Aplicaciones a la Industria Petrolera Ing. Eduardo Asta

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Aplicaciones a la Industria PetroleraIng.
Eduardo Asta
SOLDADURA DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO
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SOLDADURA DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera

• Soldadura de Reparación y Mantenimiento
• Aplicaciones a la Industria Petrolera
• Módulo II Procesos de Soldadura por Metalizado o
  Proyección Térmica
• 6.0 Metalizado Procesos
• 7.0 Metalizado Aplicaciones
• 8.0 Placas o Chapas antidesgaste (Parte I)
• 8.0 Reparación de fisuras en recipientes (Parte
  II)

// PROCESOS DE SOLDADURA POR METALIZADO O
PROYECCIÓN TÉRMICA
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SOLDADURA DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera
SESIÓN 8 (Parte II)
Caso de Estudio Reparación de fisuras en
recipientes
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TEMAS DE LA SESION
SOLDADURA DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera

• Caso de Estudio
• Características del componente
• Objetivo de la reparación
• Proceso utilizado
• Materiales aplicados
• Equipamiento utilizado
• Secuencia de trabajo
• Resultados

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES// TEMAS
DE LA SESION
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera

• Características del componente a ser reparado
• Recipiente horizontal de petróleo con diámetro
  interno de 3300mm y espesor medido de 8,7mm.
  Material acero al carbono IRAM- IAS U500- 137
  designación o grado RP 2 (tipo ASTM 515 Gr55/60)
• Se presenta una fisura sobre una soldadura
  circunferencial con longitud l 2400mm y una
  profundidad a 3mm.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
CARACTERÍSTICAS DEL COMPONENTE A SER REPARADO
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera

• Reparación
• Efectuar una limpieza de la zona a ser reparada
  eliminando todo vestigio de residuos de petróleo,
  corrosión y otros posibles elementos
  contaminantes.
• Verificar, nuevamente por medio de ensayo con
  tintas penetrantes la extensión total de la
  fisura.
• Remover la fisura completamente por medio de
  amolado
• Verificar, por medio de tintas penetrantes la
  presencia de indicaciones lineales relacionadas
  con existencia de fisuras. En caso de aparecer
  tales indicaciones continuar con el calado por
  amolado hasta la remoción total de las mismas.
• Efectuar, una limpieza final, dejando la
  superficie seca y libre de contaminación.
• Soldadura de reparación se efectuará en acuerdo
  con la especificación de procedimiento de
  soldadura (EPS).

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera
Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo
A partir de la colocación de dos cáncamos
soldados para izado en la viga superior de
equipos de bombeo, correspondientes a diferentes
modelos de los mismos, se produce una rotura por
proceso de fatiga que no se corresponde con el
comportamiento frente a carga cíclica de la viga
sin dichos agregados
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo

• La soldadura es de filete desarrollada en todo
  el perímetro de ambas bases de conexión del
  cáncamo, en forma de arco, con el ala superior de
  la viga doble T.
• El filete que se observa en una viga fracturada,
  muestra una cierta asimetría en los catetos así
  como un tamaño (E) de cateto entre 6 y 8 mm. De
  la observación visual no se aprecian indicaciones
  de discontinuidades tales como fisuras,
  cráteres o porosidad, notándose sí una cierta
  tendencia al socavado.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo
Tendencia al socavado
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo

• La incorporación de un elemento de perturbación,
  como el cáncamo, sobre el ala de la viga, sujeta
  a tensiones longitudinales produce un cambio en
  la categoría del comportamiento a la fatiga de
  alto número de ciclos de la nueva configuración.
• La geométrica de la viga en la zona donde se le
  une el cáncamo tendrá una tensión rango umbral de
  fatiga (??TH) menor que la geometría como perfil
  doble T.
• Esto significa que aunque la soldadura no
  presente indicaciones de discontinuidades o
  defectos, asimilables a una fisura con un
  determinado tamaño inicial, tendrá igualmente un
  potencial riesgo a la iniciación de fisuras si la
  tensión ?? aplicada supera el valor umbral ??TH
• Respecto a la posibilidad de fisuración en la
  ZAC no parece muy probable dada la buena
  soldabilidad que presenta el acero de la viga,
  ASTM A 131 Grade AH 32, cuyo carbono equivalente
  (CE) según IIW es CEIIW 0,332.
• No obstante un excesivo aporte térmico o la
  utilización de consumibles con un elevado
  contenido de hidrógeno difusible podrían provocar
  la aparición de fisura.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo
La B es la que corresponde a la unión que provocó
la fractura de la viga, es la más perjudicial
debido a la posibilidad adicional de aparición
de fisuras en el límite de la línea de fusión con
la ZAC (zona afectada por el calor) o en la misma
ZAC del cordón transversal sobre el ala de la
viga.
Potenciales puntos de iniciación de fisuras
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo

• Verificación y reparación del actual diseño de
  los cáncamos y soldadura aplicada sobre la viga
  (caso B), se recomienda
• Verificar en las soldaduras transversales y en
  los extremos de las longitudinales la posible
  indicación de fisuras.
• Donde aparezcan indicaciones, remover
  completamente el filete por amolado hasta llagar
  a 3 o 4 mm de profundidad en el material del ala
  de la viga. Verificar la ausencia de fisuras y
  luego efectuar la recuperación del perfil con un
  procedimiento de soldadura de acuerdo a código
  estructural AWS D1.1.
• Si no aparecen fisuras en las soldaduras
  transversales es conveniente amolar la zona de
  transición entre el cáncamo y la viga (sobre la
  soldadura transversal) para generar un radio de
  acuerdo y una superficie de terminación más suave.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Cáncamo Soldado a Viga de Equipo de Bombeo

• En nuevos cácamos con el mismo diseño (forma de
  arco), pero con soldadura de filete
  longitudinal solamente (caso A)
• Buscar en lo posible un diseño de cácamo con
  radio de acuerdo en sus extremos
• Soldaduras de filete con un cateto mínimo de 5
  mm (adecuar cateto y largo de la soldadura a la
  capacidad de carga necesaria para el cáncamo)
  ejecutadas según un procedimiento de soldadura de
  acuerdo con código estructural AWS D1.1. Amolado
  de los extremos de los filetes para dar
  terminación suave.
• Tomar los recaudos para garantizar un adecuado
  perfil del filete (penetración de raíz y
  laterales) a través de soldaduras de prueba o en
  la calificación del procedimiento.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Reparación de herramientas de perforación o
bombeo de Aceros tipo AISI 4130
Para la soldadura de un acero SAE/AISI 4140 por
proceso de soldadura manual (SMAW) con consumible
según AWS 11018M o con proceso semiautomático con
alambre tubular y protección gaseosa (FCAW)
utilizando consumible E110T5- K4 (TUBULARC 117)
se recomiendan las siguientes temperaturas de
precalentamiento y poscalentamiento para
espesores hasta 25mm To (precalentameiento)
250C Tf (poscalentamiento) 300/350C durante
1hora, enfriamiento lento en material Termoaislant
e. Para el tratamiento térmico posterior a la
soldadura PWHT se recomienda Temp. de
tratamiento 600/680C Rampa de calentamiento
y enfriamiento 50/60 C/h Tiempo de permanencia
a la temp. de trat. 1h cada 25mm
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Soldadura de Reparación y Mantenimiento de
Aceros Cr-Mo para alta temperatura

• Aceros ferríticos diferentes contenidos de Cr y
  Mo
• Utilizados para componentes y cañerías bajo el
  criterio de diseño de alta temperatura en régimen
  permanente
• Resistentes al daño por termofluencia o creep,
  para una determinada temperatura máxima de diseño
  y tiempo de vida de diseño

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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TABLA 1 Especificaciones ASTM de productos
producidos en Acero-Cromo-Molibdeno
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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SECUNDARIO
TERCIARIO
PRIMARIO
II
III
I
Deformación, ?
Fractura
Tiempo, t
Representación del proceso creep en un acero
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Los aceros Cr-Mo al ser enfriados a velocidades
relativamente elevadas describiendo un proceso de
enfriamiento continuo (CCT) desde una
temperatura por encima de la temperatura crítica
superior, como en el ciclo térmico que imponen
los procesos de soldadura, pueden presentar un
importante endurecimiento por temple que aumenta
su dureza y resistencia mecánica, reduciendo la
ductilidad y la tenacidad del material. En
consecuencia deberá prevenirse el riesgo a la
fisuración en frío asistida por hidrógeno (HIC)
en las uniones soldadas de estos aceros, tanto en
el metal de soldadura (MS) como en la zona
afectada por el calor (ZAC)
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Soldabilidad de los aceros
Típico diagrama CCT Acero Cr-Mo
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera

• La prevención del riesgo a fisuras en frío
  requiere
• Determinación de una temperatura mínima de
• precalentamiento y entre pasadas
• Selección adecuada de consumibles y procesos con
• bajo nivel de hidrógeno
• Aplicación de tratamiento térmico posterior
• a la soldadura (PWHT)

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Bases para la Elaboración de un Procedimiento de
Soldadura

