Soldadura a tope versus soldadura por encaje versus accesorios de tubería roscados

Cada sistema de tuberías -, ya sea que transporte gas amargo a 300-bar, agua de refrigeración a 3 bar o ácido sulfúrico al 98%, depende de accesorios para cambiar de dirección, bifurcar, reducir o cerrar la línea. Los tres métodos de unión fundamentales son soldadura a tope (BW), soldadura a encaje (SW) y roscada (THD), regidos por dos estándares ASME fundamentales: B16.9 para accesorios soldados a tope (NPS 1/2–48) y B16.11 para accesorios soldados a tope y roscados (NPS 1/8–4).

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Elegir entre ellos no es una cuestión de preferencia - es una decisión con consecuencias directas para la integridad de la presión, el riesgo de fugas, la resistencia a la corrosión, el acceso de inspección, el costo de instalación y la carga de mantenimiento a largo plazo-. Sin embargo, es una decisión que muchas especificaciones de adquisiciones delegan en una nota de una-línea: "Accesorios según ASME B16.9 o B16.11". Esta guía explica lo que realmente significa esa nota, en un lenguaje que todos los ingenieros de diseño, instaladores de tuberías, gerentes de adquisiciones e inspectores de calidad y control de calidad pueden utilizar.

Tres tipos de accesorios de un vistazo

Accesorios para soldar a topeproporcionan la unión más fuerte, más inspeccionable y más resistente a la corrosión--, pero requieren soldadores capacitados y 100 % NDE en muchos servicios. Los accesorios para soldar son más rápidos de instalar, pero introducen una grieta interna y no se pueden radiografiar. Los accesorios roscados son los más rápidos y económicos, pero la mayoría de los códigos de tuberías los restringen a servicios de pequeño-diámetro, baja-presión y no-peligros.

Estándares ASME: B16.9 frente a B16.11

ASME B16.9 regula los accesorios para soldar a tope con clasificaciones de presión adaptadas al espesor de pared de la tubería correspondiente (no una clasificación independiente). ASME B16.11 regula los accesorios roscados y para soldadura por encaje con clasificaciones de presión{3}}temperatura independientes (Clase 2000/3000/6000 para roscado, 3000/6000/9000 para soldadura por encaje). El error más fácil en la adquisición de accesorios es pedir un accesorio para soldar a encaje Clase 3000 para un sistema de tuberías Sch 80 sin verificar que Sch 80 a la temperatura de diseño realmente tenga una clasificación de presión dentro de la Clase 3000 -. Los dos sistemas de clasificación no son intercambiables.

Accesorios para soldar a tope ASME B16.9 -

• Cubre accesorios forjados para soldadura a tope-fabricados en fábrica: codos, tes, reductores, tapas, extremos cortos de juntas traslapadas-, cruces - NPS 1/2 a 48
• El espesor de la pared del accesorio debe ser igual o superior al espesor de la pared del tubo correspondiente. Sin clase de presión separada - el accesorio hereda la clasificación de presión de la tubería según el código de tubería aplicable (ASME B31.1, B31.3, B31.4, B31.8)
• Preparación de los extremos: extremos biselados según ASME B16.25 (37,5 grados ± 2,5 grados de bisel, 1,6 mm ± 0,8 mm de cara de la raíz) a menos que se especifique lo contrario
• Material: fabricado a partir de tubería, placa, forjado o barra - el material debe cumplir con una especificación ASTM listada (A234, A403, A420, B366, etc.)
• Marcado: nombre del fabricante/marca registrada, grado del material, horario/pared, tamaño, estándar "B16.9"
• Tolerancias: dimensiones del centro-al-extremo, angularidad y falta-de-redondez, todo ello regido por las tablas B16.9; fundamental para el ajuste-en carretes prefabricados

