Nota del editor: Este artículo es el segundo de una serie de dos partes sobre el mercado y la fabricación de tuberías de transferencia de líquidos de pequeño diámetro para aplicaciones de alta presión. La primera parte analiza la disponibilidad nacional de productos convencionales para estas aplicaciones, que son escasos. La segunda parte analiza dos productos no tradicionales en este mercado.
Los dos tipos de tuberías hidráulicas soldadas designadas por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE-J525 y SAE-J356A) comparten un origen común, al igual que sus especificaciones. Se cortan tiras planas de acero a la anchura deseada y se les da forma de tubo mediante perfilado. Tras pulir los bordes de la tira con una herramienta con aletas, la tubería se calienta mediante soldadura por resistencia de alta frecuencia y se forja entre rodillos de presión para formar la soldadura. Después de soldar, se elimina la rebaba exterior con un soporte, generalmente de carburo de tungsteno. La rebaba de identificación se elimina o se ajusta a la altura máxima de diseño con la herramienta de bloqueo.
La descripción de este proceso de soldadura es general, y existen muchas pequeñas diferencias en el proceso de producción real (véase la Figura 1). Sin embargo, comparten muchas propiedades mecánicas.
Las fallas en las tuberías y los modos de falla comunes se pueden dividir en cargas de tracción y compresión. En la mayoría de los materiales, la tensión de tracción es menor que la de compresión. Sin embargo, la mayoría de los materiales son mucho más resistentes a la compresión que a la tracción. El hormigón es un ejemplo. Es altamente compresible, pero a menos que se moldee con una red interna de barras de refuerzo (varillas), se rompe fácilmente. Por esta razón, el acero se somete a pruebas de tracción para determinar su resistencia máxima a la tracción (UTS). Los tres tamaños de mangueras hidráulicas tienen los mismos requisitos: 310 MPa (45 000 psi) UTS.
Debido a la capacidad de las tuberías de presión para soportar la presión hidráulica, puede ser necesario un cálculo y una prueba de falla independientes, conocidos como prueba de rotura. Los cálculos pueden utilizarse para determinar la presión de rotura última teórica, teniendo en cuenta el espesor de la pared, la UTS y el diámetro exterior del material. Dado que los tubos J525 y J356A pueden tener el mismo tamaño, la única variable es la UTS. Proporciona una resistencia a la tracción típica de 50 000 psi con una presión de rotura predictiva de 0,500 x 0,049 pulg. El tubo es el mismo para ambos productos: 10 908 psi.
Aunque las predicciones calculadas coinciden, una diferencia en la aplicación práctica radica en el espesor real de la pared. En la norma J356A, la rebaba interna es ajustable a un tamaño máximo que depende del diámetro de la tubería, tal como se describe en la especificación. En los productos J525 desbarbados, el proceso de desbarbado reduce intencionadamente el diámetro interior en aproximadamente 0,002 pulgadas, lo que provoca un adelgazamiento localizado de la pared en la zona de soldadura. Si bien el espesor de la pared se compensa con el posterior trabajo en frío, la tensión residual y la orientación del grano pueden diferir del metal base, y el espesor de la pared puede ser ligeramente menor que el de la tubería comparable especificada en la norma J356A.
Dependiendo del uso final de la tubería, es necesario eliminar o aplanar las rebabas internas para evitar posibles fugas, principalmente en tuberías de pared simple con extremos abocinados. Si bien se suele creer que la tubería J525 tiene un diámetro interior liso y, por lo tanto, no presenta fugas, esto es un error. Las tuberías J525 pueden desarrollar estrías en su diámetro interior debido a un trabajo en frío inadecuado, lo que provoca fugas en la conexión.
Comience el desbarbado cortando (o raspando) el cordón de soldadura de la pared del diámetro interior. La herramienta de limpieza está fijada a un mandril sostenido por rodillos dentro del tubo, justo detrás de la estación de soldadura. Mientras la herramienta de limpieza retiraba el cordón de soldadura, los rodillos rozaron accidentalmente algunas de las salpicaduras de soldadura, provocando que impactaran la superficie del diámetro interior del tubo (véase la figura 2). Esto representa un problema para tubos con mecanizado ligero, como los tubos torneados o pulidos.
