Normas, Discontinuidades y Defectos en Soldaduras - Payend 2

PAYEND 2005

NORMAS, DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS EN SOLDADURAS 25 de Noviembre de 2005

As ociación Uruguaya Asociación Uruguaya de Ensayos No Destructivos

FACULTAD DE INGENIERÍA INSTITUTO DE ENSAYO DE MATERIALES

NORMAS • Aplicar

normas y códigos asegura que una estructura o componente tendrá un nivel de calidad adecuado para una función específica, con adecuadas condiciones de seguridad, y con uniformidad (similitud entre instalaciones semejantes). • Una encuesta de fin de siglo entre los socios de una importante revista de ingeniería mecánica dio por resultado que dentro de los diez mayores logros de la humanidad en el área de la ingeniería en el Siglo XX está el desarrollo y uso de normas y códigos.

NORMAS • Aplicar

normas y códigos asegura que una estructura o componente tendrá un nivel de calidad adecuado para una función específica, con adecuadas condiciones de seguridad, y con uniformidad (similitud entre instalaciones semejantes). • Una encuesta de fin de siglo entre los socios de una importante revista de ingeniería mecánica dio por resultado que dentro de los diez mayores logros de la humanidad en el área de la ingeniería en el Siglo XX está el desarrollo y uso de normas y códigos.

NORMAS • La pregunta es ¿por qué usar normas, en

particular las referidas a construcciones soldadas? • La respuesta es: porque las normas son compendios de necesidades originadas usualmente en experiencias terribles de catástrofes que arrojaron pérdidas de vidas humanas y de propiedades.

NORMAS • Entonces al aplicar una norma uno está respaldado,

y puede dormir tranquilo que problemas iguales a los que ocasionaron aquellas tragedias no volverán a ocurrir. • El cuidado básico que hay que tener es no tratar de desmembrar diversas normas de diversos orígenes, para tomar lo económicamente más conveniente de cada una de ellas, pues las normas deben aplicarse con coherencia, atendiendo a cada uno de los aspectos: materiales de construcción, ensayos destructivos y no destructivos, fórmulas de cálculo de espesores, presiones de prueba hidrostática, etc

NORMAS • AWS – American Welding Society • ASME – American Society of Mechanical Engineers • ASME

B31, “Code for Pressure Piping” , conteniendo siete secciones, cada una de las cuales prescribe los requisitos mínimos para el diseño, materiales, fabricación, erección, ensayos e inspección de un tipo particular de sistema de cañerías; las secciones más usadas en URUGUAY son la B31.1 Power Piping, B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping, y B31.4 Liquid Petroleum Transportation Piping Systems.

NORMAS • BPVC – “The ASME Boiler and Pressure Vessel Code” ,

conteniendo once secciones, de las cuales las Secciones I, III, IV, VIII, y X cubren el diseño, construcción e inspección de calderas y recipientes a presión; las Secciones VI, VII, y XI cubren el cuidado y la operación de calderas o de componentes de plantas de potencia nuclear; y las Secciones II, V, y IX cubren respectivamente especificaciones de materiales, de ensayos no destructivos, y de calificaciones de soldadura. • ASNT – American Society of Nondestructive Testing • API – American Petroleum Institute

NORMAS • ANSI – “American National Standards Institute”,

que es una organización privada responsable de la coordinación de normas que se utilizan dentro de USA. ANSI no prepara normas, sino que forma grupos de interés compuestos por personas provenientes de varias organizaciones involucradas con el desarrollo de algún documento particular; si hay consenso del valor de una norma particular, entonces esta norma puede ser adoptada como una norma nacional de USA., y a esas normas se las nombra agregándole las siglas ANSI por delante de la norma original. Un ejemplo son todas las normas ANSI/ASME o ANSI/AWS.

