análisis de discontinuidades en soldaduras de elementos

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C.
075
ANÁLISIS DE DISCONTINUIDADES EN SOLDADURAS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
DE SECCIÓN CIRCULAR
1
2
Rodríguez Sánchez, Efraín , Muñoz Espinosa, J. Daniel , Rodríguez Castellanos, Alejandro
Instituto Mexicano del Petróleo
3
RESUMEN
Se caracterizaron discontinuidades embebidas en la soldadura de conexiones soldadas de elementos
estructurales de sección circular, se determinaron factores de concentración (FCE) y de intensidad de
esfuerzos (K) asociados a estas discontinuidades. Se identificaron los escenarios en que las discontinuidades
pueden permanecer estables o se propagan. Se revisó la capacidad mecánica de la soldadura bajo la
suposición de que la longitud que contiene al defecto no aporta capacidad mecánica en la unión. Se emiten
criterios de aceptación o rechazo de soldaduras de unión de elementos estructurales de sección circular.
ABSTRACT
Weld defects in connections of welded cylindrical structural members were characterized. Stress
concentration factors (FCE) and stress intensity factors (K) were determined for the characterized defects.
Conditions were the characterized defects are stable or propagate were identified. The mechanical capacity of
the weld was determined considering that the length of the weld with defects does not provide strength to the
connection. A criterion to reject or accept welds with defects in cylindrical connections is provided.
INTRODUCCIÓN
Cuando se realizan inspecciones de conexiones soldadas mediante pruebas no destructivas, es común
encontrar discontinuidades embebidas en la soldadura. Estas discontinuidades deben repararse si sus
dimensiones rebasan las permisibles establecidas en códigos de soldadura. Los códigos toman en cuenta las
dimensiones de los defectos sin hacer referencia al tipo de discontinuidad y a los niveles de esfuerzo a los que
está sujeta la conexión, sin embargo el cordón de soldadura opera con factores de seguridad que permiten
discutir sobre la necesidad de realizar la reparación de secciones que contengan defectos.
Algunas discontinuidades a pesar de que rebasan las dimensiones límite aceptadas por la normatividad (AWS
D1.1/M1.1, 2002), no muestran crecimiento en el tiempo, lo que puede comprobarse mediante la aplicación
de pruebas no destructivas tales como ultrasonido o radiografiado aplicadas a intervalos de tiempo definidos
por programas de inspección y mantenimiento. Sin embargo, en algunos casos, las discontinuidades sometidas
a ciertos niveles de esfuerzo de tensión pueden iniciar una grieta y aumentar el riesgo de una falla en la
conexión (IMP, 2001a).
1 Líder de proyectos, Instituto Mexicano del Petróleo. Eje Central Lázaro Cárdenas No. 152, Col. San
Bartolo Atepehuacan, 07730, México, D. F. Teléfono (55) 3003 7266, Fax (55) 3003 7250;
ersanche@imp.mx
2 Especialista, Instituto Mexicano del Petróleo. Eje Central Lázaro Cárdenas No. 152, Col. San Bartolo
Atepehuacan, 07730, México, D. F. Teléfono (55) 3003 7261, Fax (55) 3003 7250; jdmunoz@imp.mx
3 Especialista, Instituto Mexicano del Petróleo. Eje Central Lázaro Cárdenas No. 152, Col. San Bartolo
Atepehuacan, 07730, México, D. F. Teléfono (55) 3003 7261, Fax (55) 3003 7250;
arcastellanos@hotmail.com
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Puebla, Pue., México 2002
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La reparación de las discontinuidades en soldaduras representa una inversión cuya magnitud principalmente
depende de las condiciones de sitio, un ejemplo de ello son los trabajos que deben efectuarse costa afuera para
el mantenimiento de plataformas marinas, en donde se emplean barcos de mantenimiento cuya renta
representa el mayor costo de la reparación. Una reparación de una conexión con discontinuidades en la
soldadura es una actividad en la que se reduce temporalmente la capacidad de la conexión al vaciar la
soldadura en la zona que contiene la discontinuidad, por lo que deberá revisarse la estabilidad estructural en
esas condiciones. Adicionalmente, la reparación no está exenta de generar nuevos defectos, por lo que deberá
tenerse especial cuidado con los procedimientos y personal involucrado en la reparación.
