- ble según el ASTM E23, ASTM A370, ASTM E1820, AWS B4.0, ISO 148, etc.

 

Optimizar el desempeño de CVN de tenacidad al impacto

El desempeño de la tenacidad al im- pacto de un metal de soldadura depen- de de su microestructura, la cual de- pende de la composición química del metal de la soldadura y los parámetros de soldadura empleados. Lograr una microestructura con una fricción de alto volumen de ferrita acicular de gra- no fino es importante. Para proyectos de petróleo y gas, una Autoridad en In- geniería hace referencia a los estánda- res NACE (MR0175, MR0103, etc.) en

la selección de un metal base adecuado para la aplicación. Por ello, teniendo en cuenta el metal base seleccionado, se debe considerar cuidadosamente cum- plir con los requerimientos NACE y con la selección de una química de me- tal de aporte de soldadura y paráme- tros de soldadura que optimicen el desempeño de CVN de la tenacidad al impacto para cumplir con exigentes condiciones de servicio y diseño de soldadura.

Principios de ingeniería de soldadura para CVN

Los siguientes son principios clave de ingeniería de soldadura para CVN empleados para optimizar el desempe- ño de la tenacidad al impacto. Este ar- tículo no se avoca a todos los princi- pios de ingeniería de soldadura para CVN.

  1. Controla/reduce al mínimo la entrada de calor mediante lo siguiente:
    1. Emplea soldadura pulsada. Redu- ce al mínimo los parámetros de solda- dura para lograr fusión
    2. Utiliza cordones rectos de solda- dura. Esto tiene como resultado la dis- minución en la entrada de calor y pro- porciones de enfriado más altas para mitigar el crecimiento del grano –
    3. Granos más finos tienen una pro- porción mayor de área de superficie de frontera de grano a volumen para re- sistir dislocaciones. Los cordones rec- tos de soldadura proporcionan mayor refinamiento de temple/grano grueso de cordones de soldadura previamente depositados.
    4. Reduce al mínimo la medida del charco de soldadura. Los depósitos de cordones de soldadura más delgados son mejores que los más gruesos. Por ejemplo, los cordones rectos de solda- dura múltiples son mejores que un solo gran cordón de soldadura. Para soldaduras de penetración completa de

junta, una técnica de cordón recto de soldadura dividido fomenta el creci- miento competitivo del grano, una condición metalúrgica positiva. Opti- miza la tasa de alimentación de alam- bre, velocidad de desplazamiento, am- peraje, etc., para controlar la medida del charco de soldadura y el perfil de deposición especialmente para aplica- ciones en sitio, tales como la soldadura de tuberías.

  1. Logra el ajuste adecuado de la junta de soldadura y evita sobre
  2. Reduce al mínimo el volumen de la junta de soldadura mediante diseños de junta de soldadura de bisel com- puestos o de ranura
  3. Evita realizar pases de cordón de soldadura de «lavado» para aumentar la estética visual del cordón de
  4. Aminora la utilización de cordo- nes de soldadura de resanado para eli- minar e incluso sacar capas del cordón.
  1. La limpieza del metal de apor- te de soldadura es crucial. Emplea aleaciones de metal de aporte de solda- dura con pedigree para optimizar el desempeño de la tenacidad al impacto del metal de soldadura. Se recomien- dan metales de aporte de soldadura procesados de mediante fusión por in- ducción al vacío (VIM)/descarburación

por argón oxígeno (AOD). Calcula el factor X de Bruscato para metales de aporte de soldadura (v.g., ≤12 ppm de elementos residuales como P, Sb, Sn, y As). Compuestos intermetálicos, inclu- siones no metálicas y otros constitu- yentes de impurezas que pudieran for- marse o precipitarse en las fronteras del grano reducen la tenacidad, espe- cialmente a medida que la temperatura disminuye.

  1. La dilución del metal base dis- minuye las propiedades mecánicas homogéneas del metal de aporte de soldadura donde la tenacidad al impacto del metal de soldadura dis- minuye (v.g., soldadura de raíz). Ade- más, la dilución/intermezclado al em- plear diferentes metales de aporte cuando se suelda tiene influencia las propiedades mecánicas generales del metal de soldadura y el desempeño de CVN.
  2. Controla la tasa de enfria- miento de la junta de soldadura. La tasa de enfriamiento es una caracterís- tica determinante de las propiedades de la junta de soldadura. Se basa en la difusividad térmica, entrada de calor, disipación térmica y temperaturas de interpase. Los niveles altos de entrada

de calor resultan en tasas más lentas de enfriamiento y granos más gruesos, mientras que niveles más bajos de en- trada de calor reducen la tasa de en- friamiento para lograr granos más fi- nos. Se consciente del equivalente de carbono y el contenido de carbono del metal base. Entiende la microestructu- ra del metal de soldadura como se de- positó, y el potencial para martensita destemplada y fisuración inducida por hidrógeno.

  1. Mantén la pureza del gas de protección/respaldo/arrastre y la integridad de la cobertura. El oxíge- no es perjudicial para la tenacidad de- bido a que las inclusiones de oxígeno proporcionan sitios de iniciación para la formación de vacíos y sirven como puntos de iniciación de fracturas. El gas de protección puede influir direc- tamente en la resistencia, ductilidad y tenacidad así como en la resistencia a la corrosión de una soldadura. Por ejemplo, agregar oxígeno y dióxido de carbono a un gas de protección incre- menta su potencial de oxidación. En general, para un metal de aporte de soldadura dado, entre más algo sea el potencial de oxidación del gas de pro- tección, más bajas son la resistencia y la tenacidad del metal de soldadura.
  2. Incrementa la basicidad del fundente de soldadura por arco su- mergido y de los revestimientos de electrodos(tipo bajo en hidrógeno) de soldadura por arco metálico pro- tegido con electrodo recubierto (SMAW). Electrodosy fundentes bási- cos son benéficos para la soldadura de

acero bajo en aleación debido a las re- ducidas cantidades de oxígeno en el depósito de metal de soldadura. Un in- cremento en el contenido de oxígeno del metal de soldadura lleva al aumen- to de tamaño de inclusiones y de frac- ción volumétrica, resultando en tena- cidad disminuida. Debido a que el índi- ce de basicidad aumenta, la tenacidad aumente y viceversa.