NORMAS • ASTM – Inicialmente era conocida como “American Society for Testing and Materials”, actualmente es

• • • •

una sigla sin significado aparente, porque la quieren hacer internacional. EN – Normas Europeas (European Normalisation) BSA (normas BS) – British Standard Association DIN – Instituto Alemán de Normalización (Deutsches Institute fuer Normung) AFNOR (normas NF) – Asociación Francesa de Normalización (Association Francaise de Normalisation)

NORMAS • JSA

(normas Association

JIS) –

Japanese

Standards

• UNIT – Instituto Uruguayo de Normas Técnicas • ISO

International Standardization –

Organization

• UL – Underwriter’s Laboratories, Inc. • Normas de empresas. Ej.: normas ANCAP

for

NORMAS Uso de normas relacionadas con soldadura: Para los trabajos metalúrgicos, y específicamente hablando de las soldaduras, hay esencialmente tres tipos o clases o grupos de normas que pueden ser utilizadas en la fabricación, montaje, y reparación de los equipos que la componen: • I) Normas para el diseño y la construcción del equipo (recipiente, tanque, cañería, intercambiador, caldera, horno, reactor, etc), y para la reparación del equipo. • II) Normas para especificación y calificación de procedimientos de soldadura. • III) Normas para calificación de soldadores.

NORMAS • En Uruguay lo usual, para trabajos metalúrgicos, es

utilizar normas API, ASME, ASTM, AWS, UL, ASNT y UNIT, y últimamente se están aplicando normas europeas EN para diversas temáticas relacionadas con construcciones soldadas. • Salvo las normas UNIT, y las EN en su versión en castellano, todas las demás normas están en idioma inglés, lo cual evidentemente para nosotros representa un inconveniente que tenemos que superar tratando de adquirir un mínimo conocimiento del idioma que nos permita interpretarlas.

NORMAS • ¿Por qué las empresas tienen sus propias normas

(ej ANCAP), y no se contentan con normas internacionales de referencia solamente?

• La respuesta está en la génesis de las normas de

referencia (por ejemplo las normas ASME o las API): la Organización (ej. ASME o API, en Uruguay podría ser UNIT) prepara las normas por consenso dentro de comités o grupos de trabajo integrados por especialistas en el área que trata la norma, y que representan a diversos grupos de interés: fabricantes, usuarios, y autoridades de gobierno o de municipios.

NORMAS • Por esto, las normas consensuadas (tipo ASME,

API, UNIT, etc) no deben ser consideradas como algo casi inalcanzable, sino que deberán ser un mínimo, que deberán ser complementadas con los requisitos propios de cada industria. • Las normas están en continua revisión, y sufren modificaciones (en muchos casos en forma anual) motivadas porque: • a) la norma estaba equivocada, o • b) porque era demasiado exigente, o • c) porque no se aplica a los nuevos desarrollos tecnológicos. • POR TODO ESTO ES CONVENIENTE UTILIZAR SIEMPRE LA ÚLTIMA EDICIÓN DE LAS NORMAS

NORMAS Normalización de los ENDs (Ensayos No Destructivos): • Todas las normas mencionadas, cuando tratan de las discontinuidades que son aceptadas o rechazadas, hacen referencia a ENDs, y entonces hacen referencia a la aplicación y uso de otras normas. Por ejemplo cuando se manejan las normas de diseño ASME, todas ellas hacen referencia a la Sección V del BPVC de ASME. Esta Sección indica en qué condiciones deben ser realizados los ensayos no destructivos utilizados en la evaluación de las discontinuidades de las soldaduras.

NORMAS • Cada norma utilizada, tanto en el diseño /

construcción como en la calificación de los procedimientos y como en la calificación de los soldadores, señalan los límites para la aceptación o rechazo de las discontinuidades detectadas con los variados ENDs. • Normalmente no coinciden estos límites para el diseño / construcción, la calificación de procedimientos, y de soldadores, pues por sentido común hay que exigir más cuando se califican a los soldadores que cuando luego se evalúan las discontinuidades en el trabajo.

NORMAS

• Veamos qué especifican las normas más

usadas en Uruguay en cuanto a los ENDs: • AWS D1.1: Los END se hacen utilizando los lineamientos de la ANSI/AWS B1.0 “Guide for Nondestructive Inspection of Welds”, y la metodología debe conformar a diversas normas ASTM. El personal que hace los ENDs debe estar calificado de acuerdo con la ASNT RP SNT-TC-1A. • API 1104: La radiografía se hace con los procedimientos de la misma norma, los ICI surgen de ASTM E 142 ó E 747; los procedimientos de las otras técnicas de ENDs deben cumplir con otras normas ASTM. Los que interpretan las placas deben ser Niveles II ó III exclusivamente (no dice de qué norma, pero se supone que es ASNT).