ASME B16.11 - Conectores roscados y para soldar

• Cubre casquillos forjados-soldadura y accesorios roscados: codos, tes, cruces, acoplamientos, tapas, uniones, tapones, casquillos - NPS 1/8 a 4
• Clases de presión (soldadura por encaje): Clase 3000, 6000, 9000. El número de clase corresponde aproximadamente a la presión de trabajo en frío máxima permitida en psi para acero al carbono (por ejemplo, Clase 3000 ≈ 3000 psi a 100 grados F para A105 CS). Las clasificaciones disminuyen con la temperatura y con el material de aleación - consulte B16.11 Tablas I-1 y I-2.
• Clases de presión (roscada): Clase 2000, 3000, 6000 - una clase inferior a SW para el mismo tamaño debido a la concentración de tensión en la raíz de la rosca
• Profundidad del encaje: definida en B16.11 Tabla I-5. El espacio de 1,6 mm (1/16") entre el extremo del tubo y la parte inferior del casquillo es OBLIGATORIO: no toque el fondo del tubo. Este espacio se adapta a la expansión térmica durante la soldadura y evita que el tubo empuje contra el fondo del casquillo, lo que agrietaría la soldadura en ángulo al enfriarse.
• Material: forjado según las especificaciones ASTM enumeradas (A105, A182, A350, B564, etc.)
• Marcado: fabricante, calidad del material, clase de presión, tamaño, estándar "B16.11"

​​​​​​​Clasificación de presión

Una tubería de acero inoxidable Sch 40S a 200 grados (400 grados F) tiene una presión permitida completamente diferente a la de un accesorio para soldar a encaje Clase 3000 a la misma temperatura - aunque la convención dice "Sch 40S ≈ Clase 3000". Siempre verifique tanto la clasificación de presión de la tubería según ASME B31.3 como la clasificación de presión del accesorio según B16.11 Tabla I-1/I-2 a la temperatura de diseño para su grado de material específico. Gobierna el más bajo de los dos.

* Clasificaciones de presión de tubería calculadas según ASME B31.3 párrafo. 304.1.2 utilizando la tensión permitida para A312 TP316L a 200 grados (S=117 MPa / 17,0 ksi). Los valores reales dependen del margen de corrosión y de la tolerancia del espesor de pared del fabricante. El mensaje claro: para NPS 2 y menos, los accesorios roscados o de soldadura a encaje B16.11 a menudo limitan el MAWP del sistema antes que la tubería - especialmente para el acero inoxidable, donde la clasificación del accesorio disminuye más bruscamente con la temperatura que el acero al carbono.

La amenaza oculta - de las grietas de soldadura por encaje en los sistemas de acero inoxidable

El espacio de 1,6 mm (1/16") exigido por ASME B16.11 entre el extremo de la tubería y la parte inferior del casquillo crea una hendidura interna inevitable en cada junta soldada de casquillo. En tuberías de acero inoxidable y aleación de níquel que transportan fluidos que contienen cloro-, ácidos o biológicamente activos, esta grieta se convierte en un sitio de iniciación de la corrosión que ninguna soldadura especializada puede eliminar. Es la principal razón técnica por la que los ingenieros especifican la soldadura a tope sobre la soldadura de casquillo - a pesar del mayor costo de fabricación.

El mecanismo: el líquido estancado atrapado en la grieta pierde oxígeno en relación con el flujo total. La celda de concentración de oxígeno resultante impulsa el interior de la grieta de forma anódica, acelerando la disolución del metal. En las corrientes que contienen cloruro-, los iones de cloruro migran hacia la grieta para mantener la neutralidad de la carga, se hidrolizan a HCl y reducen el pH de la grieta a 1–2 - una celda autocatalítica clásica de corrosión de grietas.. 316Se ha documentado que las juntas soldadas a encaje L en líneas de enfriamiento de agua de mar perforan en la grieta a los 12 a 18 meses de servicio, mientras que las juntas soldadas a tope en el mismo sistema mostraron cero ataque.

Riesgo de grietas en soldaduras por encaje por material (de peor a mejor):

• 316L - Mayor riesgo. PREN 24–26; Corrosión en grietas a > 20 grados en equivalente de agua de mar
• Dúplex 2205 - Riesgo moderado. PREN 34–36; mejor que 316L pero fallas en grietas documentadas
• 904L / 254SMO - Menor riesgo. PREN 36–45; Adecuado para la mayoría del agua de refrigeración industrial, pero no inmune a los depósitos.
• Inconel 625 - Riesgo bajo. PREN Mayor o igual a 45; prácticamente inmune en agua de mar ambiental, pero es posible la corrosión en grietas por encima de 85 grados en cloruro acidificado
• Hastelloy C22 - Riesgo extremadamente bajo. PRE 65–70; CCT Mayor o igual a 60 grados en ASTM G48 Método C
• Hastelloy C276 - Riesgo muy bajo. Similar al C22; CCT mayor o igual a 55 grados