Por lo anterior, es evidente la necesidad de evaluar el comportamiento mecánico que genera la presencia de
las discontinuidades en conexiones soldadas de elementos cilíndricos y determinar si se requiere una
reparación o alternativamente realizar inspecciones periódicas para garantizar la seguridad de la conexión.
IDEALIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES EN LA CONEXIÓN SOLDADA
De una muestra de 150 discontinuidades detectadas y medidas mediante técnicas de ultrasonido en
conexiones soldadas en elementos estructurales cilíndricos, se identificaron geometrías y parámetros
representativos de discontinuidades. De este análisis se determinaron idealizaciones de la sección radial de
discontinuidades típicas para evaluarse mecánicamente, las cuales se muestran en la figura 1.
SECCIÓN
CIRCULAR
(CASO A-1)
SECCIÓN ELÍPTICA
CON EXTREMOS EN
PUNTA,
ORIENTACIÓN A 45
(CASO A 2)
SECCIÓN
RECTANGULAR CON
EXTREMOS EN
PUNTA,
ORIENTACIÓN A 0°
(CASO 2_0)
SECCIÓN
RECTANGULAR CON
EXTREMOS EN
PUNTA,
ORIENTACIÓN A 30°
(CASO 2_30)
SECCIÓN
RECTANGULAR CON
EXTREMOS EN
PUNTA,
ORIENTACIÓN A 45°
(CASO 2_45)
SECCIÓN
RECTANGULAR CON
EXTREMOS EN
PUNTA,
ORIENTACIÓN A 90°
(CASO 2_90)
Figura 1. Idealización de discontinuidades en la unión soldada.
Es importante señalar que con la técnica de inspección ultrasónica no es posible determinar con detalle la
geometría de la discontinuidad, sin embargo, las indicaciones que se obtienen durante la inspección son
suficientes para ubicarla en el espesor del material inspeccionado y posicionarla con respecto a ejes de
referencia que se fijan para tal efecto.
Es difícil establecer una discontinuidad genérica que cubra todos los tipos de defectos que se presentan en
soldaduras, en este trabajo se estudiaron diversas geometrías de la sección transversal del defecto, agudizando
en algunos casos su morfología. Por lo anterior, se exploraron diversas geometrías para definir límites
apropiados de comportamiento mecánico según la posibilidad de la presencia de tal geometría en la conexión.
Para el caso de inspección ultrasónica, el tamaño de las discontinuidades es función de la magnitud de las
reflexiones y de los niveles de referencia que se establecen según las lecturas referidas a los bloques de
calibración.
OBTENCIÓN DE FACTORES DE CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS, FCE.
Con la finalidad de comparar las concentraciones de esfuerzos según las diferentes secciones geométricas de
los defectos considerados, se realizaron modelos matemáticos empleando técnicas numéricas de elemento
finito. Los análisis se realizaron mediante el uso del paquete de análisis estructural y mecánico ANSYS
versión 5.6.
La figura 2 presenta una sección radial de una unión soldada columna – pilote como las utilizadas en las
plataformas marinas fijas, las dimensiones de la sección mostrada en el recuadro de esta figura, son las que
conformaron el modelo base de los análisis mecánicos.
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t
COLUMNA
ESPESOR DE LA
PARED DE LA
COLUMNA, t
1.5 t
CONEXIÓN SOLDADA
SECCIÓN RADIAL
DE LA SOLDADURA
DISCONTINUIDAD
PILOTE
ESPESOR DE LA
PARED DEL PILOTE
1.5 t
Figura 2 Sección radial de la conexión soldada usada en los análisis mecánicos de la discontinuidad.
La figura 3 muestra una distribución de esfuerzos en la vecindad de una discontinuidad de sección circular
(caso A_1).
Figura 3. Esfuerzos en la vecindad de una discontinuidad de sección circular inmersa en una unión
sección radial de una conexión soldada debidos a tensión en la conexión.
