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Aug 10, 2023

Consideraciones para la soldadura orbital en aplicaciones de tuberías de bioprocesos

Nota del editor: Pharmaceutical Online se complace en presentar este libro de cuatro partes

Nota del editor: Pharmaceutical Online se complace en presentar este artículo de cuatro partes sobre soldadura orbital para tuberías de bioprocesos escrito por la experta de la industria Barbara Henon de Arc Machines. Este artículo fue adaptado de una charla dada a fines del año pasado por el Dr. Henon en una reunión de ASME.

ContenidoProgramas de soldadura: Determinación de variables programablesTiempos de pulsoCriterios para la aceptación de soldadura

Programas de soldadura: determinación de variables programables

RPM. Las soldaduras de tubo por fusión de un solo paso se realizan típicamente a una velocidad de desplazamiento del arco de 4 a 7 pulgadas por minuto (IPM). La velocidad de desplazamiento en pulgadas por minuto debe convertirse en velocidad de rotación en revoluciones por minuto (RPM). Por lo tanto, para un tubo de 1 pulgada de diámetro (DE), una velocidad de desplazamiento de 5 pulgadas equivaldría a 1,6 RPM.

Tiempo por Nivel. El tiempo de arco de la soldadura incluiría el tiempo de demora de rotación, más el tiempo para hacer 1 revolución a las RPM especificadas, más el tiempo adicional requerido para recorrer una distancia equivalente al doble del espesor de la pared del tubo para unir la soldadura. A 1,6 RPM, el tiempo requerido para viajar una vez alrededor del tubo sería de 60 segundos dividido por 1,6 RPM o 37,5 segundos. Se requeriría un tiempo total de aproximadamente 40 segundos para completar la soldadura. El tiempo total se divide por el número de niveles del programa de soldadura para obtener el tiempo por nivel. Esto sería 10 segundos por nivel para una soldadura de 4 niveles o alrededor de 6,7 segundos por nivel para una soldadura de 6 niveles.

Corriente de soldadura para acero inoxidable 316L. A una velocidad de desplazamiento de 5 IPM, se necesita aproximadamente un amperio de corriente de soldadura por cada 0,001 pulgadas de espesor de pared para el amperaje inicial (primario) en el primer nivel. Con la soldadura por arco pulsado, todas las demás corrientes de soldadura pueden derivarse del amperaje de primer nivel. La corriente de fondo sería aproximadamente el 30 % de los amperios primarios para el nivel 1, mientras que la corriente en el último nivel sería aproximadamente el 80 % del primer nivel. Este es el resultado de la acumulación de calor en el tubo, por lo que se requiere alrededor de un 20 % menos de corriente para la penetración al final de la soldadura que al principio. La cantidad de reducción de corriente por nivel dependería del número de niveles, siendo posible una reducción más gradual con un mayor número de niveles.

Retardo de rotación. Después de que se inicia el arco, pero antes del comienzo de la rotación, el arco se mantiene en un punto para acumular suficiente calor para la penetración. Esto es especialmente importante para una soldadura de un solo paso donde la falla en lograr la penetración al comienzo de la soldadura podría resultar en una falta de fusión en la conexión.

Tiempos de pulso

Los tiempos para el pulso primario y el pulso de fondo controlan el espacio entre los cordones de soldadura. Los tiempos de pulso más largos aumentan el espaciado de las perlas. En la soldadura por pasos o sincronizada, el pulso "bajo" o "de fondo" determina el espaciado del cordón de soldadura, mientras que el tiempo de pulso "alto" o "primario" se puede usar junto con la corriente de soldadura para controlar la penetración. En tuberías de paredes delgadas, las soldaduras se pueden realizar sin corriente pulsada. Para tubos pequeños, los tiempos de pulso suelen ser de 0,1 a 0,2 segundos o menos. Los tiempos de pulso son significativamente más largos para las soldaduras STEP. Para una soldadura por arco pulsado, los cordones de soldadura deben superponerse entre un 60 y un 80 % en el DE y no menos del 50 % en el DI.

