Caeras de acero y alloysPablo Cofr Guerra, Ph.D.

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IntroduccinCaera es aquel ducto destinado a la conduccin de fluidos, sean stos gases, lquidos, slidos o pulpas. En nuestro medio distinguimos una caera (pipe) de un tubo (tube) fundamentalmente por sus medidas. La caera tiene un dimetro nominal que no corresponde ni al dimetro externo ni al interno. En cambio, el tubo tiene un dimetro nominal que coincide con el dimetro real externo. Hay tambin diferencias de espesor de pared. La caera, destinada a aplicaciones a mayor presin, tiende a ser ms gruesa que el tubo. Es tal la diversidad de usos de las caeras, que se fabrican con una diversidad de materiales, usando diferentes mtodos de fabricacin. Son sometidas a diferentes tratamientos trmicos, una vez terminadas, para lograr caractersticas adecuadas, de resistencia mecnica y resistencia a la corrosin, de ser stas propiedades requeridas por la aplicacin. Tambin son sometidas a diferentes ensayos para asegurar su calidad. De todos estos aspectos, se encargan las normas de fabricacin y de medidas, que existen en gran nmero y han sido estudiadas y escritas por diferentes instituciones, tales como ASTM (American Society for Testing and Materials), API (American Petroleum Institute), DIN (Deutsches Institut fr Normung), ANSI (American National Standards Institut). Restringiremos el tema a las caeras de acero (en sus diversos tipos) y aleaciones especiales ( aleaciones de nquel y de titanio), cubriendo los aspectos de mtodos de fabricacin, tratamientos trmicos, pruebas o ensayos y medidas, con sus tolerancias.

FabricacinLa caera con costura (soldada) se fabrica a partir de lminas angostas (flejes) en un proceso contnuo. El fleje es empujado longitudinalmente por una serie de rodillos laterales que lo van doblando gradualmente, hasta tomar la forma cilndrica, en que los bordes del fleje, quedan topndose. Estos bordes de tope, se unen mediante un proceso de soldadura contnua, cuya calidad es controlada simultneamente. La soldadura puede ser autgena o con aporte de material. En el primer caso se puede recurrir a una soldadura por resistencia elctrica ERW o a una soldadura por corriente inducida por alta frecuencia HFI. En el segundo caso se recurre a una soldadura al arco sumergido SAW, la que es especialmente apta para espesores mayores de pared. ......

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Fabricacin-Tratamiento trmico...... La caera ya soldada essometida a una eliminacin del exceso de soldadura por el exterior e interior. A veces el cordn de soldadura es forjado en fro para lograr un estructura cristalina y propiedades similares al resto de la caera.Luego se corta a la medida. Opcionalmete, la caera puede ser sometida a tratamiento trmico, decapado y acabado de superficie. La caera sin costura es fabricada por procedimientos totalmente diferentes. Bsicamente se comienza por fabricar un cuerpo cilndrico hueco mediante la accin de un mandril sobre una porcin cilndrica del acero(billet) previamente calentado al rojo, alojada dentro de un molde, hasta perforarlo(pierce). Luego este cuerpo hueco, siempre al rojo, es estirado(draw) empujndolo y con un mandril en su interior, a travs de un orificio de menor dimetro. Alternativamente puede ser sometido a la accin exterior, en caliente, de rodillos rotantes excntricos que reducen el dimetro de la caera que avanza y que rota sobre su eje, mientras que en su interior se mantiene un mandril para ajustar el dimetro interno(pilgering). Tambin puede usarse un proceso de extrusin en caliente. Para ciertos casos se opta por procesos de estirado o de pilgering en fro, los que conducen a obtener un mejor acabado de la superficie y una mayor precisin de las medidas y propiedades mecnicas mejores. Es necesario incluir etapas de enderezado para asegurar la linealidad de la caera. Luego se corta a la dimensin deseada. Opcionalmente se incluyen etapas de tratamiento trmico y de decapado.

