Tratamientos térmicos en soldaduras de tuberías y equipos de proceso

Introducción

En la industria de la fabricación y construcción las soldaduras en tuberías y equipos de proceso son parte indispensable, sin embargo, durante la aplicación de las soldaduras se generan tensiones residuales y cambios en la microestructura del material que pueden comprometer la calidad y durabilidad de las uniones si no se controlan adecuadamente.

Para mitigar estos efectos y garantizar un rendimiento óptimo en condiciones operativas exigentes, se aplican diversos tratamientos térmicos. Estos tratamientos, que implican el calentamiento y enfriamiento controlado del material, no solo alivian tensiones, sino que también optimizan propiedades como la dureza, la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Además, existen tratamientos térmicos especializados y de superficie que mejoran las características externas de los materiales para soportar fricciones y ambientes abrasivos.

En este artículo, exploraremos los tipos de tratamientos térmicos aplicados a las soldaduras en tuberías y equipos de proceso, detallando sus beneficios, procedimientos, y las normativas que rigen su correcta aplicación en la industria.

¿Qué son los tratamientos térmicos en soldaduras?

Los tratamientos térmicos en soldaduras son procesos mediante los cuales se aplica calor controlado por escala de calentamiento, sostenimiento y enfriamiento a una soldadura para modificar la estructura del material base y del material de aporte, logrando así propiedades mecánicas y físicas específicas. Estos tratamientos buscan aliviar tensiones internas, mejorar la resistencia o endurecer el material, dependiendo de las necesidades operativas.

Tipos de tratamientos térmicos comunes en soldaduras

• Recocido: Se utiliza para aliviar las tensiones internas generadas durante el proceso de soldadura, reduciendo la dureza y mejorando la ductilidad. Es común en tuberías que transportan fluidos corrosivos para asegurar una estructura homogénea.
• Normalizado: Empleado para refinar la estructura del grano del material y mejorar su resistencia mecánica. Este proceso es vital para tuberías y equipos que trabajan a temperaturas moderadas y requieren una estructura metalográfica uniforme y estable.
• Temple y revenido: Estos dos procesos combinados se utilizan para incrementar la dureza y la resistencia del material soldado. El temple consiste en calentar la pieza y enfriarla rápidamente (usualmente en agua o aceite), seguido de un revenido, que calienta la pieza a una temperatura inferior para aliviar las tensiones inducidas por el temple, mejorando la tenacidad sin sacrificar la dureza.
• Desalojo de hidrógeno:  Se puede considerar como un tratamiento térmico, pero con un objetivo específico; eliminar el hidrógeno atrapado en el material. No es un tratamiento térmico en el sentido clásico, como el recocido o el temple, que buscan modificar las propiedades mecánicas o la microestructura del material, pero sí implica la aplicación controlada de calor para lograr un efecto deseado. El objetivo principal es prevenir la formación de fisuras inducida por hidrógeno, que ocurre cuando el hidrógeno atrapado se combina con tensiones residuales y/o microestructuras susceptibles en la soldadura, lo que podría llevar a fallas.
• Tratamiento de solubilización: Aplicado principalmente en aceros inoxidables austeníticos, este tratamiento térmico elimina carburas y restablece la composición homogénea de la aleación, previniendo la corrosión intergranular en ambientes agresivos.
• Tratamientos térmicos de superficie: Los tratamientos térmicos de superficie son esenciales para mejorar las características de la capa externa del material, sin afectar su núcleo. Estos tratamientos se aplican cuando las soldaduras o las tuberías y equipos de proceso necesitan una superficie endurecida para resistir el desgaste o la corrosión. Los métodos más comunes son:
  • Cementación: Se aplica a aceros para aumentar su contenido de carbono en la superficie, seguido de un temple para endurecer esa capa externa. Es ideal para equipos expuestos a desgaste continuo, como piezas de bombeo y válvulas.
  • Nitruración: Un tratamiento donde se difunde nitrógeno en la superficie del acero, aumentando su dureza y resistencia al desgaste. Este proceso se realiza a temperaturas más bajas que la cementación y es menos propenso a deformar la estructura de la pieza.

Aplicación de los tratamientos térmicos

Los tratamientos térmicos en soldaduras se realizan utilizando los métodos de hornos y resistencias eléctricas. A continuación, se explica cada método:

Tratamiento con hornos

Se utiliza para piezas que pueden ser trasladadas a un horno grande, ideal para procesos que requieren un control preciso de temperatura. La pieza se introduce en el horno (de gas o eléctrico), programado para calentar gradualmente según el material y tratamiento requerido. Una vez alcanzada la temperatura, se mantiene el tiempo necesario para transformar o estabilizar la microestructura del material, y luego se enfría lentamente para reducir tensiones y prevenir grietas o deformaciones.