El factor de concentración de esfuerzos FCE, resulta de dividir el esfuerzo máximo en la vecindad de la
discontinuidad entre el esfuerzo nominal, para este caso de análisis el FCE = 2.71, valor que es coincidente
con el que se obtiene de la literatura para placas con aberturas de sección circular en el centro (Bannantine, et
al., 1990). Este resultado valida la modelación empleada para el análisis y el tamaño de los elementos finitos
utilizados.
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Para todos los casos geométricos estudiados, se formaron curvas de esfuerzo aplicado contra esfuerzo máximo
en la vecindad del defecto, en la figura 4 se muestran las curvas que se obtuvieron.
Factores de Concentración de
Esfuerzos, FCE
Factores de Concentración de Esfuerzos
Según Tipo de Discontinuidad
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-1.5
casoA1
casoA2
caso2_45
caso2_30
caso2_0
caso2_90
caso3_30
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Esfuerzo Nominal Normalizado
Figura 4. Comparación de las curvas de esfuerzos según la geometría del defecto estudiada.
En la tabla 1 se muestra un resumen de los factores de concentración de esfuerzos determinados para las
diversas geometrías de defectos.
Tabla 1. Factores de concentración de esfuerzos para las diversas geometrías radiales de los defectos
considerados.
Modelo
casoA1
casoA2
caso2_0
caso2_30
caso2_45
caso2_90
caso3_30
Descripción de la geometría radial del defecto
Sección circular
Sección elíptica, extremos en punta con abertura de 86
grados, orientación radial a 45°
Sección rectangular con extremos en punta con abertura de
62 grados, orientación radial a 0°
Sección rectangular con extremos en punta con abertura de
62 grados, orientación radial a 30°
Sección rectangular con extremos en punta con abertura de
62 grados, orientación radial a 45°
Sección rectangular con extremos en punta con abertura de
62 grados, orientación radial a 90°
Sección rectangular con extremos redondeados con
orientación radial a 30°.
FCE
2.71
2.14
8.42
8.45
6.07
1.27
5.45
En discontinuidades angulosas como en los casos 2_0, 2_30 y 2_45 los factores de concentración de esfuerzos
son elevados. Por tanto, con esfuerzos de tensión relativamente bajos en materiales de aplicación estructural,
se presentaría fluencia y consecuentemente la falla de la conexión. En estas condiciones la aplicación de
factores de concentración no permite hacer análisis más detallados para el estudio de la propagación de
discontinuidades, por lo que se requiere de la aplicación de mecánica de fractura para identificar los posibles
escenarios en que se presenta la propagación de discontinuidades. En mecánica de fractura el factor de
intensidad de esfuerzos es el parámetro base para estudiar la propagación de grietas.
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OBTENCIÓN DE FACTORES DE INTENSIDAD DE ESFUERZOS, K
De manera general, para la evaluación de un defecto se debe conocer el campo de esfuerzos, el valor de la
tenacidad a la fractura del material en el modo que se analiza, en este caso, el modo de abertura o tensil, KIc, y
finalmente se debe obtener el factor de intensidad de esfuerzos KI, este último factor es función de entre otros
parámetros, de la geometría del defecto. Se han desarrollado varias soluciones analíticas para diversas
geometrías, elementos mecánicos y localizaciones de discontinuidades.
La ecuación general para KI es de la forma
(1)
K I = σY a
donde σ es el campo de esfuerzos aplicados, Y es una función geométrica que depende de las características
de la grieta y del espécimen que la contiene, a es el semieje menor de la grieta, la profundidad de la grieta en
una grieta superficial, o la mitad de la profundidad de la grieta en una grieta embebida en el material.
De un análisis de configuraciones de grietas, se identificó que el valor máximo de KI se presenta para el caso
de grietas pasantes a través del espesor de la pared del cilindro. La revisión de soluciones analíticas de KI
permitió definir los valores máximos y mínimos para el problema de discontinuidades embebidas en el
espesor de la pared del cilindro, ver figura 5.
