Técnica Destacada Vol.4

Cumplimiento de los requisitos de las estructuras en alta mar que operan en aguas cada vez más profundas y más frías

1 Tendencias en la demanda global de estructuras marítimas

Se prevé que el consumo global de energía en el año 2035 aumentaría 1.8 veces al del año 2010, mientras que se estima que el PIB mundial se incremente en un promedio de 2.8% anualmente desde el 2010 hasta el 2035. También se espera que el consumo de petróleo crudo aumente un poco más de 30% entre los años 2010 y 2035, principalmente debido a la demanda de vehículos de motor en los países en desarrollo. El consumo de gas natural, el cual es visto como la única fuente de energía que verá un aumento exponencial en su demanda, está previsto a incrementar en gran medida, en un 50% o más en el año 2035, en comparación con el año 2010.

A medida que aumenta la demanda de gas natural y petróleo, las tasas de declive de los campos existentes se están intensificando; en consecuencia, nuevos sitios de perforación en alta mar deben ser investigados y desarrollados para asegurar las reservas de gas y petróleo. Se prevé que la inversión en estructuras e instalaciones conexas en alta mar entre los años 2010 y 2020 se incrementará en un factor de tres. Las Fig. 1 y 2 muestran las tendencias de la producción mundial de gas y petróleo, mientras que la Fig. 3, la inversión estimada en las estructuras en alta mar.

Alrededor del 50% de los yacimientos de petróleo descubiertos en los últimos cinco años se encuentran principalmente localizados en las aguas profundas frente a las costas de Brasil y África. Debido a que los precios del gas y petróleo se han mantenido altos, incluso la perforación en aguas profundas se ha vuelto rentable, y es probable que sea aún mucho más desarrollada. La demanda de estructuras flotantes en alta mar como las plataformas de perforación semi-sumergibles (SSRs), las plataformas pata tensoras (TLPs), producción flotante, almacenamiento y sistemas de descarga (FPSOs) y mástiles, aumentará. Incluso se espera que la demanda de buques de perforación, el buque más utilizado para la perforación exploratoria o científica de nuevo petróleo en aguas profundas o pozos de gas, incremente. La Fig. 4 muestra estructuras en alta mar comunes. Además de la perforación en aguas profundas, la exploración en áreas extremadamente frías, como las regiones polares, donde los altos costos han permanecido sin tocar, es probable que comience en un futuro próximo.

Los nuevos yacimientos de gas, en su mayoría pequeños o de tamaño mediano y en alta mar, se agotarán dentro de 10 a 20 años. La exploración o producción en tales yacimientos ha sido limitada debido a que los beneficios eran demasiado bajos como para cubrir los altos costos de inversión en los tanques de almacenamiento en tierra firme y en tuberías submarinas. Sin embargo, un nuevo concepto, Floating-LNG (F-LNG) está siendo investigado como una manera de hacer frente a los yacimientos de gas distantes donde las instalaciones de licuefacción no pueden ser construidas por razones geográficas o políticas. El F-GNL consiste en un buque flotante capaz de llevar a cabo todas las operaciones en la producción del Gas Natural Licuado (GNL), incluyendo la licuefacción, el almacenamiento y la descarga a los buques de GNL. Los primeros de estos desarrollos en el mundo han sido iniciados en Malasia y Australia.

2 Requerimientos para los metales de soldadura

Así como la perforación en alta mar se traslada a regiones cada vez más frías y más profundas, se requiere que los aceros y metales de soldadura sean más resistentes para ser capaces de soportar entornos severos.En la estructura superior (sobre el nivel del mar), tal como una cubierta, una resiliencia de vE-40°C ≥42J i es requerida, y las juntas de soldadura para aceros de clase YP420MPa con un alta resistencia a la tracción (HT), requieren una tenacidad a las fracturas de δc-20°C ≥0.25mm.