Criterios para la Aceptación de Soldadura

El estándar de equipos de bioprocesos de ASME (ASME BPE-97) se publicó en noviembre de 1997. Antes de este momento, los sistemas de tuberías farmacéuticas se instalaban tradicionalmente utilizando los estándares sanitarios 3A como pautas para la fabricación. Los procedimientos y el personal de soldadura pueden haber sido certificados por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), sección IX del Código de calderas y recipientes a presión, y tal vez hayan seguido las pautas de criterios de soldadura enumeradas en el Código ASME B 31.3 para tuberías a presión mediante las cuales las soldaduras se evalúan visualmente para que no tengan falta de fusión, evidencia de escoria superficial o porosidad, con límites estrictos para penetración incompleta, socavado, concavidad interior (succión o succión), etc. Para cumplir con estos códigos, una soldadura Debe establecerse un procedimiento y probar las soldaduras sujetas a pruebas de flexión para demostrar que la unión es dúctil y pruebas de tracción para demostrar que la soldadura cumple con la resistencia a la tracción mínima para el material. También se puede requerir una radiografía. Estas pruebas fueron diseñadas para determinar la integridad mecánica de las soldaduras y la capacidad del personal de soldadura para hacer las soldaduras. Estos códigos y normas se escribieron para la soldadura manual y es perfectamente posible instalar un sistema de tuberías para cumplir con estos criterios utilizando técnicas de soldadura manual. La soldadura según estos códigos tiene por objeto garantizar el funcionamiento seguro del sistema soldado, pero se presta poca atención a la apariencia cosmética y la suavidad de las soldaduras que, de hecho, afectarán la idoneidad del sistema de tuberías para uso biofarmacéutico.

ASME BPE - 1997 fue desarrollado en reconocimiento de las limitaciones de los códigos y lineamientos existentes para la industria de bioprocesos. En 1989, ASME estableció un Comité principal para equipos de bioprocesos para examinar todos los aspectos de la fabricación e instalación de equipos de bioprocesos para definir los requisitos de la industria y escribir un nuevo estándar para abordar las necesidades particulares de la industria de bioprocesos. Se formaron subcomités de diseño para esterilidad y facilidad de limpieza, acabado superficial, unión de materiales, dimensiones y tolerancias, sellos de equipos y requisitos generales y se reunieron varias veces al año hasta que se completó la norma. Todavía se está trabajando en revisiones y adiciones.

El tema de los criterios de aceptación de soldadura para soldaduras de tubos orbitales en sistemas de tuberías de bioprocesos fue abordado por el Subcomité de Unión de Materiales. Estuvieron de acuerdo en que las soldaduras biofarmacéuticas aún deben cumplir con los requisitos de ASME Sección IX y B31.3 pero cumplir con criterios adicionales basados ​​en la evaluación visual. Todas las soldaduras deben examinarse visualmente en el OD, y el propietario y el contratista deben acordar la cantidad de soldaduras que se inspeccionarán en el ID. Se seleccionará al azar un mínimo del 20 % de las soldaduras para la inspección de identificación, ya sea mediante un examen visual directo o mediante un boroscopio. Se acordó que las soldaduras de tipo farmacéutico deben penetrarse completamente sin falta de fusión en el cordón de soldadura interior. Además, no debe haber evidencia de porosidad, ni escoria ni escoria, ni decoloración excesiva debido a la falta de purga o muy poco gas de purga, o gas contaminado, ni golpes de arco. El Subcomité MJ presentó dibujos de secciones transversales de soldadura que definen un perfil de soldadura aceptable y límites de concavidad, decoloración, desalineación, etc., que se detallan a continuación.

Penetración incompleta

Probablemente, el defecto de soldadura más grave sería la falta de fusión o la imposibilidad de lograr la penetración total de la soldadura en todo el perímetro del interior de la unión soldada. Aparte de las consideraciones de la resistencia de la unión soldada, en las aplicaciones de tuberías de bioprocesos, la falta de fusión deja una grieta donde las bacterias podrían escapar de los procedimientos de limpieza y colonizar el sistema. Las grietas también son sitios donde puede comenzar la corrosión por grietas. Las diferencias en el microambiente (oxígeno, cloruros, iones metálicos, hidrógeno) de la grieta y el área fuera de la grieta establecen una celda de concentración en la que la grieta se vuelve anódica y, por lo tanto, se corroe.