ECM e inspección: el espectáculo de la radiografía

Si su código de tuberías requiere algún tipo de examen radiográfico (RT), las uniones roscadas y de soldadura a encaje están excluidas del alcance de RT - y, para muchos servicios críticos, esta exclusión es la razón por la que los accesorios de soldadura a tope se especifican exclusivamente. Las uniones soldadas a encaje sólo pueden examinarse mediante métodos de superficie (MT/PT) e inspección visual, que no proporcionan información sobre la solidez interna de la soldadura. Las uniones roscadas no tienen soldadura para inspeccionar.

Requisitos de ASME B31.3 RT - Cuando BW se vuelve obligatorio:

Servicio de fluidos de categoría M (letal/tóxico): se requiere 100% RT de soldaduras a tope circunferenciales (B31.3 párrafo. 341.4.2). Las soldaduras a encaje generalmente están prohibidas en el servicio de Categoría M.

Servicio de fluidos de alta-presión (B31.3 Capítulo IX, > equivalente a ASME Clase 2500): 100 % RT o UT de todas las soldaduras a tope; Las soldaduras de encaje son limitadas y requieren una calificación especial.

Servicio de fluido normal - RT aleatoria: B31.3 párrafo. 341.4.1 especifica una RT aleatoria mínima del 5 % para soldaduras a tope circunferenciales. Soldaduras a encaje: solo MT/PT + VT.

Cyclic service (>7000 ciclos): B31.3 párrafo. 304.7.2 exige efectivamente BW para la vida útil de la fatiga - los dedos de filete de soldadura por encaje son sitios de iniciación de grietas por fatiga.

Condiciones cíclicas severas (definición de B31.3 párrafo. 300.2): Las soldaduras a encaje generalmente están prohibidas a menos que el perfil de filete esté rectificado y liso y se inspeccione el PT-.

Accesorios roscados - Cuándo usar, cuándo ejecutar

Conclusión: Los accesorios roscados tienen exactamente una aplicación defendible en las tuberías industriales modernas: diámetro pequeño-(menor o igual a NPS 2), servicios públicos no-peligrosos, baja-presión (menor o igual a 300), temperatura ambiente-servicios públicos donde el costo de un soldador y NDE es injustificable - aire comprimido, agua de refrigeración, tuberías de aire para instrumentos y drenaje. Para cualquier otro servicio, los códigos, las aseguradoras y la lección de la experiencia acumulada en la planta dicen: no roscar.

Por qué fallan los accesorios roscados

Concentración de tensión en la raíz de la rosca: la raíz de la rosca NPT en forma de V- crea un factor de concentración de tensión (Kt) de 3 a 5, dependiendo de la geometría y el material de la rosca. Bajo presión cíclica o carga térmica, las grietas por fatiga se inician en la raíz de la rosca y se propagan a través de la pared.

Excoriación de roscas en acero inoxidable: Los aceros inoxidables austeníticos (304, 316) son conocidos por excoriación - soldadura en frío entre superficies de rosca coincidentes bajo par de apriete. Un accesorio irritado no se puede desmontar y, a menudo, se atasca a la mitad del montaje, lo que requiere cortar y reemplazar toda la boquilla de la tubería. Las aleaciones de níquel son aún peores: Alloy 20, Monel 400 e Inconel 625 se irritan gravemente a menos que se apliquen meticulosamente compuestos antiagarrotamiento (¡nunca grafito sobre acero inoxidable!).

Corrosión por grietas en las raíces de las roscas: Es imposible sellar completamente la grieta en espiral del perfil de la rosca NPT. - La cinta y la pasta de PTFE reducen pero no eliminan la brecha. En el servicio con cloruro, las picaduras en la raíz de la rosca son el modo de falla dominante.

Degradación del sellador con la temperatura: la cinta de PTFE tiene una clasificación de 260 grados (500 grados F), pero pierde efectividad de sellado a temperaturas cíclicas debido a la relajación de la fluencia. Los selladores en pasta tienen diferentes compatibilidades químicas - el sellador que funciona con agua puede disolverse instantáneamente en el solvente del proceso.