Por otro lado, la parte inferior (por debajo del nivel del mar) de una plataforma autoelevable, la cual debe soportar la carga de las olas del mar y las corrientes marítimas, requiere la aplicación de aceros de clase YP690MPa con el fin de disminuir el peso total de un equipo de perforación y de mejorar la capacidad de carga. Además, los insumos y procedimientos de soldadura fiables son necesarios con el fin de asegurar la resiliencia y la resistencia al agrietamiento en frío apropiados.

Los insumos de soldadura en todas las posiciones son esenciales para las cubiertas en particular, ya que éstas cuentan con múltiples tubos de gran diámetro para las juntas TKY como se puede observar en la Fig. 5.

Al llevar a bordo las instalaciones de licuefacción, los F-LNGs serán más largos en tamaño que las FPSOs para el petróleo, por lo que las estructuras del casco y del tanque del F-LNG están obligadas a ser fuertes sin precedentes. Otro requisito para el F-LNG será enfrentar los movimientos de las olas de GNL mientras chapotea alrededor dentro de tanques parcialmente llenos, presionando fuertemente contra las paredes del casco o del tanque. En este sentido, las placas extremadamente pesadas ​​(alrededor de 50 mm de grosor) añadirán fortaleza, y la resiliencia de las juntas de soldadura será requerida a -40°C ó -50°C, así como una resistencia a la fractura a -10° C.

Insumos de soldadura para estructuras en alta mar

La Tabla 1 (página 5) muestra insumos de soldadura típicos para las operaciones de estructuras en alta mar a bajas temperaturas. Dado que las estructuras más en alta mar están siendo construidas en ambientes cada vez más desafiantes, los insumos de soldadura desarrollados para este tipo de estructuras en alta mar, en particular aquellos desarrollados para los aceros de clase HT780MPa así como HT520/HT550MPa, son el tema de este artículo. Dado que las estructuras más en alta mar están siendo construidas en ambientes cada vez más desafiantes, los insumos de soldadura desarrollados para este tipo de estructuras en alta mar, en particular aquellos desarrollados para los aceros de clase HT780MPa así como HT520/HT550MPa, son el tema de este artículo.

3-1. Insumos de soldadura para aceros de clase HT780MPa o YP690MPa

Para las fabricaciones de estructuras en alta mar utilizando aceros de clase HT780MPa o YP690MPa, los insumos de soldadura SMAW, FCAW y SAW ya han sido desarrollados y comercializados.

3-1-1. TRUSTARC™ LB-80L

Para la soldadura de aceros de clase YP690MPa que requieren una alta resiliencia y resistencia al agrietamiento en frío a bajas temperaturas, los electrodos cubiertos de hidrógeno ultra-bajo (bajo en oxígeno también) siguen desempeñando un rol importante. El LB-80L (AWS A5.5 E11018-G H4), que fue diseñado para la soldadura DC, cumple con todos estos requisitos, como se muestra a continuación. La Fig. 6 muestra un ejemplo de procesos de soldadura para partes del rack de las plataformas autoelevables, donde los aceros de clase YP690MPA se utilizan principalmente.

Tabla 2: Contenido de hidrógeno difusible (ml/100g)

N=1	N=2	N=3	N=4	Promedio
1.9	1.5	1.3	1.7	1.6
Nota: Método de prueba: Según el AWS A4.3 (Cromatografía de gases) Corriente de soldadura: 150 A (4.0 mm de diámetro; DCEP)

La Tabla 2 muestra que el hidrógeno difusible en los resultados de la prueba de LB-80L es tan bajo como 2.0ml/100g y estable. Está, por lo tanto, considerado como el insumo de soldadura más fiable para la resistencia al agrietamiento en frío.

Tabla 3: Condiciones de prueba de la junta a tope (LB-80L: 4.0mm de diámetro)

Placa de prueba	Acero de Clase HT780MPa; 50mm de grosor
Preparación de rutina	Doble V (50º y 70º)
Posición de Soldadura	Vertical hacia arriba (3G)
Parámetros de soldadura	120 A-22 V (DCEP)
Entrada de calor	2.0 kJ/mm
Temperatura de precalentamiento & de entre pasada	150°C

Las condiciones de prueba y las propiedades de tracción de una junta a tope de acero de clase HT780MPa soldada por el LB-80L se muestran en las Tablas 3 y 4. Mientras que la macroestructura y curva de transición de la resiliencia, en las Figs. 7 y 8 respectivamente.

