Informe Técnico Nro. SP-MAT

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1 Informe Técnico Nro. SP-MAT USO DE TUBERÍA DE ACERO AL CARBONO CON SOLDADURA HELICOIDAL EN LA FABRICACION DE OLEODUCTOS Realizado por: Ing. Especialista Andrés Eloy Salazar Inspector Certificado API-510, API-570, API-653 Consultor Senior en Materiales e Inspección Andres_salazar25@yahoo.com Houston, Octubre de 2011

2 Autor: Andrés Salazar Ingeniero Químico egresado en la Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela. Especialista en Evaluación de Materiales e Inspección de Equipos, Universidad Central de Venezuela, Caracas, Venezuela. Inspector API 510/570/653 certificado por la American Petroleum Institute, Washington D.C., USA. Mas de veinte años de experiencia en la Industria Petrolera y Petroquímica (Petróleos de Venezuela, E & P Occidente, Lagunillas-Venezuela; Chevron Phillips- Pasadena, TX, Solutia- Alvin, TX, Invista- LaPorte-TX, USA), Profesor de las cátedras Materiales para Ingeniería, Metalurgia y END, Universidad del Zulia, Núcleo COL, Cabimas, Venezuela por 10 años ( ). Ha publicado y presentado varios trabajos de investigación en el área de Inspección, Control de Corrosión, Ingeniería de Confiabilidad y Calidad en diferentes Congresos y Eventos Internacionales. RESUMEN La selección del uso de tuberías de línea para el manejo de crudos requiere de un análisis que balancee desempeño, confiabilidad y por supuesto costos. La tubería de acero al carbono con costura en espiral o Tubería Helicoidal cumple con criterios técnicos basados en los requisitos de la Norma API 5L- 2007/ISO 3183, lo que da a cualquier proyecto en el cual se contemple su uso garantías de desempeño y seguridad. En este trabajo se discuten algunas de las razones técnicas que justifican su utilización en la recolección y transporte de hidrocarburos; así como se incluyen algunos ejemplos de cálculo de las MAWP para oleoductos de diámetros grandes Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 2 de13

3 TABLA DE CONTENIDOS Pág. 1. INTRODUCCION 4 2. ANTECEDENTES 4 3. ASPECTOS TECNICOS Tuberías con costura longitudinal Tuberías con costura helicoidal o espiral Limitaciones en la fabricación de tuberías con costura helicoidal Método de fabricación de las tuberías con costura helicoidal RESULTADOS Cálculos según ASME B Requerimientos de materiales Calidad de la soldadura helicoidal Pruebas de ensayos Prueba hidrostática Prueba de impacto Charpy V Pruebas de tensión ANALISIS CONCLUSIONES ANEXOS Tabla 1: Valores de la presión máxima permisible según ASME B Tabla 2: Composición química del acero API 5L X Figuras 1A y 1B: Representación del proceso de manufactura de la tubería helicoidal Figura 2: Proceso de soldadura en la manufactura de la tubería helicoidal Figura 3: Radiografía de una sección soldada de un tubo helicoidal REFERENCIAS.13 (*)Este reporte es la versión original del análisis técnico y el autor no será responsable por cualquier cambio como resultado de una transmisión electrónica o cambios que el Cliente lleve a cabo sin consentimiento del autor Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 3 de13

