Test di simulazione per processi PWHT e di saldatura

I processi di saldatura e di trattamento termico post-saldatura (PWHT) sono in grado di modificare drasticamente le proprietà meccaniche delle strutture saldate; pertanto, simulazioni avanzate e il rispetto delle norme di settore contribuiscono a garantire che i recipienti a pressione soddisfino gli standard di sicurezza e prestazione dopo il PWHT.

L'analisi FEA consente agli ingegneri di prevedere come una struttura si deformerà durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento, permettendo loro di progettare il ciclo di riscaldamento ottimale per evitare deformazioni e fessurazioni. Le curve di spostamento sotto carico per il metallo saldato (WM) e il grano grossolano della zona termicamente alterata (CGHAZ) tendono a convergere dopo il trattamento termico post-saldatura (PWHT), allineandosi strettamente a quelle del metallo di base (BM), a dimostrazione di una significativa omogeneizzazione del comportamento meccanico.

Analisi strutturale

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è una fase fondamentale nella produzione di recipienti a pressione. Il PWHT consente di alleviare le tensioni da saldatura, prevenire la formazione di crepe ritardate e aumentare la tenacità, la resistenza allo scorrimento, la durata di servizio e la tenacità dei componenti saldati tra loro.

L'analisi FEA consente di simulare l'effetto del processo PWHT sull'integrità strutturale del serbatoio, garantendo la conformità alle norme di progettazione meccanica e agli standard di sicurezza. Inoltre, aiuta a prevedere le deformazioni geometriche che si verificano durante il PWHT, in modo da ottimizzare le velocità di riscaldamento e raffreddamento al fine di ridurre al minimo tali deformazioni.

I risultati della modellazione FEA relativi alla geometria della saldatura G91/C22 e alle sollecitazioni residue sono in eccellente accordo con i dati sperimentali. Nella simulazione della microstruttura del metallo saldato e della distribuzione delle sollecitazioni, sono stati presi in considerazione come fattori le trasformazioni incomplete da austenite a martensite, la distorsione indotta dalla saldatura, le regioni morbide nella zona termicamente alterata e il disallineamento delle deformazioni termiche tra il materiale di base e quello di rivestimento. Indipendentemente da queste disomogeneità, tuttavia, il modello prevede che il trattamento termico post-saldatura (PWHT) riduca sia le tensioni residue legate alla saldatura sia i gradienti di tensione all’interfaccia di giunzione.

Analisi agli elementi finiti (FEA)

L'analisi agli elementi finiti (FEA) è una tecnica ingegneristica che utilizza la matematica per simulare il comportamento reale senza dover costruire prototipi fisici. La FEA svolge un ruolo essenziale nell'ingegneria moderna, aiutando i produttori a ridurre i costi di sviluppo dei prodotti e a soddisfare al contempo rigorosi standard di sicurezza e prestazioni.

L'analisi FEA è in grado di simulare con precisione la distribuzione e l'effetto del trattamento PWHT sulle sollecitazioni residue nelle strutture saldate, nonché le distorsioni geometriche e le variazioni delle proprietà dei materiali causate dai processi di trattamento termico, fornendo agli ingegneri le informazioni necessarie per ottimizzare di conseguenza i parametri del trattamento PWHT.

Tuttavia, l’accuratezza dei modelli FEA dipende dalla qualità dei dati di input. Con software come Simcenter Femap, è possibile verificare facilmente l’integrità dei modelli utilizzando strumenti avanzati di verifica e ispezione della progettazione, come SDC Verifier, per controllare rapidamente le modifiche al codice direttamente all’interno dei flussi di lavoro FEA e accelerare così il processo di progettazione con un solo clic: è persino possibile applicare regole standard o creare controlli personalizzati!

Analisi termica

Poiché le attrezzature a pressione richiedono un trattamento termico post-saldatura (PWHT), gli ingegneri dovrebbero effettuare un’analisi strutturale per individuare potenziali punti deboli e aree soggette a deformazione; ciò consente loro di ottimizzare la progettazione e migliorare la sicurezza.

Gli ingegneri utilizzano l'analisi agli elementi finiti (FEA) per prevedere con precisione le deformazioni geometriche causate da un riscaldamento e un raffreddamento non uniformi, il che consente loro di mettere a punto il processo di PWHT in modo da riscaldare il materiale in modo uniforme con deformazioni minime.

Ai sensi del Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione, è necessario eseguire diverse prove sperimentali sulle lamiere d’acciaio per soddisfare i requisiti di accettazione previsti dalle norme ASME. Una di queste prove sperimentali è il trattamento termico post-saldatura (PWHT). I provini per le prove meccaniche, rappresentativi delle lamiere fornite dai produttori, vengono sottoposti a una simulazione del PWHT da parte del fornitore stesso, e le loro proprietà meccaniche soddisfano i requisiti specificati al termine del trattamento termico post-saldatura (PWHT) simulato. Purtroppo, tuttavia, a causa dell’inadeguatezza dei metodi di prova disponibili e dell’adozione di approcci qualitativi semplicistici che non tengono conto dei reali processi di trattamento termico oggetto di simulazione, non è possibile comprendere le prestazioni effettive.

Prove sui materiali

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è una pratica sempre più diffusa volta a migliorare la microstruttura e le proprietà meccaniche dei componenti saldati, tra cui la riduzione delle tensioni residue, la prevenzione della formazione tardiva di cricche, il miglioramento della tenacità e del limite di scorrimento delle strutture, nonché l'aumento della tenacità e dei limiti di scorrimento a lungo termine.

L'analisi ingegneristica deve essere condotta con attenzione per garantire che il trattamento termico post-saldatura (PWHT) non provochi distorsioni, deformazioni o proprietà indesiderate del materiale nella struttura saldata. L'analisi agli elementi finiti (FEA) aiuta gli ingegneri a prevedere con precisione i comportamenti termici e meccanici della struttura durante le fasi di riscaldamento e raffreddamento di questo processo.

Esistono numerosi metodi per misurare le tensioni residue nei giunti saldati, tra cui i ben noti metodi XRD e di perforazione. Tuttavia, data la loro natura distruttiva e gli inevitabili errori di prova, l’analisi FEA rappresenta uno strumento prezioso per avvalorare i risultati sperimentali e chiarirne le conclusioni. Aiutando a identificare le aree in cui sono presenti elevate concentrazioni di tensioni residue e suggerendo modalità per ridurle durante il trattamento PWHT, i produttori possono ottimizzare i processi PWHT e ottenere risultati costanti e ripetibili che garantiscono prestazioni costanti.