Simulación numérica del tratamiento térmico posterior a la soldadura

En los equipos a presión, las tensiones residuales provocadas por la soldadura pueden generar defectos de fabricación y aumentar el riesgo de fractura frágil bajo tensión. La simulación numérica se ha convertido en una herramienta inestimable para predecir dónde se acumularán estas tensiones residuales con el paso del tiempo.

Los resultados de las simulaciones suelen diferir de los obtenidos mediante ensayos in situ, debido a las diferencias en el tiempo que se mantiene la temperatura máxima.

Efecto de la temperatura

Un método eficaz para evaluar el comportamiento mecánico de los equipos a presión es el tratamiento térmico de alivio de tensiones simulado (SPWHT). Este método consiste en calentar los componentes hasta una temperatura específica durante un periodo prolongado y, a continuación, enfriarlos lentamente. El SPWHT permite reducir eficazmente la heterogeneidad y las tensiones en los componentes soldados, al tiempo que aumenta la ductilidad y la tenacidad.

Sin embargo, los procesos de PWHT también pueden provocar cambios perjudiciales en la microestructura de la zona afectada por el calor de grano grueso (CGHAZ) de los componentes soldados durante el procesamiento, lo que da lugar a una disminución de la tenacidad a la fractura y a daños por fatiga. Por lo tanto, es fundamental comprender plenamente su efecto sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de la CGHAZ antes de iniciar el proceso de PWHT.

La simulación del tratamiento térmico posterior a la soldadura (SPWHT) ofrece un método eficaz y rentable para evaluar los efectos de los ciclos repetidos de PWHT sobre las propiedades mecánicas del metal base. Lamentablemente, las simulaciones actuales suelen emplear enfoques cualitativos simplificados y modelos constitutivos de fluencia inexactos que no tienen en cuenta la influencia de la temperatura y el estado de tensión sobre las tensiones residuales.

Efecto del tiempo

El tiempo que tardan los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura (PWHT) en alcanzar las temperaturas de alivio de tensiones y de templado suele ser lo suficientemente largo como para provocar deformaciones o el colapso de los componentes estructurales, lo que hace necesario aplicar tratamientos térmicos de normalización posteriores a la soldadura únicamente en aquellas estructuras que puedan soportar temperaturas tan elevadas, como las que presentan formas grandes y complejas, por ejemplo, los recipientes a presión con fondos abombados soldados. Para proteger la integridad estructural durante estos tratamientos a alta temperatura, solo deben someterse a ellos aquellas estructuras que sean capaces de sostenerse por sí mismas, lo que puede resultar complicado cuando se trata de estructuras de gran tamaño con formas complejas, como los recipientes a presión que requieren dichos tratamientos.

Las técnicas de difracción de rayos X y de perforación solo permiten medir las tensiones residuales superficiales; no pueden documentar su evolución durante los ciclos de calentamiento, mantenimiento de la temperatura y enfriamiento. Es fundamental comprender este comportamiento para optimizar los ciclos de PWHT en determinados materiales, como el Zircaloy-4, en los que un solo ciclo de PWHT puede reducir las tensiones residuales transversales y longitudinales hasta en 140 MPa; para lograr este efecto, es necesario estudiar el comportamiento de relajación de la deformación a distintas temperaturas y tiempos de mantenimiento.

Efecto de la presión

Debido a las limitaciones de los métodos de ensayo y a consideraciones de coste, el tratamiento térmico posterior a la soldadura en equipos a presión debe estudiarse principalmente mediante simulación numérica. Por lo tanto, es de vital importancia seleccionar un modelo constitutivo de fluencia adecuado y fiable para obtener resultados de simulación precisos.

Como parte de su ciclo térmico de soldadura, el metal de soldadura (HAZ) del acero de los recipientes a presión se somete a un complejo ciclo de calentamiento y enfriamiento que provoca cambios significativos en la microestructura y las propiedades mecánicas de dicho metal de soldadura (HAZ). Estos cambios pueden dar lugar a una reducción de la tenacidad al impacto y de la resistencia a la tracción, así como a problemas de agrietamiento diferido en la zona afectada por la soldadura (HAZ).

Los investigadores han desarrollado el PWHT como método para mejorar el comportamiento de las estructuras soldadas, al aliviar las tensiones de soldadura y reducir el riesgo de agrietamiento [1, 2]. El PWHT consiste en calentar los componentes hasta un rango de temperatura óptimo, mantenerlos a esa temperatura durante un tiempo adecuado y enfriarlos lentamente; este tratamiento mejora la microestructura de la soldadura, reduce las tensiones residuales y facilita la liberación del hidrógeno difusible.

Efecto del entorno

Existen diversas simulaciones del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Algunas consisten en modificar la temperatura y la duración; otras investigaciones se centran en las influencias ambientales sobre el PWHT; algunos estudios incluso han analizado la fluencia durante la fase de calentamiento, lo que ha permitido comprender mejor la evolución de las tensiones residuales durante el proceso de PWHT.

Otro aspecto clave a tener en cuenta en el tratamiento térmico de los metales comunes es cómo afecta este a sus propiedades mecánicas, ya que la composición química ejerce una influencia determinante en la resistencia y la ductilidad tras el tratamiento PWHT. Los tratamientos PWHT simulados pueden ayudar a identificar las condiciones óptimas de tratamiento térmico para cualquier material de chapa.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura es una etapa fundamental en la soldadura de componentes corrosivos, como las plataformas petrolíferas y las plantas de GNL, que deben soportar condiciones ambientales adversas. Consiste en calentar la zona de soldadura hasta un intervalo de temperatura específico durante un periodo prolongado, antes de enfriarla lentamente para reducir las tensiones residuales provocadas por la soldadura, así como la susceptibilidad a la formación de grietas retardadas.