4 1. INTRODUCCION La aplicación industrial de los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) con costura helicoidal ha ido en aumento en todos los sectores industriales de transporte de fluidos y la industria petrolera es un ejemplo de ello con el desarrollo de los aceros establecidos en la norma API 5L. El acero grado API X70 forma parte de esta norma y es un material de alta resistencia que posee un límite de fluencia de 482 MPa (70 ksi), recomendado para aplicaciones en tubos sometidos a alta presión de trabajo. Es importante señalar que las empresas petroleras a nivel mundial han venido realizando una revisión y actualización de sus procesos acorde con la tecnología de vanguardia en el sector petrolero, esto para todos los renglones de consumo en las operaciones, identificándose como prioritario el renglón de tuberías por ser el que representa en uso y dinero el de mayor significación. Esta es una realidad que está presente en todas las empresas petroleras y en especial en el uso de las tuberías de acero para recolección y transporte de hidrocarburos con soldadura en espiral o helicoidal; tal es el caso por ejemplo de los tendidos de líneas para transporte de crudo construidos con tubería de acero API 5L-X70, PSL2, con costura helicoidal en diámetros variables, por lo general mayores a 24. La selección del uso de tuberías de línea para el manejo de crudos requiere de un análisis para garantizar la eficiencia de la cuantiosa inversión a realizar. Los criterios de selección y diseño deben fundamentarse en estudios técnico-económicos que garanticen la mejor decisión en la selección y adquisición del rubro. La tubería de acero al carbono con costura en espiral o simplemente tubería helicoidal cumple con los criterios técnicos establecidos y por ello está incluida dentro de las opciones disponibles y aprobadas en la Norma API 5L-2007/ISO 3183, Edición ANTECEDENTES La tubería helicoidal API 5L-X70, PSL2, debe ser fabricada con materia prima de primera calidad acorde con los requerimientos de la Norma API-5L 2007, bajo el proceso de soldadura por arco sumergido (en la actualidad todas las soldaduras de tuberías por arco sumergido incluyen pases tanto por el interior como por el exterior) o SAWH, lo cual garantiza la penetración de la soldadura al 100% del tubo. La forma espiral o helicoidal del cordón ofrece una excelente distribución de los esfuerzos generados por la soldadura alrededor del tubo, lo cual da una mayor resistencia a cualquier tipo de esfuerzo bien sea puntual o distribuido de manera uniforme. Gracias al proceso de soldadura SAWH, las tuberías pueden fabricarse en diámetros muy grandes y teóricamente en longitudes interminables, aunque por limitaciones prácticas (transporte, Bancos de Pruebas) se manejan longitudes estándar y hasta los 80 pies. La posibilidad de tener tubos más largos puede representar ahorros y mayor seguridad para el usuario dada la menor cantidad de soldaduras que es necesaria hacer en condiciones de campo durante su instalación. La tubería de acero con costura helicoidal, al igual que la de costura longitudinal debe someterse a pruebas e inspecciones visuales, mecánicas, químicas, hidrostáticas, de líquidos penetrantes, de ultrasonido y radiografía durante su fabricación, para garantizar la calidad y el estricto apego a las norma API 5L-2007/ISO Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 4 de13

5 3. ASPECTOS TECNICOS DEL PROCESO DE FABRICACION SAWH La búsqueda de mayor productividad en la Industria Petrolera ha llevado al desarrollo de nuevos procesos de fabricación de tuberías de acero con costura y consecuentemente nuevas alternativas tecnológicas para su soldadura. Dentro de estas alternativas el uso de la tubería helicoidal fabricada por arco sumergido (SAWH), en sustitución del proceso de tubería con costura longitudinal (SAWL), ha demostrado avances importantes. A continuación se presenta una comparación entre ambos procesos y su utilización. 3.1 Tubería con Costura Longitudinal La tubería con costura longitudinal por Arco Sumergido (SAWL) es fabricada a partir de una plancha o lámina. Después de ser sometida a inspección POR ultrasonido, cada plancha es cortada y biselada en los borde de cada lado, para luego pasar por una prensa (prensa en U) donde obtiene la forma de U. Posteriormente se le da la forma de círculo en otra prensa (prensa de anillo). Una vez cumplida esta fase la tubería en su presentación de bordes es soldada por el interior mediante el proceso de soldadura por arco sumergido y posteriormente bajo el mismo procedimiento es soldada por la superficie externa. Seguidamente se somete a una expansión mecánica que busca acercar esta sección lo más posible a una forma circular uniforme. Cada tramo fabricado de la tubería debe ser luego probado hidrostáticamente y la soldadura debe ser inspeccionada con un equipo ultrasonido para soldaduras. Este tipo de tubería es normalmente usado en diámetros mayores a 16 pulgadas. El enrollado de las planchas y láminas pueden alcanzar los niveles de tolerancia exigidos por la Norma API 5L y entre sus características está el requerir menor cantidad de soldadura por metro lineal de tubería producida. Entre los aspectos críticos del control de calidad de tuberías fabricadas bajo este proceso están la potencial ovalidad de la sección transversal, y la rectitud de los tramos. 3.2 Tuberías con costura helicoidal La tubería con costura helicoidal por arco sumergido (SAWH) es fabricada a partir de bobinas. Estas bobinas son desenrolladas y procesadas en un cortador para luego ser desenrolladas con un ángulo específico de manera que se forme una espiral. La costura en espiral es soldada por arco sumergido automáticamente y en forma continua tanto por el interior como por el exterior. La tubería es luego cortada en el largo especificado con una máquina cortadora para luego ser sometida a inspección con rayos X y ultrasonido, que garantizan la consistencia y la calidad de la soldadura. Las empresas fabricantes de tubería SAWH que tienen mayor avance tecnológico usan un proceso de mayor rendimiento y confiabilidad conocido como 2-step o 2-pasos. Las tuberías con costura helicoidal están disponibles en cualquier diámetro a partir de 12 pulgadas en adelante, aunque por razones prácticas se recomiendan para diámetros mayores a 16. Este proceso de fabricación y su geometría implica que se requiera mayor cantidad de soldadura por metro lineal de tubería producida, de allí el uso de inspecciones automáticas por ultrasonido que actualmente se lleva a cabo en la mayoría de las plantas que producen este tipo de tuberías, garantizando la calidad de estos cordones. El proceso de soldadura por arco sumergido (SAWH) proporciona una soldadura con mayor penetración, uniforme, limpia 2011 Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 5 de13

