Tendencias en la producción de tubos hidráulicos en tiempos de escasez, Parte II

Wynn Kearns, Indiana Tube Corp.

Nota del editor: este artículo es el segundo de una serie de dos partes sobre el mercado y la producción de líneas de transporte de fluidos de pequeño diámetro para aplicaciones de alta presión. En la primera parte se analizó el estado de la oferta interna de productos convencionales para estas aplicaciones, que es escasa. La Parte II analiza dos productos no convencionales para este mercado.

Dos tipos de tubos hidráulicos soldados especificados por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE-J525 y SAE-J356A) comparten un origen común, al igual que sus especificaciones escritas. La tira de acero plana se corta a lo ancho y se le da forma de tubo mediante perfilado. Después de pulir los bordes de la tira con herramientas de rodillos de aletas, el tubo se calienta mediante soldadura por resistencia eléctrica de alta frecuencia y se forja entre rodillos de presión para formar la costura de soldadura. Después de soldar, la rebaba del diámetro exterior se elimina mediante una herramienta fija, generalmente hecha de carburo de tungsteno. El flash de identificación se retira mediante una herramienta fija o se controla a una altura máxima diseñada.

Esta descripción del proceso de soldadura es genérica y existen muchas pequeñas diferencias en el proceso de fabricación real (ver Figura 1). Sin embargo, los dos tienen muchas características mecánicas en común.

Las fallas de las tuberías y los modos de falla en general se pueden clasificar en cargas de tracción o cargas de compresión. En la mayoría de los materiales, la falla bajo tensión ocurre con un valor de tensión más bajo que en compresión. Es decir, la mayoría de los materiales son mucho más resistentes a la compresión que a la tensión. El hormigón es un ejemplo. Es bastante fuerte en compresión, pero a menos que esté moldeado con una red interna de barras de refuerzo (barras de refuerzo), se separa con bastante facilidad. Por esta razón, el acero se prueba bajo carga de tracción para determinar su resistencia máxima a la tracción (UTS). Las tres especificaciones de tuberías hidráulicas tienen un requisito similar: un UTS de 310 MPa (45 000 PSI).

Debido a que la tubería de presión requiere capacidad para soportar la presión hidráulica, es posible que se requiera un cálculo separado y una prueba destructiva, una prueba de rotura. Un cálculo puede determinar la presión de estallido última teórica, que tiene en cuenta el espesor de la pared, el UTS del material y el OD. Dado que el tubo J525 y el tubo J356A pueden tener la misma dimensión, la única variable es la UTS. Proporcionando un valor de tracción común, 50.000 PSI, la presión de rotura prevista en 0,500 por 0,049 pulgadas. El tubo es el mismo para ambos productos: 10,908 PSI.

Aunque los cálculos predicen resultados idénticos, una diferencia en la aplicación práctica está relacionada con el espesor real de la pared. En J356A, el flash de soldadura ID se controla a una dimensión máxima, basada en el diámetro del tubo, como se describe en la especificación. Para J525, un producto al que se le ha quitado la rebaba, el proceso de raspado de rebaba a menudo socavará el diámetro interior intencionalmente aproximadamente 0,002 pulgadas, lo que resultará en un adelgazamiento localizado de la pared en la zona de soldadura. Aunque el espesor de la pared se completa mediante un trabajo en frío posterior, la tensión residual y la orientación del grano pueden diferir del material original, y el espesor de la pared puede ser ligeramente más delgado que un tubo comparable especificado como J356A.

En realidad, esto puede crear un escenario de presión de explosión más baja para J525 en comparación con J356A.

Dependiendo del uso final del tubo, es necesario quitar o aplanar (o alisar) el rebaba de ID para eliminar la ruta potencial de fuga, principalmente para un extremo abocardado de pared simple. Si bien se acepta comúnmente que J525 tiene una identificación fluida y, por lo tanto, no tiene potencial para una ruta de fuga, esto es un concepto erróneo. Un tubo J525 puede desarrollar estrías en el diámetro interior debido a un trabajo en frío inadecuado, lo que genera una ruta de fuga en la conexión.

La eliminación de rebabas comienza cortando (o raspando) el cordón de soldadura de la pared interna. La herramienta de escarpado, que está fijada a un mandril sostenido por rodillos, se encuentra dentro del tubo, justo después de la estación de soldadura. Mientras la herramienta de escarpado retira el cordón de soldadura, los rodillos sin darse cuenta ruedan sobre trozos de salpicaduras de soldadura, obligándolos a ingresar a la superficie del diámetro interior del tubo (consulte la Figura 2). Este es un problema para los tubos ligeramente procesados, como los tubos raspados o pulidos.

