Soluciones PWHT - Garantizar la resistencia y la integridad de las estructuras soldadas

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT, por sus siglas en inglés) reduce las tensiones residuales que, de otro modo, podrían provocar distorsiones y grietas en las estructuras soldadas, además de prevenir el desarrollo de fracturas frágiles, grietas por corrosión bajo tensión y fatiga en estos materiales. El PWHT consiste en calentar el metal de soldadura a una temperatura específica durante un periodo prolongado y, a continuación, controlar este proceso para evitar el reblandecimiento excesivo, la fragilización por revenido y las grietas.

Soldadura y tratamiento térmico

La soldadura es un componente integral de la creación de estructuras de acero, pero sus tensiones residuales pueden provocar su colapso. Para hacer frente a este riesgo, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) debe emplearse después de soldar para aliviar los niveles de tensión dentro de su estructura y preservar su integridad.

Las soluciones PWHT incluyen un proceso térmico que consiste en calentar el metal soldado a temperaturas específicas durante un periodo prolongado y, a continuación, enfriarlo gradualmente con el paso del tiempo. Esto ayuda a aliviar las tensiones residuales de la soldadura y, al mismo tiempo, mejora las propiedades mecánicas y refina la microestructura.

Los requisitos de pwht dependen de la aleación, el grosor de la sección transversal y otras variables del proyecto; sin embargo, en general, el acero de sección gruesa tiende a requerirlo con más frecuencia debido a que las restricciones provocan superficies más vulnerables que podrían agrietarse por rotura frágil.

La PWHT puede ayudar en este esfuerzo templando la zona de soldadura dura (HAZ), ayudando a prevenir los fallos por fractura frágil durante el servicio y aumentando la resistencia de la soldadura.

Tensiones residuales

Las tensiones residuales son deformaciones internas autoequilibradas en componentes que resultan de tasas de calentamiento y enfriamiento simultáneas no uniformes, variaciones locales en las tasas de contracción entre partes de una soldadura, deformaciones asociadas a transformaciones de fase en el metal o cargas externas que permanecen una vez finalizada la soldadura. Cuando estas tensiones residuales aumentan las cargas externas aplicadas externamente, incrementan los niveles de tensión en los puntos críticos de una estructura, lo que provoca una tensión elevada en los puntos críticos de alivio de tensión, que a su vez provoca una tensión más elevada en los puntos críticos, mientras que simultáneamente disminuye la tensión de compresión en otros lugares. La soldadura puede inducir tensiones residuales debidas a ciclos simultáneos de calentamiento/enfriamiento no uniformes, variaciones locales entre piezas, diferentes velocidades de enfriamiento entre piezas, tensión asociada a transformaciones de fase entre etapas del proceso de soldadura o tensión asociada a transformaciones de fase debidas a condiciones simultáneas de calentamiento/enfriamiento no uniformes entre piezas soldadas; variaciones locales entre contracciones debidas a diferentes velocidades de enfriamiento en varias secciones o tensión asociada a transformaciones de fase causadas por cambios de fase que se producen debido a diferencias entre las temperaturas de soldadura durante las transformaciones de fase del proceso de soldadura; conduciendo finalmente al fallo estructural debido a las cargas externas que se aplican sobre las estructuras.

Las tensiones residuales inducidas por la soldadura pueden tener resultados desastrosos, como distorsión, agrietamiento y fractura frágil. Las concentraciones de tensiones residuales que superan el límite elástico del material pueden provocar la formación de grietas de compresión o tensión uniaxial en la propia zona de soldadura o en las partes adyacentes de una estructura.

Las tensiones residuales en componentes o estructuras soldadas dependen de numerosos factores, como la geometría de la unión soldada, los materiales utilizados durante los procedimientos de soldadura, los procesos de fabricación/reparación empleados, los tratamientos térmicos aplicados tras la soldadura, las condiciones de carga y el historial de servicio.

La mayoría de las tensiones residuales siguen siendo desconocidas o subestimadas debido a métodos de medición que carecen de precisión, así como a la falta de documentación completa de los ciclos de vida completos de las estructuras. Para predecir o mitigar esas tensiones es necesario comprender y modelizar mejor cómo interactúan los componentes estructurales durante la fabricación y el historial de funcionamiento, además de conocer mejor cuándo pueden haber tenido lugar esas interacciones.

Cambios microestructurales

Como parte del proceso de soldadura, el metal de soldadura fundido se expone a gradientes de temperatura elevados que pueden provocar cambios microestructurales que reduzcan sus propiedades mecánicas, como la ductilidad y la tenacidad, lo que conlleva un riesgo de fractura durante el servicio o modos de fallo por agrietamiento por corrosión bajo tensión. Esto hace que las estructuras soldadas mediante este proceso corran el riesgo de fracturarse.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un proceso esencial que puede resolver muchos problemas relacionados con la soldadura, al tiempo que refuerza y aumenta la resistencia de las estructuras. Para obtener resultados óptimos del PWHT, es fundamental seguir las mejores prácticas, como la selección de un método eficaz, las temperaturas de calentamiento/enfriamiento adecuadas, el control de calidad durante el proceso de tratamiento y la garantía de calidad durante el proceso de inspección posterior a la soldadura. Siguiendo estas reglas, su estructura será más fuerte y fiable con el paso del tiempo.

La PWHT puede ayudar a reducir y redistribuir las tensiones residuales, pero también puede haber ventajas adicionales de la PWHT a temperaturas más altas. Los procesos de revenido o precipitación pueden reducir la dureza al tiempo que mejoran la ductilidad.

El tipo de recocido seleccionado depende tanto del material como de su sistema de aleación. A medida que aumenta el contenido de carbono o el grosor, es más probable que se requiera un recocido PWHT; muchos códigos exigen un tratamiento PWHT si el material de soldadura supera un determinado grosor; entre los requisitos adicionales pueden incluirse la composición química o la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Optimización

La soldabilidad de los componentes de acero depende de factores como el proceso de soldadura y las propiedades del material; los ingenieros de diseño estructural deben tener en cuenta la soldabilidad de los componentes que diseñan en servicio para evitar crear características de aumento de tensión que provoquen un fallo prematuro.

las soluciones pwht pueden ser necesarias para abordar las tensiones residuales y los cambios microestructurales causados por los procesos de soldadura, incluidas las tensiones residuales. La PWHT consiste en calentar el material a una temperatura específica durante un periodo de tiempo prolongado para redistribuir estas tensiones de forma más uniforme por toda su estructura, al tiempo que se reducen los niveles de dureza, se mejora la ductilidad y se alcanzan los niveles de tenacidad necesarios para cumplir las especificaciones de diseño.

Dado que la temperatura PWHT depende de las propiedades metalúrgicas de un material, su determinación dependerá de una combinación de factores entre los que se incluyen la soldabilidad y los requisitos de servicio. Por ejemplo, los procedimientos de soldadura de aceros suaves con bajo contenido en carbono o aceros al cromo molibdeno con requisitos de choque suelen especificar temperaturas mínimas de precalentamiento y entre pasadas en función del espesor.

Las temperaturas de PWHT deben gestionarse cuidadosamente para evitar una distorsión excesiva y la fragilización por revenido de componentes de gran tamaño, como recipientes a presión y tuberías, que requieren el apoyo de caballetes conformados específicamente para cada componente. Con el fin de proporcionar una distribución uniforme del calor a lo largo de este proceso, estos caballetes deben estar espaciados a intervalos regulares con el fin de proporcionar suficiente apoyo.