TUBERÍAS DE TRANSPORTE DE RELAVE MINERO

Tuberías de transporte de relave minero 

La industria minera suele transportar los minerales que explota usualmente de las siguientes maneras: 

a. En fajas transportadoras, luego de atravesar un proceso de chancado. 

b. En tuberías de transporte, las cuales transportan el mineral en forma de pulpa, luego de atravesar procesos de chancado, molienda y adición de agua. 

c. En camiones mineros, luego de atravesar un proceso de chancado para ser manejado por cargadores frontales o palas. 

El transporte de relave minero tipo pulpa, como el concentrado de cobre, se suele realizar a través de tuberías de acero al carbono recubiertas con goma y tuberías de HDPE. Las tuberías de acero al carbono con recubrimiento de goma se seleccionan cuando se requieren mayores resistencias, para operaciones con presiones internas más elevadas. 

Ambos tipos de tuberías de transporte de relaves sufren constantemente de problemas de abrasión y corrosión. Estos problemas son los más comunes cuando las tuberías son fabricadas cumpliendo con todas las exigencias de calidad de los estándares internacionales. Sin embargo, también se producen fallas ocasionadas por problemas de fabricación. 

En el caso de las tuberías de acero al carbono recubierto con goma los problemas de fabricación más comunes son los defectos de soldadura que se producen en las uniones soldadas de las tuberías con sus accesorios (bridas, codos, tees, etc.), la deficiente adherencia de la goma con la tubería de acero, la distribución no homogénea de la goma al interior de la tubería de acero, entre otros.

Tubería API 5L 

El componente analizado es una tubería de descarga en “Y”, el cual es fabricado mediante el proceso de soldadura a partir de segmentos de tubería de acero API 5L PSL 2 X52. Las características de los aceros para tubería que cumplen con la norma API 5L se detallan a continuación: 

a) Esta norma mantiene el concepto de dos niveles básicos de requisitos técnicos estándar para líneas de tubería, expresados como dos niveles de especificación de producto (PSL1 y PSL2). 

b) El nivel PSL1 provee un nivel de calidad estándar para líneas de tubería. 

c) El PSL2 tiene requisitos obligatorios adicionales para la composición química, resistencia al impacto y propiedades de tracción. 

d) Las designaciones del grado se componen por un sistema alfanumérico donde empieza con una letra X, seguida por dos dígitos que indican el límite de fluencia mínimo especificado expresado en ksi. [2]

Soldabilidad de aceros HSLA 

Los aceros de alta resistencia y baja aleación, conocidos como HSLA por sus siglas en inglés, son soldables por arco manual, SMAW, arco sumergido, SAW, o bajo protección de gas, GMAW, siguiendo estrictamente las recomendaciones de su fabricante. El objetivo a conseguir es doble: 

• Ausencia de defectos que puedan afectar al comportamiento esperado del material, es decir, que presenten una calidad aceptable. 

• Propiedades y características mecánicas de la unión, como mínimo idénticas a las del metal base. 

Para obtener unas favorables propiedades mecánicas en la unión soldada los parámetros de soldeo deben adaptarse a la composición química del metal base y al comportamiento de su transformación metalúrgica durante la soldadura. Para ello, hay que seleccionar unas condiciones de soldeo que permitan obtener, tanto en el metal aportado como en la zona térmicamente afectada, las características mecánicas de diseño. Para ello es necesario:

• Aportar un metal con los elementos de aleación necesarios para que sus propiedades mecánicas sean similares o superiores a las del metal de base. 
• Eliminar la posibilidad de introducción de hidrógeno durante la soldadura, para evitar el agrietamiento bajo cordón y en la zona afectada por el calor del metal base, por la gran propensión a fragilizarse que poseen las estructuras martensítica y bainítica inferior. 
• Acotar la velocidad de enfriamiento de la junta soldada que no debe ser demasiado elevada para evitar la fisuración del metal depositado, ni tan baja para permitir conseguir buenas propiedades mecánicas en la zona afectada térmicamente y en el metal aportado. [3]

Dentro de las recomendaciones más comunes, para lograr controlar las variables anteriormente descritas, podemos seleccionar electrodos de bajo hidrógeno de la familia AWS A5.1 EXX18 [4], emplear una temperatura de precalentamiento mínima al soldar, controlar la temperatura entre pases, ejecutar una secuencia de soldeo adecuada y de ser necesario realizar tratamientos térmicos post soldadura.

