Exigences en matière de PWHT pour les équipements sous pression et les tuyauteries

Un traitement thermique après soudage (PWHT) est souvent requis pour les équipements sous pression et les canalisations dans les centrales électriques, les raffineries de pétrole et les industries pétrochimiques. Le PWHT permet d'atténuer les contraintes résiduelles résultant du soudage tout en améliorant les propriétés mécaniques des aciers soudés.

Les normes de fabrication divergent quant aux exigences relatives au traitement thermique post-soudage (PWHT) ; cet article les compare et les met en regard à l'aide d'approches issues de la mécanique de la rupture, afin d'examiner les exigences en matière d'épaisseur limite à partir desquelles le PWHT doit être effectué pour les soudures selon différentes normes.

Récipients sous pression

Les récipients sous pression peuvent être des dispositifs extrêmement dangereux qui doivent être conçus avec le plus grand soin afin de résister aux pressions et contraintes internes sans compromettre leur intégrité structurelle. Les matériaux choisis doivent répondre à la fois aux spécifications de résistance et à celles relatives à la fabrication, à la soudabilité et à l’usinabilité pour des applications spécifiques, entre autres facteurs. Les conditions de température doivent également être prises en compte pour déterminer l'épaisseur des parois et les exigences en matière de renfort, ainsi que les dimensions du récipient, y compris celles des ouvertures telles que les tubulures, et la forme des fonds (hémisphériques, elliptiques, à bride ou bombés) en fonction de l’utilisation prévue, tout en effectuant une sélection rigoureuse afin de minimiser les contraintes exercées sur les muscles du fond ou du col.

La plupart des pays imposent que tous les récipients dépassant une certaine taille et une certaine pression soient construits conformément à un code officiel, tel que le « ASME Boiler and Pressure Vessel Code » aux États-Unis ou la directive européenne relative aux équipements sous pression en Europe.

Les exigences générales de la plupart des codes imposent un traitement thermique post-soudage (PWHT) pour les matériaux dont l'épaisseur dépasse une valeur spécifiée ; toutefois, ces exigences varient d'un code à l'autre. Par exemple, les exceptions relatives à l'acier faiblement allié en matière de PWHT diffèrent entre les codes américains et britanniques, tout comme la limite d'épaisseur donnant droit à une exemption des essais de PWHT ; ces différences peuvent également concerner les exigences inhérentes à l'essai de Charpy ou les tailles de défauts admissibles.

Conduites sous pression

Les canalisations sous pression servent à transporter des liquides, des gaz et des boues sous haute pression. Si leur utilisation principale se situe dans les secteurs pétrolier et gazier, elles jouent également un rôle essentiel dans le secteur de la production d'électricité, en acheminant de la vapeur, de l'eau et d'autres fluides entre les centrales électriques afin d'assurer leur bon fonctionnement.

Les conduites sous pression peuvent être soumises à des contraintes considérables. Leur pression interne varie en fonction des conditions d'exploitation, ce qui oblige le concepteur à prendre en compte différents niveaux de pression et à prévoir, dans sa conception, des coefficients de sécurité plus élevés, des composants plus épais et des matériaux spécialisés.

Les caractéristiques nominales des brides et des vannes doivent être revues à la hausse pour s'adapter à des niveaux de pression plus élevés, ce qui entraîne une augmentation des coûts. De plus, les canalisations doivent disposer de supports et de points de fixation adéquats, car cela accroît la charge pesant sur les structures de soutien ; il est essentiel que ces structures puissent supporter ce poids sans compromettre l'intégrité du réseau de canalisations.

Les joints soudés des conduites sous pression peuvent générer des niveaux élevés de contraintes résiduelles avoisinant la limite d'élasticité, ce qui rend ces joints dangereux et peut compromettre la sécurité et l'environnement. Le traitement thermique après soudage (PWHT) réduit ces contraintes à des niveaux acceptables tout en améliorant l'intégrité des soudures — ce qui s'avère particulièrement utile lors du transport de produits chimiques dangereux ou de vapeurs nocives —, contribuant ainsi à prévenir les accidents tout en limitant les dommages environnementaux.

Structure générale

En fonction des équipements et des normes de fabrication concernés, les projets de fabrication d'acier et de métaux impliquent souvent des exigences obligatoires en matière de traitement thermique post-soudage (PWHT) dans le cadre de leur développement, notamment pour les récipients sous pression, les canalisations, les réservoirs de stockage, les bâtiments, les ponts ou les structures offshore. Le traitement PWHT est généralement nécessaire pour réduire les contraintes résiduelles causées par le soudage et pour empêcher le durcissement dans la zone affectée thermiquement (HAZ).

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est un procédé contrôlé consistant à réchauffer le matériau soudé jusqu'à la température souhaitée et à le maintenir à cette température pendant une durée déterminée. Cette opération critique doit respecter des spécifications précises ; dans le cas contraire, des températures de chauffage ou de maintien inappropriées pourraient entraîner une déformation, une fragilisation par recuit ou un ramollissement excessif.

À titre d'exemple de la technologie PWHT, les courants de haute fréquence circulant dans les bobines génèrent suffisamment de chaleur pour faire monter la température du métal ; cela peut être obtenu grâce à un contrôle minutieux du nombre et de la longueur des bobines, ainsi qu'à un équipement d'enregistrement automatique qui surveille la température en temps réel.

Les codes ASME définissent des exigences détaillées concernant la température de perte de chaleur par voie humide des tuyaux (PWHT), en fonction de leurs matériaux, respectivement à la clause 331.1.1 et au tableau 331.1.1. Toutefois, certaines épaisseurs de tuyaux font l'objet d'exceptions spécifiques dans ces tableaux, qui apportent des précisions supplémentaires.

Exemptions

Les utilisateurs des secteurs de la pétrochimie et de la production d'électricité manifestent un intérêt considérable pour la possibilité d'être dispensés du PWHT lorsque cela est possible ; toutefois, en raison des divergences entre les exigences appliquées par ces utilisateurs d'acier (via l'EEMUA et l'EGWP – Electricity Generators Welding Panel) et celles d'autres secteurs industriels, il n'existe pas de solution simple pour concilier ces exigences.

Tout porte à croire que les critères utilisés par divers codes pour dispenser de la PWHT les assemblages soudés en chrome-molybdène (P-4 et P-5A) utilisés dans le secteur nucléaire ont pu être élaborés à partir de bonnes pratiques d'ingénierie historiques plutôt que sur la base de calculs de conception spécifiques ou d'expérimentations. Les exigences actuelles varient d’un code à l’autre, tant en ce qui concerne l’épaisseur minimale limite des soudures que les exigences relatives au diamètre maximal des tuyaux – bien que des différences puissent également résulter des écarts entre les codes en matière d’exigences de ténacité ou de l’interprétation de sources de données techniques similaires.

Cet article compare et met en parallèle les dérogations au traitement thermique après soudage (PWHT) prévues dans plusieurs codes en vigueur, en examinant les similitudes ou les divergences en matière d'épaisseurs maximales de soudure à l'état soudé, ainsi que les exigences de ténacité (basées sur les essais Charpy) et les tentatives de rationalisation. La deuxième partie explorera les évaluations en mécanique de la rupture des exigences de ténacité de l’acier, qui démontrent que de nombreuses restrictions d’épaisseur pourraient être assouplies sans diminuer de manière significative la ténacité à l’impact, ouvrant ainsi la voie à une libéralisation accrue des exigences relatives au PWHT.