Tabla 1: Insumos de soldadura típicos para estructuras en alta mar a bajas temperaturas

Proceso de soldadura	Insumos de Soldadura	Fuerza mínima aplicable*1(MPa)		Temperatura aplicable*1(°C)		Composiciones químicas del metal de soldadura (% de masa)							Gas de polaridad o protección
				vE	CTOD (δ)
		0.2%YP (MPa)	TS (MPa)	≥47J	≥0.25mm ó ≥0.10mm*4	C	Si	Mn	Ni	Mo	Ti	B
SMAW	LB-7018-1	400/390*2	520/490*2	-40	0	0.06	0.4	1.5	-	-	0.03	0.004	AC/DCEP *3
	LB-52NS	400/390*2	520/490*2	-60	-30	0.08	0.4	1.4	0.5	-	0.02	0.002
	NB-1SJ	460/400*2	550/520*2	-60	-40	0.08	0.3	1.3	1.3	-	0.02	0.002
	LB-55NS	470/460*2	570/550*2	-60	-	0.06	0.3	1.5	0.9	0.1	0.01	0.003
	LB-62L	530/460*2	620/550*2	-60	-10	0.07	0.3	1.0	2.1	0.1	0.02	0.002
	LB-67L	530	620	-60	-20	0.06	0.3	1.1	2.6	-	0.01	0.002	DCEP
	LB-67LJ	530	620	-60	-40*4	0.07	0.4	1.1	2.6	-	0.02	0.002
	LB-88LT	690	770	-60	-	0.04	0.6	1.8	2.6	0.7	-	-	AC
	LB-80L	690	770	-60	-	0.04	0.5	1.4	3.0	0.8	-	-	DCEP
SAW	PF-H55LT/US-36	400	520	-60	-50	0.08	0.2	1.4	-	-	0.02	0.004	AC
	PF-H55LT/US-36J	465	550	-60	-20	0.09	0.3	1.7	-	-	0.02	0.004
	PF-H55S/US-2N	530	620	-60	-20	0.08	0.3	1.3	2.3	0.2	-	-
	PF-H80AK/US-80LT	690	770	-60	-	0.08	0.3	1.7	2.5	0.7	-	-
	PF-H55AS/US-36J	400	520	-60	-20	0.07	0.2	1.4	-	-	0.02	0.004	DCEP
	PF-H62AS/US-2N	530	620	-60	-20	0.05	0.3	1.3	2.5	0.2	0.01	-
	PF-H80AS/US-80LT	690	770	-60	-	0.06	0.5	1.6	2.4	0.7	-	-
GMAW (Sólido)	MG-S50LT	400	520	-60	-30	0.09	0.4	1.9	-	-	0.08	0.006	80%Ar- 20%CO2
	MG-S88A	690	770	-60	-	0.06	0.5	1.6	3.6	0.8	-	-
GMAW (FCW)	DW-55L	400	520	-60	0	0.04	0.4	1.3	1.4	-	0.05	0.003	CO2
	DW-55SH	400	520	-60	-10	0.05	0.3	1.4	1.6	-	0.04	0.003
	DW-55LSR	420	550	-60	-10	0.06	0.3	1.2	1.5	-	0.05	0.004
	DW-62L	500	610	-60	-40*4	0.06	0.3	1.2	2.5	-	0.06	0.004
	DW-A81Ni1	420	550	-60	-10	0.05	0.3	1.3	0.9	-	0.04	0.005	80%Ar- 20%CO2
	DW-A55L	460	550	-60	-20	0.06	0.3	1.2	1.4	-	0.06	0.003
	DW-A55LSR	420	550	-60	-20	0.05	0.3	1.3	0.9	-	0.04	0.003
	DW-A62L	500	610	-60	-40*4	0.07	0.3	1.3	2.1	-	0.04	0.003
	DW-A80L	690	770	-40	-	0.07	0.3	1.9	2.5	0.2	0.07	-
Nota: *1: Se encuentra en condición de soldado, pero no bajo el tratamiento térmico de post-soldadura. *2: El valor de la izquierda es aplicable a la soldadura AC (de corriente alterna), y el derecho a la soldadura DCEP (de corriente continua, electrodo positivo). *3: Las composiciones químicas de los metales de soldadura LB-52NS, NB-1SJ y LB-62L se obtienen mediante la soldadura AC, y los otros mediante la soldadura DCEP. *4: Valor CTOD a -40°C es ≥0.10mm.