Tratamiento trmicoCuando el proceso de fabricacin involucra un calentamiento del material a temperaturas altas, ya sea el total de la pieza(caeras sin costura) o en zonas localizadas(caera con costura), se produce un cambio estructural del metal que modifica tanto sus propiedades mecnicas como sus propiedades de resistencia a la corrosin. La norma especfica de una caera, diseada para una aplicacin particular, se preocupa de este especto, especificando el tratamiento trmico necesario segn el material. En general el tratamiento trmico combina a lo menos, las etapas de (1)calentamiento, (2)mantencin de la pieza a una temperatura y (3)enfriamiento. Dependiendo de la finalidad del tratamiento trmico varan tanto las temperaturas recomendadas para cada etapa como la duracin de cada etapa y muy importante en la etapa de enfriamiento, la velocidad de enfriamiento. Los tipos de tratamientos se conocen por nombres propios tales como: Recocido a disolucin (solution annealing): se calienta el material a una temperatura adecuada durante un tiempo adecuado para lograr que algunos componentes pasen a la disolucin slida, seguido de un enfriamiento rpido para que stos permanezcan en disolucin. Revenido (tempering): recalentamiento de un material previamente normalizado o endurecido y templado, a una temperatura inferior de la de transformacin y luego enfriado a una velocidad adecuada Normalizado (normalizing): calentamiento de un material a una temperatura superior a la de transformacin y enfriado al aire hasta un tempertura muy inferior a la de transformacin Templado (quenching): enfriamiento rpido Aliviado de tensiones (stress relieving): calentamiento a una temperatura apropiada, manteniendo por un tiempo suficiente para reducir las tensiones y luego enfriando lentamente para evitar tensionamiento. Envejecido (ageing): cambio en las propiedades de un material a temperatura ambiente o levemente elevada despus de un forjado en caliente, tratamiento trmico o forjado en fro. Puede a veces deberse a un cambio de fases(precipitacin).

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Pruebas y ensayosLas caeras son sometidas a una serie de pruebas y ensayos durante su proceso de fabricacin y una vez terminadas, segn sean las exigencias de la norma particular, orientada a un tipo de aplicacin puntual. Hay ciertas exigencias y pruebas bsicas que son comunes a muchas normas particulares, por lo que se resumen en una norma general (ASTM A530).

Pruebas mecnicasEl detalle y la descripcin de las pruebas mecnicas, se resumen en la norma ASTM A370. Cada norma particular especifica cules de estas pruebas son necesarias: * Pruebas de tensin: consiste en determinar el lmite elstico(cuando el material se deforma en un cierto %), la tensin de ruptura (cuando el material se rompe), la elongacin(% de alargamiento en el punto de ruptura) y la reduccin de rea(% de reduccin en el punto de ruptura). * Pruebas de flexin: determina la ductilidad del material frente a ensayos de doblado. * Pruebas de dureza: Determina la resistencia del material a la penetracin y puede correlacionarse con la tensin de ruptura. Escalas comunes son dureza Brinell(HB) y dureza Rockwell(HR) especificando la escala B o C ( ejemplo escala C se indica HRC). * Pruebas de impacto(Charpy V-notch): Para aceros que pierden la ductilidad a baja temperatura y se vuelven quebradizos. Puede especificarse valores mnimos requeridos de energa absorbida en el impacto(lateral), apariencia de la fractura, expansin lateral observada o una combinacin de stos a una temperatura especificada. Tambin puede requerirse ensayos en un rango de temperaturas, para determinar temperaturas de transicin a la cul se alcanza una determinada energa absorbida en el impacto o apariencia de la fractura. * Pruebas de manipulacin: Se relaciona con la ductilidad necesaria para las operaciones de fabricacin en que se utilizar el producto tubular. Estos ensayos son: prueba de aplastamiento, prueba de aplastamiento inverso, prueba de compresin, prueba de pestaado, prueba de rebordeado, prueba de doblado.

