Soldadura de tubo-a-lámina tubular en intercambiadores de calor: calificación y defectos comunes

Esta guía explica cómo la Sección IX de ASME califica la soldadura de tubo-a-placa de tubos, qué códigos de construcción hacen que esa calificación sea obligatoria y los modos de defectos específicos que los inspectores y fabricantes deben controlar para evitar costosos retrabajos.

¿Por qué la soldadura de tubo-a-placa tubular requiere una calificación separada de la soldadura de ranura?

Las uniones de tubo-a-placa tubular requieren una calificación específica porque su geometría, acceso y modo de falla difieren fundamentalmente de una soldadura de ranura estándar, y no se demuestra automáticamente que un soldador o procedimiento calificado en un cupón de ranura plana sea capaz de producir una unión sólida y hermética-en esta configuración.

Un cupón de prueba de soldadura de ranura se suelda en condiciones abiertas y sin obstrucciones con acceso completo a ambos lados de la junta. Una unión de tubo-a-placa tubular se suelda en un espacio anular estrechamente confinado entre la pared del tubo y el orificio perforado de la placa tubular, a menudo con orificios para tubos adyacentes a solo milímetros de distancia y con acceso desde un solo lado. La pared del tubo en sí es delgada - frecuentemente menos de 3 mm -, lo que la hace muy susceptible a quemarse-, mientras que la placa del tubo es un bloque grueso que actúa como un gran disipador de calor, creando una distribución desigual del calor a través de la junta.

Estas condiciones crean modos de defecto - quemado-, falta de fusión en la raíz de la unión y trayectoria mínima de fuga insuficiente - que simplemente no ocurren en la soldadura de ranura abierta, razón por la cual ASME Sección IX trata la soldadura de tubo-a-placa de tubos como su propia categoría de calificación en lugar de plegarla en reglas estándar de soldadura de ranura o filete.

¿Cuáles son las dos rutas de calificación según la Sección IX de ASME?

ASME Sección IX ofrece dos rutas distintas para calificar a los soldadores y los procedimientos de soldadura de tubos-a-placas de tubos: una maqueta de demostración según QW-193, o una prueba de soldadura de ranura o filete convencional según QW-202, y el código de construcción aplicable determina qué ruta es obligatoria.

Comparación de rutas de clasificación

Según ASME Sección IX QW-202.6 y Sección VIII División 1 UW-28(b)/UW-29 (edición 2021); División 2 párrafo. 6.3.4. Las variables esenciales para la calificación de procedimientos se dan en QW-288; Las variables esenciales de calificación del desempeño del soldador y del operador de soldadura se dan en QW-387 y QW-388. Confirme siempre los requisitos de la edición actual y cualquier anulación específica del cliente antes de seleccionar una ruta de calificación.

Ambas tablas de variables-esenciales se aplican en combinación con las tablas de procesos de soldadura-base. Por ejemplo, un procedimiento GTAW de tubo-a-placa tubular debe satisfacer tanto las variables GTAW estándar en la Tabla QW-256 como las variables específicas del tubo-a-placa tubular en la Tabla QW-288.1, que cubren elementos como el diámetro exterior del tubo, el rango de espesor de la lámina tubular, la condición de los orificios del tubo y el diseño de la junta.

¿Cuántas soldaduras de maqueta se requieren y qué deben pasar?

Cuando se utiliza la ruta de maqueta QW-193, se deben producir un mínimo de cinco soldaduras y cada una de ellas debe pasar un examen visual, una prueba de líquidos penetrantes y un examen de macro-sección - una sola soldadura fallida invalida toda la maqueta y requiere una nueva soldadura completa, no una reparación puntual.

Examen visual (QW-193.1.1): realizado sin aumento, verificando si hay fusión completa, quemado, porosidad y agrietamiento.

Examen con líquidos penetrantes (QW-193.1.2): realizado según ASME Sección V, Artículo 6, por personal calificado, para detectar discontinuidades superficiales no visibles a simple vista.

Examen de macro-sección (QW-193.1.3): la maqueta se secciona a través de su diámetro para exponer cuatro superficies, luego se examina con un aumento de 10x a 20x para verificar la fusión completa, la ausencia de grietas y, - críticamente, que la ruta mínima de fuga cumple con los requisitos de diseño.

El conjunto de la maqueta en sí debe esencialmente duplicar la configuración de los orificios del tubo y el diseño de la junta que se utilizará en la producción, dentro de los límites de las variables esenciales QW-288, lo que significa que el diámetro del tubo, el espesor de la placa de tubos y la geometría de la junta deben ser representativos del intercambiador de calor real que se está construyendo, no solo de cualquier pieza de prueba conveniente.

