Traitement thermique après soudage (PWHT) et traitement thermique préalable (PWHT)

Les essais de traitement thermique post-soudage (PWHT) constituent un élément essentiel de l'assurance qualité dans des secteurs tels que le pétrole et le gaz ou la production d'électricité, car ils permettent d'améliorer la résistance à la fatigue thermique ainsi que la fiabilité.

Le coût et l'expertise constituent deux obstacles majeurs à la fabrication de récipients sous pression et de réseaux de tuyauterie, tels que ceux présentés dans le tableau 1. Les divergences entre les normes de fabrication applicables aux récipients sous pression et aux réseaux de tuyauterie peuvent rendre très difficiles toute tentative de rationalisation.

Traitement thermique des soudures

Le traitement thermique après soudage, communément appelé « traitement de détente », sert à la fois à réduire et à redistribuer les contraintes résiduelles générées par le soudage. Ce procédé consiste à chauffer l'assemblage soudé à une température précise avant de le refroidir lentement afin d'éviter l'apparition de nouvelles contraintes ; la température et la durée exactes de ce traitement sont déterminées par les normes en vigueur.

Le PWHT utilise également des températures plus élevées qui induisent des modifications métallurgiques telles que le revenu, la précipitation et le vieillissement, ce qui contribue à augmenter la résistance de l'assemblage soudé en déclenchant des processus de revenu, de précipitation et de vieillissement qui permettent de réduire la dureté, d'améliorer la ductilité et de minimiser les risques de rupture fragile dans certains matériaux. Ce procédé permet de réduire la dureté tout en améliorant la ductilité et en diminuant les risques de rupture dans ces matériaux.

Les essais de contrôle post-soudage (PWHT) sont indispensables dans de nombreux secteurs et applications, notamment les centrales nucléaires, les oléoducs et gazoducs, ainsi que les récipients sous pression. Le PWHT constitue un élément essentiel des opérations de révision, car il permet de s'assurer que les soudures de ces équipements critiques sont capables de résister aux températures élevées, aux pressions importantes et aux environnements corrosifs dans lesquels ils seront exploités.

L'utilisation de systèmes de chauffage à résistance régulables, associés à des thermocouples permettant de surveiller les températures de la pièce soudée avec précision et régularité, est essentielle pour obtenir des résultats précis et reproductibles. Le temps de maintien doit également être géré de manière à minimiser les gradients thermiques au sein de la pièce soudée, afin de ne pas se contenter de déplacer les contraintes résiduelles existantes. Le préchauffage doit également être adapté en fonction du type et de l'épaisseur du matériau traité pour une efficacité maximale.

Traitement thermique préalable

Le traitement thermique est une opération coûteuse et longue qui vise à améliorer la résistance mécanique, la ténacité, la résistance à la corrosion et les contraintes résiduelles des pièces soudées. Il est prescrit dans de nombreux codes et normes relatifs aux applications de soudage, et le prétraitement thermique constitue une autre procédure essentielle qui permet de réduire le risque de fissuration pendant les opérations de soudage.

Un préchauffeur de soudage, généralement constitué de tapis chauffants en céramique ou de bandes chauffantes électriques, peut être placé soit à l'intérieur, soit à proximité de la zone de soudage, et chauffé selon un profil de température spécifique. Les températures de préchauffage sont régulées électroniquement à l'aide d'un régulateur électronique équipé de thermocouples et d'un système d'enregistrement des données.

Pour déterminer la température de préchauffage idéale, de nombreux facteurs doivent être pris en compte, notamment les exigences réglementaires, la composition chimique du métal de base, l’épaisseur de la section, le niveau de contrainte, la température ambiante et la teneur en hydrogène diffusible du métal d’apport. Cela permet d’éviter la formation de fissures dans les cordons de soudure lors des processus de soudage et selon certaines combinaisons d’épaisseurs de section. Dans l’idéal, cependant, il convient de dépasser cette valeur minimale afin de ne pas enfreindre les exigences de sécurité pour certains procédés de soudage de métaux de base et certaines combinaisons d’épaisseurs de profilés.

Par exemple, pour les soudures bout à bout ASTM A572-Gr50 nécessitant un traitement thermique local d'au moins 2 pouces autour de la soudure, ce traitement thermique local est indispensable pour garantir que les températures de préchauffage soient suffisantes afin d'éviter toute fissuration pendant le soudage et pour réduire les fissures liées à l'hydrogène en éliminant tout hydrogène résiduel issu du soudage immédiatement après celui-ci.

Traitement post-thermique

Le traitement thermique est un procédé de fabrication qui consiste à chauffer puis à refroidir avec précision des métaux et des alliages afin de modifier leur microstructure, ce qui a une influence directe sur leurs propriétés mécaniques – entraînant parfois des augmentations significatives de leur résistance et de leur ténacité.

Bien que le post-chauffage puisse être intégré à une procédure de soudage, son objectif est généralement défini par le client et peut être ou non imposé par la réglementation. Les exigences du client déterminent généralement la température de maintien et la durée. Lorsqu’il s’agit d’une exigence réglementaire, la durée doit couvrir à la fois le métal d’apport et le métal de base de part et d’autre ; la température doit rester inférieure à la température critique inférieure et un refroidissement contrôlé doit avoir lieu par la suite.

Certains aciers faiblement alliés, tels que les matériaux durcis par trempe présents dans les zones affectées thermiquement (HAZ), nécessitent un traitement thermique après soudage afin d'obtenir une microstructure adaptée en termes de résistance et de ténacité. Cette opération est non seulement imposée par les normes, mais constitue également une mesure de sécurité importante pour éviter l'apparition future de fissures dues à l'hydrogène.

Les spécialistes du traitement thermique qui travaillent avec ce type de matériaux préfèrent généralement le recuit de mise en solution au recuit de trempe, car il permet d'atteindre des températures plus élevées, ce qui contribue à éviter la formation de phases ou de particules nuisibles qui se formeraient autrement lors d'un recuit de trempe.

Exemptions

Le traitement thermique post-soudage (PWHT) pouvant s'avérer coûteux, la possibilité d'en être dispensé lors de la fabrication constitue une préoccupation majeure. Il peut s'avérer difficile de déterminer le seuil d'épaisseur à partir duquel le PWHT est requis pour les grands assemblages en acier utilisant des matériaux résistants ; certaines normes de fabrication et certains codes d'inspection stipulent désormais que le traitement PWHT est obligatoire pour les assemblages soudés dépassant ce seuil d'épaisseur.

Cet article évalue et compare différentes normes de fabrication (principalement des normes relatives aux canalisations et aux récipients sous pression) en ce qui concerne les exigences en matière de traitement thermique post-assemblage (PWHT) au-delà d’une certaine épaisseur, les exigences relatives aux essais de ténacité (essai de Charpy), ainsi que les possibilités de rationalisation entre les normes BS 2633 [25], ASME VIII, ASME B31.1 et ASME B31.3.

Les résultats indiquent que, bien qu'il existe certaines similitudes entre les différents codes de fabrication examinés, le regroupement par type de matériau ne semble pas constituer une approche appropriée pour parvenir à un certain degré de rationalisation. En outre, des programmes d'essais doivent être mis en œuvre afin d'éliminer certaines des anomalies observées dans ce domaine des exigences des codes de fabrication, un sujet qui sera abordé plus en détail dans la deuxième partie de cet article.