Quitar el flash del interior del tubo no es fácil. El proceso de raspado convierte el destello en una longitud larga y enredada de acero afilado. Aunque eliminarlo es un requisito, la eliminación suele ser un proceso manual e imperfecto. En ocasiones, tramos de tubo que contienen hebras de bufanda salen de las instalaciones del fabricante de tubos y se envían al cliente.

FIGURA 1. El material SAE-J525 se produce en lotes, una tarea que requiere mucho capital y mano de obra. Un producto de tubo similar, fabricado según SAE-J356A, se procesa íntegramente en un molino de tubos equipado con recocido en línea, por lo que es un proceso mucho más eficiente.

Para tubos más pequeños, como líneas de fluido con diámetros inferiores a 20 mm, la eliminación del rebaba del DI generalmente no es tan importante porque estos diámetros no tienen pasos adicionales de acabado del DI. La única advertencia es que el usuario final sólo necesita considerar si la altura de control del flash acordada creará un problema.

Las mejores prácticas para el control de rebabas de ID comienzan con prácticas precisas de acondicionamiento de tiras, corte y soldadura. De hecho, las características de la materia prima para J356A deben ser más estrictas que las de J525 porque J356A es más restrictivo en cuanto a tamaño de grano, inclusiones de óxido y otros parámetros de fabricación de acero debido al proceso de dimensionamiento en frío involucrado.

Finalmente, el escarpado de ID generalmente requiere un refrigerante. La mayoría de los sistemas utilizan el mismo refrigerante del molino que para las herramientas del rodillo, pero esto puede resultar problemático. A pesar del filtrado y el desnatado, el refrigerante del molino generalmente contiene cantidades no pequeñas de finos metálicos, grasas y aceites atrapados y otros contaminantes. Como resultado, el tubo J525 requiere un ciclo de lavado en un baño alcalino caliente u otro paso de limpieza equivalente.

Los condensadores, sistemas automotrices y otros sistemas similares necesitan tuberías limpias y se puede lograr una limpieza suficiente en el molino. J356A sale del molino con un ID limpio, contenido de humedad controlado y residuos mínimos. Finalmente, es una práctica común cargar cada tubo con un gas inerte para evitar la corrosión y sellar el extremo antes del envío.

La tubería J525 se normaliza después de la soldadura, a la que sigue una operación de trabajo en frío (estirado). Después del trabajo en frío, el tubo se normaliza nuevamente para cumplir con todos los requisitos de propiedades mecánicas.

Los pasos de normalización, estirado y segunda normalización requieren transportar el tubo al horno, a la mesa de estirado y nuevamente al horno. Estos pasos implican otros subpasos separados, como apuntar (antes de dibujar), decapar y enderezar, dependiendo de las características específicas de la operación. Estas medidas son costosas y consumen incalculables recursos en tiempo, mano de obra y dinero en efectivo. Un tubo estirado en frío se asocia con una pérdida de chatarra del 20 % en la producción.

La tubería J356A recibe un paso de normalización después de soldarse mientras aún está en el molino. El tubo no toca el suelo y avanza desde el paso de formación inicial hasta un tubo terminado en una serie ininterrumpida de etapas en el molino. Un tubo soldado como el J356A se asocia con una pérdida de chatarra del 10 % en la producción. En igualdad de condiciones, esto significa que el tubo J356A se puede producir a un costo menor que el J525.

Si bien los dos productos funcionan de manera similar, no son idénticos desde un punto de vista metalúrgico.

La tubería J525 estirada en frío requiere un pretratamiento de normalización dos veces, después de la soldadura y después del estirado. Las temperaturas de normalización (1.650° F o 900° C) conducen a óxidos superficiales, que generalmente se eliminan después del recocido con un ácido mineral, típicamente ácido sulfúrico o ácido clorhídrico. El decapado ácido tiene un gran impacto ambiental en términos de emisiones al aire y un flujo de residuos rico en metales.

Además, la normalización de las temperaturas en la atmósfera reductora de un horno de solera de rodillos puede agotar el carbono en la superficie del acero. Este proceso, la descarburación, deja una capa superficial que tiene una resistencia mucho menor que la del material original (ver Figura 3). Esto puede ser especialmente crítico para tubos de paredes delgadas. Si el espesor de la pared es de 0,030 pulgadas, incluso una ligera capa de descarburación de 0,003 pulgadas de espesor reduce la pared efectiva en un 10%. Este tubo debilitado puede fallar en servicio debido a carga o vibración.

