Simulación numérica del tratamiento térmico posterior a la soldadura

En los equipos a presión, las tensiones residuales inducidas por las soldaduras pueden crear defectos de fabricación y aumentar las fracturas frágiles de baja tensión. La simulación numérica se ha convertido en una forma inestimable de predecir dónde se acumularán estas tensiones residuales a lo largo del tiempo.

Los resultados de la simulación suelen variar con respecto a los obtenidos mediante ensayos in situ, debido a las diferencias en el tiempo a temperatura máxima.

Efecto de la temperatura

Un método eficaz para evaluar el rendimiento mecánico de los equipos a presión es el tratamiento térmico de liberación de tensiones simulado (SPWHT). Consiste en calentar los componentes a una temperatura específica durante un tiempo prolongado antes de volver a enfriarlos lentamente. El SPWHT puede aliviar eficazmente la heterogeneidad y la tensión en los componentes soldados, al tiempo que aumenta la ductilidad y la tenacidad.

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

La simulación SPWHT ofrece un medio eficaz y rentable para evaluar los efectos de los ciclos PWHT repetidos en las propiedades mecánicas del metal base. Por desgracia, las simulaciones actuales suelen emplear enfoques cualitativos simplificados y modelos constitutivos de fluencia imprecisos que no tienen en cuenta las influencias de la temperatura y el estado de tensión en las tensiones residuales.

Efecto del tiempo

El tiempo que tardan los PWHT en alcanzar las temperaturas de alivio de tensiones y revenido suele ser lo suficientemente largo como para provocar distorsiones o el colapso de los componentes estructurales, por lo que es necesario normalizar los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura sólo en aquellas estructuras que puedan soportar esas altas temperaturas, como las compuestas por formas grandes y complejas, como los recipientes a presión con extremos abombados soldados. Para proteger la integridad estructural durante estos tratamientos a alta temperatura, sólo deben someterse a ellos las estructuras que sean capaces de soportarlos, lo que puede resultar complicado cuando se trata de estructuras de gran tamaño y formas complejas, como los recipientes a presión, que necesitan dichos tratamientos.

Las técnicas de difracción de rayos X y de perforación de agujeros sólo pueden medir las tensiones residuales superficiales; no pueden documentar su dinámica durante los ciclos de calentamiento-mantenimiento-enfriamiento. Una comprensión fundamental de este comportamiento es esencial para optimizar los ciclos de PWHT para determinados materiales como el Zircaloy-4, donde un solo ciclo de PWHT puede reducir las tensiones residuales transversales y longitudinales hasta 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 la limitación 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 (ZAT) de acero para recipientes a presión se somete a un complejo ciclo de calentamiento-enfriamiento que provoca cambios significativos en la microestructura y las propiedades mecánicas de su metal de soldadura (ZAT). 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 retardado en su ZAT.

Los investigadores han desarrollado la PWHT como método para mejorar el rendimiento de las estructuras soldadas mediante la relajación de las tensiones de soldadura y la disminución del riesgo de fisuración [1, 2]. Este tratamiento mejora la microestructura de la soldadura, reduce las tensiones residuales y facilita la liberación de hidrógeno difusible.

Efecto del medio ambiente

Existen varias simulaciones del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). En algunos casos, se modifican la temperatura y la duración; en otros, se estudian las influencias ambientales en el PWHT; en algunos estudios se ha investigado incluso la fluencia durante la fase de calentamiento, lo que permite comprender mejor la evolución de la tensión residual durante el proceso de PWHT.

Otra consideración clave en el tratamiento térmico de metales base es cómo afecta a sus propiedades mecánicas, ya que la composición química tiene una gran influencia 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 un paso integral en la soldadura de componentes corrosivos, como plataformas petrolíferas y plantas de GNL, que deben soportar entornos duros. Consiste en calentar la zona soldada a una temperatura determinada durante un periodo prolongado antes de enfriarla lentamente para reducir las tensiones residuales causadas por la soldadura y la susceptibilidad a la fisuración retardada.