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 diámetro pequeño para aplicaciones de alta presión. La Parte I discutió 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 tubería hidráulica soldada especificada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE-J525 y SAE-J356A) comparten un origen común, al igual que sus especificaciones escritas. La tira plana de acero se corta a lo ancho y se le da forma de tubo mediante laminación. Después de que los bordes de la tira se pulen 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 hacer la costura de soldadura. Después de soldar, la rebaba del diámetro exterior se elimina con una herramienta fija, normalmente hecha de carburo de tungsteno. El flash ID se quita con una herramienta fija o se controla a una altura máxima diseñada.

Esta descripción del proceso de soldadura es genérica y existen muchas pequeñas diferencias de proceso en la fabricación real (consulte la Figura 1). No obstante, 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 a 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 concreto es un ejemplo. Es bastante resistente a la compresión, pero a menos que se moldee 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 tubería hidráulica tienen un requisito similar: una UTS de 310 MPa (45 000 PSI).

Debido a que la tubería de presión requiere la capacidad de soportar la presión hidráulica, es posible que se requiera un cálculo por separado y una prueba destructiva, una prueba de explosión. Un cálculo puede determinar la presión máxima de explosión 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 estallido prevista en 0,500 por 0,049 pulg. el tubo es el mismo para ambos productos: 10,908 PSI.

Aunque los cálculos predicen resultados idénticos, una diferencia en la aplicación práctica se relaciona con el espesor real de la pared. En J356A, el flash de soldadura ID se controla a una dimensión máxima, según el diámetro del tubo, como se describe en la especificación. Para J525, un producto al que se le quitó la rebaba, el proceso de rebaje rebaba a menudo socavará el DI intencionalmente alrededor de 0,002 pulgadas, lo que resultará en un adelgazamiento de la pared localizado en la zona de soldadura. Aunque el espesor de la pared se completa con un trabajo en frío posterior, la tensión residual y la orientación de la fibra pueden diferir del material principal, y el espesor de la pared puede ser ligeramente más delgado que el de un tubo comparable especificado como J356A.

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

Según el uso final del tubo, es necesario quitar o aplanar (o alisar) el reborde de identificación para eliminar la vía de fuga potencial, principalmente para una forma de extremo acampanado de una sola pared. Si bien se acepta comúnmente que J525 tiene una identificación suave y, por lo tanto, no tiene potencial para una ruta de fuga, esta es una idea errónea. Un tubo J525 puede desarrollar estrías en el DI debido a un trabajo en frío inadecuado, lo que da como resultado una vía de fuga en la conexión.

La eliminación de rebabas comienza cortando (o desbastando) el cordón de soldadura de la pared del DI. La herramienta de escarbar, 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 desbarbado retira el cordón de soldadura, los rodillos, sin darse cuenta, ruedan sobre fragmentos de salpicaduras de soldadura, obligándolos a entrar en la superficie del diámetro interior del tubo (consulte la Figura 2). Este es un problema para la tubería ligeramente procesada, como la tubería biselada o afilada.

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

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

Para tuberías más pequeñas, como líneas de fluidos con diámetros de menos de 20 mm, la eliminación de rebabas de diámetro interior no suele ser tan importante porque estos diámetros no tienen pasos de acabado de diámetro interior adicionales. La única advertencia es que el usuario final solo necesita considerar si la altura de control del flash acordada creará un problema.

Las mejores prácticas para el control de flash ID comienzan con prácticas precisas de acondicionamiento, corte y soldadura de tiras. De hecho, las características de la materia prima para el J356A deben ser más estrictas que las del J525 porque el 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 tallado de ID generalmente requiere un refrigerante. La mayoría de los sistemas utilizan el mismo refrigerante de molino que el de las herramientas de laminación, pero esto puede ser problemático. A pesar del filtrado y el desnatado, el refrigerante del molino generalmente contiene una cantidad no pequeña de finos metálicos, grasas y aceites extraños 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, los 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 diámetro interno 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, seguida de una operación de trabajo en frío (estirado). Después del trabajo en frío, la tubería se normaliza nuevamente para cumplir con todos los requisitos de propiedades mecánicas.