Tratamiento con resistencias eléctricas

Es de uso norma de campo, especialmente cuando las piezas no se pueden trasladar. Es ideal para soldaduras en tuberías, estructuras y otros componentes fijos en planta. Las resistencias eléctricas son dispositivos flexibles con elementos calefactores internos que se colocan alrededor de la zona soldada, adaptándose a diferentes formas y tamaños para realizar tratamiento en zonas localizado.

Para monitorear y controlar la temperatura en tiempo real, se conectan termopares en la zona de la soldadura, y las resistencias eléctricas se manejan mediante un panel de control que permite regular la temperatura. El operador ajusta el calentamiento siguiendo una curva de tratamiento térmico específica, asegurando que la soldadura y el área adyacente se calienten uniformemente. Una vez alcanzada la temperatura de tratamiento, esta se mantiene por el tiempo necesario y luego se procede a un enfriamiento controlado, reduciendo la temperatura de manera gradual para evitar tensiones térmicas.

Las principales ventajas de este método son su flexibilidad para trabajos en campo y para tratar componentes que no pueden ser trasladados, su rápida instalación y aplicación, y la posibilidad de tratar soldaduras en zonas específicas sin afectar otras áreas del equipo. Sin embargo, presenta limitaciones, como una menor precisión en la distribución uniforme del calor, en comparación con un horno y la necesidad de un monitoreo constante para asegurar que las temperaturas se mantengan dentro de los parámetros especificados.

Ventajas de los tratamientos térmicos en soldaduras industriales

Las principales ventajas son:

• Reducción de tensiones residuales: Los tratamientos térmicos alivian las tensiones generadas durante la soldadura, lo que reduce la posibilidad de deformaciones y fallas prematuras. Esto es especialmente importante en tuberías de gran longitud, donde las tensiones acumuladas podrían causar distorsiones.
• Mejora en la resistencia mecánica: El normalizado y el temple mejoran significativamente las propiedades del material, optimizando su resistencia a la fatiga y al desgaste. Esto es vital en equipos de proceso que experimentan ciclos térmicos y mecánicos intensos.
• Prevención de defectos en las soldaduras: Aplicar el tratamiento térmico adecuado minimiza defectos comunes como fisuras y otras irregularidades que podrían comprometer la integridad de la unión soldada, mejorando así la calidad final del producto.

Consideraciones clave para la implementación de tratamientos térmicos

• Selección del tratamiento adecuado: La elección del tratamiento térmico depende del tipo de material y de la aplicación específica. Por ejemplo, aceros al carbono requieren un tipo de recocido diferente al de los aceros inoxidables, que pueden necesitar un temple y revenido para optimizar su resistencia.
• Control de parámetros: Para asegurar la efectividad del tratamiento, se debe seguir la curva de tratamiento térmico, siendo fundamental controlar con precisión la temperatura, el tiempo de mantenimiento y la velocidad de enfriamiento. Estos parámetros deben ser monitoreados cuidadosamente para evitar defectos como la fragilización o cambios no deseados en las propiedades mecánicas del material.

Equipos y técnicas utilizadas: En la industria, se emplean equipos portátiles y hornos de precisión y de monitoreo avanzados para aplicar tratamientos térmicos de manera uniforme y controlada. Las tecnologías modernas permiten ajustar parámetros en tiempo real, garantizando un tratamiento preciso y efectivo.

Retos y mejores prácticas en tratamientos térmicos

• Retos comunes: Uno de los mayores desafíos es evitar deformaciones y cambios indeseados en las propiedades del material. Los materiales con alta sensibilidad térmica requieren un control extremadamente preciso de la temperatura para evitar daños.
• Mejores prácticas: Es recomendable utilizar hornos de precisión que ofrezcan un control exacto de la temperatura y sistemas de monitoreo en tiempo real para registrar los parámetros de tratamiento. Además, es crucial realizar pruebas de inspección post-tratamiento para asegurar la calidad de las soldaduras.

Conclusión 

Los tratamientos térmicos en soldaduras de tuberías y equipos de proceso son fundamentales para garantizar la seguridad y eficiencia operativa en industrias como la petroquímica y las refinerías. Estos tratamientos mejoran la durabilidad de las uniones soldadas, y minimizan defectos y tensiones residuales que comprometen la integridad estructural de los componentes.

Referencias

1. https://caltherm.co.uk/heat-treatment-furnaces-and-ovens/
2. https://www.stork.com/en/capabilities/equipment/heat-treatment-equipment
3. https://badgatostudios.com/en/normalizado-la-clave-para-fortalecer-tus-materiales#google_vignette