Tabla 4: Propiedades de tracción de un metal de soldadura a tope conjunta

Ubicación	Propiedades de tracción
	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
Final	773	865	19
Centro	807	864	17
Atrás	753	832	17

3-1-2. TRUSTARC™ DW-A80L

Ya que el SMAW es ineficiente y requiere un nivel bastante alto de habilidad, el desarrollo de hilos tubulares de tipo rutilo para todas las posiciones (FCWs) han sido deseados. Sin embargo, los FCWs de tipo rutilo depositan metales de soldadura con un mayor contenido de oxígeno y con más inclusiones de óxido que aquellos del SMAW en general. Resultó en una mala resiliencia. El DW-A80L (AWS A5.29 E111T1-GM-H4) proporciona una solución mediante el control del contenido de oxígeno en el flujo, al mismo tiempo que mantiene una alta resiliencia. El contenido de hidrógeno difusible con DW-A80L se encuentra alrededor de 2.5ml/100g, como se muestra en la Tabla 5, un nivel extremadamente bajo para un FCW de tipo rutilo.

Tabla 5: Contenido de hidrogeno difusible (ml/100g)

N=1	N=2	N=3	N=4	Promedio
2.5	2.3	2.3	2.7	2.4
Nota: Método de prueba: Según el AWS A4.3 (Cromatografía de gases) Parámetros de soldadura: 265A-28V-300mm/minuto protrusión del alambre: 20mm; Gas de protección: 80% Ar-20%CO2

Tabla 6: Condiciones de prueba de la soldadura a tope conjunta (DW-A80L:1.2mm de diámetro)

Placa de prueba	HT780MPa class steel; 50mm thick
Posición de Soldadura	Vertical hacia arriba (3G)	Horizontal (2G)
Preparación de rutina	Doble V (40° & 60°)	Doble bisel (50° & 60 °)
Parámetros de soldadura	180-200A, 23-24V	220-260A, 25-28V
Entrada de calor	1.7 kJ/mm	1.0 kJ/mm
Gas de protección	80%Ar-20%CO2, 25 l/minuto
Temperatura de precalentamiento	100 °C
Temperatura de entre pasada	100-150 °C
PWHT	En condición de soldado

La soldadura a tope conjunta con DW-A80L en acero de clase HT780MPa se llevó a cabo en la posición vertical hacia arriba (3G) y la posición horizontal (2G). Las Tablas 6 y 7 muestran las condiciones de prueba y las propiedades de tracción; las Fig. 9 y 11, muestras las macroestructuras; y las Fig. 10 y 12, las curvas de transición de resiliencia en las posiciones 3G y 2G respectivamente.

Tabla 7: Propiedades de tracción de las juntas a tope de metales de soldadura

Posición de Soldadura	Ubicación	Propiedades de tracción
		0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
3G	Final	736	811	23
	Centro	807	856	23
	Back	738	817	24
2G	Final	776	814	19
	Centro	833	863	18
	Atrás	808	843	20

3-1-3. TRUSTARC™ PF-H80AS/TRUSTARC™ US-80LT

Tabla 8: Contenido de hidrogeno difusible (ml/100g)

N=1	N=2	N=3	N=4	Promedio
1.2	1.3	1.6	1.4	1.4
Nota: Método de prueba: Según el AWS A4.3 (Cromatografía de gases) Parámetros de soldadura: 500A-30V-300mm/minuto; DCEP