Los pasos de normalización, estirado y segundo normalizado requieren transportar el tubo al horno, al banco de estirado y al horno nuevamente. Estos pasos implican otros subpasos separados, como apuntar (antes de dibujar), decapar y enderezar, según los detalles de la operación. Estos pasos son costosos y consumen recursos incalculables en tiempo, mano de obra y efectivo. Un tubo estirado en frío está asociado con una pérdida de chatarra del 20% en la producción.

La tubería J356A obtiene un paso de normalización después de la soldadura mientras aún está en el molino. El tubo no toca el suelo, progresa desde el paso de formación inicial hasta un tubo terminado en una serie ininterrumpida de etapas en el molino. Un tubo sin soldadura como el J356A está asociado con una pérdida de desechos 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 el 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 (900 °C o 1650 °F) generan óxidos en la superficie, que generalmente se eliminan después del recocido con un ácido mineral, generalmente ácido sulfúrico o ácido clorhídrico. El decapado con ácido tiene un gran impacto ambiental en términos de emisiones al aire y un flujo de desechos rico en metales.

Además, la normalización de las temperaturas en la atmósfera reductora de un horno de solera rodante puede agotar el carbono en la superficie del acero. Este proceso, la descarburación, deja una capa superficial que tiene una resistencia mucho menor que el material original (consulte la Figura 3). Esto puede ser especialmente crítico para tuberías 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 por carga o vibración.

FIGURA 2. La herramienta para tallar el DI (que no se muestra) está sostenida por rodillos que se desplazan a lo largo del DI del tubo. Un buen diseño de rodillos reduce la cantidad de salpicaduras de soldadura que se enrollan en la pared del tubo. nelson herramienta corp.

La tubería J356 se procesa en lotes, lo que requiere el recocido en hornos de solera de rodillos, pero no termina ahí. Una variante, J356A, se procesa completamente en un molino que usa inducción en línea, que es un proceso de calentamiento mucho más rápido que para 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 al 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 el doblado, abocardado y conformado necesarios. El doblado es necesario 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 ensanchamiento es la clave para proporcionar un método para hacer una conexión final.

En un escenario del huevo y la gallina, se desarrollaron tubos trefilados, que por lo tanto tienen un DI uniforme, para conexiones abocinadas de una sola pared, o tal vez ocurrió lo contrario. En este estilo de conexión, la superficie interior del tubo se sella contra un asiento en un accesorio macho. Para hacer un sello de metal a metal a prueba de fugas, el acabado de la superficie del tubo debe ser lo más suave posible. Este accesorio se originó en la década de 1920 para su uso en la naciente división aérea del Ejército de los EE. UU., el Air Corps. Más tarde, el accesorio se convirtió en el abocardado estándar de 37 grados de uso común en la actualidad.

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

Desde que comenzó el período de COVID-19, el suministro de tubería estirada con un diámetro interno suave se ha reducido sustancialmente. El material que está disponible tiende a tener plazos de entrega mucho más largos que en el pasado. Este cambio en la cadena de suministro se puede resolver mediante la reingeniería de la conexión final. Por ejemplo, una solicitud de cotización que requiere un abocardado de pared simple y especifica que J525 es un candidato para un sustituto, un abocardado de pared doble. Esta conexión final puede utilizar cualquiera de los tipos de tubería hidráulica. Esto abre la puerta de la oportunidad de usar J356A.

Además de las conexiones de tipo abocinado, el sello de cara 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 abocinada de una sola pared porque usa un sello elastomérico, sino que es más versátil: se puede formar en los extremos de cualquiera de los tipos de tubería hidráulica comunes. Esto prepara a los fabricantes de tubos para una opción de cadena de suministro más amplia 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 es notablemente menos costoso y que cumple con todos los requisitos del producto original, puede tener dificultades para establecerse 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 ser no solo justificado sino necesario. La pandemia de COVID-19 ha provocado un cambio inesperado en la disponibilidad de ciertos tipos y tamaños de tubería a granel para líneas de fluidos de acero. Las áreas de productos afectadas son las aplicaciones de fabricación de tubos para automóviles, electrodomésticos, equipos pesados ​​y cualquier otra que utilice líneas de alta presión, especialmente para energía hidráulica.

Esta brecha se puede llenar, quizás a un costo total más bajo, considerando tipos de tubería de acero establecidos pero de nicho. Para seleccionar el producto adecuado para la aplicación, se necesita un poco de investigación para determinar la compatibilidad de fluidos, la presión de funcionamiento, la carga mecánica y el tipo de conexión.

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