• Precalentamiento
• La temperatura mínima de precalentamiento
  debe alcanzar un valor suficiente como para
• Permitir la difusión del hidrógeno presente en
  el metal de soldadura y la ZAC
• Disminución del gradiente de velocidad de
  enfriamiento entre 800 y 500 C , incremento del
  tiempo de enfriamiento entre estas temperaturas
  (t8/5)
• La mínima temperatura de precalentamiento
  dependerá de
• La composición química,
• Espesor de los aceros Cr- Mo a ser unidos
• Grado de restricción de la unión soldada.
• A medida que aumentamos el espesor, el grado de
  restricción de la junta así como el contenido de
  carbono y elementos de aleación, relacionados a
  través del carbono equivalente como medida de la
  soldabilidad del acero, la temperatura de
  precalentamiento deberá ser incrementada.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera
Temperatura de precalentamiento

• La determinación de la temperatura mínima de
  precalentamiento se determina de manera
  predictiva por medio de diferentes métodos de
  cálculo o tablas de Códigos tales como
• Norma British Standard BS 5135
• Nomograma de Coe
• Criterio de Duren
• Criterio de Ito y Bessyo
• Criterio de Suzuki y Yurioka
• Método de Seferian
• Método del Instituto Internacional de Soldadura
• ANSI/AWS D1.1, Código de Estructuras Soldadas en
  Acero
• Método de la Carta
• También puede ser determinada con ensayos para
  evaluar la fisuración en frío tales como los de
  Tekken, Ranura, W.I.C, entre otros.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Bases para la Elaboración de un Procedimiento de
Soldadura

• Material de Aporte
• El material de aporte y el proceso de soldadura
  deberán garantizar el bajo nivel de hidrógeno
  (menor o igual que 5 ml /100g)
• El criterio de selección será buscando la
  igualación de resistencia y composición química
  respecto del material base, con excepción del
  contenido de carbono, a fin de mantener en el
  metal de soldadura las condiciones de resistencia
  al creep y propiedades a alta temperatura.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
Aplicaciones a la Industria Petrolera
Bases para la Elaboración de un Procedimiento de
Soldadura

• Material de Aporte
• Electrodos de la misma composición o ligeramente
  superior pueden ser utilizados para uniones con
  una determinada variación de composición.
• De acuerdo con la norma AWS 5.5 es factible
  especificar electrodos Cr- Mo para soldadura
  manual con la característica L ( por ejem. E7018
  B2L), de bajo carbono (menor o igual que 0,05).
• Este tipo de combinación puede favorecer la
  soldadura en términos reducir la dureza cundo la
  misma está asociada a problemas de corrosión.
• Sin embargo cuando la principal consideración de
  diseño es la resistencia al creep a alta
  temperatura el contenido mínimo de carbono deberá
  estar en 0,05, debiendo tener presente esta
  situación frente a la necesidad de mantener la
  igualación de resistencia (matching) en la unión
  soldada.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Bases para la Elaboración de un Procedimiento de
Soldadura

• Tipo de Junta
• Para las uniones de partes cilíndricas de
  recipientes a presión y uniones a tope de
  cañerías en aceros Cr-Mo se utilizan juntas a
  tope de penetración completa (JPC) cuya geometría
  estará relacionada con los espesores de las
  uniones y proceso de soldadura a aplicar
• Para espesores gruesos (mayores que 30 mm) y
  donde hay acceso por un solo lado (cañerías) se
  prefieren juntas tipo U o J que permiten una
  eficiente disipación con mínima distorsión y una
  sección optimizada de soldadura
• La raíz de la unión será asegurada
  preferentemente con proceso TIG (GTAW).

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Especificación ASTM/ASME SA387/SA182/SA335 N P ASME IX Material de Aporte según Clasificación de AWS para Soldadura Manual (SMAW)
Gr2 / F2 / P2 3 E8018-B1
Gr4 / F4 / P4 4 E8018-B2
Gr22 / F22 / P22 5A E9018- B3
Gr5 / F5 / P5 5B E8018-B6/ E8015-B6/ E502-15
Gr9 / F9 / P9 5B E8018-B8/ E8015-B8/ E505-15
Gr91 / F91 / P91 5B Aprox. E9015- B9 modificado)
Requisitos adicionales o suplementarios Clt0.15
Plt0.008 Slt0.002 Snlt0.008 Sblt0.003
Aslt0.01 Nilt0.2 Cult0.15 Vlt0.01
Nblt0.01 Factor Xlt15 X (10P 5Sb 4Sn
As) / 100 Tenacidad (CVN) a -20C de 54J en
promedio y una no menor que 47J.
// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Bases para la Elaboración de un Procedimiento de
Soldadura