Tabla 9: Condiciones de prueba de soldadura a tope conjunta con PF-H80AS/US-80LT

Placa de prueba	Acero de Clase HT780MPa; 50mm de grosor
Posición de Soldadura	Llano (1G)
Condición de restricción
Parámetros de soldadura	600A-30V-300mm/min
Entrada de calor	3.6 kJ/mm
Temperatura de precalentamiento	75 °C	100 °C
Temperatura de entre pasada

Desarrollado por Kobe Steel, el PF-H80AS es un fundente SAW con alta alcalinidad que permite un muy bajo contenido de oxígeno en los metales de soldadura. En combinación con el fundente PF-H80AS y el alambre US-80LT (AWS A5.23 F11A10-EG-G), ofrece una excelente resiliencia incluso a bajas temperaturas. El contenido de hidrógeno difusible en los metales de soldadura se reduce hasta un tan extremadamente bajo 1.5ml/100g (Tabla 8) por el efecto del flujo en el arco. También se muestran las condiciones de prueba, los resultados de las pruebas de agrietamiento de múltiples capas, y las propiedades mecánicas en las Tablas 9, 10 y 11, respectivamente. Esta combinación genera metales de soldadura de muy alta calidad.

Tabla 10: Resultados de la pruebas de agrietamiento de múltiples capas de soldadura

Temperatura de precalentamiento& de entre pasada (°C)	Resultado de la prueba ultrasónica
75	Sin defecto
100	Sin defecto

Tabla 11: Propiedades mecánicas del metal de soldadura

0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)	Absorbed energy (J)
			-80 °C	-60 °C	-40 °C
768	895	23	88, 88, 90 Promedio 88	101, 93, 93 Promedio 96	101, 105, 106 Promedio 104

3-2. FCWs para aceros de clase HT520MPa y HT550MPa

Ｕｎa serie de FCWs para aceros de clase HT520MPa y HT550MPa existe en los mercados mundiales, los FCWs de tipo rutilo que son fáciles de operar, satisfacen el nivel de resiliencia requerido a -60° C, así como el CTOD a -10° C. Sin embargo, no existe una serie de FCWs, de mayor resistencia que PWHT. Sin embargo, el DW-55SH (no para PWHT), DW-55LSR y DW-A55LSR (ambos para PWHT) son FCWs que cumplen con estos requisitos.

3-2-1. TRUSTARC™ DW-55SH

La construcción de la más grande F-LNG del mundo (el proyecto de Shell Prelude F-LNG) ha comenzado en Corea. Se trata de más de 450 m de longitud, más de 70 m de altura, y una capacidad de almacenamiento de GNL superior a los 200,000m³. Soldar una enorme estructura flotante como tal requiere estrictos controles, así como una alta eficiencia de soldadura. El DW-55SH (AWS A5.29 E81T1-K2C) se ha desarrollado a petición del cliente. Un FCW de tipo rutilo para la soldadura en todas las posiciones, ofrece resiliencia superior hasta los -60° C y el CTOD hasta -10 ° C.

Las Tablas 12 y 13 muestran las respectivas condiciones de prueba y propiedades mecánicas, incluyendo el CTOD a -10 ° C. Las Fig. 13 y 14 muestran la macroestructura y la curva de transición de resiliencia en los metales de soldadura a tope conjunta con DW-55SH, respectivamente.

Tabla 12: Condiciones de prueba de la junta a tope (DW-55SH: 1.2mm de diámetro)

Placa de prueba	JIS G3106 SM400B; 40mm thick
Preparación de rutina	Doble V ( 45°y 60° )
Posición de Soldadura	Vertical hacia arriba (3G)
Parámetros de soldadura	200A - 26V
Gas de protección	100%CO2, 25 l/min
Preheating and interpass temp.	130 -150 °C

Tabla 13: Resultados de la prueba de tracción y CTOD

Ubicación	Tensile properties			CTOD crítico (mm a -10 °C)
	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
Final	536	613	29	0.95; 0.91; 0.88
Atrás	541	621	30