Sección VIII División 1 versus División 2: ¿Cuándo es obligatoria la QW-193?

ASME Sección VIII División 2 hace que la maqueta QW-193 sea obligatoria para la calificación del procedimiento de soldadura de tubo-a placa de tubos, mientras que la Sección VIII División 1 la deja como opción del fabricante, y esta distinción es uno de los puntos más importantes y más frecuentemente mal entendidos en la planificación de la fabricación de intercambiadores de calor.

Según ASME Sección VIII División 1 UW-28/UW-29 (edición 2021 en adelante), Sección VIII División 2 párrafo. 6.3.4 y Sección I PFT-12. Las especificaciones técnicas del cliente frecuentemente imponen QW-193 incluso cuando el código base no lo requiere; siempre verifique la orden de compra y las especificaciones de soldadura del proyecto antes de finalizar el plan de calificación.

¿Cuáles son los defectos más comunes en las soldaduras de tubo-a-placa tubular?

Los defectos que con mayor frecuencia comprometen las uniones entre el tubo-y la-placa tubular son la falta de fusión en la interfaz entre el tubo-y la-placa tubular, la quemadura-de la pared del tubo-, una ruta de fuga mínima insuficiente, la porosidad y el agrietamiento de la zona-afectada-por el calor - y debido a que cada unión de tubo se suelda individualmente a mano o con un cabezal orbital, las tasas de defectos tienden a aumentar con fatiga, ajuste inconsistente de las juntas-y preparación inadecuada de la superficie en un gran número de tubos.

Modos de falla y métodos de detección consistentes con los requisitos de ASME Sección IX QW-193.1 y la experiencia de campo de la industria en la fabricación y reparación de intercambiadores de calor de carcasa-y tubos.

La experiencia de campo en aplicaciones de recuperación de azufre, refinación y enfriamiento de procesos muestra que las fugas recurrentes de tubo-a-placa tubular con frecuencia se remontan a la falta de penetración y falta de fusión introducidas durante la fabricación original - defectos que son difíciles de detectar solo con NDE de producción y que tienden a revelarse solo después de que los ciclos térmicos repetidos provocan que las grietas se propaguen desde la raíz no fusionada.

¿Cómo se verifica la ruta mínima de fuga (MLP) y por qué es importante?

La ruta mínima de fuga es la distancia más corta, en cualquier dirección, desde la raíz del tubo-hasta la-placa tubular soldada hasta la superficie libre más cercana, y es importante porque es la dimensión que determina si una unión soldada de resistencia-puede realmente contener la presión y evitar la contaminación cruzada-- un MLP de tamaño insuficiente puede pasar una verificación visual superficial sin cumplir con las bases de diseño de la unión.

El MLP se verifica seccionando la maqueta de calificación a través de su diámetro, exponiendo la sección transversal-de la soldadura y midiendo la trayectoria fusionada con un aumento de 10 a 20 veces con respecto al mínimo calculado a partir de la base de diseño.

El valor máximo acreditado de MLP está limitado al espesor de la pared del tubo, independientemente de cuánto metal de soldadura adicional se deposite más allá de esa dimensión.

Los rayones longitudinales en la superficie exterior del tubo o en el orificio de la placa tubular se tratan como un mayor riesgo durante la evaluación de la maqueta, porque un rayo que corre paralelo a la junta puede crear una ruta de fuga que evita por completo la zona de fusión de la soldadura.

Debido a que MLP solo se puede confirmar de manera destructiva - abriendo una maqueta representativa -, se verifica durante la calificación del procedimiento en lugar de en cada junta de producción. Esta es precisamente la razón por la que es tan importante un control del proceso disciplinado y repetible durante la soldadura de producción: una vez que un WPS está calificado con un MLP demostrado, las soldaduras de producción deben ejecutarse dentro de la misma variable esencial-para seguir siendo válidas.

¿Qué métodos de inspección detectan los defectos del tubo-a-la hoja del tubo antes del inicio?

Una secuencia de inspección en capas - examen visual, prueba de líquidos penetrantes y prueba de fugas de helio - detecta la gran mayoría de los defectos de tubo-a-placa de tubos antes de que un conjunto de intercambiador de calor se cierre y se ponga en servicio; la prueba de fugas de helio ofrece la mayor sensibilidad para fugas a través-de la pared de cualquier método comúnmente aplicado a este tipo de junta.

Se realiza un examen visual en cada soldadura de producción como una primera-prueba de detección de quemaduras, fusión incompleta y porosidad de la superficie.

Las pruebas de líquidos penetrantes, realizadas según el artículo 6 de la Sección V de ASME, detectan grietas en la superficie-y porosidad no visibles a simple vista, y normalmente se aplican tanto a la raíz como a la pasada final.

