Procedimento de soldagem (EPS)

Introdução

A EPS (Especificação do procedimento de soldagem) é um documento técnico que estabelece todos os itens importantes, que devem ser considerados na união de partes por soldagem.

A EPS contém limites ou faixas de parâmetros tais como tipo de corrente, espessura do metal de base, tipo de metal de base, etc.

Um procedimento de soldagem é válido somente dentro dos limites nele especificados.

A EPS deve ser elaborada com base nas especificações do projetista, e/ou fabricante do equipamento ou estrutura, dos consumíveis de soldagem, dos materiais de base e de acordo com a especificação do executante, observando os requisitos estabelecidos pelas normas ou códigos aplicáveis.

Quando é requerido uma nova EPS?

Se um procedimento não pode produzir soldas de boa qualidade, sem que os limites estabelecidos sejam ultrapassados, então um novo procedimento de soldagem deve ser utilizado.

Essa é uma afirmação simples e vale para todos os tipos de variáveis de soldagem, veja mais detalhes a seguir.

Qualificação do procedimento de soldagem

A maioria das normas de qualificação requerem que o procedimento de soldagem seja qualificado antes de ser colocado em uso na produção de soldas. Isso é necessário para assegurar que a junta soldada atinja a qualidade requerida.

Os materiais utilizados na fabricação dos equipamentos possuem propriedades mecânicas conhecidas. O projeto dos equipamentos é feito com base nestas propriedades.

Quando a fabricação dos equipamentos é feita pela soldagem de dois ou mais materiais, é necessário garantir que esta união resista da mesma forma que os materiais empregados. Para tanto, o projetista necessita conhecer quais as propriedades que a junta soldada terá.

Na soldagem, em razão dos efeitos da temperatura, não é suficiente conhecer somente as propriedades do metal de base e do metal de solda, individualmente.

É necessário também conhecer as propriedades mecânicas de toda a junta soldada, ou seja: do metal de base, da zona afetada termicamente e do metal de solda, em conjunto, isto é feito através da qualificação do procedimento de soldagem.

A qualificação do procedimento de soldagem é o método através do qual um procedimento particular é provado ser adequado, para produzir juntas soldadas de qualidade satisfatória.

A qualificação é feita pela soldagem de peças de teste, de acordo com o procedimento previamente estabelecido, e pela avaliação dos resultados dos ensaios em corpos de prova extraídos da peça de teste.

A avaliação dos resultados é feita em comparação com o critério de aceitação, estabelecido pela norma de qualificação aplicável.

Após a soldagem da peça de teste, as faixas dos parâmetros de soldagem devem ser revisadas para adequar os valores efetivamente utilizados com as tolerâncias permitidas nas normas de qualificação aplicáveis.

Obs.: Aqui falo apenas da especificação de procedimento de soldagem (EPS). Veja outros artigos do meu blog para saber sobre os demais documentos técnicos de soldagem.

Procedimentos de soldagem pré-qualificados

Estes são procedimentos de soldagem que podem ser utilizados quando a experiência e familiarização com certos metais de base e consumíveis de soldagem tenham provado a adequação de um procedimento específico, através de serviços executados há um longo período de tempo.

O uso de procedimento pré-qualificado só é feito quando permitido pela norma da qualificação de procedimentos, especificações, normas de fabricação, etc.

Para os procedimentos pré-qualificados não é necessária a execução dos ensaios de qualificação.

Quando o uso de procedimento pré-qualificado não é permitido (ou, por exemplo, quando o procedimento não atende aos requisitos para se enquadrar como procedimento pré-qualificado), o procedimento de soldagem deve ser provado adequado, através dos ensaios e/ou exames e avaliação dos resultados, conforme requerido pela norma ou especificação adotada.

Os requisitos para a qualificação dos procedimentos de soldagem variam largamente de uma norma para outra.

Uma qualificação feita segundo uma norma, geralmente não tem validade para outra norma.

É necessário, portanto, que o inspetor de soldagem esteja consciente de que os requisitos da norma aplicável estejam sendo seguidos, na qualificação dos procedimentos.

Pré-qualificado ou já qualificado?

É bem comum as pessoas confundirem um procedimento “pré-qualificado” com um “já qualificado“. Do ponto de visto técnico há diferenças.

O procedimento “já qualificado” é aquele que foi testado/submetido a testes conforme as normas de qualificação pela empresa executante dos serviços. O documento gerado por esse processo é uma RQPS e, em seguida, é gerada uma EPS para a fabricação/obra.