3-2-2. TRUSTARC™ DW-55LSR &TRUSTARC™ DW-A55LSR

El DW-55LSR y el DW-A55LSR (FCWs de la serie SR para aliviar el estrés) (AWS A5.29 E81T1-K2C,-Ni1M) fueron desarrollados para aplicaciones PWHT a mediados de la década de 1990 y han estado desde entonces en uso para las fabricaciones de estructuras en alta mar. Son FCWs de tipo rutilo para todas las posiciones, los cuales ofrecen una excelente facilidad de uso, así como niveles extremadamente bajos de impurezas tales como el Nb y V. La Fig. 15 muestra que el contenido de Nb y V reducido puede incrementar la resiliencia a -60° C en la condición de soldado, así como reducir el deterioro de la resiliencia después del PWHT.

Los FCWs de la serie SR son muy reputados por muchos fabricantes de estructuras en alta mar por su estabilidad, alta resiliencia e increíbles propiedades CTOD. Productos singulares fabricados exclusivamente por Kobe Steel, estos FCWs han estado llegando a más de 300 toneladas en ventas al año.

Metales de soldadura a tope conjunta depositados por el DW-A55LSR fueron puestos a prueba. Las Tablas 14 y 15 muestran las condiciones de prueba y la propiedad CTOD en la condición de soldado y después del PWHT. La Fig. 16 muestra las macroestructuras en las posiciones 3G y 2G; mientras que las Fig. 17 y 18, muestras las curvas de transición de resiliencia en condición de soldado y después de las condiciones del PWHT en las posiciones 3G y 2G respectivamente.

Tabla 14: Condiciones de prueba de la soldadura a tope conjunta (DW-A55LSR: 1.2mm de diámetro)

Placa de prueba	NK KF36; 50mm thick
Preparación de rutina	Doble bisel (50° & 60 °)
Posición de Soldadura	Vertical upward (3G)	Horizontal (2G)
Parámetros de soldadura	220A - 24V	260A - 28V
Gas de protección	80%Ar-20%CO2, 25 l/min
Entrada de calor	1.9 kJ/mm	0.8 kJ/mm
Temperatura de precalentamiento	100 °C
Temperatura de entre pasada	100 -150 °C
PWHT	En condición de soldado & PWHT (623 °C x 2h)

Tabla 15: Resultados de la prueba de CTOD

PWHT	Posición de Soldadura	Test temp. (°C)	Critical CTOD (mm)
En condición de soldado	3G	-35	0.75, 0.75
	2G		0.62, 0.63
623°C x 2h	3G	-20	0.89, 0.98
	2G		0.86, 0.85

4 Posdata

A pesar de que la revolución de la energía de esquisto en los EE.UU. está impactando en la oferta y la demanda de la energía a nivel mundial, la dependencia del petróleo crudo y gas natural continuará, ya que la demanda global de energía sigue en aumento. La perforación continuará trasladándose en alta mar hacia aguas más profundas y más frías. En consecuencia, mientras las estructuras en alta mar operen en condiciones más extremas, las normas y los requisitos, particularmente de los metales de soldadura, se harán más severos. Por ejemplo, se rumorea que un proyecto de perforación prevista actualmente para el Ártico requiere de propiedades del CTOD a -60°C. Sin embargo, estamos listos para desarrollar las soluciones totales de soldadura necesarias para cualquier necesidad que se presente.

Aunque las especificaciones y requisitos para estructuras en alta mar variarán de acuerdo con las necesidades del cliente, las sociedades de clasificación de buques, las dimensiones en particular, las condiciones operativas y meteorológicas, debemos mantener los procedimientos y controles de soldadura estrictos. Para más información sobre cómo obtener y utilizar nuestros productos, por favor acérquese a la oficina más cercana de Kobelco o contáctese con nuestros representantes de ventas.

Referencias
【1】 Ministerio de Tierra, Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón, Documento de la Oficina Marítima
【2】 Fotografías proporcionadas por Japan Drilling Co., Ltd.

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