NORMAS • ASME (BPVC y B31): Los ENDs se realizan

con procedimientos dados por la Sección V del BPVC. El personal que hace los ENDs debe estar certificado de acuerdo con ASNT.

• API 620/650: Ídem al ASME.

• Mínimas

NORMAS

condiciones para realizar un adecuado control de obra según normas: Para hacer un correcto seguimiento de la obra lo básico que debe saberse, además de las normas aplicables, es lo siguiente: • 1) Deben estar indicados en planos constructivos los tipos de soldadura, con la simbología correspondiente: soldaduras a tope (en cañerías y recipientes serán de penetración total), dimensiones de los catetos en las soldaduras filete (continuas o intermitentes, y en este último caso el largo y separación de los cordones). • 2) Debe solicitarse o reunirse la siguiente documentación: procedimientos de soldaduras calificados a utilizar, soldadores calificados, tipos de controles (inspección visual y demás ENDs).

NORMAS • Debe exigirse a la empresa ejecutora del trabajo que se

haga responsable de la calidad del mismo, mediante el cumplimiento de lo indicado por la(s) norma(s) exigida(s). Absolutamente todas la normas establecen que el fabricante es el responsable del fiel cumplimiento de las especificaciones, y debe contar con personal competente y maquinaria apta para tal fin. • Pero es fundamental que al fabricante se le indique claramente qué normas deben aplicarse, sin ambigüedades, pues buena parte del éxito de una obra radicará en las adecuadas especificaciones técnicas. • Presentadas las normas, veamos discontinuidades

y defectos en las soldaduras.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • ELEMENTOS GENÉRICOS DE LAS SOLDADURAS:

1) CROQUIS DEL METAL DE SOLDADURA Y SU ZAC

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 2) NOMENCLATURA DE LAS SOLDADURAS A TOPE

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 3) NOMENCLATURA DE LAS SOLDADURAS TIPO FILETE

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 4) DIMENSIONES DE LAS SOLDADURAS TIPO FILETE

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 5) RAÍCES DE LAS SOLDADURAS A TOPE Y FILETE

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA DEFINICIONES: • Discontinuidad - Falta de continuidad; falta de cohesión (de unión); interrupción en la estructura física normal del material o producto. • Defecto - Discontinuidad cuyo tamaño, forma, orientación, ubicación o propiedades son inadmisibles para alguna norma específica. En particular, al realizar un ensayo no destructivo (END) se cataloga como defecto a toda discontinuidad o grupo de discontinuidades cuyas indicaciones no se encuentran dentro de los criterios de aceptación especificados por la norma aplicable.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Indicación - Respuesta o evidencia de una

discontinuidad resultante de la aplicación de un END. • Evaluación de Indicaciones - Proceso en el cual se decide la severidad del estado de la parte o pieza, luego de que la indicación ha sido interpretada. De la interpretación surgirá que la indicación es irrelevante o es una discontinuidad, y en este último caso surgirá que es un defecto o no. Dicha evaluación lleva a decidir, entonces, si la parte o pieza debe ser rechazada, reparada o aceptada para su uso.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Método de Ensayo - Utilización de un principio • • • • • • • •

físico en un END, como ser: RT - Radiografía (Radiographic testing) UT - Ultrasonido (Ultrasonic testing) MT - Partículas magnetizables (Magnetic testing) PT - Líquidos penetrantes (Penetrant liquids testing) VT - Evaluación visual (Visual testing) LT - Ensayo de estanqueidad (Leak testing) ET - Corrientes parásitas (Eddy’s current testing) AE - Emisión acústica (Acustic emission)

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Indicaciones alargadas (linear indications) – En

general se clasifican como indicaciones alargadas a todas aquellas indicaciones cuya longitud L es mayor a 3 veces su ancho A: (L > 3A).