O procedimento “pré-qualificado” e todos os seus critérios são extraídos diretamente da norma. O documento gerado por esse processo é uma EPS e a RQPS não é necessária.

Um procedimento “já qualificado” é normalmente aceito em novas obras, pois esta reutilização é prevista nas próprias normas de qualificação.

No entanto, seu uso não pode ser indiscriminado e é requerido um profissional com conhecimento técnico para efetuar a análise da aplicabilidade de um procedimento “já qualificado” em uma nova obra.

O documento técnico IEIS, entre outras funções, tem como objetivo evidenciar que o inspetor de soldagem N2 aprova o uso de uma dada EPS para uma dada junta soldada.

O uso de procedimentos pré-qualificados, por outro lado, já é bem menos aceito. Note que procedimentos pré-qualificados não são aceitos pela Petrobras. Essa decisão veio a ser oficializada na nova revisão da norma N-133.

Minha opinião é que esta decisão é extremamente conservadora e até retrógrada. É impressionante como desperdiçamos dinheiro tendo que (re)fazer uma qualificação de um procedimento de soldagem nas condições abaixo:

• Material de excelente soldabilidade como o aço de baixo carbono;
• Aplicações como escadas;
• Condições e parâmetros bem detalhados, como por exemplo os fornecidos na AWS D1.1

Este é um dos motivos pelos quais as obras no Brasil acabam sendo mais caras!

Especificação de Procedimento de Soldagem preliminar (pWPS)

A EPS preliminar é um documento elaborado com base no conhecimento, na experiência passada ou na “técnica” de tentativa e erro. É a descrição de como você quer soldar sua peça de teste.

Mais frequentemente do que não, os parâmetros de soldagem sugeridos na pWPS terão pequenos ajustes por parte do soldador que realizará a qualificação. Temos de assegurar que essas mudanças ou parâmetros reais serão incorporados no RQPS.

Depois da soldagem de qualificação, as peças de teste são testadas e se elas passarem no teste, a qualificação terá sido bem-sucedida. O RQPS pode ser elaborado e será a base para a construção da especificação de procedimento de soldagem (EPS definitiva).

Note que a EPS preliminar não é obrigatória em todos as normas, mas ainda assim é uma boa prática de engenharia. O ASME IX, por exemplo, não exige a EPS preliminar, ver interpretação IX-10-22.

Normas de qualificação

A realização de soldas inadequadas durante a fabricação de certos tipos de estruturas ou equipamentos, tais como navios, pontes, oleodutos, componentes automotivos e vasos de pressão, pode resultar em sérios acidentes com perdas materiais e, eventualmente, humanas e danos ao meio ambiente.

Para minimizar a chance destas ocorrências e garantir uma maior uniformidade, controle e rastreabilidade do processo, as operações de soldagem para diversas aplicações e diversos outros aspectos ligados à soldagem são regulados por diferentes códigos e especificações.

Requisitos obrigatórios relativos à qualificação de procedimentos de soldagem, soldadores e operadores de soldagem são incluídos ou referenciados nesses documentos. 

É responsabilidade do inspetor de soldagem nível 2 determinar, através das especificações de projeto ou documentos de compra, a norma que regulamenta a soldagem e quais os requisitos de qualificação determinados nesses documentos.

Para ilustrar a variedade de normas/códigos existentes, estão relacionadas abaixo as mais utilizadas:

ASME Section IX – Welding and Brazing Qualifications

É uma norma aplicada a equipamentos como caldeiras, tubulações, vasos de pressão, componentes nucleares. Todas as seções da norma “ASME Boiler and Pressure Vessels” referenciam a “Section IX” para as qualificações.

API Std. 1104 – Standard for Welding Pipelines and Related Facilities

É uma norma de qualificação exclusiva para soldagem de oleodutos. Geralmente limitada aos dutos terrestres aqui no Brasil.

AWS D1.1 – AWS Structural Welding Code – Steel

Esta norma é dedicada a soldagem de estruturas metálicas em aço. Existem outras “D” que tratam da soldagem de alumínio, aço inox etc…

Este documento contém seus próprios requisitos para as qualificações, os quais são obrigatórios, quando os trabalhos de soldagem devem ser de acordo com a norma AWS D1. 1.

A tabela abaixo mostra as normas mais usuais de projeto e fabricação de equipamentos com as normas de qualificação especificadas.