6 y sin poros. Estas características han permitido que este tipo de tuberías sean ampliamente usadas para procesos de petróleo, gas y agua a presiones bajas, media y altas Limitaciones en la fabricación de la tubería con costura helicoidal La tubería helicoidal puede ser fabricada entre un cierto rango de diámetro, esto debido en gran parte al espesor de la lámina, ya que para el proceso utilizado en la soldadura no es recomendable la unión de placas entre juntas menores a 5 mm. La mayoría de las máquinas formadoras de tuberías helicoidales no tiene la capacidad de doblar y curvar láminas de grandes espesores además, el ancho de la bobina limita en parte su construcción, ya que un ancho menor al adecuado produciría un número excesivo de espiras que la hacen económicamente poco competitiva dada la gran cantidad de soldadura que habría que realizarse Método de fabricación de la tubería con costura helicoidal Reseñaremos en esta parte los pasos y etapas que intervienen en el proceso de fabricación de la tubería helicoidal. (Ver Figura 1A) Etapa 1. Almacenaje de las Bobinas: Es la etapa previa al proceso de formación, el cual consiste en realizar la recepción de la materia prima, la cual debe ser verificada e identificada por el departamento de control de calidad el cual realiza los ensayos respectivos con el fin de determinar si cumple o no con los requerimientos establecidos en la normativa API 5L 2007 / ISO Etapa 2. Corte y Preparación de Cola de Bobina: Este procedimiento consiste en cortar una pequeña sección del principio de la bobina, en caso de que presentara un ancho irregular, menor al ancho de toda la bobina. Etapa 3. Carga de la Bobina en la Máquina formadora: Por medio de un puente grúa la bobina de acero es llevada desde su sitio de almacenaje hasta la máquina formadora de tubos para dar comienzo al proceso de fabricación como tal. Etapa 4. Desbobinado: aquí la bobina de acero es alineada y soldada a la lámina de la bobina anterior para darle continuidad al proceso. Etapa 5. Corte y Preparación de los Bordes Laterales de la Banda: En esta etapa la máquina corta los bordes de la lámina con discos de acero. Luego con la utilización de fresadoras, una en cada lado, se rectifican los bordes, dejando la superficie de esta totalmente lisa y sin desperfectos con la finalidad de que las juntas queden niveladas y unidas, y así evitar que una lámina se monte encima de la otra y provoque defectos en la tubería durante el proceso de soldadura. Etapa 6. Aplanamiento: En esta etapa se logra la homogeneidad del espesor en toda la lámina. El sistema de aplanamiento también produce la fuerza de tracción que hala la lámina para desenrollar la bobina y es la que ejerce los esfuerzos para el curvado y así conformar la tubería Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 6 de13