Prueba hidrostticaCada tira de caera es sometida a una prueba hidrosttica que produce en la pared una tensin no inferior al 60% del lmite elstico mnimo especificado para ese material (aceros al carbono y aceros aleados ferrticos) o 50% del lmite elstico mnimo especificado (aceros aleados austenticos). La presin hidrsttica aplicada y la tensin resultante se relacionan por la frmula de Barlow: P=2St/D en que P = presin hidrosttica (psi o Mpa) S = tensin en la pared de la caera (psi o Mpa) t = espesor de pared nominal (pulgadas o mm) D = dimetro externo (pulgadas o mm) Independientemente de los valores de presin hidrosttica calculados de la frmula de Barlow, rigen los siguientes lmites mximos de presin hidrosttica usados: 2500 psi (17.0 Mpa) para D 3.5 pulgadas

2800 psi (19.0 Mpa) para D > 3.5 pulgadas la caera es mantenida a la presin de prueba a lo menos 5 segundos sin que se produzcan fugas. La costura debe ser inspaccionada en toda su longitud. El cliente puede solicitar otros valores de presin de prueba y acordarlos con el fabricante.

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Otros ensayosEnsayo de composicinMuchas normas especifican el anlisis qumico del material de la colada para asegurar al cliente que el acero est dentro de la norma en cuanto a composicin. El nmero de muestras por lote a analizar est explcitamente establecido.

Ensayo de tamao de granoEl tamao de grano se determina por observacin al microscopio de una muestra debidamente pulida y atacada, con una disolucin corrosiva adecuada, del acero o aleacin. El tamao de grano determina una serie de propiedades mecnicas de resistencia del material (resistencia a la fractura, resistencia a la fatiga), siendo a veces conveniente un tamao de grano fino y otras veces un tamao de grano grueso. El tamao de grano est ntimamente relacionado con el tratamiento trmico aplicado al material. Los detalles de ensayo y evaluacin de los resultados est descritos en la norma ASTM E112.

Ensayos no destructivosEn reemplazo de las pruebas hidrostticas puede recurrirse a ensayos con ultrasonido (se marca UT) para detectar fallas en la aleacin o ensayos por corrientes en remolino(se marca ET) para detectar discontinuidades en el metal. Estas pruebas se aplican despus de cada etapa de procesado mecnico de la caera, tratamiento trmico o enderezado. Un ensayo por rayos X de las costuras puede ser requerido por el usuario (se marca RT).

Medidas y toleranciasLas medidas de dimetro, espesor de pared y peso/metro de caeras en USA, han sido estandarizadas por la ANSI, existiendo dos tablas de medidas complementarias ANSI B 36.10 y ANSI B 36.19. Los dimetros externos en pulgadas son dimetros nominales(NPS), siendo el dimetro real siempre mayor que el NPS hasta NPS< 14. Los espesores de pared son expresados en un nmero arbitrario llamado Schedule (SCH), cuya equivalencia en pulgadas o mm vara segn el NPS de la caera. De este modo el espesor SCH 10 no es igual en caeras de pequeo dimetro que en caeras de mayor dimetro. Dentro de la norma general A530 se especifica tolerancias de peso de caeras(+10%, -3.5% hasta NPS 12; +10%, -5% sobre NPS 12), tolerancia de espesor de pared( + (15 - 20)%, - 12.5% segn NPS), variacin de dimetro interno( +0, - 1/16), variacin de dimetro externo( +(0.015 - 0.187), -0.031 segn NPS), variacin de longitud( + - 1/4),

Ensayo de corrosin intergranularLa norma ASTM A262 da los detalles de estos ensayos aplicados a aceros austenticos para determinar su susceptibilidad a la corrosin intergranular, mediante la accin de diversas soluciones corrosivas de ensayo (prctica A, B, C, E, F). Algunos ensayos permiten clasificar visualmente los resultados como aceptable o no-aceptable. Otros en cambio dan informacin cuantitativa en base a prdida de peso, que permite determinar la susceptibilidad relativa a la corrosin intergranular, de diferentes materiales.

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