• Indicaciones redondeadas (rounded indications) –

En general se clasifican como indicaciones redondeadas a todas aquellas indicaciones cuya longitud L es menor o igual a 3 veces su ancho A: ( L  3A ).

• Indicaciones alineadas (radiografía) – Tres o más

indicaciones alineadas aproximadamente paralelas al eje de la soldadura, espaciadas lo suficientemente cerca entre ellas como para ser considerada discontinuidad única e intermitente.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Las DISCONTINUIDADES más frecuentes que se

encuentran en las soldaduras, o que están muy relacionadas con ellas, forman parte de los siguientes veinte tipos:

• 1) Porosidad (“Porosity”) :

Discontinuidad del tipo de cavidad formada por gas atrapado durante la solidificación del metal de soldadura. Se divide a su vez en cuatro tipos:

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA a) Porosidad uniformemente dispersa

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA b) Porosidad agrupada (“Cluster porosity”)

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA c) Porosidad alineada (“Linear porosity”)

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA d) Porosidad vermicular o tipo gusanos (“Piping porosity”) • Es un poro de gas alargado.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 2)

Inclusiones (“Inclusions”)

a) Inclusiones de escoria (“Slag inclusions”)

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Inclusiones

de escoria tipo carrileras:

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA b) Inclusiones de Tungsteno

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • 3) Fusión incompleta (“Incomplete fusion”)

(o falta de fusión)

• Discontinuidad bidimensional causada por la falta

de unión entre los cordones de soldadura y el metal base, o entre los cordones de la soldadura.

• Es el resultado de técnica de soldadura,

preparación del metal base, o diseño de la junta inapropiados.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Croquis de soldaduras

con fusión completa

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Croquis de

soldadura con fusión incompleta

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 4) Penetración incompleta o falta de penetración (“Incomplete joint penetration”) • Ocurre cuando el metal de soldadura no se extiende a través de todo el espesor de la junta. El área no fundida ni penetrada es una discontinuidad descripta como “penetración incompleta” . • Esta puede resultar de un insuficiente aporte de calor de soldadura, diseño de la junta inapropiado (por ejemplo demasiado espesor para ser penetrado por el arco, o chanfle insuficiente), o control lateral inapropiado del arco de soldadura. Algunos procesos tienen una mayor capacidad de penetración que otros. Las soldaduras en cañerías son especialmente vulnerables a este tipo de discontinuidad, dado que el lado interior es usualmente inaccesible.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Croquis con

penetración completa e incompleta

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Croquis con

penetración incompleta

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Placa

radiográfica con falta de penetración

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 5) Fisuras (“Cracks”) • Ocurren en el metal base y en el metal de aporte,

cuando las tensiones localizadas exceden la resistencia última del material. La mayor parte de las normas utilizadas consideran que las fisuras son, independientemente de su longitud, defectos y por lo tanto una vez detectadas deben removerse, eliminarse.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA Las fisuras pueden clasificarse en: • a)

Fisuras en caliente: se desarrollan durante la solidificación y su propagación es intergranular (entre granos).

• b)

Fisuras en frío: se desarrollan luego de la solidificación, son asociadas comúnmente con fragilización por hidrógeno. Se propagan entre y a través de los granos (inter y transgranular).

• Croquis con varios tipos de fisuras


radiográfica con fisura longitudinal de raíz


radiográfica mostrando tres fisuras transversales

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 6) Socavadura / mordedura (“Undercut”) • Asociadas generalmente con técnicas inapropiadas

y/o corrientes excesivas de soldadura. La socavadura es una muesca o canaleta o hendidura ubicada en los bordes de la soldadura; es un concentrador de tensiones y además disminuye el espesor de las planchas o caños, todo lo cual es perjudicial. Pueden darse en la raíz o en la cara de la soldadura.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA • Croquis,

algunos mostrando socavaduras de cara y de raíz.


radiográfica mostrando socavadura de cara


radiográfica mostrando socavadura de raíz.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 7) Concavidad (“Underfill”)

• Se produce cuando el

metal de soldadura en la superficie de la cara externa, o en la superficie de la raíz interna, posee un nivel que está por debajo de la superficie adyacente del metal base.

