PWHT y soldadura de acero al carbono

Los aceros al carbono y al carbono-manganeso y los aceros de baja aleación que cumplen las normas sobre requisitos de dureza no suelen necesitar tratamiento PWHT, aunque las diferencias entre los códigos para recipientes a presión y tuberías (como se detalla en la Tabla 1) suelen complicar los procesos de racionalización.

El objetivo de este artículo es describir y esbozar los requisitos y exenciones PWHT aplicables a los materiales de carbono y de baja aleación.

Para aliviar el estrés

Como la soldadura hace que queden tensiones residuales en el interior de los metales, sobre todo en los aceros al carbono de baja aleación, éstas pueden provocar grietas y debilitamiento. Para aliviar estas tensiones internas, el material se somete a un tratamiento térmico PWHT, en el que se utilizan temperaturas inferiores a su temperatura de transformación y se sumerge durante un largo periodo de tiempo antes de enfriarse uniformemente en toda su sección transversal y superficie.

La PWHT requiere temperaturas que puedan aliviar las tensiones inducidas por la soldadura y, al mismo tiempo, evitar los cambios de fase metalúrgica y la fragilización por revenido, por lo que los tiempos de calentamiento y mantenimiento deben gestionarse de cerca para maximizar los beneficios y garantizar su realización.

El tratamiento térmico por ondas de presión, utilizado habitualmente en equipos a presión, pero que también se realiza en otras estructuras como puentes y edificios, debe comprenderse para poder tomar decisiones con conocimiento de causa sobre cualquier estructura que construya o renueve. Es vital saber cuándo es necesario este proceso y sus ventajas, para tomar decisiones con el máximo conocimiento sobre su construcción.

El alivio mecánico de tensiones (MSR) puede ofrecer un método para aliviar las tensiones residuales, pero no ofrece las mismas ventajas metalúrgicas que el PWHT, por lo que no debe considerarse una solución alternativa. La MSR puede seguir siendo útil cuando no sea práctico o posible introducir las piezas directamente en un horno para la PWHT, pero no debe considerarse una opción de tratamiento sustitutiva.

Cambio de temperatura

Dependiendo de los procedimientos de soldadura empleados, las tensiones residuales pueden superar el límite elástico del material y provocar un fallo frágil en la zona de soldadura. La PWHT reduce estas tensiones mediante redistribución, disminuyendo así el riesgo de fallo en las estructuras de acero al carbono soldadas con procedimientos de soldadura PWHT.

Los tratamientos de soldadura PWHT no sólo reducen el alivio de tensiones, sino que también pueden utilizarse para ablandar y suavizar estructuras soldadas duras -aumentando la ductilidad y disminuyendo al mismo tiempo el riesgo de agrietamiento asistido por el medio ambiente-, lo que resulta especialmente útil al soldar soldaduras para aplicaciones de tuberías de servicio ácido.

Los cambios de PWHT pueden ayudar a reducir la corrosión inducida por hidrógeno en los aceros al carbono y aumentar su rendimiento a la fatiga, así como reducir el riesgo. No obstante, debe tenerse en cuenta que la PWHT es distinta de los procesos de revenido, tratamiento por disolución o envejecimiento (aunque algunos de sus efectos pueden conseguirse mediante la PWHT).

Los requisitos de PWHT se definen en varios códigos, y los límites de espesor suelen fijarse en 32 mm para los recipientes a presión y las aplicaciones de tuberías que requieren PWHT. También puede haber variaciones entre los códigos debido a las distintas energías Charpy o normas de inspección, así como a las variaciones de composición química de los aceros al carbono o C-Mn que abarcan, lo que hace improbable la racionalización.

Defectos de soldadura

Las tensiones residuales pueden causar defectos de soldadura visibles e invisibles, como discontinuidades, porosidad y salpicaduras; los defectos visibles incluyen discontinuidades de soldadura, porosidad y salpicaduras; los defectos invisibles incluyen fusión incompleta, baja ductilidad y propiedades mecánicas deficientes. Las tensiones residuales también comprometen la resistencia de las soldaduras al agrietamiento por corrosión bajo tensión, al tiempo que aumentan su susceptibilidad al fallo por fatiga, especialmente en estructuras complejas o aplicaciones de servicio a largo plazo.

Como regla general, cuanto mayor sea el contenido de carbono y aleaciones en los materiales de soldadura y el grosor de la sección transversal de las estructuras, mayor será la necesidad potencial de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Esto se debe a que las tensiones residuales de la soldadura reducen la tenacidad a la fractura en su estado de martensita templada y, por tanto, requieren PWHT.

Sin embargo, los requisitos PWHT tienen algunas excepciones. De acuerdo con las normas actuales sobre tejidos, algunas estructuras pueden quedar exentas de los requisitos PWHT si se sueldan utilizando procedimientos de reparación específicamente diseñados y especificados con un factor de energía calculado utilizando enfoques de mecánica de fractura.

La soldadura es un proceso activo y las soldaduras que produce pueden experimentar una tensión significativa durante su fase de enfriamiento, creando tensiones que deben gestionarse para que estas soldaduras puedan utilizarse en aplicaciones críticas. Esto puede lograrse reduciendo la velocidad de desplazamiento del electrodo, restringiendo el uso de corriente durante las operaciones de soldadura y utilizando gases de protección con la composición adecuada para el tipo y el grosor del material.

Seguridad

La soldadura es un componente integral de la construcción y el mantenimiento de activos de procesamiento de petróleo, gas y productos químicos. Sin embargo, un rendimiento inadecuado de la soldadura puede debilitar inadvertidamente el equipo al inducir tensiones residuales en los materiales y debilitar la resistencia. Para mitigar este efecto, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) debe realizarse regularmente después de la soldadura con el fin de minimizar las tensiones residuales en el material de soldadura, controlar los niveles de dureza después de los procesos de soldadura y, en algunos casos, aumentar la resistencia mecánica.

PWHT es un procedimiento de aislamiento que utiliza calentadores de resistencia de alta temperatura para elevar las temperaturas de la soldadura hasta unos 300degF-1.125degF dependiendo del tipo de acero y su contenido en carbono. El calor se aplica utilizando un calentador de resistencia eléctrica diseñado para el tamaño de la tubería que se ajusta a la soldadura superior que se va a tratar. Todos los electricistas que participen en una instalación deben comprender sus implicaciones de seguridad durante las operaciones de PWHT; todas las conexiones deben acordonarse adecuadamente, mientras que la zona debe acordonarse como zona de peligro para proteger a las personas desconocidas que entren en contacto con cables eléctricos de alta tensión.

Los requisitos de PWHT difieren según los códigos de fabricación. Por ejemplo, el umbral de espesor a partir del cual se hace necesaria la PWHT varía significativamente; por ejemplo, BS 1113 [22] y 2633 [23] la limitan para aceros al carbono-manganeso con un contenido de carbono de hasta 0,25%, mientras que PD 5500 y Pr EN 13445 permiten su uso en soldaduras de hasta 140 mm de espesor, siempre que cumplan un requisito establecido de tenacidad mecánica de fractura.