La penetración incompleta de la unión soldada, o la falta de fusión, generalmente resulta de un programa de soldadura deficiente en el que se aplica calor insuficiente durante alguna parte del proceso de soldadura. En este caso, la condición se puede corregir aumentando el amperaje o la corriente de soldadura que proporciona el calor necesario para lograr la penetración. El programa de soldadura puede requerir amperaje adicional para todos o solo para una sola parte o nivel del programa de soldadura. En general, cuando se ha elaborado un programa de soldadura para un tamaño particular de tubería, tubería o soldadura de tubo a accesorio, las soldaduras serán consistentes a menos que haya un cambio en el calor del material.

Una falta de fusión puede ser el resultado de no alinear correctamente el electrodo de tungsteno con la junta soldada o la desviación del arco. Este defecto no sería evidente desde el exterior de la soldadura, pero solo podría detectarse mediante un examen visual del interior de la soldadura. Este tipo de defecto sería el resultado de un "error del operador" y la formación adecuada del personal de soldadura sería la medida preventiva más eficaz.

Concavidad (sobrepenetración)

Con una soldadura autógena, no se agrega material de relleno, por lo que la superficie de la soldadura no será convexa a menos que se aplique una presión de purga excesiva al DI. El cordón de soldadura generalmente estará al ras con la superficie del tubo, pero en materiales con bajo contenido de azufre o de paredes gruesas, existe una mayor tendencia a mostrar alguna concavidad superficial que se considera indeseable. El cordón de soldadura exterior generalmente se vuelve cóncavo cuando se aplica calor excesivo a la soldadura. La concavidad puede estar localizada en un área de la soldadura, o toda la soldadura puede estar demasiado caliente.

La concavidad generalmente se puede superar reduciendo la corriente de soldadura para la parte particular de la unión soldada que muestra el problema. En materiales de paredes gruesas o con bajo contenido de azufre, una pequeña cantidad de concavidad puede ser inevitable. La cantidad de concavidad de OD permitida para el nuevo estándar BPE es un máximo del 10 % del espesor de la pared para toda la circunferencia de la soldadura o del 15 % si la concavidad se limita al 25 % de la circunferencia. Una concavidad del 10 % en un tubo farmacéutico de pared de 0,065 pulgadas se mediría como una depresión de 0,0065 pulgadas del cordón de soldadura con respecto a las superficies exteriores del tubo.

Penetración excesiva del cordón de soldadura interior

La penetración excesiva de la soldadura interna (convexidad del DI) se limita al 10 % del espesor nominal de la pared. La convexidad del DI generalmente ocurre al mismo tiempo que la concavidad del DE y también es el resultado de aplicar calor excesivo a la soldadura. Se puede corregir reduciendo el amperaje en esa parte de la soldadura que muestra la penetración excesiva. Mientras que algunos propietarios o contratistas especifican un cordón de soldadura interno ancho que minimizará la posibilidad de que una soldadura tenga un defecto de falta de penetración, otros quieren que el cordón de soldadura interno sea lo más delgado posible y aún así esté completamente fundido. Si todas las soldaduras del sistema se pueden inspeccionar con un boroscopio, esto puede ser un riesgo aceptable. De lo contrario, es mucho más seguro aceptar un cordón un poco más ancho y tal vez algo de concavidad OD.