7 Etapa 7. Conformación Helicoidal del Tubo: Por medio de rodillos ubicados en la máquina, la lámina es doblada y curveada adquiriendo la forma y el diámetro especificado. En esta parte es necesario establecer y vigilar algunos parámetros para el éxito del proceso como son: El ángulo de entrada de la lámina a los rodillos (α), la separación de los rodillos, el ancho de la lámina, el diámetro a conformar y la velocidad de conformado, todas estas variantes íntimamente relacionadas entre sí. Etapa 8. Soldadura Interior y Exterior SAW: Cuando los dos bordes se encuentran y producen la junta se aplica la primera fase de la soldadura o la soldadura interna para unir las láminas y darle forma al tubo, luego de unir las juntas internamente se aplica la segunda fase; la soldadura externa por encima del tubo conformado. Cabe destacar que el proceso empleado en la soldadura es la de arco sumergido, la cual consiste en esparcir el fundente encima del electrodo y lograr que la soldadura se realice por debajo de esta (Ver Figura 2). Etapa 9. Corte del Tubo: Luego de alcanzar la longitud deseada, se procede a cortar el tubo para luego ser trasladado por rodillos motorizados hacia las zonas de control de calidad. Etapa 10. Limpieza Interior del Tubo e Inspección Visual: Luego de ser retirado del bastidor de salida de tubos, la tubería es limpiada para retirarle el fundente que no reaccionó y las escorias, para luego pasar a la zona de inspección visual en donde inspectores calificados evalúan cuidadosamente el cordón de soldadura con el fin de hallar defectos superficiales en éste. Cualquier hallazgo es reportado y documentado siguiendo los lineamientos de la norma; este examen se aplica tanto interna como externamente. Etapa 11. Inspección con Fluoroscopía y por Radiografía: Estas inspecciones tienen por finalidad detectar defectos internos de soldadura en el cordón utilizando rayos X o Gamma para su detección. En el caso de la fluoroscopía, (cuyo uso ha ido desapareciendo y siendo sustituido por Ultrasonido Continuo) la tubería es introducida en una cámara, en donde se le expone a rayos gamma monitoreados desde una cabina remota en donde el operador observa los posibles defectos y su ubicación. Para el examen Radiográfico (rayos X) es necesaria la obtención de placas para la mejor detección de los defectos observados en el examen de fluoroscopía de allí que esta técnica sea más rigurosa y costosa que el examen fluoroscópico.( Ver Figura 3 ) Etapa 12. Reparación y Biselado: En esta etapa se reparan los eventuales defectos que se pudieran haber encontrado en los exámenes anteriores. Luego de ello los extremos del tubo son sometidos a un maquinado utilizando una máquina biseladora, que crea un bisel en cada lado que permitirá la soldadura al unir tubo con tubo en campo.. Etapa 13. Prueba Hidrostática: En esta última etapa la tubería es colocada en un banco de prueba, en donde se le inyecta agua a una presión establecida dentro de la tubería por un tiempo determinado para verificar su resistencia de acuerdo a la norma. En referencia al proceso 2-step o dos pasos, la figura 1B muestra un esquema de planta mostrando los pasos del proceso Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 7 de13

