Requisitos del tratamiento térmico posterior a la soldadura

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un requisito de los códigos de fabricación de determinadas estructuras para reducir las tensiones residuales de la soldadura y templar las regiones duras y potencialmente frágiles de la microestructura, pero es un proceso caro.

La tabla 1 muestra los requisitos mínimos de espesor por encima de los cuales debe utilizarse la PWHT para diversas normas de recipientes a presión y tuberías, y este artículo los revisa junto con sugerencias de posibles racionalizaciones de estos requisitos.

1. Reduce el riesgo de fractura por fragilidad

La rotura por fragilidad es un modo de fallo catastrófico en recipientes, tanques y otros componentes que a menudo provoca importantes pérdidas humanas y materiales. La fractura por fragilidad puede evitarse mediante prácticas adecuadas de diseño, fabricación e inspección, como la especificación de energías Charpy mínimas de los materiales; el diseño para evitar tensiones elevadas; el tratamiento térmico de alivio de tensiones posterior a la soldadura de secciones gruesas; la adopción de métodos de fabricación e inspección que minimicen los defectos al tiempo que aumentan las posibilidades de encontrarlos; la realización de ensayos de prueba como parte de las operaciones de mantenimiento regulares, etc.

El funcionamiento de equipos y tuberías dentro de los límites de diseño es crucial, especialmente cuando las temperaturas de funcionamiento caen por debajo de su temperatura de diseño inferior (LDT o MDMT según los códigos ASME). Los equipos de acero al carbono existentes deben someterse a una evaluación de fractura por fragilidad, tal y como se detalla en API RP 579 Fitness for Service Part-3: Assessment of Existing Equipment for Brittle Fracture.

Esta evaluación debe basarse en una sólida justificación técnica y no en suposiciones, utilizando la mecánica de fractura para definir los límites de trabajo seguros para las condiciones de temperatura y presión de los equipos. Un enfoque basado en el riesgo es muy superior al simple cumplimiento de los criterios de espesor mínimo establecidos por los códigos, que a menudo se basan en la experiencia subjetiva en lugar de en justificaciones técnicas.

2. Reduce el riesgo de distorsión

Muchos códigos y especificaciones exigen la PWHT para reducir la tensión en las uniones soldadas, disminuyendo así el riesgo de fractura al tiempo que aumenta la distorsión y el alabeo de los equipos a presión, lo que a su vez compromete su precisión dimensional, su integridad estructural y aumenta el riesgo de fugas.

Es posible mitigar la distorsión durante el tratamiento térmico proporcionando un soporte y una refrigeración adecuados del material durante el procesamiento, normalmente mediante caballetes moldeados específicamente para adaptarse a un componente y espaciados a intervalos regulares alrededor de su diámetro. El número de caballetes necesarios dependerá de su tamaño, forma y grosor.

Como protección adicional contra la distorsión, asegúrese de que la temperatura PWHT no supera la especificada originalmente para el revenido del acero. Las temperaturas más elevadas pueden provocar la fragilización o el reblandecimiento excesivo del temple, lo que podría reducir su resistencia por debajo de los niveles mínimos especificados y provocar una distorsión que reduzca su resistencia por debajo del valor mínimo especificado. Por lo tanto, es aconsejable llevar a cabo pruebas mecánicas después del tratamiento con equipos PWHT para confirmar la conservación de su resistencia.

3. Reduce el riesgo de alabeo

La PWHT consiste en calentar el material soldado a altas temperaturas antes de volver a enfriarlo lentamente, lo que puede provocar alabeos o distorsiones en los equipos a presión, con la consiguiente reducción de la integridad estructural, fugas o fallos y un mayor consumo de energía, contribuyendo a las emisiones de efecto invernadero. Además, requiere el uso de grandes cantidades de energía, lo que contribuye a las emisiones de efecto invernadero, así como a otros problemas medioambientales.

Los procesos PWHT se han utilizado tradicionalmente para aliviar tensiones, modificar la microestructura de las soldaduras y difundir el hidrógeno para resistir los daños por corrosión y oxidación. Sin embargo, los estudios han revelado que también pueden obtenerse beneficios similares a temperaturas más bajas que las empleadas habitualmente.

Aunque la PWHT puede proporcionar muchas ventajas, los códigos actuales varían enormemente en sus requisitos de exención de la PWHT. Esta variación a menudo se deriva de las prácticas de ingeniería y la experiencia dentro de las diferentes industrias más que de consideraciones metalúrgicas o estructurales específicas; en consecuencia, puede haber confusión y conflicto entre los requisitos del código con respecto a la exención de PWHT para soldaduras de tuberías que utilizan materiales P-4 y P-5A a través de diferentes códigos.

4. Reduce el riesgo de fugas

La PWHT requiere un equipo de soporte durante su exposición a altas temperaturas para evitar que se deforme en exceso, a menudo mediante caballetes moldeados para adaptarse a su forma, tamaño y grosor. Como parte de este proceso, el material se calienta a altas temperaturas antes de enfriarse gradualmente a intervalos regulares alrededor de su perímetro con el fin de redistribuir las tensiones en su interior y provocar la formación de debilidades que podrían reducir la resistencia de las soldaduras o incluso provocar fugas dentro de sus estructuras.

Los distintos códigos imponen requisitos de PWHT diferentes, y algunas especificaciones eximen a determinados materiales o soldaduras de su cumplimiento debido a factores como el espesor. Estas variaciones en los requisitos son probablemente el resultado de prácticas de ingeniería y experiencias de aplicación divergentes, más que de interpretaciones diferentes de los datos técnicos o la experimentación; se aconseja que si un material o soldadura se va a utilizar en servicio nuclear, sus criterios de exención se reduzcan a cero, independientemente del espesor.

5. Reduce el riesgo de corrosión

La corrosión puede dañar los equipos, contaminar el suelo y las reservas de agua, liberar toxinas nocivas en el aire, debilitar estructuras como tanques y tuberías más propensas a fallar y aumentar los riesgos para los equipos y el personal. Tomando medidas proactivas contra la corrosión, puede reducir estos riesgos para los equipos y el personal.

La corrosión atmosférica se produce cuando los objetos metálicos están expuestos a condiciones de oxígeno y humedad, también conocida como corrosión uniforme o general, ya que el proceso tiene lugar en toda su extensión. Otras formas de corrosión, como la corrosión por picaduras, grietas y tensiones, pueden ser más impredecibles, ya que se forman en puntos específicos de un objeto metálico.

La protección contra la corrosión depende tanto de la composición del metal como de los métodos de protección utilizados. La protección catódica consiste en recubrir el metal con elementos más activos, como el zinc, que se corroerá y oxidará al reaccionar con su entorno para proteger de la oxidación su composición metálica subyacente. Otras formas de prevención pueden incluir el control de los niveles químicos en el aire o las fuentes de agua o el uso de materiales que ofrezcan una mayor resistencia a la abrasión, como el uso de revestimientos y pinturas anticorrosivos.