Decoloración o "tinte térmico"

El estándar BPE-97 establece que la decoloración debe minimizarse en todas las superficies de contacto con el producto. El cordón de soldadura del ID no debe tener color, pero se puede permitir un color pajizo claro o un color azul tenue en la ZAT. Se deja la determinación final de la cantidad de color a ser acordada por el propietario y el contratista. Este es un tema controvertido. La industria de semiconductores ha exigido durante mucho tiempo soldaduras sin color y la Guía básica de ISPE también requiere soldaduras sin decoloración. La decoloración o "tintado térmico" no es deseable porque está asociada con una pérdida de resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Se utiliza una purga de gas argón inerte tanto en el interior como en el exterior de la soldadura con gas de soldadura de buena calidad antes, durante y después de la soldadura para evitar la oxidación. Si no se aplica purga al interior del tubo, el área soldada se vuelve negra o "azucarada". Si se utiliza una purga deficiente o una purga de tiempo insuficiente, se produce una decoloración que varía de azul profundo a marrón, tostado, pajizo, azul pálido o gris.

La decoloración reduce la resistencia a la corrosión porque la oxidación daña la superficie exterior pasiva del acero y la oxidación del cromo en la capa superficial agota el cromo alrededor de los límites de grano que brindan protección contra la corrosión. El gas argón perfectamente puro (de 1 a 2 ppm de O2 o menos) y una junta soldada perfectamente limpia deberían proporcionar una soldadura sin evidencia visible de oxidación. Si la soldadura y la zona afectada por el calor están libres de oxidación, puede suponer que el sistema de purga fue efectivo y que la pureza y las tasas de flujo del argón fueron ideales.

A veces puede ser difícil eliminar toda evidencia de oxidación durante la soldadura. Esto requiere una nueva evaluación del sistema de purga. No debe haber fugas de aire y la tubería utilizada para transportar el gas desde el cilindro o dewar debe ser completamente impermeable a la atmósfera. El acero inoxidable soldado es el mejor, pero Poly Flo (plástico de polietileno) es aceptable. Se debe considerar cuidadosamente los diques de purga, las tapas de los extremos, los difusores, etc. Una fuente altamente purificada de argón y filtros o purificadores especiales, como Nanochem o Gatekeeper, que eliminan trazas de humedad, oxígeno y otras impurezas del gas de soldadura, pueden ser eficaces para eliminar la decoloración debida a la oxidación. La tubería en sí puede retener humedad en la superficie interna, lo que puede causar decoloración durante la soldadura. A veces, calentar u hornear el tubo puede eliminar los rastros de decoloración. Se puede usar un analizador de oxígeno confiable que mida con precisión en el rango bajo de ppm para verificar las condiciones de purga, pero la prueba final es el color o la falta de él, en o junto al cordón de soldadura interno cuando se examina con una luz fluorescente brillante. La tecnología está disponible para lograr soldaduras sin color de forma rutinaria. Depende del usuario final determinar si el gasto y el esfuerzo adicionales para lograr una soldadura completamente libre de oxidación están justificados para su aplicación particular.

Falta de purga durante la soldadura por puntos

ASME BPE - 97 simplemente establece que todas las soldaduras por puntos deben consumirse por completo. Las soldaduras por puntos son pequeñas soldaduras por puntos que generalmente se realizan con el proceso GTAW manual, pero que se pueden realizar con una máquina de soldadura orbital. El punteado se realiza antes de la soldadura para mantener las piezas unidas para la soldadura. El método más seguro para realizar una soldadura por puntos es purgar el DI de la unión soldada de la misma manera que se hizo para la soldadura completa. La oxidación en o cerca de la unión soldada podría provocar la precipitación de carburo o iniciar la corrosión. Además, el arco de soldadura viajará en línea recta y consumirá un punto que esté bien purgado, pero puede desviarse alrededor de un punto sin purgar, lo que podría provocar un defecto de falta de fusión en el diámetro interior de la soldadura. También es importante limpiar cuidadosamente el área de soldadura antes de soldar y usar guantes cuando manipule tubos limpios, ya que el aceite o la suciedad en las manos es una fuente de carbono que podría contribuir a la precipitación de carburo.

Superficie del DI de la tubería de acero inoxidable que muestra la apariencia de tachuelas purgadas y sin purgar. La foto central muestra la soldadura orbital desviándose alrededor de las tachuelas sin purgar.