8 4. RESULTADOS Como parte de este informe, a continuación se muestra unos ejemplos de cálculo de las presiones para tuberías en cuatro diámetros ejemplo (28, 32, 36, 42 ) utilizando tubería SAWH grado X70 según API 5L 2007 / ISO Cálculos según la norma ASME B.31.4 En la tabla 1 se muestran los valores de la presión máxima permisible calculadas en diámetros de tubería de 28,32, 36 y 42 para diferentes espesores de pared que conforman un sistema de transferencia de petróleo, y en este caso, con la propuesta de utilizar tubería con costura soldada en espiral en material X70. La máxima presión permisible de trabajo (MAWP), se calcula en función de los espesores de la especificación de materiales, mediante el siguiente procedimiento: Se determina el esfuerzo admisible por la tubería según el material seleccionado, utilizando la ecuación: S= 0.72 x E x SMYS, Psi (MPa) (1) Donde: S: Esfuerzo admisible E: Factor de unión helicoidal por SAWH (1.00) SMYS: Mínimo esfuerzo de fluencia especificado = psi (482 MPa) Al sustituir los valores correspondientes para la tubería de API 5L X70 en la ecuación (1) se obtuvo un valor de esfuerzo admisible: S = psi (347 MPa). Una vez obtenido el esfuerzo admisible de la tubería se procede a calcular la MAWP en función de los espesores de pared, según la ecuación (2) establecida en el ASME B.31.4: t: Espesor de pared (pulgadas) P: Presión permisible de trabajo (psi) D: Diámetro externo de la tubería (pulgadas). S: Esfuerzo admisible (psi) P= 2xSx t/d (2) Los espesores seleccionados para el sistema de tuberías fabricados con tubería de acero API 5L-X70 con costura helicoidal, cumplen con los valores mínimos permisibles por la norma ASME B 31.4 según los cálculos, lo cual garantiza que las tuberías seleccionadas soportarán la presión de diseño aún después de sometidas a desgaste por corrosión en servicio. 4.2 Requisitos de Materiales La composición química del acero usado para la fabricación de la tubería helicoidal debe ser conforme a lo establecido en la tabla para el acero API 5L X70-PSL2. La norma API 5L cubre el nivel de calidad o de especificación del tubo fabricado con costura helicoidal SAWH para este tipo de servicio Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 8 de13

9 4.3 Calidad de la soldadura helicoidal o en espiral. En la norma API 5L 2007 / ISO 3183 se puede observar que la soldadura en espiral tiene requerimientos técnicos similares y hasta más exigentes que la tubería soldada longitudinalmente, en los siguientes aspectos: requisitos al carbono equivalente, resistencia a la tenacidad, resistencia a la fluencia máxima y mínima, y resistencia a la tracción máxima y mínima. Este tipo de tubería bajo esta especificación API 5L Grado X70 depende de las propiedades mecánicas y de los análisis químicos y microestructural de la soldadura. Cabe destacar, que el final de la lámina soldada en la tubería de costura helicoidal es adicionalmente inspeccionado mediante un examen radiológico, lo cual garantiza su calidad. 4.4 Pruebas de ensayos Prueba hidrostática Cada tubo con costura helicoidal debe ser probado hidrostáticamente, de acuerdo a lo establecido en la ISO ó API 5L Prueba de impacto Charpy V La obtención de las probetas y metodología de prueba, así como los criterios de evaluación deben ser realizados conforme a ISO Pruebas de tensión. 5. ANALISIS Las pruebas de tensión en producción como se indica en las especificaciones API 5L, deben cumplir con las propiedades mecánicas para el grado X70 correspondientes al PSL 2. Asimismo, las pruebas deben estar acordes con ASTM-A-370. Al realizar un análisis de la tubería de acero de alta resistencia con cordón helicoidal (SAWH) fabricado por el proceso de soldadura automático por arco sumergido se tiene al menos un pase que es realizado en el lado interno y otro en el lado externo, lo cual garantiza: Mayor resistencia: Las presiones internas tiene un área mayor de cordón sobre las cuales distribuirse en los casos de soldadura en espiral, a mayor área (como es el caso de la soldadura helicoidal) e igual presión, las cargas resultantes son menores Circunferencia uniforme: El doble cordón de soldadura alrededor de toda la circunferencia del tubo produce un efecto de refuerzo y uniformidad que aumenta rigidez y resistencia a las presiones internas y externas. Espesor uniforme: La uniformidad de espesor en el rollo de acero lo permite Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 9 de13