Aflojamiento por vibración: las uniones roscadas en conexiones de equipos giratorios (bombas, compresores) se aflojan bajo la vibración a menos que se bloqueen-con cables o se suelden por puntos-después del ensamblaje -, momento en el que efectivamente habrá pagado los costos de los accesorios roscados Y soldados.

Comparación de costos - inicial versus ciclo de vida

Conclusión: Los accesorios roscados tienen el costo de instalación inicial más bajo. Los accesorios para soldar a tope tienen el costo total de propiedad más bajo en 20 años en cualquier servicio donde las fugas, la corrosión o el tiempo de inactividad tengan consecuencias financieras. El punto de cruce de costos se mueve antes (a favor de la soldadura a tope) a medida que aumenta el tamaño de la tubería, la presión, la temperatura o la clasificación de peligro.

Nota: El TCO depende-del escenario. El cuadro supone un servicio industrial de agua y productos químicos con paradas periódicas. En servicios de agua limpia, ambiental y de baja-presión, los accesorios roscados pueden ser los más económicos en términos de ciclo de vida. En cualquier servicio con consecuencias por fugas (H₂S, HF, ácido, vapor a alta-presión, fluidos inflamables), BW domina después del primer incidente evitado.

Especificaciones de acero inoxidable y aleación de níquel

Conclusión: Cuando el material del accesorio es acero inoxidable o aleación de níquel (no acero al carbono), el caso de la soldadura a tope se vuelve más fuerte - y el caso de la rosca más débil - debido a tres problemas específicos de la aleación-: (1) excoriación durante el ensamblaje de la rosca, (2) riesgo de sensibilización en HAZ de soldadura a encaje sin decapado post-soldadura y (3) mayor reducción de-las clasificaciones de presión de los accesorios B16.11 a temperaturas elevadas para aleaciones austeníticas en comparación con el acero al carbono.

Material-Requisitos de soldadura específicos para soldaduras por encaje

Preguntas frecuentes

Soldadura a tope (ASME B16.9): soldadura de ranura de penetración total-a los extremos de la tubería - más resistente, totalmente radiografiable y sin grietas-. Soldadura por encaje (ASME B16.11): la tubería se inserta en el encaje, se suelda en filete-en el cubo - más rápido, más barato, pero tiene grietas internas y no se puede RT. Roscado (ASME B16.11): se atornilla a roscas de tubería NPT - más rápido, sin soldadura, pero con la clasificación de presión más baja, el mayor riesgo de fugas y restringido por la mayoría de los códigos de tuberías para servicios peligrosos.

¿Cuándo debo utilizar accesorios soldados a tope en lugar de soldados a encaje?

Utilice soldadura a tope cuando se aplique cualquiera de estos: (1) tamaño de tubería > NPS 2, (2) presión superior al equivalente de Clase 3000, (3) el código requiere examen radiográfico, (4) el servicio es letal/tóxico/cíclico, (5) temperatura > 425 grados (800 grados F), (6) es esencial un interior libre de grietas (corrosión, CIP/SIP, pureza del producto), o (7) la especificación de la tubería prohíbe explícitamente las soldaduras a tope - como lo hacen muchas especificaciones EPC para servicios químicos, costa afuera y de alta-presión.

¿Se permiten accesorios roscados en el servicio de gas a alta-presión?

Generalmente no. ASME B31.3 prohíbe las uniones roscadas en servicios de fluidos de Categoría M (letales/tóxicos), y la mayoría de las especificaciones de EPC/propietarios prohíben roscas por encima de Clase 300 para servicios con gases inflamables o H₂S, a menos que las roscas estén selladas-soldadas después del ensamblaje. Incluso con un sello soldado, los accesorios roscados están limitados a NPS 2 y menos. Para gas a alta-presión, la soldadura a tope es el estándar; La soldadura por encaje es aceptable solo en aplicaciones específicas no-cíclicas y no-letales. Menor o igual a NPS 2.

¿Cuál es el problema de las grietas con los accesorios para soldar por encaje?