Retirar el flash del tubo no es fácil. El proceso de corte convierte la purpurina en un hilo largo y enredado de acero afilado. Si bien es necesario retirarlo, suele ser un proceso manual e imperfecto. En ocasiones, algunas secciones de los tubos de flash salen de las instalaciones del fabricante y se envían a los clientes.
Arroz. 1. El material SAE-J525 se produce en masa, lo que requiere una inversión y mano de obra significativas. Los productos tubulares similares fabricados con SAE-J356A se mecanizan completamente en laminadores de tubos con recocido en línea, por lo que resultan más eficientes.
Para tuberías más pequeñas, como las de líquidos con un diámetro inferior a 20 mm, el desbarbado interior no suele ser tan importante, ya que estos diámetros no requieren un acabado interior adicional. La única salvedad es que el usuario final solo debe considerar si una altura de control de rebabas uniforme podría generar algún problema.
La excelencia en el control de la llama en el proceso de conformado en frío comienza con un acondicionamiento, corte y soldadura precisos de la banda. De hecho, las propiedades de la materia prima del acero J356A deben ser más estrictas que las del J525, ya que el J356A presenta mayores restricciones en cuanto al tamaño de grano, las inclusiones de óxido y otros parámetros de fabricación del acero debido al proceso de dimensionamiento en frío.
Finalmente, la soldadura de diámetro interior suele requerir refrigerante. La mayoría de los sistemas utilizan el mismo refrigerante que la herramienta de bobinado, pero esto puede generar problemas. A pesar de estar filtrados y desengrasados, los refrigerantes industriales suelen contener cantidades significativas de partículas metálicas, diversos aceites y otros contaminantes. Por lo tanto, la tubería J525 requiere un ciclo de lavado con sosa cáustica caliente u otro paso de limpieza equivalente.
Los condensadores, los sistemas automotrices y otros sistemas similares requieren limpieza de tuberías, la cual puede realizarse en la fábrica. El J356A sale de fábrica con un interior limpio, un contenido de humedad controlado y un mínimo de residuos. Finalmente, es práctica común llenar cada tubo con un gas inerte para prevenir la corrosión y sellar los extremos antes del envío.
Los tubos J525 se normalizan después de la soldadura y luego se trabajan en frío (estirantados). Tras el trabajo en frío, el tubo se normaliza de nuevo para cumplir con todos los requisitos mecánicos.
Los pasos de normalización, trefilado y segunda normalización requieren el transporte del tubo al horno, a la estación de trefilado y de vuelta al horno. Según las características específicas de la operación, estos pasos requieren subetapas adicionales como el rejuntado (antes de pintar), el grabado y el enderezamiento. Estos pasos son costosos y requieren una cantidad considerable de tiempo, mano de obra y recursos económicos. Los tubos trefilados en frío presentan una tasa de desperdicio del 20 % en la producción.
El tubo J356A se normaliza en la laminadora después de la soldadura. El tubo no toca el suelo y se desplaza desde las etapas iniciales de conformado hasta el tubo terminado en una secuencia continua de pasos en la laminadora. Los tubos soldados como el J356A presentan un desperdicio del 10 % en la producción. En igualdad de condiciones, esto significa que las lámparas J356A son más económicas de fabricar que las lámparas J525.
Aunque las propiedades de estos dos productos son similares, no son iguales desde un punto de vista metalúrgico.
Los tubos J525 estirados en frío requieren dos tratamientos de normalización preliminares: uno después de la soldadura y otro después del estirado. Las temperaturas de normalización (900 °C) dan lugar a la formación de óxidos superficiales, que generalmente se eliminan con ácido mineral (normalmente sulfúrico o clorhídrico) tras el recocido. El decapado tiene un gran impacto ambiental en términos de emisiones atmosféricas y residuos ricos en metales.
Además, la normalización de la temperatura en la atmósfera reductora del horno de solera de rodillos provoca el consumo de carbono en la superficie del acero. Este proceso, la descarburación, deja una capa superficial mucho más débil que el material original (véase la figura 3). Esto es especialmente importante para tuberías de pared delgada. Con un espesor de pared de 0,030″, incluso una pequeña capa de descarburación de 0,003″ reduce la resistencia efectiva de la pared en un 10 %. Estas tuberías debilitadas pueden fallar debido a esfuerzos o vibraciones.
