ASME B31.3 Requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura para tuberías de acero al carbono

Desde la edición de 2014 de la norma ASME B31.3, las tuberías gruesas de acero al carbono están exentas de los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), ya que solo se requiere soldadura de varias pasadas y no es necesario precalentamiento. Ha surgido la preocupación de que estas exenciones puedan ser inseguras.

Este documento, patrocinado por el EPRI y redactado por miembros del equipo RRAC, pretende apoyar los cambios en los requisitos mínimos de temperatura PWHT de los códigos B31.1 y B31.3, así como cambios similares en otras partes de los códigos.

Temperatura mínima de precalentamiento

Los requisitos mínimos de temperatura de precalentamiento de ASME B31.3 difieren significativamente entre códigos y normas, posiblemente como reflejo de las diferentes condiciones de servicio que aborda cada norma o código. Cuando los requisitos de un código o norma parecen excesivos desde un punto de vista técnico, surgen verdaderas preocupaciones, como por ejemplo los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para materiales de acero al carbono.

El requisito de temperatura PWHT establecido por el código está cerca de sus temperaturas críticas más bajas para los aceros al carbono, lo que puede provocar el agrietamiento por recalentamiento de las zonas soldadas y debilitar su resistencia de forma significativa. Sin embargo, los estudios han revelado que la dureza y tenacidad de las soldaduras P No 4 pueden mantenerse tras el PWHT a temperaturas inferiores a las especificadas por los requisitos del código actual.

Aunque puede haber dudas, existe un fuerte apoyo al mantenimiento de los actuales requisitos de precalentamiento y PWHT para el P nº 4. Un estudio patrocinado por el EPRI descubrió que el PWHT podía realizarse a temperaturas inferiores a las exigidas actualmente en los códigos B31.1 y B31.3, sin dejar de producir propiedades de material aceptables, lo que proporciona más flexibilidad de diseño, más margen de seguridad para uniones de materiales distintos y elimina las fisuras en las regiones de soldadura en materiales P n.º 4 susceptibles.

Temperatura máxima de precalentamiento

La norma ASME B31.3 exige que los materiales alcancen una temperatura mínima de precalentamiento a la que pueda iniciarse el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). El PWHT es un proceso controlado en el que las soldaduras se calientan por debajo de su temperatura de transformación crítica inferior durante un tiempo especificado para reducir las tensiones residuales y los cambios microestructurales causados por la soldadura; además, puede ayudar a aumentar la dureza mediante el aumento de los procesos de endurecimiento durante el tratamiento PWHT.

La edición de 2014 de ASME B31.3 introdujo varias revisiones significativas en sus requisitos de PWHT para tuberías de proceso, en particular soldaduras de acero al carbono que cumplen los requisitos de ASME Sección VIII Div 1 que anteriormente necesitaban recocido postsoldadura (PWA).

Este cambio se llevó a cabo a petición de la RRAC, que destacó cómo las temperaturas de PWHT de ASME B31.1 y B31.3 están cerca de las temperaturas de transformación críticas inferiores de sus materiales, lo que provoca pérdidas innecesarias de capacidad de endurecimiento debido al sobrecalentamiento. Para solucionar este problema, el informe recomendaba cambiar los requisitos de PWHT entre 1200-1300 grados F. Además, deberían fijarse 150 grados como máximo por encima de la PWHT, más en consonancia con los requisitos de la norma BS 2633.

Tiempo mínimo de mantenimiento

Tratamiento térmico posterior a la soldadura de tuberías de acero al carbono mediante el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Con ello se pretende evitar el agrietamiento asistido por el medio ambiente de las juntas de tuberías de acero al carbono y también disminuir las tensiones residuales creadas por la soldadura, aumentando al mismo tiempo la tenacidad del metal de soldadura. Además, el PWHT ayuda a mitigar la degradación medioambiental y a proteger contra la corrosión.

Los requisitos de PWHT varían según el código y el grupo de materiales. Por ejemplo, la norma B31.3 especifica tiempos de mantenimiento mínimos de 15 minutos para aceros de baja aleación y de 20 minutos para aceros 2.25%Cr-1%Mo, respectivamente, basándose en los niveles máximos de carbono y espesores de soldadura permitidos dentro de cada grupo; este requisito de tiempo de mantenimiento mínimo se aplica tanto a soldaduras de una sola pasada como a soldaduras de varias pasadas.

La PWHT puede no ser siempre necesaria; por ejemplo, en el caso de recipientes de acero soldado como los tanques de almacenamiento de petróleo. Aunque están diseñados para soportar presiones de hasta 5.000 psi, el riesgo de rotura frágil persiste debido a los gradientes extremos de temperatura y a las tensiones en las juntas de soldadura.

Los procesos PWHT pueden ser costosos e incómodos; por este motivo, algunas jurisdicciones prevén exenciones para las tuberías de acero al carbono. Además, los requisitos de la serie de códigos B31.3 pretenden lograr un equilibrio eficiente entre seguridad y eficiencia en lo que respecta a los requisitos de PWHT.

Tiempo máximo de retención

ASME B31.3 es una norma nacional estadounidense que cubre los requisitos de las tuberías utilizadas en refinerías de petróleo; plantas químicas, farmacéuticas, de hidrógeno, textiles, de papel y pasta de papel, reactores nucleares, plantas de semiconductores, así como instalaciones de generación de energía; estaciones de compresión de gas natural, así como plantas de generación de energía. Aborda los materiales y componentes para el diseño, la fabricación, el montaje, la inspección y los ensayos de las tuberías.

Como en el caso de las soldaduras, las temperaturas de precalentamiento deben ajustarse en función del grosor de cada soldadura. Las soldaduras finas pueden requerir temperaturas de precalentamiento más bajas que las soldaduras más gruesas para sus respectivas soldaduras; sin embargo, el tiempo necesario para cada etapa permanece constante.

Antes de la revisión, los límites obligatorios de espesor de soldadura PWHT se establecieron basándose en las buenas prácticas de ingeniería y en la experiencia. Dado que la mecánica de la fractura ha progresado desde la aplicación inicial de estos límites de acuerdo con las buenas prácticas de ingeniería y la experiencia, desde entonces se han revisado a la luz de las curvas de exención basadas en la tenacidad computarizada que exigen mayores requisitos de espesor de pared mínimo en los aceros al carbono que sus equivalentes más antiguos.

En la mayoría de los casos, la soldadura PWHT exige ahora 19 mm como espesor máximo de soldadura, un valor significativamente inferior al de los códigos estructurales generales, como el BS 5400 para puentes, u otros códigos especializados, como el ASME B31.1, que rige los recipientes a presión y las tuberías eléctricas, y el API 650, que rige la construcción de grandes depósitos de almacenamiento.