• Tratamiento Térmico
  Posterior a la Soldadura (PWHT)
• El (PWHT) tiene por objeto reducir la dureza y el
  nivel de tensiones residuales, produciendo una
  mejora en la tenacidad del material base en la
  ZAC y en el metal de soldadura.
• Temperatura para el Tratamiento
• El rango de temperatura del PWHT para los aceros
  Cr-Mo oscila entre 620 y 760 C.
• La unión soldada puede ser enfriada a temperatura
  ambiente antes de iniciar el tratamiento,
  dependiendo del grado de restricción de la junta
  y composición química del acero. La experiencia
  muestra que aceros con contenidos de Cr menor o
  igual que 2, 25 son usualmente enfriados a
  temperatura ambiente antes de efectuarse el PWHT.
  En estos casos, es recomendable aplicar un
  poscalentamiento a fin de facilitar la
  eliminación de hidrógeno
• En aceros con alto contenido de Cr se requiere
  mantener el precalentamiento hasta el inicio del
  tratamiento térmico.
• El cálculo del tiempo de mantenimiento a la
  temperatura de tratamiento difiere según el
  código que se aplique, la mayoría requiere 1 hora
  por cada 25 mm de espesor con un mínimo tiempo de
  permanencia que puede diferir notablemente si se
  aplica por ejemplo ASME B31.1 el cual requiere 15
  min. o ASME B31.3 con un tiempo mínimo de
  mantenimiento de 120 minutos.

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Tratamiento Térmico Posterior a la Soldadura
(PWHT)

• Velocidad de Calentamiento y Enfriamiento
• Tanto el calentamiento como el enfriamiento
  hasta o desde la temperatura de tratamiento
  deberá efectuarse en forma uniforme y progresiva
  evitando un calentamiento o enfriamiento brusco o
  rápido.
• Por ejemplo ASME B31.1 recomienda un velocidad
  máxima para calentamiento y enfriamiento de 315
  C / h. No obstante el ajuste de esta velocidad
  en muchos casos, especialmente cuando
  especificamos valores de dureza máxima, deberán
  ser ajustados con la calificación del
  procedimiento de soldadura

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Tratamiento Térmico Posterior a la Soldadura
(PWHT)

• Tratamiento Térmico Localizado
• Cuando no es posible la realización del PWHT en
  horno este se aplicará en forma localizada a
  través de métodos apropiados como la utilización
  de mantas cerámicas eléctricas ubicadas de forma
  tal que cubran todo el largo de la soldadura
  (longitudinal o circular) a ambos lados de la
  misma.
• Tanto en el caso de tratamiento en horno como
  localizado deberá procurarse un control efectivo
  de los ciclos térmicos y un registro permanente
  de los mismos. Se utilizarán en todos los casos
  sensores de temperatura (termocuplas) en un
  sistema de control automático o de lazo cerrado.
• En los tratamientos localizados la banda a ambos
  lados de la soldadura será definida en relación
  con el código aplicado. Para el caso de ASME
  B31.1 en uniones a tope de cañerías la banda a
  cada lado de la línea central de la soldadura
  deberá ser como mínimo de tres veces el espesor
  (3t).

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Prevención de la Fragilidad por Revenido en el
Metal de Soldadura

• El fenómeno se manifiesta por un aumento o
  corrimiento de la temperatura de transición
  dúctil- frágil luego de un prolongado tiempo de
  exposición e un intervalo de temperaturas entre
• 400 y 600 C.
• Para lograr un metal de soldadura de óptimas
  propiedades las siguientes condiciones deberán
  ser cumplidas
• La cantidad de elementos residuales debe ser
  limitada a los valores más bajos.
• La influencia de elementos residuales tales
  como fósforo, arsénico, antimonio y estaño es la
  principal razón para al fragilización por
  revenido.
• El contenido de manganeso recomendado para el
  metal de soldadura es de 0,7 a 1.
• Una forma de predecir o evaluar la
  susceptibilidad a la fragilización por revenido
  en el metal de soldadura es utilizando el
  parámetro de Bruscato (X) relacionado con los
  elementos de impureza
• X (10P 5Sb 4Sn As) / 100
• Este factor deberá ser menor o igual que 20 ppm,
  con P ? 0,008

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN
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SOLDADURA DE MANTENIMIENTO
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Otras consideraciones para optimizar el EPS o WPS

• El mejor intervalo de temperatura para realizar
  el PWHT es entre 675 y 705C a fin de obtener las
  mejores propiedades de impacto Charpy-V
• El refinamiento de grano de cada pasada estará
  optimizado con pasadas de espesor menores o
  iguales que 2 mm y cordones con mínima
  oscilación. Tal requisito es relativamente simple
  de cumplir con proceso manual (SMAW) en la
  posición 1G (plana o bajo mano). Para la posición
  vertical se recomienda la utilización de la
  técnica de oscilación, considerando el incremento
  de calor aportado que la misma produce.
• Elevado índice de basicidad en el recubrimiento
  del electrodo y nivel de H ? 4 ml / 100 g o H4

// REPARACION DE FISURAS EN RECIPIENTES //
REPARACIÓN