  1. Monitorea la dureza de la zona afectada térmicamente (ZAT) y de la A medida que la dureza disminuye, la tenacidad aumenta y vi- ceversa.
  2. Apégate estrictamente a el monitoreo/control del tratamiento térmico posterior a la soldadura, a la temperatura de interpase y al precalentamiento

 

  1. La soldadura por arco de tungsteno protegido con gas (GTAW) y alambre caliente contribuye a la entrada de Por consiguiente, disminuye el amperaje primario de sol- dadura para compensar por el ampera- je del alambre caliente.
  2. Emplea un metal de aporte externo de soldadura por arco con núcleo de fundente protegido con gas (FCAW) al contrario de un metal de aporte de FCAW auto protegido para incrementar el desempeño en CVN.

 

  1. Para la soldadura de placa es- tructural, conoce la dirección del la- minado de la placa de forma que

las probetas para los ensayos CVN se tomen paralelas a la dirección del laminado de la placa. De ese modo, los ensayos se conducen en todo el “grano” del material, lo cual in- crementa la tenacidad (una caracterís- tica anisotrópica).

Prácticas y técnicas de soldadura efectivas

 

Una cantidad y medida aumentadas de inclusiones de óxido pone en riesgo la tenacidad. Las siguientes prácticas y técnicas incrementan los principios clave de ingeniería de soldadura CVN relacionados con mitigar las inclusio- nes de óxido empleando procesos de soldadura por arco plasma y GTAW:

  1. Utiliza Scotch-Brite™/tela esme- ril en varillas individuales de metal de aporte de soldadura manual antes de usarlos para mitigar o evitar que óxi- dos y otros contaminantes entren al charco de
  2. Busca óxidos «flotantes» en la pe- riferia de la superficie del charco de soldadura durante la soldadura. Retira los óxidos flotantes solidificados du- rante la limpieza interpase mediante un pulido cuidadoso.
  3. Corta los extremos de la punta de las varillas oxidadas despues de usar- las. Para mitigar/prevenir la oxidación de las puntas de las varillas, protege la punta de la varilla de soldadura con el gas de protección durante la
  4. Emplea técnicas de soldadura adecuadas y medidas múltiples de co- pas de gas que sean tan grande como sea posible para proteger al charco de soldadura de la exposición atmosféri- ca. Pule a la medida las copas de pro- tección de gas para ajustarse al contor- no de la geometría de la junta de solda- dura para proporcionar la efectividad de la cobertura del gas de protección durante aplicaciones de soldadura de ranura de junta a tope.
    1. Emplea un lente de gas o lamina- dor de flujo y corrige las tasas de flujo de gas de protección. Está atento de la pureza del gas, fugas en las conexiones de gas, fugas en mangueras o líneas de distribución de gas y la cobertura del gas de protección de
    2. Limpia mecánicamente y pasa un paño con solvente por la junta de la soldadura del OD/ID de la tubería ad- yacente a la
    3. Asegúrate de que el metal de aporte de soldadura orbital cumpla con los requerimientos de limpieza. Calcula el factor X de Bruscato y utiliza metales de aporte de soldadura proce- sados AOD/VIM.
    4. Para la soldadura de tubería, a medida que el contenido de oxígeno dentro del gas de respaldo/purga dis- minuye, las características de fusión del charco de soldadura de raíz incre- mentan, y la oxidación en la ZAT y el potencial de inclusiones de óxido en el charco de soldadura

    Resumen

    La mecánica de las fracturas de sol- dadura es un campo de estudio com- plejo que involucra ciencias de ingenie- ría mecánica, de soldadura y metalúr- gicas. Durante la soldadura por arco de aceros HSLA, apegarse a técnicas, prácticas y principios de ingeniería de soldadura para CVN optimiza el des- empeño de la tenacidad al impacto con muesca — Fig. 7. WJ

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    4. ASM Handbook, 6: Welding, Brazing, and Soldering, 10th Ed. 1993. Materials Park, Ohio: ASM International.
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    6. ASTM A370, Standard Test Me- thods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. 2017. West Conshohocken, Pa.: ASTM Internatio- nal.
    7. ASTM E1820, Standard Test Me- thod for Measurement of Fracture Tough- ness. 2017. West Conshohocken, Pa.: ASTM
    8. BS EN ISO 148: 2016, Metallic materials — Charpy pendulum impact test. Test method. London, UK: British

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    1. Houston, Tex.: NACE Interna- tional.
    2. NACE MR0103/ISO 17945, Ma- terials Resistant to Sulfide Stress Crac- king in Corrosive Petroleum Refining En- vironments. 2015. Houston, Tex.: NACE International.

     

     

     

     

    Reconocimientos

     

    El autor desea agradecer a Christo- pher Grass, Quality Inspection & Tes- ting Inc., de Fairbanks, Alaska, por pro- porcionar acceso a las instalaciones y probetas CVN.

     

    Recursos bibliográficos consultados

     

    1. AWS D1.5:2015, Bridge Welding Code. Miami, Fla.: American Welding Society.
    2. AWS D1.1:2015, Structural Wel- ding Code — Steel. Miami, Fla.: Ameri- can Welding