KI (M Pa m^0.5)
KI según diversas soluciones análiticas
Placa con una grieta en
el borde
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Placa con grieta pasante
central
Placa con grieta
semielíptica central, no
pasante
Grieta radial de
profundidad constante
0
500
1000
1500
2000
2500
Esfuerzo nominal de tensión (Kg/cm2)
3000
Grieta radial no pasante
de forma semielíptica
Figura 5. Factores de Intensidad de Esfuerzos KI para diversas discontinuidades.
Se comparó el factor de intensidad de esfuerzos KI con el de tenacidad a la fractura Kc del material, aquí
considerado de 25 M Pa m^0.5 para acero estructural con límite de fluencia alrededor de 2530 Kg/cm2.
De acuerdo con los resultados obtenidos de las diversas soluciones analíticas estudiadas, para esfuerzos de
tensión de hasta 1520 Kg/cm2, en ninguno de los casos existen problemas de inestabilidad de grieta, siendo
los casos más estables las grietas en el borde o en el centro de la sección radial de la conexión, con valores de
KI de 13 y 11.6 M Pa m^0.5, respectivamente, en el caso de grietas superficiales internas del cilindro con
profundidad constante y para frente de grieta de forma semielíptica, para este mismo nivel de esfuerzo, los
valores de KI que se obtienen son de 19.6 y 20 M Pa m^0.5.
Las discontinuidades cercanas a la superficie interna del cilindro pueden ser inestables cuando se alcanzan
niveles de esfuerzo del orden de 2,000 Kg/cm2, casos en que las grietas radiales no pasantes de profundidad
constante y de forma semielíptica alcanzan magnitudes de KI superiores a 25 M Pa m^0.5.
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Grieta radial pasante
Como se mencionó anteriormente, el caso de grieta radial pasante presenta el máximo KI , de acuerdo con los
planteamientos de Fama (Fama, et al. 1972), Folias (Folias, 1970) y Tada (Tada, 1983), para grietas radiales
pasantes en recipientes cilíndricos sometidos a presión interna pi, el factor de intensidad de esfuerzos para el
modo I se obtiene mediante las siguientes expresiones:
(2)
K I = σ( πa )0.5 f (λ )
λ= a
(R t )
0.5
m
f (λ ) = (1 + 0.3225 λ2 ) 0.5 cuando 0 < λ ≤ 1
f (λ ) = 0.9 + 0.25λ cuando 1 ≤ λ ≤ 5
y teniendo presente que la tensión axial P = pi πR i2
En la figura 6 (a), se muestra un esquema del problema que se evalúa, en la figura 6 (b) se muestra la curva de
KI que se obtiene cuando un cilindro se somete a esfuerzos axiales de tensión según las ecuaciones (3). La
curva de la figura 6(b) corresponde a una grieta con la máxima longitud para la aplicación de las ecuaciones
(3) para una conexión de 36” de diámetro y 1.5“ de espesor.
Grieta
Curva Esfuerzo aplicado - KI, Solución de
Fama, Folias y Tada
K (M Pa m ^0.5)
2a
θ
Rm
t
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
Esfuerzo de tensión aplicado (Kg/cm 2)
(a)
(b)
Figura 6. (a) Grieta radial pasante en la pared de un cilindro sometido a presión interna. (b) KI según
Fama, Folias y Tada para diversos niveles de esfuerzo de tensión.
En el caso de grietas pasantes, la tenacidad a la fractura del material Kc =25 M Pa m^0.5 se alcanza en bajos
niveles de esfuerzo de tensión, esto significa que en caso de que se presente una discontinuidad que atraviese
el espesor de la pared de la conexión soldada, con niveles de esfuerzo de tensión del orden de 200 Kg/cm2, la
grieta se propaga circunferencialmente en forma súbita. Vale la pena aclarar que se consideró la máxima
longitud de grieta aplicable para las ecuaciones (3) por lo que para una longitud menor, el esfuerzo actuante
antes de la propagación será mayor a 200 Kg/cm2.
