La importancia de la PWHT en los procesos de soldadura de tuberías

Las corrientes generadas por bobinas de alta frecuencia producen el calor necesario, que luego se enfría por convección.

Varios estudios han demostrado que las preocupaciones relacionadas con la tensión residual de la soldadura y la tenacidad a la fractura en la zona afectada por el calor (HAZ) no constituyen una justificación técnica suficiente para aplicar los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) a materiales para tuberías con espesores de pared inferiores a 5/8 de pulgada.

1. Alivia las tensiones residuales

La soldadura genera amplias zonas con altas tensiones residuales de tracción que pueden contribuir a la formación de grietas inducidas por el entorno o a la fractura frágil en los ensamblajes de acero soldados. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) alivia estas tensiones y permite que la tubería siga funcionando de manera segura durante su vida útil.

El PWHT convencional consiste en someter la pieza soldada a temperaturas que superan su temperatura mínima de transformación, con el fin de optimizar la resistencia de la pieza soldada, así como su resistencia a la corrosión, a la fatiga o a los daños por hidrógeno. La selección de la temperatura depende de los efectos de templado deseados, así como de los niveles de resistencia que se requieran del material frente a la corrosión, la fatiga o los daños por hidrógeno.

Cuando se utiliza el PWHT local para reducir las tensiones residuales en un área pequeña, la elección de la geometría de la zona calentada es de vital importancia. Diversos estudios han revelado que las bandas calentadas de ancho variable reducen la magnitud de las tensiones de manera más eficaz que las bandas circunferenciales de ancho constante; esto se debe a que los análisis elásticos muestran que, tras el enfriamiento, su uso genera mayores tensiones residuales en comparación con las zonas calentadas de ancho variable.

Estos hallazgos sugieren que los límites actuales de exención del PWHT en los códigos de tuberías podrían no ser precisos y que tal vez sea posible reducir los requisitos de PWHT sin afectar la soldabilidad ni el comportamiento frente a la fatiga de los materiales, sobre todo porque los códigos vigentes no exigen pruebas de tenacidad a la fractura en soldaduras de menos de 5/8 de pulgada de espesor.

2. Refuerza la soldadura

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un componente esencial de los procesos de soldadura. El PWHT alivia las tensiones residuales en los materiales que, de lo contrario, podrían provocar deformaciones y agrietamientos; además, el PWHT aumenta la resistencia al eliminar las concentraciones de tensión que, de lo contrario, podrían debilitar las soldaduras bajo condiciones de carga dinámica y hacer que se vuelvan frágiles y fallen.

El PWHT consiste en calentar el metal a una temperatura específica durante un tiempo predeterminado y mediante diversas técnicas, como el recocido, la normalización, el temple y el revenido, con el fin de aumentar la resistencia y reducir los riesgos. El objetivo del PWHT es reforzar las soldaduras y reducir el riesgo de agrietamiento.

Sin embargo, cuando estos tratamientos se realizan de manera incorrecta, pueden llegar a debilitar la soldadura. Esto ocurre cuando los gradientes térmicos no se controlan adecuadamente; en ese caso, la soldadura se ve sometida a temperaturas más altas en algunos puntos que en otros y se ve obligada a expandirse y contraerse a ritmos diferentes, lo que reduce su resistencia a la fisuración por corrosión bajo tensión y a la fisuración inducida por hidrógeno.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede ser necesario o no, dependiendo del tipo de tubería, del material de soldadura utilizado y de otros factores. Las tuberías de acero al carbono suelen requerir un PWHT, mientras que puede ser necesario realizar tratamientos térmicos de alivio de tensiones antes de la instalación de las soldaduras para garantizar una resistencia suficiente frente a las tensiones ambientales.

3. Reduce el riesgo de que se agriete

El tratamiento térmico posterior a la soldadura es un componente integral de la fabricación de acero. Este proceso controlado de calentamiento y enfriamiento alivia las tensiones residuales, templa la microestructura de la pieza soldada, elimina el hidrógeno difuso, reduce la susceptibilidad a la fisuración por corrosión bajo tensión, aumenta la resistencia y la dureza, además de proporcionar una mayor resistencia. Cuando se realiza de manera inadecuada o se omite por completo, las piezas soldadas se vuelven susceptibles a la fisuración transgranular, lo que podría provocar fallas catastróficas en estructuras como los recipientes a presión o los componentes principales de las tuberías.

Las técnicas de soldadura con PWHT también pueden reducir la formación de grietas en frío en los componentes de tuberías al aumentar la ductilidad de la pieza soldada; para lograr este objetivo, se deben utilizar metales de aportación con valores bajos de hidrógeno difusible (por ejemplo, H4 o H8).

Los estudios han demostrado que el precalentamiento puede aliviar significativamente las tensiones residuales, reduciendo así el riesgo de agrietamiento por fatiga. Sin embargo, hay que recordar que el PWHT solo tiene un efecto significativo cuando la pieza está sometida a cargas de magnitud suficiente que varían con el tiempo.

Según esta investigación, el PWHT pierde importancia a medida que aumenta el diámetro de la tubería para un espesor de pared dado, lo que sugiere que las exenciones actuales de la normativa que limitan cuándo se debe realizar el PWHT deberían revisarse sin afectar los calendarios estándar de instalación de tuberías en las centrales eléctricas.

4. Reduce el riesgo de defectos

Muchos sistemas de tuberías deben funcionar en entornos hostiles con altas temperaturas y presiones, donde las soldaduras pueden sufrir fatiga térmica o fallar por fractura si no se les aplica un tratamiento de recocido posterior a la soldadura (PWHT). Sin embargo, cuando se les aplica este tratamiento, el metal puede soportar mejor estas tensiones, lo que reduce el riesgo de falla y mejora la seguridad y la confiabilidad del sistema.

Aunque el PWHT ofrece muchas ventajas, existe el riesgo de que, en ciertos casos, se aplique en exceso o de manera incorrecta. Una aplicación excesiva puede reducir la resistencia a la tracción y a la fluencia, al tiempo que disminuye la tenacidad con muesca; una aplicación incorrecta puede incluso provocar agrietamiento y agrietamiento transgranular en las superficies de concreto.

Por lo tanto, los distintos códigos relacionados con las tuberías y los recipientes a presión suelen tener requisitos diferentes en lo que respecta al tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Por ejemplo, las Secciones I y VIII de la norma ASME BP&V eximen de este requisito a las piezas soldadas fabricadas con materiales P-4 y P-5A de menos de 5/8 de pulgada de espesor; mientras que otros códigos, como la norma ANSI B31.3, solo exigen el PWHT en piezas soldadas de 4 pulgadas de espesor o menos.

Estas diferencias podrían deberse a que los códigos han sido redactados por distintos organismos profesionales, que se han guiado por su experiencia y práctica en ingeniería. Sin embargo, se ha descubierto que la soldabilidad tiende a aumentar a medida que aumenta el diámetro de los materiales de las tuberías; por lo tanto, el PWHT resulta menos crítico en las piezas soldadas de pared gruesa que en las de pared delgada.