Es posible que los instaladores se muestren reacios a gastar el dinero en gasolina u otra configuración de purga para las operaciones manuales del soplete para purgar las tachuelas. De alguna manera sienten que si el soldador (manual) es hábil, puede mantener las tachuelas lo suficientemente pequeñas para que se consuman fácilmente. Incluso cuando las tachuelas son pequeñas y no penetran hasta el DI del tubo, algo de oxidación quedará atrapada en la unión soldada, por lo que es mejor estar seguro y hacer un esfuerzo adicional para proporcionar una purga.

concavidad de identificación

La concavidad del DI está limitada al 10 % del espesor de la pared por BPE - 97, pero esto no debe reducir el espesor de la pared por debajo del espesor mínimo de diseño. Con material de paredes gruesas, la concavidad del DI puede resultar de la acción de la gravedad sobre el charco de soldadura fundida en la posición de las 6 en punto. Para soldaduras por fusión de tubos de paredes delgadas, la concavidad del DI puede resultar de una presurización excesiva del cordón de soldadura interno por el gas de purga que hace que el metal fundido de la soldadura se mueva hacia afuera. Es posible medir la presión con un manómetro Magnehelic. El gas de purga del ID del tubo pasa a través del dispositivo y cuando la presión medida excede 1/2 pulgada de agua, hay un desplazamiento medible del cordón de soldadura que da como resultado una concavidad del cordón interior. En casos extremos, una presión excesiva puede provocar una explosión en la que el metal líquido sale disparado y entra en contacto con el tungsteno. Esto corta el arco, contamina el tungsteno y deja un agujero en la soldadura y, por lo general, daña el cabezal de soldadura.

La concavidad del cordón de soldadura interior, también conocida como "retrosucción", es un defecto. Si es grave, el efecto puede ser similar a un defecto de falta de fusión, es decir, difícil de limpiar, interfiere con el drenaje y ofrece un escondite para el crecimiento de bacterias. La capacidad de desplazar el cordón de soldadura por presurización se ha utilizado en algunas aplicaciones para proporcionar una superficie más suave que la que se obtendría de otro modo. Esto es difícil de controlar con precisión ya que la presión interna cambia durante la soldadura. El uso de esta técnica ciertamente aumentaría el costo de la instalación.

Meandro de cordón de soldadura (doglegging)

El meandro del cordón de soldadura, o desviación del arco, es la falla de la soldadura para continuar en un camino recto alrededor de la junta de soldadura, pero serpentea irregularmente de un lado a otro. Si esta irregularidad es excesiva, puede resultar en una falta de fusión que es un defecto grave. Los meandros pueden resultar de un tungsteno dañado, de una velocidad de flujo demasiado alta de argón en el cabezal de soldadura que sopla el arco, o de suciedad, grasa u otros contaminantes en la superficie metálica de la junta de soldadura, o gas contaminado. El arco puede desviarse alrededor de los puntos de soldadura sin purgar. Por lo general, se puede curar mediante un cambio de tungstenos o mediante una mejor limpieza de la junta de soldadura. Los ejemplos más extremos de desviación del arco se han observado con el uso de mezclas de gas de protección de argón/hidrógeno que a menudo están contaminadas y tienden a ser menos efectivas para soportar un arco que el argón puro.

Porosidad

La porosidad son vacíos o cavidades formadas por burbujas de gas que se desarrollan durante la soldadura. La porosidad es más común en las aplicaciones de alimentación de alambre que en la soldadura por fusión. En la soldadura por fusión, generalmente es causado por impurezas en el metal base o por contaminantes en la superficie del metal. La humedad en los tubos o en el gas de purga es una causa común de porosidad. Por lo general, la porosidad se puede prevenir con buenos procedimientos de limpieza y usando gas de purga de pureza conocida.

mal ajuste

La preparación adecuada de los extremos es fundamental para el éxito de la soldadura orbital. Los extremos de los tubos deben cortarse en escuadra y rectos sin biseles. Las sierras GF de George Fischer se utilizan con frecuencia ya que pueden cortar y escuadrar los extremos en una sola operación. Los tornos portátiles, como los fabricados por Tri Tool, Wachs o Protem, pueden proporcionar una preparación final maquinada, pero requieren que los tubos se corten primero. Cualquier rebaba que quede después de la preparación final debe eliminarse sin dejar un chaflán que afecte el espesor de la pared. Los extremos de la tubería deben encajar sin dejar un espacio en el cabezal de soldadura. La causa más común de un orificio en la soldadura es un mal ajuste.