Figura 2. Una herramienta de limpieza interna (no mostrada) se apoya en rodillos que se mueven a lo largo del diámetro interior de la tubería. Un buen diseño de rodillos reduce la cantidad de salpicaduras de soldadura que se adhieren a la pared de la tubería. Herramientas Nielsen
Los tubos J356 se procesan en lotes y requieren recocido en un horno de solera de rodillos, pero este proceso no se limita a ellos. La variante J356A se mecaniza completamente en un laminador mediante inducción integrada, un proceso de calentamiento mucho más rápido que el de un horno de solera de rodillos. Esto reduce el tiempo de recocido, disminuyendo así el margen de tiempo para la descarburación de minutos (o incluso horas) a segundos. De esta forma, el J356A obtiene un recocido uniforme sin óxido ni descarburación.
Los tubos utilizados en las líneas hidráulicas deben ser lo suficientemente flexibles como para poder doblarse, expandirse y moldearse. Las curvas son necesarias para llevar el fluido hidráulico del punto A al punto B, pasando por diversas curvas y giros en el camino, y el abocardado es fundamental para proporcionar un método de conexión final.
En un dilema del tipo «¿qué fue primero, el huevo o la gallina?», las chimeneas se diseñaron para conexiones de quemadores de pared simple (con un diámetro interior liso), o bien, pudo haber ocurrido lo contrario. En este caso, la superficie interior del tubo se ajusta perfectamente al conector de clavija. Para garantizar una conexión hermética metal con metal, la superficie del tubo debe ser lo más lisa posible. Este accesorio apareció en la década de 1920 para la incipiente División Aérea de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Posteriormente, este accesorio se convirtió en el ensanchamiento estándar de 37 grados que se utiliza ampliamente en la actualidad.
Desde el inicio de la pandemia de COVID-19, el suministro de tuberías estiradas con diámetros interiores lisos ha disminuido considerablemente. Los materiales disponibles suelen tener plazos de entrega más largos que antes. Este cambio en las cadenas de suministro puede solucionarse rediseñando las conexiones de los extremos. Por ejemplo, una solicitud de cotización que requiera un quemador de pared simple y especifique J525 puede sustituir a un quemador de doble pared. Cualquier tipo de tubería hidráulica puede utilizarse con esta conexión. Esto abre nuevas posibilidades para el uso de la J356A.
Además de las conexiones abocinadas, también son comunes las juntas tóricas (véase la figura 5), ​​especialmente en sistemas de alta presión. Este tipo de conexión no solo es menos hermética que una conexión abocinada de pared simple debido al uso de juntas elastoméricas, sino que también es más versátil, ya que puede formarse en el extremo de cualquier tipo común de tubería hidráulica. Esto ofrece a los fabricantes de tuberías mayores oportunidades en la cadena de suministro y un mejor desempeño económico a largo plazo.
La historia industrial está repleta de ejemplos de productos tradicionales que se afianzan en épocas de incertidumbre para el mercado. Un producto de la competencia, incluso uno significativamente más económico que cumpla con todos los requisitos del producto original, puede tener dificultades para penetrar en el mercado si surgen sospechas. Esto suele ocurrir cuando un agente de compras o un ingeniero asignado considera un sustituto no tradicional para un producto existente. Pocos están dispuestos a arriesgarse a ser descubiertos.
En algunos casos, los cambios no solo son necesarios, sino imprescindibles. La pandemia de COVID-19 ha provocado cambios inesperados en la disponibilidad de ciertos tipos y tamaños de tuberías de acero para el transporte de fluidos. Los sectores afectados son la industria automotriz, eléctrica, de maquinaria pesada y cualquier otra industria de fabricación de tuberías que utilice líneas de alta presión, especialmente líneas hidráulicas.
Esta brecha puede cubrirse a un menor costo total considerando un tipo de tubería de acero ya establecido, aunque especializado. Seleccionar el producto adecuado para una aplicación requiere cierta investigación para determinar la compatibilidad con fluidos, la presión de operación, la carga mecánica y el tipo de conexión.
Un análisis más detallado de las especificaciones muestra que el J356A puede ser equivalente al J525 original. A pesar de la pandemia, aún se puede conseguir a un precio más bajo a través de una cadena de suministro consolidada. Si solucionar los problemas de forma final requiere menos trabajo que encontrar el J525, podría ayudar a los fabricantes de equipos originales a resolver los desafíos logísticos durante la pandemia de COVID-19 y en el futuro.
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