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Condiciones de Operacin

Adems de los esfuerzos mecnicos a los que son sometidos los componentes yestructuras soldadas aparecen condiciones de operacin que obligan en el diseo delas uniones soldadas y, por su puesto, de los materiales base a unir a considerarlmites estructurales adicionales o bajo conceptos de rotura diferentes a los utilizadosen las consideraciones de diseo mecnico generales tanto en lo referente a esfuerzosestticos como dinmicos. Bajo tales consideraciones es necesario aplicar tcnicas declculo y propiedades del material particulares o inherentes a la condicin de operacinpredominante y que puede conducir al colapso del elemento estructural. La Figura 13de la diapositiva 4 de la presentacin muestra esquemticamente cuales son lascondiciones de operacin ms importantes a las que se ven sometidas una gran partede los componentes y estructuras soldadas.

Diseo para condiciones de baja temperatura

Una condicin de diseo caracterstica de bajas temperaturas es la construccin decomponentes criognicos es decir aquellos destinados a almacenar, retener,transportar u operar fluidos o compuestos a muy baja temperatura como es el caso deoxgeno lquido, nitrgeno lquido por ejemplo. En tales casos las temperaturas puedenestar por debajo de 100C. Pero tambin existen otros casos donde componentes yestructuras pueden ser considerados como operando a bajas temperaturas, tal es elcaso de la retencin o contencin de algunos gases comprimidos o de las estructurasde plataformas petroleras fuera de costa (off-short) as como todo componente uestructura. Operando en condiciones climticas de varios grados bajo cero. En sntesisel diseo a baja temperatura corresponde a aquellos casos donde la temperatura deoperacin es lo suficientemente baja como para considerar como principal modo defalla el riesgo a la fractura frgil o el colapso abrupto del componente o estructurasoldada. Consecuentemente, en el lmite estructural para el diseo aparece como unelemento central la tenacidad del material o ms genricamente la tenacidad a lafractura, definiendo esta propiedad del material como la resistencia del mismo a lapropagacin de una grieta o fisura. La propiedad de tenacidad de una manera simplepuede ser obtenida por medio de ensayos de flexin por impacto o Charpy-V (Cv) ymedida en trminos de energa en julios (J). Estos ensayos pueden ser realizados porejemplo siguiendo los lineamientos de la norma ASTM E-23.Una forma de presentacinde los resultados de tenacidad en trminos de energa de impacto Cv, para el caso deaceros ferrticos estructurales, es mediante la denominada curva de transicin ductil-frgil representada como energa de impacto en funcin de la temperatura, tal como sepuede observar en la figura 14.

Fractura dctil

Fractura Frgil

Zona de transicindctil- frgil

Energa,

( J)

Temperatura, T (C)Tt

Figura 14. Curva Charpy-V, Cv-

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Por medio de la curva de transicin se puede definir una temperatura caractersticapara ser utilizada como un lmite de diseo o temperatura de referencia que es ladenominada temperatura de transicin (Tr). Existen formas diferentes de definir dichatemperatura , por ejemplo la temperatura en la curva de transicin correspondiente alnivel de energa de impacto donde se observa, a nivel macroscpico, en la superficiede fractura de la probeta Charpy-V 50% de fractura dctil y 50 % de fractura frgil.Tambin puede estar definida con un determinado nivel de energa de impacto sobre lacurva de transicin, por ejemplo la temperatura correspondiente a un nivel de energade 40J. Esta ltima forma es una de las ms utilizadas por diferentes cdigosconstructivos y de diseo (ASME,BSI, API, etc.) . Tambin para aquellos casos dondese pretende garantizar un determinado nivel de tenacidad se suele especificar unmnimo nivel de energa de impacto a determinada temperatura, por ejemplo: 27J a0C.En conclusin Tr representa un lmite tanto para material base y metal de soldadura ascomo zona afectada trmicamente(ZAC), asociado con un mnimo nivel de energa deimpacto, donde la temperatura de servicio (Ts) del componente deber ser mayor a lamisma (Ts > Tr). Consecuentemente cuanto ms baja sea la temperatura Ts mayornivel de tenacidad y ms baja temperatura Tr deber tener como propiedad tanto elmaterial base seleccionado como el metal de aporte correspondiente para el diseo dela unin soldada. Es por ello que en aplicaciones criognicas(ej. nitrgeno lquido) esfrecuente el uso de aceros inoxidables austenticos (AISI 304L, 316L etc) o aleacionesaustenticas de base nquel(Inconel, etc.) que presentan niveles elevados de tenacidady no manifiestan el fenmeno de transicin como los aceros ferrticos.Es importante sealar que la metodologa de evaluacin de la tenacidad no solamentese realiza por medio de ensayos Charpy-V sino tambin aplicando tcnicas de macnicade la fractura, utilizando parmetros que representa dicha propiedad del material atravs de parmetros como Kic, J o CTOD.