Proceso de soldadura 

Para el componente en estudio el proceso de soldadura empleado fue el soldeo por arco con electrodo revestido, conocido también como SMAW por sus siglas en inglés. Es un proceso en el que la fusión del metal se produce gracias al calor generado por un arco eléctrico establecido entre el extremo de un electrodo revestido y el metal base de una unión a soldar. 

El material de aportación se obtiene por la fusión del electrodo en forma de pequeñas gotas. La protección se obtiene por la descomposición en forma de gases y en forma de escoria liquida que flota sobre el baño fusión y, posteriormente, se solidifica.

Calidad en la soldadura

Discontinuidades de la unión soldada 

Las discontinuidades son anomalías o irregularidades que se presentan en la unión soldada. Se consideran como defecto cuando por su magnitud, número o localización pueden provocar el fallo de la unión. 

Las causas que pueden provocar estas discontinuidades son, entre otras, una inadecuada: 

• Preparación, disposición o limpieza de las piezas a unir. 
• Ejecución de la soldadura. 
• Soldabilidad del material base. 
• Elección de consumibles (gases, metal de aporte, etc.) 

Los principales defectos que se producen en el soldeo por fusión se clasifican en los siguientes grupos: 

• Grietas o fisuras (ver Figura 3) 
• Cavidades o porosidades 
• Inclusiones sólidas (escoria, óxidos, inclusiones de Wolframio, etc.) 
• Falta de fusión o de penetración. 
• Imperfecciones de forma y dimensión. 
• Otras imperfecciones.

Una soldadura con discontinuidades puede cumplir o no con una norma, es decir, podrá ser aceptada o rechazada. Se aceptará si las dimensiones de sus discontinuidades están por debajo de lo establecido en la norma aplicable en función del nivel de calidad considerado. [5]

Importancia de la inspección de la construcción soldada 

La inspección de la construcción soldada es de suma importancia para garantizar la calidad de la misma. Hernández [5] propone una definición bastante objetiva.

“Las inspecciones de construcciones soldadas podrían definirse como el conjunto de actividades encaminadas a asegurar un determinado grado de fiabilidad de un conjunto soldado, mediante la verificación del mismo por medios adecuados durante diferentes fases del proceso productivo. La importancia de esta inspección se desprende de la responsabilidad de los equipos y construcciones que actualmente se fabrican por soldeo, los cuales, en determinadas condiciones de fallo, afectan seria y directamente a la seguridad pública. El convencimiento de la importancia de inspeccionar estos conjuntos soldados, ha sido la causa de que, en todos los países industrializados, se hayan publicado códigos, especificaciones y normas relativos a su construcción e inspección”.

Objeto de la inspección 

Definir el objeta de la inspección es de vital importancia en la gestión de la calidad de las soldaduras. Hernández [5] propone un objetivo principal. 

“El principal objetivo, durante la inspección de soldaduras, es el determinar el grado de fiabilidad del conjunto inspeccionado. Es decir, poder conocer si lo inspeccionado va a poder ser utilizado en las condiciones para las que fue diseñado. Esto no quiere decir que el conjunto soldado este totalmente libre de discontinuidades. Pueden, durante las distintas fases de inspección, detectarse discontinuidades o desviaciones sobre los requisitos establecidos, que no influyan esencialmente en el futuro comportamiento en servicio y que, a pesar de su existencia, se considere al conjunto apto para su servicio. La inspección debe hacerse evaluando los resultados en relación con unas exigencias establecidas en códigos o normas aplicables al producto examinado”.