FIGURA 2. La herramienta de escarpado del DI (no se muestra) está sostenida por rodillos que se desplazan a lo largo del DI del tubo. Un buen diseño del rodillo reduce la cantidad de salpicaduras de soldadura que se introducen en la pared del tubo. Nelson Tool Corp.

Los tubos J356 se procesan en lotes, lo que requiere recocido en hornos de solera de rodillos, pero la cosa no termina ahí. Una variante, J356A, se procesa íntegramente en un molino mediante inducción en línea, que es un proceso de calentamiento mucho más rápido que el de un horno de solera de rodillos. Esto reduce el tiempo de recocido, lo que reduce la ventana de oportunidad para la descarburación de minutos (o incluso horas) a segundos. Esto proporciona a J356A un recocido uniforme, sin óxidos ni corteza de descarburación.

Los tubos fabricados para su uso en líneas hidráulicas deben ser lo suficientemente dúctiles para poder doblarlos, abocardarlos y conformarlos. La flexión es necesaria para llevar el fluido hidráulico del punto A al punto B, a través de una variedad de giros y vueltas a lo largo del camino, mientras que el abocardado es la clave para proporcionar un método para realizar una conexión final.

En un escenario del huevo y la gallina, se desarrolló un tubo trefilado, que por lo tanto tiene un diámetro interno suave, para conexiones abocardadas de pared simple, o tal vez ocurrió lo contrario. En este estilo de conexión, la superficie interior del tubo sella contra un asiento en un conector macho. Para crear un sello de metal a metal a prueba de fugas, el acabado de la superficie del tubo debe ser lo más liso posible. Este accesorio se originó en la década de 1920 para su uso en la naciente división aérea del ejército estadounidense, el Air Corps. Posteriormente, el accesorio se convirtió en el abocinado estándar de 37 grados de uso común en la actualidad.

Otras bengalas funcionan para muchas situaciones, como las bengalas de burbuja y de doble pared (consulte la Figura 4).

Desde que comenzó el período COVID-19, el suministro de tubos trefilados con un interior liso ha disminuido sustancialmente. El material disponible tiende a tener plazos de entrega mucho más largos que en el pasado. Este cambio en la cadena de suministro se puede resolver rediseñando la conexión final. Por ejemplo, una solicitud de cotización que requiere un abocinado de pared simple y especifica J525 es candidato para un sustituto, un abocinado de doble pared. Esta conexión final puede utilizar cualquiera de los tipos de tubería hidráulica. Esto abre la puerta a la oportunidad de utilizar J356A.

Además de las conexiones tipo abocinado, el sello frontal de junta tórica (consulte la Figura 5) es de uso común, especialmente para sistemas de alta presión. Este tipo de conexión no solo tiende a tener menos fugas que una abocardada de pared simple porque utiliza un sello elastomérico, sino que también es más versátil: se puede formar en los extremos de cualquiera de los tipos de tubos hidráulicos comunes. Esto prepara a los fabricantes de tubos para una elección más amplia de la cadena de suministro y una mejor economía a largo plazo.

La historia de la industria está llena de ejemplos de productos convencionales que se establecen tan profundamente que desarrollan un impulso que dificulta que el mercado cambie de dirección. Un producto de la competencia, incluso uno que sea notablemente menos costoso y que demuestre que cumple con todos los requisitos del producto original, puede tener dificultades para afianzarse en el mercado si se lo mira con sospecha. Este suele ser el caso cuando un agente de compras o un ingeniero especificador considera un sustituto no convencional para un producto existente. Pocos quieren correr un riesgo percibido.

En algunos casos, un cambio puede no sólo estar justificado sino también ser necesario. La pandemia de COVID-19 ha provocado un cambio inesperado en la disponibilidad de ciertos tipos y tamaños de tubos a granel para líneas de fluidos de acero. Las áreas de productos afectadas son aplicaciones de fabricación de tubos para automóviles, electrodomésticos, equipos pesados ​​y cualquier otro que utilice líneas de alta presión, especialmente para energía hidráulica.

Esta brecha se puede llenar, quizás con un costo total más bajo, considerando tipos de tubos de acero establecidos pero específicos. Para seleccionar el producto adecuado para la aplicación, es necesario investigar un poco para determinar la compatibilidad del fluido, la presión de funcionamiento, la carga mecánica y el tipo de conexión.

Una mirada de cerca a las especificaciones muestra que J356A puede ser un verdadero equivalente a J525. Está disponible a un costo menor a través de una cadena de suministro probada a pesar de la pandemia. Si lidiar con los problemas de forma final es menos agotador que adquirir J525, esto podría ayudar a los OEM a resolver los desafíos logísticos en la era COVID-19 y en el futuro.