Desalineación, o "alto-bajo"

La desalineación de las juntas soldadas está limitada al 15% del espesor de la pared por BPE-1997. La desalineación de los tubos u otros componentes que se están soldando da como resultado una cresta en el interior de la soldadura que puede interferir con el drenaje del sistema de tuberías. Tal acumulación de líquido promovería la formación de óxido y podría conducir a la corrosión de todo el sistema. También puede dar como resultado que no se limpie correctamente el sistema y permitir el crecimiento bacteriano que provoque una mayor contaminación.

La desalineación puede ser el resultado de un error del operador al cargar el cabezal de soldadura o de inserciones de abrazadera de tubo desgastadas, o collares, que sujetan los componentes en el cabezal de soldadura. Puede ser el resultado de un descuido en el hilvanado o de daños en la tubería u otros componentes durante el envío o la manipulación. Más comúnmente, esta condición alta-baja ocurre cuando los accesorios que se sueldan a los tubos se fabrican con diferentes tolerancias dimensionales. Si el tubo o el accesorio no son redondos, si el diámetro exterior o el grosor de la pared difieren, se producirá cierta desalineación. Debe tener en cuenta que las tolerancias para los tubos son diferentes de las de las tuberías. La desalineación es a veces un problema cuando las personas intentan soldar accesorios de tubería, que tienen tolerancias flojas, a tubos que tienen tolerancias más estrictas. Es un tema de controversia exactamente qué tan grande se necesita una cresta para que el líquido se acumule y cause un problema. Los subcomités de BPE consideraron activamente tanto las tolerancias dimensionales de los tubos y accesorios como la cantidad de desajuste que puede estar presente en la soldadura terminada sin comprometer la capacidad de drenaje del sistema de tuberías. El Subcomité de unión de materiales ha cooperado con los usuarios finales para evaluar la cantidad de reborde en el diámetro interior de la tubería que interferiría con la drenabilidad y encontró que la presencia de un reborde tuvo menos efecto de lo esperado.

Suavidad del cordón de soldadura

Las soldaduras realizadas para unir tuberías de proceso para aplicaciones de bioprocesos no solo deben cumplir con los criterios descritos anteriormente, sino que, para lograr la máxima capacidad de limpieza, deben ser excepcionalmente suaves en el cordón de soldadura interior. Esto se debe a que las bacterias pueden adherirse mejor a una superficie rugosa que a una lisa. El criterio de una superficie de soldadura interna lisa es muy difícil de lograr con cualquier grado de repetibilidad con la soldadura manual, pero las soldaduras consistentemente buenas y muy suaves se logran comúnmente con las técnicas de soldadura orbital. Debe mencionarse que la suavidad del cordón de soldadura está influenciada en cierta medida por la calidad del material que se suelda. Valex Corp. ha experimentado con material 316L refinado por haz de electrones para aplicaciones de semiconductores de alta gama. Este acero se procesa a muy alto vacío y sin adición de material de desecho. No se producen islas de escoria con este material ni decoloración con las purezas estándar del gas de purga. No hay inclusiones no metálicas y el cordón de soldadura es excepcionalmente suave incluso con aumentos muy altos.

Para ver las entregas anteriores de este artículo, siga estos enlaces:

I. Consideraciones para la soldadura orbital en aplicaciones de tuberías de bioprocesosII. Consideraciones para la soldadura orbital en aplicaciones de tuberías de bioprocesos

Para más información: Barbara Henon, gerente de Publicaciones Técnicas, Arc Machines Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Tel: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.

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