La prueba de fugas de helio presuriza el intercambiador con 5 a 10 psi de helio y utiliza un espectrómetro de masas para detectar tasas de fuga mucho más pequeñas que las que puede resolver una prueba hidrostática, porque el átomo de helio es lo suficientemente pequeño como para atravesar discontinuidades por las que no pasaría agua. Esta prueba normalmente se realiza después de toda la soldadura de los extremos del tubo-pero antes de la expansión del tubo, de modo que solo se evalúe la soldadura - y no la expansión mecánica -.

Ningún método único detecta todos los modos de defecto: las pruebas visuales y de líquidos penetrantes son efectivas para las discontinuidades conectadas a la superficie-, pero la falta de fusión en el subsuelo o un MLP de tamaño insuficiente solo pueden confirmarse mediante macrosección destructiva-durante la calificación. Esta es la razón por la cual las pruebas de calificación y la NDE de producción son complementarias en lugar de redundantes. - la calificación demuestra que el procedimiento es capaz de producir una unión sólida, y la NDE de producción confirma que la capacidad se ejecutó de manera consistente en todo el número de tubos.

¿Por qué el rigor de la cualificación es más importante para las uniones de tubo-a-placa tubular que para las soldaduras de tuberías ordinarias?

El rigor de calificación de tubo-a-placa de tubos es más importante que para las soldaduras de tuberías ordinarias porque un solo defecto sistemático descubierto después de la fabricación puede requerir volver a entubar todo un paquete, y debido a que cada intercambiador puede contener cientos a miles de uniones individuales soldadas bajo el mismo procedimiento, - lo que significa que un WPS marginal o un soldador poco-capacitado no produce una mala soldadura, sino muchas.

Un defecto de soldadura circunferencial de una tubería suele ser una reparación aislada. Un defecto de tubo-a-placa tubular provocado por un procedimiento defectuoso o una técnica no calificada, por el contrario, es sistémico: si el diseño de la unión, el aporte de calor o el paso de preparación de la superficie que causó una falla se aplicó de manera consistente en todo el paquete, cada unión soldada en esas condiciones es sospechosa.

Invertir en un WPS debidamente calificado, soldadores debidamente capacitados y probados, y una secuencia de inspección de producción disciplinada es la opción de menor-coste por un amplio margen en comparación con descubrir - después de la puesta en marcha, o peor, después de varios años de ciclos térmicos en servicio - que se debe reemplazar una gran fracción de un haz de tubos.

Preguntas frecuentes

Q: ¿ASME Sección VIII División 1 requiere la calificación de maqueta QW-193 para soldaduras de tubo-a placa de tubos?

A: La División 1 deja al QW-193 como opción del fabricante; una prueba de soldadura de ranura según QW-202.2 y QW-202.4 es una alternativa aceptada a menos que las especificaciones técnicas del cliente requieran la ruta de la maqueta.

Q: ¿Cuántos tubos se deben soldar y probar para calificar un procedimiento de tubo-a-placa de tubos mediante maqueta?

A: Se debe producir un mínimo de cinco maquetas de soldadura y las cinco deben pasar el examen visual, de líquidos penetrantes y de macro-sección según QW-193.2. Cualquier falla individual invalida toda la maqueta, lo que requiere una nueva soldadura completa.

Q: ¿Qué es la ruta mínima de fuga y por qué está limitada al espesor de la pared del tubo?

A: La ruta mínima de fuga es la distancia fusionada más corta desde la raíz de la soldadura hasta la superficie libre más cercana. Está tapado en el espesor de la pared del tubo porque ese es el límite físico de la sección transversal-hermética-de la junta, independientemente de cuánto metal de soldadura adicional se deposite.

Q: ¿Puede un soldador calificado en un cupón de soldadura de ranura soldar juntas de tubo-a-placa tubular bajo un WPS calificado por la maqueta QW-193?

A: Sí, cuando el código de construcción aplicable no requiere QW-193 para la calificación de desempeño. La calificación del procedimiento y la calificación del desempeño se tratan como requisitos mutuamente excluyentes según la Sección IX de ASME.

Q: ¿Por qué se prefieren las pruebas de fugas con helio a las pruebas hidrostáticas para soldaduras de tubos-a-placas de tubos?

A: El pequeño tamaño atómico del helio le permite atravesar discontinuidades que una prueba hidrostática (de agua) no detectaría, lo que proporciona a las pruebas de fugas de helio una sensibilidad significativamente mayor para identificar uniones marginales o parcialmente fusionadas entre tubos-y-placas tubulares antes del inicio.