8) Garganta insuficiente (“Insuficient throat”)

• Puede ser debido a una depresión en

la cara de la soldadura de filete, disminuyendo la garganta, cuya dimensión debe cumplir la especificación dada por el proyectista para el tamaño del filete. 9) Catetos demasiado cortos (“Insuficient legs”)

• Es un tamaño menor que el adecuado

para su uso, en los catetos de la soldadura de filete. Es de índole similar a la discontinuidad anterior.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 10) Solape (“Overlap”) (Metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin fundirlo) • Es la porción que sobresale del metal de soldadura más allá del límite de la soldadura o de su raíz. Se produce un falso borde de la soldadura, estando el metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin haberlo fundido (como que se derramó el metal fundido sobre el metal base). Puede resultar por un deficiente control del proceso de soldadura, errónea selección de los materiales, o preparación del metal base inapropiados.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 11) Sobremonta excesiva (“Weld reinforcement”)

• La sobremonta es un concentrador de tensiones y,

además, un exceso de ésta aumenta las tensiones residuales, presentes en cualquier soldadura, debido al aporte sobrante. Por estos motivos las normas limitan el valor de R, que en general no debe exceder de 1/8” (3mm).

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 12) “Laminaciones” (“Laminations”)

• Son discontinuidades planas

y alargadas en el metal base, encontrándose normalmente en la parte media del espesor de los materiales forjados (como lo son las planchas de acero utilizadas para construcción de recipientes o tanques, que se producen por laminado (rolado), el cual es un proceso de forja).

13)

Fisuras

laminares

(“Lamellar tears”)

• Son fracturas en forma de

terraza en el metal base, con orientación básicamente paralela a la superficie forjada. Son causadas por altos esfuerzos en la dirección del espesor que resultan del proceso de soldadura.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 14) Golpes de arco / apertura de arco / arranque de arco / chisporroteo (en el material base fuera de la soldadura) (“Arc strike”)

• Imperfección localizada en la

superficie del metal base, caracterizada por una ligera adición o falta de metal, resultante de la apertura accidental del arco eléctrico.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 15) Desalineación (“High – Low”)

16) Salpicaduras (“Spatter”)

• Esta discontinuidad se da cuando• Son los glóbulos de metal de aporte

en las uniones soldadas a tope las superficies que deberían ser paralelas se presentan desalineadas; también puede darse cuando se sueldan dos caños que se han presentado excéntricamente, o poseen ovalizaciones. Las normas limitan esta desalineación, normalmente en función del espesor de las partes a soldar. • Es frecuente que en la raíz de la soldadura esta desalineación origine un borde sin fundir.

transferidos durante la soldadura y adheridos a la superficie del metal base, o a la zona fundida ya solidificada. Es inevitable producir cierto grado de salpicaduras, pero deben limitarse eliminándose, aunque más no sea por estética, de la superficie soldada. Las salpicaduras pueden ser origen de microfisuras (como los arranques de arco sobre el metal base), y simultáneamente son un punto de inicio de la oxidación en superficies pintadas ya que tarde o temprano estos glóbulos podrán desprenderse del metal base, llevando consigo la pintura superficial allí localizada.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 17) Penetración excesiva (“Excesive penetration”)

• En una soldadura simple

desde un solo lado (típicamente soldaduras de cañerías), esta discontinuidad representa un exceso de metal aportado en la raíz de la soldadura que da lugar a descolgaduras de metal fundido.


radiográfica con penetración excesiva.

DISCONTINUIDADES Y DEFECTOS DE SOLDADURA 18) Rechupes (de cráter) • Es la falta de metal de soldadura resultante de la contracción de la zona fundida, localizada en la cara de la soldadura. 19) Porosidad alargada en la raíz (“Hollow - bead porosity (HB)”)

• Es definida como una porosidad alargada alineada a lo largo de

la línea central de la soldadura que ocurre a lo largo del cordón de raíz de la soldadura. 20) Quemón (“Burn - Through (BT)”) • Es definida como una porción del cordón de raíz donde una excesiva penetración ha causado que el metal de soldadura sea soplado hacia el interior, o puede que se descuelgue un excesivo metal fundido. Suele presentarse como una depresión


radiográfica con quemones:

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