REVISIÓN DE LA TRANSMISIÓN DE CARGA EN LA CONEXIÓN
La unión soldada, aún con la presencia de los defectos, debe ser capaz de transmitir los elementos mecánicos
en su totalidad. Considerando que la longitud de soldadura que presenta defectos no contribuye a la capacidad
de la unión, puede construirse una curva de longitudes críticas con defecto (acumuladas o únicas) en la
soldadura contra espesor de la conexión y diferentes esfuerzos de fluencia, como la que se muestra en la
figura 7.
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Con esta aproximación no se consideran los factores de concentración e intensidad de esfuerzos que se
pueden presentar en los extremos de la discontinuidad, sin embargo, se garantiza que existe la longitud
necesaria de soldadura para transmitir los esfuerzos axiales y de cortante.
Longitud con defecto
(cm)
Longitud máxima de soldadura con discontinuidad
200.00
150.00
100.00
50.00
0.00
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
Diámetro de la conexión (plg)
Electrodo E 60
Electrodo E 70
Electrodo E 80
Figura 7. Longitud acumulada de soldadura defectuosa máxima admisible en una conexión soldada
para diferentes diámetros y espesores de la conexión.
En la construcción de las curvas mostradas en la figura 7, se consideró que el material base no sufre
alteraciones mecánicas por los defectos y que éstos afectan únicamente el cordón de soldadura. Debido a que
la soldadura tiene en general un módulo de elasticidad mayor que el material base, se puede obtener el área
mínima de soldadura equivalente al área de la sección transversal del elemento de sección circular para
transmitir los elementos mecánicos de tensión, compresión o cortante con los factores de seguridad
correspondientes. En forma conservadora, se considerará el esfuerzo permisible para transmitir cortante en la
soldadura y esfuerzo permisible para tensión en el acero estructural, al comparar las capacidades de
transmisión de esfuerzos, se tiene la siguiente ecuación:
0.4fs Lt = 0.6f y πDt
(4)
donde fs y fy son los límites de fluencia de la soldadura y del material base respectivamente, L, es la longitud
de soldadura sin defectos, D es el diámetro de la conexión y t el espesor. Resolviendo para L, y considerando
fs = 60,000 Lb/plg2 y fy=36,000 Lb/plg2 se obtiene:
L=
0.6f y πDt
0.4fs t
= 0.9πD
(5)
De aquí, resulta que la longitud mínima sana de soldadura debe ser el 90% del perímetro total de la unión, lo
que significa que se puede tener una longitud dañada de hasta el 10% de la unión.
APLICACIÓN A CONEXIONES SOLDADAS DE PLATAFORMAS MARINAS FIJAS
Como ejemplo de la aplicación de estos criterios, se evaluarán las longitudes máximas admisibles de
soldadura con discontinuidades embebidas de conexiones soldadas columna – pilote como la mostrada en la
figura 2. Para ello es necesario evaluar los niveles de esfuerzo actuantes en condiciones de operación y
tormenta en las conexiones, revisando la mayor combinación de efectos de carga axial y momento flexor que
resulte de las diversas condiciones de análisis de las plataformas.
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Para una muestra de seis plataformas, se observó que en condiciones de operación, ninguna conexión alcanza
esfuerzos combinados de tensión en la sección de la conexión superestructura – pilote. En condiciones de
tormenta, las conexiones soldadas superestructura - pilote pueden tener esfuerzos de tensión de hasta 300
Kg/cm2 , ver referencia (IMP, 2001b).
Se analizó entonces la discontinuidad más desfavorable, una grieta radial pasante en un cilindro sometido a
esfuerzos de tensión de 300 Kg/cm2, se obtuvo la longitud máxima de la grieta para diferentes diámetros y
espesores de conexiones soldadas, aplicando la solución de Fama, Folias y Tada, empleada anteriormente. La
longitud máxima de una grieta pasante según el diámetro y espesor de la conexión se muestra en la figura 8.
Longitud máxima
acumulada de
discontinuidad (m)
Longitudes máximas de grieta pasante según diámetro y espesor de
la conexión (300 Kg/cm2 tensión)
0.300
0.280
0.260
0.240
0.220
0.200
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
Diámetro (plg)
t=1.00"
t=1.25"
t=1.50"
t=1.75"
t=2.00"
Figura 8. Curvas de longitudes máximas de grieta pasante radiales en las conexiones soldadas para
2
un esfuerzo de tensión de 300 Kg/cm .