Análisis de falla 

El análisis de falla es considerado como la examinación de las características y causas por las que componentes o sistemas han fallado. Mediante el análisis de evidencia física, herramientas y el uso de principios ingenieriles y científicos se puede alcanzar la razón principal por la cual se realizan los análisis de fallas: evitar la recurrencia de fallas similares. La importancia de esta tarea se refleja en aspectos de seguridad, confiabilidad, rendimiento y economía. Dentro del amplio historial de análisis de fallas que se han realizado, las razones más comunes por las que ocurren las fallas incluyen: 

• Condiciones de servicio u operación 
• Mantenimiento inapropiado 
• Inspección o examinación inapropiada 
• Errores de fabricación/manufactura 
• Errores de diseño (selección, y condiciones o propiedades asumidas de materiales). [1] 

Una falla se puede definir como una condición inesperada e indeseable que inhabilita el funcionamiento correcto de un componente, máquina o proceso. Dependiendo de la severidad con la que se presente, puede ser interpretada de distintas formas. El caso más crítico de una falla y la que se presenta en el objeto de estudio del presente trabajo es una fractura.

Etapas del análisis de falla 

Realizar un análisis de falla de un componente es comprometerse con un caso y adoptar una posición de permanente juicio. Descubrir la causa raíz de la falla requiere que el analista no solo haga uso de sus conocimientos del tema, sino que los extienda hacia nuevos horizontes. Si bien, el conocimiento es infinito y relevante dependiendo del lado de la moneda del que se vea, el analista deberá investigar y seleccionar información de libros, la escena del caso, consultar expertos y personas asociadas a la falla para comprender de manera global porque el objeto de estudio ha fallado. 

Es determinante saber que no siempre bastará con el manejo de información para hallar la causa raíz de la falla. Realizar pruebas de laboratorio para sacar a la luz información íntegra del objeto de estudio es indispensable, y se deben seguir procedimientos para que la información obtenida sea veraz y válida. 

Para alcanzar la meta del presente trabajo de investigación, se seguirán procedimientos y recomendaciones de la ASM International. Las etapas más relevantes para el análisis de una falla se listan a continuación y deberán ser tomadas en consideración dependiendo del caso de estudio que se realice. 

En primer lugar, con relación a la recopilación de información: 

• Recopilación del historial de información y selección de muestras 
• Examen preliminar de las muestras falladas 
• Ensayos no destructivos 

Prosiguiendo con un enfoque en la evaluación de los daños y las condiciones que repercutieron en la fractura: 

• Selección, identificación, preservación y limpieza de las muestras 
• Examen y análisis macroscópico Examen microscópico y análisis de las superficies fracturadas 
• Determinación del estado de esfuerzos 
• Mecánica de fractura 
• Determinación del mecanismo de fractura 

Adicionalmente, con el fin de representar la condición del material: 

• Examen y análisis metalográfico 
• Ensayos mecánicos 
• Análisis químico 
• Ensayos bajo simulación de condiciones de servicio 
• Discusión con expertos 
• Síntesis de información, formulación de conclusiones y elaboración del reporte. [1] 

Los procedimientos y ensayos por realizar en el análisis de falla usualmente son seleccionados por el analista en base a su experiencia y a consultas realizadas a expertos.

REFERENCIAS

[1] A. I. H. Committe, “Metals Handbook Volume 11 - Failure Analysis and Prevention,” ASM Int., vol. 11, p. 2909, 2002. 

[2] A. P. I. (API), “Specification for line pipe,” (API), Am. Pet. Inst., vol. 20, no. 3, pp. 106–106, 2013. 

[3] A. Portolés, M. Reina, and CESOL, Curso de Formación de Ingenieros Internacionales de Soldadura - IWE, Modulo II. Tema 2.10 Aceros de Alta Resistencia, 2012th ed. Madrid: Asociación Española de Soldadura y Tecnologías de Unión (CESOL), 2012.

[4] A. A. C. on F. M. and A. Materials, “AWS A5.1/A5.1M:2004, Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding,” Am. Weld. Soc., 2004. 

[5] G. Hernández and CESOL, “Manual del Soldador,” Asoc. Española Sold. y Tecnol. Unión, p. 658, 2014. 

[6] American Welding Society, Manual de Soldadura - Tomo I, 8th ed. Mexico: Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A., 1996.