Un método para soldar una estructura que comprende:

formar una estructura de espesor de pared,

longitud y región de costura deseados, en el que la estructura se fabrica a partir de un material base de aleación 36% Ni-Fe; caracterizado por

soldar la estructura a lo largo de la región de costura con un aporte de aleación de 36% Ni-Fe, de exactamente la misma composición que la aleación base de Ni-Fe, de forma que se deja un refuerzo de soldadura en exceso como parte de un cordón de soldadura en la región de la costura;

trabajar en frío el cordón de soldadura de manera que el espesor en la región de costura se reduzca; y

tratar con calor la región de costura en condiciones eficaces que den lugar a que la región de costura tenga una carga de rotura por tracción, un límite de elasticidad, o ambos, iguales o superiores a los del material base.

Método para fabricar una estructura de aleación 36 Ni-Fe con soldada de costura

La presente se invención se refiere a un método para soldar una estructura según el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. 3 184 577) , es decir hacer un acero soldado para uso en depósitos de almacenamiento, tuberías, y otros equipos. Más concretamente, el acero soldado, incluyendo la propia soldadura, está formado de una aleación de hierro-níquel que tiene un bajo coeficiente de expansión térmica. Este acero soldado se puede usar para formar estructuras adecuadas para el transporte y almacenamiento de sustancias criogénicas, tal como gas natural licuado (GNL) .

Antecedentes de la invención

En diversas industrias, tales como la del petróleo y del gas, hay necesidad de almacenar y transportar sustancias en condiciones criogénicas, en las que una sustancia se puede enfriar y licuar desde un estado gaseoso. Por ejemplo, hay necesidad de recipientes para almacenar y transportar GNL en condiciones criogénicas, tales como temperaturas que oscilan entre aproximadamente -110ºC y aproximadamente -170ºC, y a presiones en el amplio intervalo desde aproximadamente la atmosférica a aproximadamente 6000 kPa. Hay también necesidad de recipientes para almacenar y transportar, de forma segura y económica, otros fluidos presurizados, tales como oxígeno, nitrógeno, helio, hidrógeno, argón, neón, flúor, aire, metano, etano, o propano, a temperaturas criogénicas.

Existen varios retos al seleccionar los materiales para almacenar o transportar sustancias criogénicas. Los materiales seleccionados deben mantener suficiente ductilidad y resistencia a la tracción con el fin de evitar fallos bajo condiciones criogénicas. Se está a favor de los materiales dúctiles porque se deforman bajo una tensión excesiva, mientras que los materiales frágiles se rompen. Muchos materiales sufren la transición de un comportamiento dúctil a frágil a medida que la temperatura disminuye, haciéndolos inadecuados para aplicaciones criogénicas. Mientras tanto, el material debe tener también un bajo coeficiente de expansión térmica (CET) . El CET cuantifica la cantidad de contracción dentro de un material a medida que la temperatura disminuye. Estas contracciones crean tensiones térmicas dentro de una estructura criogénica y modifican su geometría; por lo tanto un CET más bajo minimiza estos efectos. En concreto, las tuberías criogénicas requieren, con frecuencia, bucles para aliviar tensiones térmicas originadas por un alto CET en detrimento de dificultar el flujo dentro de la tubería.

Generalmente, se está a favor de los metales para las estructuras criogénicas debido a su comportamiento de alta resistencia mecánica y ductilidad a bajas temperaturas. Aunque muchos metales son frágiles en condiciones criogénicas, metales que tienen estructura cristalina cúbica centrada en las caras (ccc) , tal como el aluminio, cobre, níquel y sus aleaciones, son dúctiles. Se está a favor de aleaciones de níquel-hierro que comprenden entre 35 – 50%, en peso, de níquel debido al bajo CET de los metales ccc. Se prefiere la aleación 36% Ni-Fe, a veces denominada FeNi36 y comúnmente vendida bajo la marca de fábrica “Invar” por Imphy Alloys, debido a que tiene un CET excepcionalmente bajo.

El tratamiento de metales para formar estructuras criogénicas crea excepcionales dificultades. Es deseable producir estructuras que tengan propiedades uniformes por todo el material. En particular, es deseable que las estructuras criogénicas exhiban propiedades de resistencia mecánica y de expansión térmica uniformes. Si una estructura no tiene una resistencia mecánica uniforme, la rotura se iniciará, probablemente, en las regiones mecánicamente más débiles a tensiones toleradas por las regiones más fuertes. Mientras tanto, un comportamiento de expansión térmica no homogéneo crea tensiones adicionales bajo condiciones criogénicas. Cuando una región de una estructura exhibe contracciones superiores debido a un CET más alto, se crea una tensión adicional a lo largo del límite entre las regiones de alto y bajo CET que pueden originar fallo mecánico. Este fenómeno es denominado con frecuencia de “desequilibrio del CET”.