Estes e outros códigos e especificações podem cobrir as mais diferentes etapas de soldagem incluindo, por exemplo, a especificação de material (metal de base e consumíveis), projeto e preparação da junta, fabricação de estruturas e equipamentos, qualificações de procedimento e de operador, procedimentos de inspeção e avaliação de descontinuidades.

Uma vez determinada à norma de qualificação, podem ser estabelecidos os requisitos, específicos para cada caso, para a qualificação dos procedimentos e dos soldadores e operadores de soldagem.

Conforme mencionado anteriormente, as qualificações são feitas pela avaliação dos resultados de ensaios efetuados nos corpos de prova extraídos das peças de teste, soldados de acordo com um procedimento previamente estabelecido.

É responsabilidade do inspetor de soldagem testemunhar a preparação das peças de teste, a remoção e a preparação dos corpos de prova e os ensaios mecânicos de tração, dobramento e de dureza dos corpos de prova.

Cabe ainda ao inspetor de soldagem nível II testemunhar o ensaio de impacto, além de orientar os serviços anteriormente descritos e avaliar os resultados dos ensaios efetuados.

Preparação das peças de teste

A preparação das peças de teste é feita com base nos requisitos da norma de qualificação aplicável e nas informações do procedimento de soldagem a ser qualificado.

Os itens relativos à preparação da peça de teste são interligados entre si.

Assim, a análise deve ser conjunta, tendo em mente que o menor número de peças de teste sempre é desejável, dentro das limitações da norma aplicável.

Tipo de Peça de Teste

A peça de teste pode ser um tubo, uma chapa ou uma combinação destes. O tipo nem sempre é considerado como variável essencial, isto é, uma variável para o qual a requalificação é necessária em caso de alterações.

Em geral a peça de teste deve ser representativa do trabalho a ser executado. Se a qualificação é destinada para a soldagem de tubos, possivelmente a peça de teste deverá ser um tubo, de modo a reduzir o número de peças de testes necessários.

Material da Peça de Teste

De um modo geral as peças de teste devem ser do mesmo material do equipamento. Para diminuir o número de qualificações, as normas definem exceções que, sempre que possível, devem, ser adotadas.

As normas agrupam os materiais de forma a facilitar a utilização de materiais similares ao do equipamento a ser soldado. Por exemplo, segundo a norma ASME Sec. IX, a peça de teste deve ser do mesmo “número P” que o equipamento (materiais de mesma soldabilidade são agrupados sob um mesmo número).

Ainda, segundo o ASME Sec. IX, para a qualificação de soldadores o material pode ser aço carbono (número P = 1), mesmo que o equipamento seja de outro material (ver ASME Sec. IX QW- 310.4).
A escolha do material deve ser sempre baseada nos requisitos das normas e, dentro das exceções permitidas, em função da disponibilidade e custo do material.

Dimensões da Peça de Teste

A peça de teste deve ter dimensões que permitam a retirada dos corpos de prova previstos. Para se determinar o comprimento de uma chapa de teste, por exemplo, é necessário saber a quantidade e as larguras dos corpos de prova. A largura da peça de teste depende do comprimento dos corpos de prova.

A Norma AWS D1. 1 estabelece diretamente as dimensões, cabendo apenas ao inspetor identificar o desenho específico a ser utilizado.

A Norma ASME Sec. IX mostra a distribuição e as dimensões dos corpos de prova separadamente, ficando a cargo do inspetor estabelecer as dimensões a serem utilizados.

NOTA: As dimensões estão indicadas em mm e representam dimensões mínimas

Espessura da Peça de Teste

Um dos fatores mais importantes a determinar antes da preparação da peça de teste é a espessura da peça. Isto porque a espessura da peça de teste determina os limites de espessura qualificados pelo teste.
Em geral, a espessura da peça de teste deve ser no mínimo, a metade da espessura máxima estabelecida no procedimento. De qualquer forma, a espessura da peça de teste é representativa de uma determinada faixa de espessuras. A norma API Std. 1104, por exemplo, limita a qualificação a determinados grupos de espessuras.

A escolha adequada da espessura reduzirá o número de peças de teste.

Diâmetro da Peça de Teste

Quando a peça de teste for um tubo, deve ser analisada a influência do diâmetro na validade da qualificação.
As normas de qualificação diferem entre si neste fator. Segundo a norma ASME Sec. IX, por exemplo, o diâmetro só tem influencia na qualificação de soldadores (ver tabela abaixo). Quando o diâmetro do tubo for uma variável essencial, ele representará uma faixa de diâmetros, e a escolha deve ser feita de modo a cobrir a faixa prevista pelo procedimento.