10 Tubos totalmente rectos con costuras uniformes: Ningún tubo producido bajo el sistema de soldadura de doble arco sumergido se arqueará dada la geometría del cordón de soldadura. Longitud ilimitada: Se fabrica de manera continua y automática. La producción no se limita al largo de placa o a la longitud del rollo como es el caso de la soldadura longitudinal 6. CONCLUSIONES El proceso de fabricación de tubería helicoidal o espiral SAWH es el más eficiente en diámetros grandes, asegurando la competitividad de su uso. Por otra parte, la vieja idea de que una tubería soldada en espiral es de menor calidad que una sin soldadura longitudinal ha desaparecido por no tener fundamento técnico alguno. La ventaja principal de este tipo de costura SAWH es que la soldadura penetra en el 100% de la pared del tubo, produciendo una fusión completa de las placas de acero, por lo que permite que ésta sea la mejor opción de tubería para conducción de líquidos y como elemento estructural. El uso de inspecciones automáticas por ultrasonido implementados en numerosas plantas de tubería SAWH ha mejorado notablemente el control de los procesos de soldadura en espiral y por ende los costos de producción en comparación con el proceso de soldadura longitudinal. Todas las soldaduras se garantizan por ser efectuadas con procedimientos y soldadores calificados de acuerdo a API 1104, la Sección IX del Código ASME y otras normas aplicables. Los espesores y diámetros seleccionados en este informe para el sistema de tuberías fabricados con tubería de acero API 5L-X70 con costura helicoidal, cumplen con los valores mínimos permisibles por la norma ASME B 31.4 según los cálculos, lo cual garantiza que las tuberías seleccionadas soportarán la presión de diseño y adicional desgaste por corrosión en servicio. La tubería de acero con costura helicoidal (SAWH), cumple con los requisitos de lo establecido en las normas aplicables para la construcción de oleoductos y gasoductos. En el ejemplo mostrado en este reporte, se verificó los valores de MAWP para un tendido de las siguientes características: 1. Diámetro entre pulgadas, 2. Acero al carbono API 5L Grado X-70, PSL2 y 3. Espesores entre ( mm). Asimismo, estos diámetros y espesores de tubería serán capaces de operar dentro de los rangos de seguridad establecidos a una presión máxima permisible (MAWP) en el rango de psi (11.36 MPa) 2700 psi (18.59 Mpa) de acuerdo a la norma ASME B31.4 Tuberías de Transporte de Hidrocarburos Líquidos y Otros Líquidos, considerando un factor de diseño de Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 10 de13

11 7. ANEXOS 7.1 Tabla 1: Valores de la presión máxima permisible calculadas según ASME B " (17.47 mm) Tabla 1 Espesores de lámina requeridos (pulgadas/mm).750".812".938" (19.05 mm) (20.62 mm) (23.83 mm) 1.000" (25.40 mm) OD 28" 2476 psi/17.04 MPa 2700psi/18.59 MPa " 2167 psi/14.92 MPa 2362psi/16.26 MPa 2557 psi/17.60 MPa " 1926 psi/13.26 MPa 2100psi/14.46 MPa 2273 psi/15.65 MPa 2626psi/18.08 MPa - 42" 1651 psi/11.36 MPa 1800psi/12.39 MPa 1948 psi/13.41 MPa 2251psi/15.49 MPa 2400psi/16.52 MPa 7.2 Tabla 2: Composición química Grado X-70 Elemento Porcentaje C máx. S máx. Mn máx. Cu máx. Si 0.25 a 0.45 P máx. Microaleantes máx. (Nb+V+Ti) 1A. Procedimiento tradicional 1B. Procedimiento 2-Step Figura 1: Representación gráfica de los procesos de manufactura de la tubería helicoidal 2011 Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 11 de13

12 Figura 2: Esquema del proceso de soldadura en la manufactura de la tubería helicoidal. 1) Formado por una costura de soldadura. 2) Combinando dos cordones por el proceso de arco sumergido (los dos procesos se realizan de forma continua). Figura 3: Imagen metalográfica de una sección soldada de un tubo helicoidal 2011 Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 12 de13

13 8. REFERENCIAS ANSI/API Spec 5L 2007 /ISO Especificación para Tubería de Línea. ASTM A370- Ensayos mecánicos de productos de acero, Anexo II- Productos tubulares de acero. API Criterios de Inspección de Soldadura de tuberías de líneas. ISO Tubería de acero para sistemas de transportación en la Industria del petróleo y gas. ASME B31.4- Tuberías de Transporte de Hidrocarburos Líquidos y Otros Líquidos. Experiencias en el uso de tubería helicoidal. MARAVEN, S.A., Lagunillas, Venezuela, API 577- Inspección de Soldadura y Metalurgia Zulia Consulting Inc, Houston, Texas Pagina 13 de13