Diseo para alta temperatura

El diseo a alta temperatura puede ser definido para el caso de aceros estructuralescuando la temperatura de servicio es mayor a 300C, pero especficamente remite atemperaturas por encima de las cuales aparece un cambio importante de la tensin defluencia del material.Debemos distinguir dos casos diferenciados del diseo a alta temperatura: en rgimenno permanente y en rgimen permanente.El diseo de alta temperatura en rgimen no permanente implica que el materialestar bajo condiciones de operacin de alta temperatura de manera intermitente oespordica. Para tales casos y frente a esfuerzos de naturaleza esttica el lmiteestructural es la tensin admisible correspondiente a la temperatura de servicioprevista, hecho que es consecuente con la variacin de la tensin de fluencia delmaterial con la temperatura. Este lmite del material se reduce en la medida que seincrementa la temperatura a la cual el mismo es sometido, tal como es posibleobservar en la figura 15.En cambio cuando el material se encuentra en rgimen permanente a alta temperaturael mismo esta sometido a condiciones del proceso creep. Este proceso se lo definecomo la progresiva deformacin del material a tensin o carga constante.Bajo estas condiciones no es posible efectuar un diseo de componentes a prueba defalla de creep. De esta forma el diseo considera una vida predeterminada fijadageneralmente en unidad de tiempo (horas) como vida de diseo. Es probable quedespus de un determinado tiempo en servicio el material tenga una expectativa de

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vida o vida remanente mayor a la de diseo para lo cual ser necesario efectuar unprograma de evaluacin particular. El proceso creep puede ser esquematizado como loindica la Figura 16(a)en la cual se pueden apreciar tres zonas netamente diferenciadas.

En la zona denominada primaria la deformacin a carga constante ocurre a unavelocidad alta al igual que en la zona terciaria donde tienen lugar el mecanismo derotura final del material por creep. La zona secundaria es la de inters desde el puntode vista del diseo en ingeniera y donde es posible observar la mnima velocidad dedeformacin. El mecanismo que explica el comportamiento creep del material sevincula con la deformacin plstica a alta temperatura donde aparecen sobre el finalde la zona 2 y en la zona 3 microhuecos que se ubican con preferencia en los bordesde grano del material, produciendo el proceso la unin de stos (cavitacin de bordede grano) formando microfisuras que luego propagarn hasta alcanzar el colapso delmismo.El ensayo de creep para determinar las propiedades del material consiste en aplicaruna carga constante a una probeta de traccin a una temperatura tambin constante yluego determinar el alargamiento de la probeta en funcin del tiempo(Figura 16a). Sinembargo los ensayos en la forma de tensin a la rotura, donde se determina el tiempoa la rotura para una carga de ensayo(constante) y a diferentes temperaturasconstantes, es la forma ms importante de representacin del proceso creep a fin depredecir y fijar los lmites estructurales de diseo. La representacin tensin tiempode rotura al creep se observa tambin en la figura 16 (b). Un mtodo muy utilizado porlos cdigos (ej. API 530) para extrapolar datos de vida al creep y fijar la tensinadmisible de creep, para una cierta vida de diseo (ej. 100.000 horas) y temperaturade operacin, es la aplicacin del parmetro de Larson-Miller:

LM =T(C + log t) (7)

Donde T= temperatura en K, t= tiempo en horasC= constante usualmente entra 10 y 30 de acuerdo con el tipo de material.

De esta forma fijada la constante, el tiempo y la temperatura de diseo se calcula porla Ec. 7 el parmetro de Larson- Miller y entrando con dicho valor en curvasestandarizadas LM vs. tensin de rotura admisible al creep se determina dicha tensinpara las condiciones prefijadas de diseo.