Posição de Soldagem

A posição tem influência na energia da soldagem e na dificuldade de execução de soldas, e, portanto, afetam diretamente a qualificação de procedimentos e de soldadores/operadores de soldagem.

Em vista disso, as normas definem as posições fundamentais e a faixa de domínio de cada posição, o que faz com que a posição em que a peça de teste deve ser soldada possa ser estabelecida.

Sempre que a posição de soldagem for considerada como uma variável essencial, a qualificação deve estar limitada à posição em que a peça for soldada ou, de acordo com a norma aplicável, a duas ou mais posições, como por exemplo, temos a Norma AWS D1.1.

Diante de um caso específico, verificam-se quais as posições de soldagem previstas no procedimento, se a posição de soldagem é variável essencial para o procedimento de soldagem na norma de qualificação e, em caso positivo, quais os limites das posições.

Consumível de Soldagem

A especificação correta do consumível a ser utilizado está ligado à integridade da junta soldada, de forma a garantir a propriedade mecânica requerida pelo projeto.

O agrupamento dos consumíveis é feito de forma diferente, a norma API 1104 especifica 11 grupos, a norma AWS D1.1 os consumíveis estão correlacionados com tipo de material de base, na Norma ASME Seção IX os consumíveis estão especificados através do N° F, conforme indicado no parágrafo QW 432.

A tabela abaixo ilustra o agrupamento dos consumíveis de soldagem segundo a Norma API1104.

Preparação da Junta a ser Soldada

A preparação da junta deve ser representativa das condições reais do equipamento a ser soldado. Assim, o tipo e dimensões do chanfro, os dispositivos auxiliares de montagem e a limpeza da junta devem ser equivalentes às condições reais.

Algumas normas (ex.: AWS) definem o tipo de chanfro como variável essencial. Em vista disto, dependendo dos tipos de chanfro previstos no procedimento, o número de peças de teste pode ser influenciado.

Remoção dos corpos de prova

A partir da definição da peça de teste que foi feita em função das informações do procedimento de soldagem e das variáveis da norma de qualificação, podem ser determinados os requisitos referentes à remoção e preparação dos corpos de prova.

Todos os requisitos dependem agora da peça de teste e da norma de qualificação. Da peça de teste, porque dependem do tipo, da espessura e do diâmetro (para tubos) da peça de teste e da norma de qualificação porque as normas, também neste fator, possuem requisitos exclusivos para a qualificação de procedimento e para a qualificação de soldadores e operadores de soldagem.

Posição de Retirada de Corpos de Prova

Em geral, a posição de retirada dos corpos de prova depende da norma de qualificação, do tipo de peça de teste, do diâmetro do tubo de teste e da espessura da peça de teste.

As 3 figuras abaixo ilustram a posição de retirada dos corpos segundo os requisitos das normas de qualificação mais usuais.

Preparação dos Corpos de prova

Este item é de grande importância na qualificação porque dele depende a validade e repetitividade dos resultados dos ensaios.
É responsabilidade do inspetor de soldagem fazer com que sejam atendidos os requisitos quanto às dimensões e ao acabamento dos corpos de prova.

Validade das qualificações

Tanto na qualificação de procedimentos de soldagem quanto na qualificação de soldadores e operadores de soldagem, as normas diferenciam entre si na validade das qualificações, ou seja, quando que um procedimento passa a ser impróprio para uso ou quando que um soldador ou operador de soldagem deve ser requalificado.

É atividade do inspetor de soldagem controlar que somente procedimentos qualificados sejam utilizados (ver obs abaixo), que os soldadores e operadores de soldagem só trabalhem nos serviços para os quais eles estiverem qualificados e que eles sejam requalificados quando necessário.

Vale lembrar novamente que o fato de um procedimento estar qualificado não garante sua aplicabilidade a qualquer obra. Cada obra tem critérios e requisitos próprios e é necessário julgamento técnico para aplicação de um procedimento de soldagem.

Os limites das qualificações são estabelecidos em primeiro lugar através das variáveis de soldagem.
Variáveis são condições de soldagem que, se mudadas, afetam a qualidade das soldas.

Para o processo de soldagem com eletrodo revestido, por exemplo, a mudança de uma fonte de energia retificadora para geradora não tem, normalmente nenhuma influência na probabilidade de se alterar a qualidade das soldas e, portanto, não é considerada como uma variável para este processo.

