Tratamiento térmico posterior a la soldadura

Muchos códigos de tuberías utilizan la tenacidad a la fractura de las piezas soldadas como criterio para eximir localmente de los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT); sin embargo, es posible que este método no siempre sea aplicable a todos los materiales o aplicaciones.

Los requisitos de PWHT para los materiales de las tuberías de potencia se basan, por lo general, en la temperatura crítica inferior de transformación de su metal base.

Procedimientos de soldadura

La soldabilidad de las uniones soldadas depende de diversos factores, entre los que se incluyen la geometría, la restricción, las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas, así como la densidad de corriente. Además, los materiales con bajo contenido en carbono, como el AISI P-4 o el P-5A, también influyen en la soldabilidad; la templabilidad también puede tener un efecto, al igual que el potencial de agrietamiento retardado por hidrógeno.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) sirve para mejorar la tenacidad en muesca mediante la eliminación de tensiones residuales y la relajación de las tensiones preexistentes en la pieza, causadas por los procesos de fabricación, soldadura y corte. Los procesos de PWHT suelen durar una hora por cada 25 mm de espesor a una temperatura de 600 °C.

Los requisitos del PWHT suelen estar determinados por criterios de soldabilidad, y las normas de fabricación establecen requisitos detallados en relación con el PWHT local. Una parte significativa de estas normas se centra en los requisitos de límite de espesor —una suposición basada en que la fractura frágil es más probable sin PWHT que con él—; sin embargo, esta suposición ha sido cuestionada mediante análisis de mecánica de la fractura; más concretamente, la comparación de las curvas maestras para soldaduras a tope circunferenciales en tubos de acero ha demostrado esta conclusión y ha revelado que los límites de espesor actuales para el PWHT son demasiado restrictivos en algunos códigos de fabricación.

Precaliente

El precalentamiento de los aceros antes de la soldadura es fundamental para minimizar las tensiones de soldadura y las tensiones residuales, en función del espesor de la pieza soldada y del contenido de aleación. Para controlar estas temperaturas con precisión, deben utilizarse lápices indicadores de temperatura o pirómetros con termopar.

El precalentamiento reduce el gradiente de velocidad crítico para cualquier relación de equivalencia dada y aumenta la velocidad de la llama laminar, lo que da lugar a arcos más estables con menos salpicaduras. (Fig. 20).

El precalentamiento se utiliza para aumentar la dureza del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor (HAZ) en los aceros al carbono y de baja aleación, al ralentizar su velocidad de enfriamiento, lo que reduce defectos como la porosidad y las cavidades en la HAZ, mejorando las propiedades mecánicas y reduciendo el riesgo de fisuración por fragilización por hidrógeno (también conocida como fisuración retardada o bajo el cordón de soldadura) en los aceros al carbono y de baja aleación, así como en los aceros inoxidables austeníticos con alto contenido en níquel, como el tipo 347 o el Incoloy 825.

La reducción de la temperatura de precalentamiento y entre pasadas puede contribuir a aumentar el espesor de la soldadura sin necesidad de un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), especialmente en ensamblajes soldados sometidos a alta presión, como las soldaduras a tope, en manguito y en ángulo en uniones roscadas y conexiones de boquillas. Según los estudios de E2G sobre la fractura frágil, la eliminación del PWHT obligatorio para piezas soldadas sometidas a presión de baja aleación conforme a la norma ASME B31.3 reduciría la tenacidad de la soldadura y aumentaría el riesgo de fallos frágiles.

Tratamiento térmico posterior a la soldadura

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un método eficaz para eliminar las tensiones residuales perjudiciales en componentes soldados, como recipientes a presión y tuberías, al tiempo que reduce su susceptibilidad a las condiciones ambientales que provocan la aparición de grietas o la fractura frágil. Siempre debe respetarse el cumplimiento de los requisitos de las normas para mantener la integridad de las estructuras soldadas fabricadas.

Los procesos de PWHT suelen ser necesarios en las uniones soldadas de acero al carbono cuyo espesor supere un umbral predefinido, con el fin de protegerlas de la fractura retardada por hidrógeno y otros fenómenos de corrosión bajo tensión, incluida la fractura retardada por hidrógeno. El PWHT implica condiciones de calentamiento, enfriamiento y mantenimiento que afectan a las propiedades del material de soldadura resultantes de este proceso: unos tiempos de mantenimiento excesivos o prolongados pueden provocar descarburación, desfragilización o fragilización, lo que afectará negativamente a su resistencia a la tracción, resistencia a la fluencia o tenacidad con muesca.

Los requisitos de PWHT para los aceros al carbono varían según los códigos de fabricación y reparación, en función de los límites de espesor y diámetro, y estas variaciones pueden atribuirse a diferentes interpretaciones de las bases de datos técnicas o a la evolución de las prácticas de fabricación y soldadura a lo largo del tiempo. Los códigos ASME BP&V actuales permiten exenciones de los ensayos de PWHT para materiales de hasta 5/8 de pulgada de espesor utilizados en aplicaciones nucleares, basándose en supuestos tales como una mayor soldabilidad de los materiales de gran diámetro y pared delgada; sus características inherentes de tenacidad a la fractura; y el hecho de que sean lo suficientemente resistentes como para soportar una fractura de baja energía.

Refrigeración

Los procedimientos de PWHT deben adaptarse específicamente a cada componente, y las temperaturas dependen de su espesor; la norma ASME VII se aplica a espesores superiores a 19 mm, mientras que las normas BS EN 13445 y BSPD 5500 abarcan espesores de 35 mm o más. Las velocidades de enfriamiento también dependen del espesor; se permite una hora por cada 25 mm de espesor y el enfriamiento al aire en reposo por debajo de los 800 °F. Para el PWHT se suelen utilizar hornos fijos permanentes o hornos portátiles de tipo «top hat» con carro transportador para piezas grandes y difíciles de manejar.