Tensin de fluencia

Lmite 0,2

Temperatura (C)

Tensin,

(MPa

Figura 15. Variacin de la tensin de fluencia con la temperatura

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Medio corrosivo.

En este caso el diseo de la unin soldada est vinculado a la seleccin tanto de losmateriales base y consumibles con una composicin qumica que permita la adecuadaresistencia al ataque corrosivo particularmente corrosin generalizada , picado,resistencia a la intemperie, etc. No obstante los cdigos de diseo y construccinpreveen para el clculo de espesores un sobreespesor por prdida de material en eltiempo(medida en g/ao o kg/ao) debido a la corrosin. Por ejemplo en el caso declculo de espesor segn Ec.(2) se le debe agregar un sobreespesor por corrosincuando sea una condicin de diseo.

Otro caso particular es la presencia de corrosin bajo tensiones donde adems de laseleccin de materiales resistentes a este modo de corrosin se debe considerar unumbral de tensin aplicada por encima del cual tiene lugar el proceso. Este aspecto,vinculando con la mecnica de la fractura, se traduce en el parmetro denominadoKISCC que representa la resistencia del material a la propagacin de una fisura bajocondiciones de corrosin bajo tensiones. El proceso de corrosin bajo tensionesrequiere de tres elementos bsicos: material susceptible, presencia de tensiones yaparicin de fisuras.

Desgaste

Los mecanismos de desgaste ms comunes son: rozamiento intermetlico, abrasin,erosin y cavitacin, en consecuencia para obtener un diseo de unin soldadaresistente a alguna de estas condiciones de operacin es necesario realizar unaadecuada seleccin del material de aporte en funcin de la composicin qumica.Los parmetros o caractersticas de diseo se mieden en ralacin a la dureza o a lamicroestructura resultante caracterstica.Como ejemplo podemos dar el caso de la pala de una topadora donde requerimos unaporte de terminacin(recargue duro) en la unin soldada del borde de ataque de lapala al resto de la misma(junta a tope longitudinal), realizadas en un acero de altaresistencia , y de las uas as como la proteccin por recargue duro en las mismas.Para este ejemplo el aporte de proteccin debe ser resistente al desagaste porabrasin severa, con lo cual es necessario seleccionar un depsito de soldadura conuna dureza de 52- 55HRc y una micrestructura de matriz martenstica con carburos deCr y/o W.

PRIMARIO

I

SECUNDARIO

IITERCIARIO

III

Fractura

Mnima velocidad de creep /dt

Tensin constante

Deformacin,

Tiempo, t

Temperatura= constante

Figura 16. Representacin de un proceso

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Aspectos Metalrgico

Este aspecto del diseo de las uniones soldadas esta vinculado de manera directa conla integridad estructural de las mismas. Bsicamente se encuentra ligado a evitar elriesgo de fisuracin. Este tipo de defectos de alta peligrosidad y que son motivo derechazo por parte de los cdigos de diseo y construccin puede aparecer durante enproceso de soldadura como:

- Fisuracin en fro asistida por hidrgeno(tanto en ZAC como en metal desoldadura)

- Fisuracin en caliente (principalmente en metal de soldadura)- Fisuras por desgarre laminar- Fisuras de fragilizacin por revenido ( como consecuencia de la condicin de

operacin a alta temperatura)

Todos estos aspectos han sido desarrollados y visto la forma de evitarlos en el Captulocorrespondiente a Metalrgia de la Soldadura y Soldabilidad por lo que no sernrepetidos en esta parte. La Figura 17 de la diapositiva 5 muestraesquemticamente los mismos.El Apndice A sirve como gua para establecer una de las formas de prevenir lafisuracin en fro a travs de la aplicacin de precalentamiento como parte del diseode la unin soldada.