Para evitar discrepancias en la resistencia mecánica y el CET, con frecuencia se forman estructuras metálicas criogénicas a partir de una única pieza moldeada o una palanquilla para obtener las propiedades de material homogéneo. Por ejemplo, se puede formar una tubería metálica a partir de una única palanquilla de acero calentando primero la palanquilla hasta alrededor de 1000ºC y perforando un agujero longitudinal a través del eje de la palanquilla usando el método de perforación Mannesmann. El espesor de pared y el diámetro se conforman luego en la geometría deseada mediante una serie de métodos de extrusión y maquinado en frío o en caliente, hasta las dimensiones finales. Estos procedimientos son eficaces en la obtención de un CET y una resistencia mecánica homogéneos en estructuras criogénicas; sin embargo su utilidad está limitada debido a consideraciones económicas y de tamaño. Generalmente, conformar una palanquilla o una pieza moldeada es más caro que otras técnicas, debido a las altas temperaturas y a la considerable extrusión y maquinado hasta las dimensiones finales requeridas. También, el tamaño global de la estructura formada está limitado por el volumen de la pieza moldeada o de la palanquilla que se va a tratar. Es impracticable formar estructuras metálicas criogénicas a partir de una única pieza moldeada o palanquilla, más allá de cierto tamaño, debido a los volúmenes limitados que en la actualidad se pueden producir a través de colada, forja o cualquier otro método. Las restricciones del transporte pueden limitar también el tamaño de estructuras formadas a partir de una única pieza moldeada o palanquilla.

Como alternativa para formar estructuras metálicas criogénicas a partir de una única pieza moldeada o una palanquilla, se puede fabricar una estructura usando un procedimiento de soldeo, donde el material se une a lo largo de una costura. Un procedimiento típico de soldeo implica la aplicación de alguna fuente de energía a lo largo de la costura para formar un charco de material fundido que es coalescente y forma una unión sólida al enfriarse. Hay numerosas fuentes de energía que se pueden usar para soldar estructuras criogénicas, que incluyen llama de gas, arco eléctrico, láser, haz de electrones, fricción y ultrasonidos.

Con frecuencia, se añade un material de aporte a lo largo de la costura para ayudar al soldeo del material base. El material de aporte se funde durante el proceso de soldeo y se hace coalescente llegando a formar parte del cordón de soldadura que solidifica a lo largo de la costura de la unión. El material de aporte se usa con frecuencia para mejorar diversas propiedades de la soldadura. Se puede seleccionar, por ejemplo, un material de aporte de forma que sea mecánicamente más fuerte que el material base para asegurar que no se produzca un fallo mecánico a lo largo de la costura soldada.

Un ejemplo de la utilización de las técnicas de soldeo para estructuras criogénicas es la producción de tuberías. Una tubería se puede producir conformando primero una plancha metálica en una forma tubular de diámetro, longitud y costura, y región de costura longitudinal especificada, usando un laminador de rodillos de alta velocidad. La región de la costura se puede soldar luego usando soldeo por arco con electrodo de wolframio en atmósfera inerte, también conocido como soldadura con electrodo de wolframio en atmósfera inerte (TIG) (del inglés Tungsten Inert Gas) , con un material de aporte metálico que es mecánicamente más fuerte que el material base, como requieren las normas de la tuberías y la industria criogénica.

Se prefieren, con frecuencia, técnicas de soldadura para producir estructuras criogénicas debido a que posibilitan la producción de estructuras más grandes y que son más económicas que una palanquilla o una pieza moldeada. En vez de conformar una palanquilla o una pieza moldeada, el material de origen puede ser una plancha metálica conformada por colada continua, de coste más bajo. El proceso de soldeo permite que se unan múltiples planchas si es necesario. Por consiguiente, el tamaño de la estructura fabricada no está limitado por el material de origen y, en algunos ejemplos, se puede fabricar in situ para evitar limitaciones de transporte. Además, el propio proceso de soldeo puede ser más económico... [Seguir leyendo]

1. Un método para soldar una estructura que comprende:

formar una estructura de espesor de pared, longitud y región de costura deseados, en el que la estructura se fabrica a partir de un material base de aleación 36% Ni-Fe; caracterizado por

soldar la estructura a lo largo de la región de costura con un aporte de aleación de 36% Ni-Fe, de exactamente la misma composición que la aleación base de Ni-Fe, de forma que se deja un refuerzo de soldadura en exceso como parte de un cordón de soldadura en la región de la costura;

trabajar en frío el cordón de soldadura de manera que el espesor en la región de costura se reduzca; y

tratar con calor la región de costura en condiciones eficaces que den lugar a que la región de costura tenga una carga de rotura por tracción, un límite de elasticidad, o ambos, iguales o superiores a los del material base.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el coeficiente de expansión térmica es igual en el material base y en la región de la costura.

3. El método de la reivindicación 1, en el que el tamaño de grano es igual en el material base y en la región de la costura.

4. El método de la reivindicación 1, en el que el tratamiento térmico se realiza a temperaturas en un intervalo de 760ºC a 871ºC, durante un tiempo eficaz para recristalizar la región de la costura.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el espesor de la región de la costura se reduce en un intervalo del 20% al 80%, a continuación del trabajo en frío.

6. El método de la reivindicación 1, en el que el espesor en la región de la costura es sustancialmente el mismo que el espesor de pared deseado de la estructura, a continuación del trabajo en frío.

7. El método de la reivindicación 1, en el que la soldadura se realiza mediante soldeo por arco con electrodo de wolframio en atmósfera inerte,

8. El método de la reivindicación 1, en el que la región de la costura se forma a partir de una unión con una preparación en forma de V sencilla.

9. El método de la reivindicación 1, en el que el paso de formar la estructura comprende además conformar una plancha para formar la región de costura.

10. El método de la reivindicación 1, en el que la estructura y la región de la costura soldada tienen una carga de rotura por tracción igual o superior a 400 MPa, un límite de elasticidad igual o superior a 207 MPa, o ambos.

11. El método de la reivindicación 1, en el que la estructura comprende una tubería o depósito de almacenamiento calculados para el servicio en condiciones criogénicas.