De qualquer maneira, pode ser uma variável para outro processo de soldagem.

Algumas normas de qualificação dão a todas as variáveis a mesma importância. Outras dão níveis diferentes de importância a elas, classificando-as em variáveis essenciais e variáveis não essenciais.
Cada norma determina variáveis específicas, aplicáveis a cada um dos processos de soldagem.

Com o conhecimento das variáveis aplicáveis, o inspetor de soldagem pode determinar se a soldagem é executada de maneira apropriada.

Variáveis essenciais

São variáveis que se alteradas requerem requalificação.

Variáveis essenciais suplementares

São variáveis que se alteradas requerem a requalificação, contudo a sua análise somente é necessária quando se tem requisito de impacto na junta soldada.

Variáveis não essenciais

São variáveis que se alteradas não requerem a requalificação. Pelo uso de procedimento qualificado e dentro dos limites das variáveis, devem resultar em soldas aceitáveis, se o soldador não introduzir defeitos. Entretanto, uma mudança além dos limites estabelecidos no procedimento, pode afetar as propriedades mecânicas das soldas, mesmo que o soldador execute a solda sem defeitos.

Uma mudança em uma variável não essencial continua requerendo uma revisão da EPS mas não da RQPS.

Exemplo de variáveis da soldagem

Tipo de junta soldada

O tipo de junta é determinado levando em consideração a espessura do material a ser soldado. Deve-se usar, em geral o tipo de junta de modo que a quantidade de metal depositado seja pequena, evitando assim desperdício de metal de solda, tempo de máquina e soldador, como também evitando a introdução de grande quantidade de calor na peça.

Ângulo de chanfro

O ângulo de chanfro é que permite 0 acesso do eletrodo a regiões próximos a raiz da solda e facilita a soldagem de múltiplos passes, evitando um superaquecimento da peça. Deve ter uma dimensão variável num certo limite, pois se muito “fechados” dificultam a operação de passe de raiz e se muito “aberto” é depositada quantidades elevadas e desnecessárias de material de adição.

Abertura de raiz

A abertura da raiz permite que 0 metal de adição possa penetrar na raiz da solda. A abertura da raiz também deve ser controlada, pois se muito grande pode haver excesso de penetração da solda ou fusão completa das faces do nariz, e assim extravasando de toda raiz e muito pequena pode não permitir penetração alguma.

Tamanho do nariz

Também possui uma importante função no que diz respeito a penetração, pois serve com 0 sustento sólido para 0 metal fundido. Sua dimensão também deve ser controlada para que haja uma perfeita fusão de suas bordas, e consequentemente uma penetração adequada.

Uso de “backing” ou cobre-juntas

Em juntas de topo na posição plana, para que se tenha uma penetração controlada independente dos fatores mencionados acima, opta-se pelo uso do backing, que servem como suporte de metal fundido obtendo formatos desejados. Este tipo de dispositivo é muito usado em juntas onde não se tem acesso ao outro lado da junta.

Formulário da EPS

O formulário de EPS deve conter as informações previstas nas respectivas normas de qualificação aplicáveis, por exemplo:

• Identificação da norma de qualificação;
• Croqui da junta e do chanfro;
• Croqui da sequência de passes(normalmente ignorado por questões práticas);
• Especificação, classificação e marca comercial dos consumíveis;
• Número da EPS e do RQPS;
• Controle do aporte térmico quando aplicável;
• Requisitos especiais para o consumível utilizado (como por exemplo, utilização do sufixo G);
• Faixa de preaquecimento para as espessuras qualificadas;
• Data da elaboração e aprovação;
• Nome completo, assinatura e número do Sistema Nacional de Qualificação e Certificação (SNQC) do inspetor de solda nível 2.

Obs.: É comum os inspetores esquecerem de respeitar os requisitos mínimos da N-2301, no caso de obras Petrobras.

Links, referências e documentos relacionados

Outros documentos técnicos relativos a soldagem:

• IEIS (Instrução de Execução e Inspeção de Soldagem)
• CQS (Certificado de Qualificação do Soldador)
• Plano de qualificação de procedimentos de soldagem (EPS)
• Plano de qualificação de soldadores
• Mapa de solda e rastreabilidade
• RSQ (Relação/lista de Soldadores Qualificados)
• Certificados de materiais e consumíveis
• Plano de inspeção e teste (PIT ou ITP)
• Procedimento de tratamento térmico de juntas soldadas

Tava difícil de acompanhar? Que tal uma introdução a soldagem?

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