DISEO DE FILETES

El diseo de las juntas a filete constituye un captulo fundamental en el diseo yclculo de estructuras soldadas. A diferencia de lo evaluado para las denominadasjuntas a tope, donde las condiciones para el diseo mecnico de stas se encuentranimplcitas en el clculo de los componentes o partes estructurales que constituye laestructura soldada, la soldadura de filete tiene su particular criterio para el clculo.Desde luego que la metodologa de diseo para filetes se encuentra en un todo deacuerdo con los criterios bsicos del clculo estructural basado en la teora defluencia.La evaluacin de las tensiones en una junta de filete es compleja pero resultaaceptable para los clculos y comprobado desde el punto de vista emprico o prcticoconsiderar como tensin sobre el rea resistente del filete a la tensin de corte en elsentido longitudinal del mismo. Esta definicin de calcular el filete con dicha tensin esindependiente de la direccin y sentido de los esfuerzos actuantes sobre el mismo. Afin de comprender mejor esta simplificacin debemos definir una seccin resistente delfilete. Ella es definida como el lugar geomtrico en la forma de rea comprendida entrela llamada garganta terica y el largo del filete tal como se observa en la figura 18.

A fin de establecer la frmula bsica para el clculo del filete supongamos que en launin de filete esquematizada en la Figura 18 se aplica una carga de traccin (P) en ladireccin longitudinal del filete de largo lw y garganta a, luego:

P/ lw a = F

P/ lw= W = carga por unidad de longitud de soldadura en filete

M

donde F es la tensin admisible, que de acuerdo con la definicin en prrafosanteriores, corresponde a la tensin admisible de corte (a) y lw a es el rea o seccinresistente del filete. La tensin admisible es fijada, por ejemplo, para el CdigoEstructural AWS D1.1 como 0,30 de la resistencia a la traccin nominal del metal deaporte a utilizar en la soldadura.

En relacin con lo descripto el filete puede ser calculado utilizando dos alternativas: (1)prefijar la dimensin de la garganta (a) y calcular el largo (lw) del mismo, (2) prefijar lwy calcular la garganta (a). Para el caso de esfuerzos de flexin a fin de calcular la cargaactuante sobre la soldadura en relacin con el momento aplicado sobre la seccinespecfica, del armado de soldadura con filete, el cmputo del momento de inerciaconsidera a las soldaduras como lneas. Veamos un ejemplo de clculo:

c= a / 0,707

Figura 18. Dimensiones tericas del filete y seccin

Garganta Terica

a

Cateto tericoc

lw

a

Seccin Resistente P Calcular el tamao del cateto para la soldadura de filete

P= 100000 N (10 ton)

Largo total de la soldadura de filete: lw = lw1 + lw2 + lw3 + lw4 = 220mm

Electrodo para efectuar la soldadura por proceso manual : E7018

W= P/lw = 100000/ 220 = 454,5 N/mm

Tensin admisible a = 0,30 490N/mm2 = 129N/mm2

a = W/a = 3,5mm c = 3,5/0,707= 4,95mm (5mm)aterial de Lectura de la Unidad Diseo de Juntas 6

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Una vez ejecutada la soldadura de filete el perfil del mismo queda modificado respectodel terico. En tal sentido la Figura 19 muestra los dos perfiles tpicos de filete unoconvexo y otro cncavo. Por lo tanto podemos definir la garganta efectiva como lamnima distancia entre la raz de junta y la cara de la soldadura. Los cdigosestructurales establecen control sobre estos aspectos geomtricos del filete. En elcontrol geomtrico del filete se utilizan plantillas goniomtricas usualmente llamadascatetmetros, que permiten controlar en filetes terminados el tamao del cateto. Otroaspecto importante es controlar la penetracin del filete o fusin del vrtice as comola fusin sobre los lados del filete, esto se puede realizar con cupones de trabajo o enuna calificacin por medio de una seccin de filete con preparacin macrogrfica. Enlos cdigos, como AWSD1.1, se debe verificar una compatibilidad entre el tamao decateto calculado y el espesor del metal base debiendo en caso de ser necesario ajustarel tamao al mnimo requerido por el cdigo. Tambin puede tomarse como un criteriode diseo fijando el cateto mnimo requerido por cdigo y luego calculando el largo desoldadura de filete necesario. La Tabla 1 muestra el mnimo tamao de catetorequerido para filetes estructurales segn AWS D1.1.

ESPESOR MATERIAL BASE mm. TAMAO MINIMO DE CATETO mm.

t6.4 36.4t12.7 5

12.7t19.0 6

19.0 < t 8

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