Cada junta soldada a encaje tiene un espacio obligatorio de 1,6 mm entre el extremo del tubo y la parte inferior del encaje (requerido por ASME B16.11 para la expansión térmica durante la soldadura). Esta brecha crea una grieta atrapada donde el fluido de proceso estancado puede concentrar especies corrosivas, iniciar picaduras, corrosión por grietas o corrosión influenciada microbiológicamente (MIC). En tuberías de acero inoxidable y aleaciones de níquel, esta grieta es la razón más común por la que los ingenieros especifican la soldadura a tope a pesar del mayor costo de fabricación. La grieta es inherente al diseño de soldadura por encaje - y no se puede eliminar mediante una mejor técnica de soldadura.

¿Se pueden radiografiar los accesorios soldados por encaje?

No. La geometría de la soldadura de filete de una unión soldada por encaje no permite una interpretación radiográfica significativa. ASME B31.3 especifica criterios de aceptación de RT para soldaduras a tope (Tabla 341.3.2) pero no proporciona criterios de RT para filetes de soldadura a encaje. La inspección de soldaduras a encaje se limita a líquidos penetrantes (PT), partículas magnéticas (MT, para acero al carbono) y examen visual. Si su código requiere RT, sus accesorios deben soldarse a tope.

¿Cómo puedo determinar la presión nominal de un accesorio para soldar a tope?

Un accesorio soldado a tope no tiene una clasificación de presión independiente -; hereda la clasificación de la tubería correspondiente. Calcule el MAWP de la tubería según ASME B31.3 párrafo . 304.1.2 utilizando la tensión permitida del material de la tubería a la temperatura de diseño, el espesor de pared mínimo especificado (que representa el 12,5 % de tolerancia de fábrica) y el margen de corrosión. El accesorio, si el espesor de su pared es igual o superior al del tubo, sirve para la misma presión. Para accesorios roscados y soldados a encaje, consulte las Tablas I-1 (SW) y I-2 (THD) de ASME B16.11 para conocer el grado del material específico y la temperatura de diseño; la menor entre la clasificación de la tubería y la clasificación del accesorio rige el MAWP del sistema.

¿Qué tipo de accesorio cuesta menos?

Los accesorios roscados tienen el costo más bajo por-unión instalada ($23–40 para NPS 2 316L) porque no hay soldadura ni NDE. La soldadura a encaje es intermedia ($29–49). La soldadura a tope es la más alta ($48–78). Sin embargo, el costo del ciclo de vida cuenta una historia diferente: para cualquier servicio industrial con consecuencias de fugas, la confiabilidad de cero fugas de la soldadura a tope generalmente la convierte en la más barata en términos de costo total de propiedad a 20 años. Los accesorios roscados, si bien son los más baratos de instalar, a menudo se vuelven los más caros después de las dos primeras paradas no programadas para reparar fugas en las roscas.

¿Puedo soldar un accesorio roscado para convertirlo en una junta estilo -a tope?

No - y esta es una práctica peligrosa. Los accesorios roscados tienen una pared del cuerpo más delgada en la raíz de la rosca (por diseño, para acomodar el perfil de la rosca). Soldar el extremo roscado para crear una "unión a tope" no produce una soldadura a tope que cumpla con el código-porque el accesorio no fue diseñado ni probado como un accesorio para soldadura a tope. Si necesita una junta soldada a tope, compre un accesorio para soldar a tope (B16.9). Muchos códigos permiten soldar accesorios roscados con sello- (una soldadura de sello de filete en la interfaz tuerca/tubo después del ensamblaje) para evitar fugas en la rosca, pero no cambia la clase de presión del accesorio ni lo hace equivalente a un accesorio para soldar por encaje.

¿Qué tipos de accesorios suministra JN Alloy?

JN Alloy suministra los tres tipos de accesorios en acero inoxidable y aleaciones de níquel: (1) accesorios para soldar a tope según ASME B16.9 / ASTM A403 / B366 - codos, tes, reductores, tapas, extremos cortos y cruces en NPS 1/2–24; (2) accesorios para soldar según ASME B16.11 - codos, tes, acoplamientos, tapas y uniones en NPS 1/8–4, Clase 3000/6000; (3) accesorios roscados según ASME B16.11 - mismo rango, Clase 3000/6000. Todos con EN 10204 3.1 MTR de serie; 3.2 con testigos-de terceros disponibles. ContactoMarket@jnalloy.compara una cotización.