Requisitos ASME PWHT

Las industrias energéticas y de procesos se enfrentan a problemas relacionados con las diferencias entre las normativas en lo que respecta a los requisitos de PWHT para calderas. Si bien algunas de estas diferencias pueden justificarse, otras parecen menos importantes desde un punto de vista técnico.

Las normas de fabricación vigentes suelen eximir a determinadas estructuras del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) debido a su tenacidad a la fractura según el método Charpy a su temperatura mínima de servicio; sin embargo, estos criterios suelen ser subjetivos y están definidos de forma imprecisa.

¿Qué es la PWHT?

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) de los componentes de acero es una etapa esencial del proceso de soldadura, que consiste en calentarlos a altas temperaturas durante un periodo prolongado para corregir la deformación térmica y el debilitamiento de la resistencia y la tenacidad del metal, lo que puede hacer que los equipos de recipientes a presión sean más propensos a sufrir fallos. El objetivo principal del PWHT es restablecer estas propiedades para recuperar tanto la resistencia a la tracción como el límite elástico del material.

Las normas de fabricación vigentes para recipientes a presión y tuberías, como la Sección VIII de la ASME y la norma ASME B31.3, exigen el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para las piezas soldadas que superen un umbral de espesor especificado. Este requisito de espesor límite suele tener en cuenta las propiedades del material en el ensayo Charpy, así como las condiciones de servicio previstas a la hora de establecer dicho requisito; sin embargo, se sabe que este enfoque es demasiado conservador, lo que da lugar a valores anómalos en los distintos códigos en lo que respecta a los requisitos de PWHT.

Como indica la tabla 1, estos códigos establecen diversas exenciones respecto al PWHT, lo que facilita el aprovechamiento de las oportunidades de racionalización que ofrece cada uno de ellos. Sin embargo, resultaría difícil conciliar las especificaciones de la industria petroquímica con las del sector de la generación de energía; por lo tanto, es de vital importancia reconocer sus diferencias y llevar a cabo la cualificación de los procedimientos de soldadura en cada pieza soldada de acuerdo con las especificaciones, así como garantizar su conformidad.

¿Por qué es necesario el PWHT?

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es esencial, ya que los procesos de soldadura convencionales generan tensiones residuales significativas que podrían alcanzar o superar el límite elástico del metal base o del material de soldadura. El tratamiento térmico posterior a la soldadura sirve para mitigar estas tensiones residuales, al tiempo que templa la microestructura del metal de soldadura, reduciendo así el riesgo de agrietamiento inducido por el entorno.

Sin embargo, calentar y enfriar grandes estructuras de acero supone un coste elevado, sobre todo si es necesario realizar varios ciclos a lo largo del ciclo de vida de los equipos a presión. Además, este proceso puede provocar deformaciones en los equipos que comprometan su precisión dimensional y su integridad estructural.

Los usuarios que deseen reducir costes querrán, naturalmente, minimizar el tiempo que sus equipos permanecen expuestos a los procesos de PWHT, lo que convierte a los materiales compuestos en una alternativa viable. Por ello, los especialistas en reparación de equipos a presión deben conocer estas posibles soluciones para el tratamiento PWHT.

El análisis de los requisitos de exención del PWHT en diversos códigos, como los relativos a los recipientes a presión y las tuberías (Tabla 1), así como en normas estructurales generales como la PD 5500 [22] y la EEMUA 158 [23], ha puesto de manifiesto una variabilidad considerable entre ellos. Estas diferencias se deben principalmente a las distinciones en los criterios de tensión de diseño, los requisitos de tenacidad Charpy inherentes y los tamaños de defecto admisibles, que varían de una norma a otra.

Rangos de temperatura para el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT)

Las industrias petroquímica y energética tienen, cada una, requisitos específicos en cuanto al tratamiento térmico posterior a la soldadura, en parte debido a las diferentes normas que se aplican; pero, sobre todo, debido a la forma en que cada norma aborda el material en cuestión.

El PWHT (tratamiento térmico posterior a la soldadura) consiste en calentar una soldadura a temperaturas inferiores a su temperatura crítica inferior de transformación y mantenerla a esa temperatura durante un tiempo determinado, con el fin de aliviar la tensión del metal y aumentar la tenacidad. Las temperaturas del PWHT varían según los códigos de la industria petroquímica y los de la industria energética; los de la primera suelen establecer límites más altos para las temperaturas de tratamiento.

Por ello, puede haber variaciones significativas en los requisitos de PWHT entre las distintas secciones del código, lo que da lugar a incoherencias en dichos requisitos y genera riesgos de seguridad al calentar a temperaturas de PWHT que provocan la deformación de los componentes, los cuales, posteriormente, tienen dificultades para soportar su propio peso cuando se calientan a las temperaturas de PWHT requeridas. Para evitar que surjan estas posibles complicaciones durante las operaciones de PWHT, es necesario colocar estratégicamente soportes adaptados a cada componente a lo largo de toda la estructura antes de que comience el PWHT, con el fin de mitigar dichos riesgos potenciales.

Las pruebas del EPRI (Ref. 1) y la investigación de Lundin y Khan (Ref. 6) sugieren que la temperatura crítica inferior utilizada por la norma B31.1 para tuberías de potencia, de 1100 °F, podría ser demasiado baja; en cambio, estos investigadores descubrieron que utilizar 1200 °F como temperatura de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) daría lugar a cambios más rápidos en las propiedades, con un aumento de la tenacidad y una disminución de la dureza de las zonas afectadas por la soldadura (HAZ).

Exenciones del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT)

Varias secciones del Código eximen a las piezas soldadas de acero al cromo-molibdeno P-4 y P-5A de determinados espesores del tratamiento térmico obligatorio posterior a la soldadura (PWHT), aunque las normas varían de un Código a otro y dependen del espesor; La sección VIII del Código ASME BP&V permite que las piezas soldadas de espesor superior a 5/8 pulgadas queden exentas del PWHT; otros códigos utilizan criterios distintos, como la soldabilidad o la capacidad de las piezas soldadas para resistir la absorción de hidrógeno, como indicadores para la exención.

La soldabilidad suele utilizarse como único factor determinante para decidir si un material requiere un tratamiento de recocido post-soldadura (PWHT). En concreto, su influencia a la hora de soldar componentes sin que se produzcan defectos durante la soldadura o inmediatamente después de ella (soldabilidad) es fundamental. Además, este aspecto también desempeña un papel fundamental en el diseño de soldaduras y conjuntos soldados destinados a aplicaciones nucleares.

La soldabilidad se refiere a la capacidad de las estructuras soldadas o de los ensamblajes soldados para resistir las concentraciones de tensión provocadas por las tensiones residuales derivadas del proceso de soldadura y/o por la geometría del propio ensamblaje. Para minimizar los riesgos de agrietamiento retardado por hidrógeno, un recocido posterior a la soldadura adecuado puede incluir el calentamiento por resistencia eléctrica o la expulsión del hidrógeno atrapado mediante un gas inerte, como el nitrógeno. Teniendo en cuenta estas consideraciones, parecería prudente flexibilizar los requisitos actuales del Código con el fin de reducir significativamente los recocidos posteriores a la soldadura (PWHT) que se realizan en los materiales de tuberías nucleares.