Códigos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT)

Los códigos de diseño actuales para tuberías y recipientes a presión estipulan que la PWHT puede ser necesaria si el espesor del material supera un umbral establecido, determinado normalmente midiendo la energía Charpy. Algunos aceros al carbono y de baja aleación pueden quedar exentos si se utiliza un ciclo de precalentamiento adecuado.

Las soldaduras circunferenciales en tubos de acero han sido objeto de una evaluación por parte de Mohr que indica que pueden no requerir tratamiento PWHT.

¿Qué es ASME PWHT?

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es una técnica cada vez más popular para aliviar las tensiones residuales de la soldadura en recipientes a presión y equipos de tuberías, a menudo especificada en el código como necesaria para soldaduras de acero al carbono con espesores superiores a determinados umbrales de espesor para disminuir su propensión a la iniciación de grietas y la fractura frágil. Lamentablemente, a veces resulta poco práctico o costoso realizar la PWHT en piezas de gran tamaño debido a su ubicación remota o al gran peso de los componentes, por lo que en su lugar se pueden emplear configuraciones de PWHT por puntos u ojos de buey.

Estas configuraciones suelen utilizar bandas de inmersión, calentamiento y control de gradiente dimensionadas y colocadas para evitar la distorsión, el agrietamiento de las soldaduras adyacentes y la generación de tensiones residuales graves. Desgraciadamente, debido a la complejidad de estos diseños, predecir con exactitud su respuesta termomecánica hace que su ingeniería resulte extremadamente complicada. Las técnicas avanzadas de simulación computacional utilizadas en esta investigación ofrecen a los analistas una forma de garantizar que las configuraciones locales de PWHT aplicadas tras la reparación de los equipos no causen costosos daños adicionales, como distorsión y agrietamiento, que prolonguen aún más el tiempo de inactividad de los equipos.

Los códigos de diseño actuales para recipientes a presión y tuberías normalmente exigen PWHT cuando el espesor de la soldadura supera una cantidad determinada por las propiedades de la prueba de impacto Charpy del material, aunque los requisitos varían de un código a otro con una variación significativa entre los límites de espesor especificados en varios códigos. Nuestra investigación reveló que adoptar un enfoque similar al utilizado por PD5500 podría ayudar a abordar algunas de estas especificaciones dispares.

¿Qué es el umbral de espesor ASME PWHT?

Como se muestra en la Tabla 1, mientras que los códigos de tuberías y recipientes a presión suelen exigir PWHT hasta 19 mm para los aceros C-Mn, las normas generales de ingeniería estructural, como la BS 5400 para puentes o la 2633 [25] para edificios, pueden establecer umbrales de exención más bajos de los requisitos de PWHT para la exención. Es probable que estas discrepancias se deban a las diferencias en la composición química de los aceros, así como a los distintos requisitos de tenacidad a la fractura (como se ilustra).

El tratamiento térmico posterior a la soldadura ayuda a reducir significativamente la tensión residual al templar tanto el metal de soldadura como las microestructuras del metal base, disminuyendo así significativamente las tensiones residuales en la soldadura, aumentando su resistencia y tenacidad, y reduciendo los riesgos de fisuración asistida por el medio ambiente.

La PWHT también puede reducir la distorsión térmica, que es costosa para los equipos a presión y prolonga el tiempo de inactividad necesario para restaurar la capacidad de servicio. La clave del éxito de la PWHT es lograr un equilibrio ideal entre precalentamiento y velocidad de enfriamiento.

Utilizando la simulación FEA no lineal avanzada, se puede determinar una configuración PWHT óptima para las reparaciones de equipos a presión. Mediante la simulación de las reacciones termomecánicas de las soldaduras en respuesta a diversas condiciones de precalentamiento y enfriamiento, este método identifica las disposiciones locales óptimas de PWHT que minimizan la distorsión y la tensión residual.

¿Qué es el umbral de precalentamiento ASME PWHT?

Los códigos de diseño actuales para equipos a presión y tuberías especifican que la PWHT sólo debe realizarse si el espesor de la soldadura supera un límite específico, determinado normalmente por las propiedades de ensayo Charpy del material o los requisitos mínimos de temperatura de servicio. Este enfoque de limitación del espesor ha sido utilizado durante mucho tiempo por la industria, como lo demuestra su éxito en la protección de los equipos contra la fractura frágil.

Pero el uso de PWHT consume mucha energía y contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero y otros problemas medioambientales, añadiendo costes adicionales asociados a su funcionamiento y mantenimiento. Además, pueden ser necesarios varios ciclos de PWHT a lo largo de la vida útil del equipo, lo que añade costes adicionales asociados a su mantenimiento y gestión.

Por ello, ha habido mucho entusiasmo en torno a los esfuerzos para reducir la necesidad de PWHT mediante la creación de propiedades de material más tolerantes. Esto permitiría que los equipos utilizaran aceros al carbono más resistentes y, al mismo tiempo, reduciría el consumo de energía y el riesgo asociado a los procesos de agrietamiento asistidos por el medio ambiente.

Se han ideado enfoques para alcanzar este objetivo, como el uso de temperaturas de precalentamiento y soldaduras multipaso. En 2014, el código ASME B31.3 "Power Piping" se modificó con una tabla de exenciones de la PWHT obligatoria para soldaduras en acero al carbono conforme a su grupo de materiales P-No 1; en virtud de estas excepciones, los CS de más de 25 mm (1 pulg.) de grosor deben recibir un precalentamiento de 95 °C (200 °F) antes de la soldadura y se utilizan soldaduras multipaso.

¿Qué es la exención de espesor ASME PWHT?

Los códigos de fabricación actuales para recipientes a presión y tuberías suelen especificar que la PWHT puede ser necesaria si el espesor de la soldadura supera un valor determinado, y este límite suele determinarse utilizando las propiedades de ensayo Charpy del material. Sin embargo, los requisitos varían según los códigos; algunos pueden ser más conservadores que otros.

ASME B31.3 (2014) permite ahora una exención de la PWHT obligatoria para los materiales de acero al carbono del grupo de materiales P1 con una temperatura de precalentamiento de 95C aplicada antes de la soldadura, lo que representa un cambio importante en las buenas prácticas de ingeniería. Esta nueva disposición representa un cambio sustancial en las buenas prácticas de ingeniería.

El PWHT es un proceso de alto consumo energético con importantes implicaciones medioambientales, incluidas las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, los múltiples ciclos de PWHT a lo largo de la vida útil de los equipos pueden causar deformaciones o distorsiones que requieren reparaciones exhaustivas; las reparaciones con materiales compuestos ofrecen una alternativa al PWHT para reparar las piezas dañadas de los equipos a presión.

Las reparaciones con materiales compuestos ofrecen varias ventajas medioambientales con respecto a sus homólogos metálicos. No sólo mejoran la integridad estructural y reducen el riesgo de fugas, sino que, gracias a la combinación de materiales de alto rendimiento, las reparaciones con materiales compuestos son muy duraderas y resisten los efectos del envejecimiento, como la fatiga. Como tales, ayudan a garantizar el funcionamiento seguro de los equipos mucho después de que se haya completado el trabajo original de PWHT.