ASME B31.3 Requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura para tuberías de acero al carbono

Desde la edición de 2014 de la norma ASME B31.3, las tuberías de acero al carbono de gran espesor están exentas de los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), siendo solo necesaria la soldadura en varias pasadas y sin que se requiera precalentamiento. Se han planteado dudas sobre si dichas exenciones pueden suponer un riesgo para la seguridad.

El presente documento, patrocinado por el EPRI y redactado por miembros del equipo del RRAC, tiene por objeto respaldar los cambios en los requisitos mínimos de temperatura para el PWHT establecidos en las normas B31.1 y B31.3, así como cambios similares en otras partes de las normas.

Temperatura mínima de precalentamiento

Los requisitos mínimos de temperatura de precalentamiento de la norma ASME B31.3 varían considerablemente de una norma a otra, lo que posiblemente refleje las diferentes condiciones de servicio que aborda cada una de ellas. Surgen preocupaciones reales cuando los requisitos de una norma parecen excesivos desde un punto de vista técnico; un ejemplo de ello son los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para los materiales de acero al carbono.

El requisito de temperatura para el PWHT establecido por la norma se aproxima a las temperaturas críticas inferiores de los aceros al carbono, lo que podría provocar grietas por recalentamiento en las zonas de soldadura y debilitar significativamente su resistencia. Sin embargo, diversos estudios han revelado que la dureza y la tenacidad de las soldaduras P n.º 4 pueden mantenerse tras el PWHT a temperaturas inferiores a las especificadas en los requisitos actuales del código.

Aunque pueda haber cierta preocupación, existe un firme apoyo a mantener los requisitos actuales de precalentamiento y PWHT para la norma P n.º 4. Un estudio patrocinado por el EPRI reveló que el PWHT podría realizarse a temperaturas inferiores a las exigidas actualmente en las normas B31.1 y B31.3, sin dejar de obtener propiedades aceptables del material, lo que proporcionaría una mayor flexibilidad de diseño, un mayor margen de seguridad para las uniones de materiales diferentes y eliminaría la formación de grietas en las zonas de soldadura de los materiales P n.º 4 susceptibles a ello.

Temperatura máxima de precalentamiento

La norma ASME B31.3 exige que los materiales alcancen una temperatura mínima de precalentamiento a partir de la cual pueda iniciarse el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). El PWHT es un proceso controlado en el que las piezas soldadas se calientan por debajo de su temperatura crítica inferior de transformación durante un tiempo determinado para reducir las tensiones residuales y los cambios microestructurales provocados por la soldadura; además, puede contribuir a aumentar la dureza al potenciar los procesos de endurecimiento durante el tratamiento PWHT.

La edición de 2014 de la norma ASME B31.3 introdujo varias modificaciones importantes en sus requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para las tuberías de proceso, en particular para las estructuras soldadas de acero al carbono que cumplen los requisitos de la Sección VIII, División 1, de la ASME, las cuales anteriormente requerían un recocido posterior a la soldadura (PWA).

Este cambio se llevó a cabo a petición de la RRAC, que señaló que las temperaturas de PWHT establecidas en las normas ASME B31.1 y B31.3 se acercan a las temperaturas críticas inferiores de transformación de sus materiales, lo que provoca pérdidas innecesarias de capacidad de endurecimiento debido al sobrecalentamiento. Para abordar este problema, el informe recomendó modificar los requisitos del PWHT para situarlos entre 1200 y 1300 °F. Además, se debería establecer un máximo de 150 grados por encima de la temperatura del PWHT, en mayor consonancia con los requisitos de la norma BS 2633.

Tiempo mínimo de mantenimiento

Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) de tuberías de acero al carbono. Su objetivo es evitar la formación de grietas inducidas por factores ambientales en las uniones de las tuberías de acero al carbono, así como reducir las tensiones residuales generadas por la soldadura y aumentar la tenacidad del metal de soldadura. Además, el PWHT ayuda a mitigar el deterioro ambiental y a proteger contra la corrosión.

Los requisitos de PWHT varían según la norma y el grupo de materiales. Por ejemplo, la norma B31.3 especifica tiempos mínimos de mantenimiento del calor de 15 minutos para los aceros de baja aleación y de 20 minutos para los aceros 2.25%Cr-1%Mo, respectivamente, en función de los niveles máximos de carbono y los espesores de soldadura permitidos dentro de cada grupo; este requisito de tiempo mínimo de mantenimiento se aplica por igual tanto a las soldaduras de una sola pasada como a las de varias pasadas.

Es posible que el PWHT no siempre sea necesario; por ejemplo, en el caso de los recipientes de acero soldados, como los depósitos de almacenamiento de petróleo. Aunque están diseñados para soportar presiones de hasta 5.000 psi, sigue existiendo el riesgo de rotura frágil debido a los gradientes de temperatura extremos y a las tensiones en las uniones soldadas.

Los procesos de PWHT pueden resultar costosos e incómodos; por este motivo, algunas jurisdicciones establecen exenciones para las tuberías de acero al carbono. Además, los requisitos de la serie de normas B31.3 tienen por objeto lograr un equilibrio eficaz entre la seguridad y la eficiencia en lo que respecta a los requisitos de PWHT.

Tiempo máximo de retención

La norma ASME B31.3 es una norma nacional estadounidense que establece los requisitos para las tuberías utilizadas en refinerías de petróleo; plantas químicas, farmacéuticas, de hidrógeno, textiles, de papel y celulosa; reactores nucleares; plantas de semiconductores, así como en instalaciones de generación de energía; estaciones de compresión de gas natural y centrales eléctricas. Aborda los materiales y componentes para el diseño, la fabricación, el montaje, la instalación, la inspección y los ensayos de las tuberías.

Al igual que en el caso de las soldaduras, las temperaturas de precalentamiento deben ajustarse en función del espesor de cada soldadura. Las soldaduras finas pueden requerir temperaturas de precalentamiento más bajas que las soldaduras más gruesas; sin embargo, el tiempo necesario para cada fase se mantiene constante.

Antes de la revisión, los límites obligatorios de espesor de las soldaduras para el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) se establecían basándose en las buenas prácticas de ingeniería y en la experiencia. Dado que la mecánica de la fractura ha avanzado desde que se establecieron inicialmente estos límites —lo cual se hizo de acuerdo con las buenas prácticas de ingeniería y la experiencia—, estos se han revisado a la luz de las curvas de exención calculadas basadas en la tenacidad, que exigen requisitos de espesor mínimo de pared más elevados en los aceros al carbono que sus equivalentes anteriores.

En la mayoría de los casos, la soldadura con PWHT exige actualmente un espesor máximo de soldadura de 19 mm, lo que supone un valor significativamente inferior al establecido en los códigos estructurales generales —como la norma BS 5400 para puentes— u otros códigos especializados, como la norma ASME B31.1, que regula los recipientes a presión y las tuberías de energía, y la norma API 650, que regula la construcción de grandes depósitos de almacenamiento.