Para esta aplicación se puede adoptar como primer criterio de aceptación/rechazo de discontinuidades la
envolvente inferior de las curvas de la figura 8, esto es, la máxima longitud de discontinuidad sin propagación
bajo un esfuerzo de 300 kg/cm2. Esta curva está representada en la figura 9 como “curva 2”. Por otro lado, el
segundo criterio se tomará por la curva inferior de la figura 7, esto es, la mínima longitud de soldadura con
electrodo E60 sin defectos. Esta curva esta representada en la figura 9 como “curva 1”.
Longitudes máximas de discontinuidad pasante y capacidad de la
soldadura según diámetro de la conexión
Longitud máxima
acumulada de
discontinuidad (m)
0.440
0.400
curva 1
0.360
0.320
curva 2
0.280
0.240
0.200
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
Diámetro (plg)
Figura 9. Longitudes máximas de discontinuidad según diámetro de la conexión.
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Puede observarse que para el nivel de esfuerzos de tensión de 300 kg/cm2 de la curva 1 de la figura 9, la
longitud máxima admisible de soldadura con defecto para conexiones de 40” de diámetro será de 32 cm. Sin
embargo, si se detecta que estas discontinuidades han modificado su longitud en dos inspecciones sucesivas,
de la curva 2 se tiene que la longitud máxima admisible será de 22 cm. Para el caso de que la conexión
estuviese sometida a otro nivel de esfuerzos de tensión, nuevas curvas deberán de ser calculadas.
En general, al determinar la presencia de discontinuidades y sumar sus longitudes se podrán tener los
siguientes casos de longitud acumulada de soldadura con daño:
1.
La longitud acumulada con discontinuidades se ubica arriba de la curva 1 mostrada en la figura 9 ó se
ubica entre las curvas 1 y 2 mostrando indicaciones de crecimiento radial o longitudinal en dos
inspecciones sucesivas. En este caso se deberá reparar la longitud necesaria de soldadura defectuosa hasta
lograr que la longitud acumulada de defectos se ubique por debajo de la curva 2.
2.
La longitud acumulada con discontinuidades se ubica entre las curvas 1 y 2, no mostrando indicaciones
de crecimiento radial o longitudinal. En este caso la unión de soldadura con discontinuidades no requiere
ser reparada.
Las conexiones soldadas como la mostrada en la figura 2, deberán inspeccionarse mediante técnicas de
ultrasonido después de un evento meteorológico importante o un evento sísmico y determinar si se
presentaron nuevos defectos o propagación de los defectos anteriormente detectados a fin de decidir si se
procede con la reparación tomando como criterios de decisión los aquí expuestos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1
Durante el proceso de soldadura es frecuente la generación de defectos que pueden propagarse poniendo
en riesgo la seguridad de la conexión.
2
La reparación de conexiones soldadas en estructuras es de alto costo, especialmente en condiciones fuera
de costa y no se asegura que la reparación esté libre de defectos.
3
Los códigos de soldadura establecen los criterios de rechazo en base a dimensiones sin considerar los
esfuerzos a los que está sometida la conexión.
4
En este trabajo se propone una metodología para evaluar los casos en que deben o no repararse
soldaduras con defectos que no satisfacen el código de soldadura aplicable, considerando sus
dimensiones, el registro de su tamaño en inspecciones sucesivas y el estado de esfuerzos a que esté sujeta
la conexión.
5
Los criterios propuestos para decidir si procede una reparación de una conexión soldada con defectos
entre elementos cilíndricos se basan en la capacidad de la soldadura para transmitir las cargas y en la no
propagación de los defectos en la soldadura.
REFERENCIAS
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Enero de 2002.
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Reporte interno.
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Through Wall Cracks”, by P.C. Paris and H. Tada, U.S. Nuclear Regulatory Commission, NUREG/CR-3464.
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