Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para tuberías

El PWHT es un proceso de calentamiento y enfriamiento diseñado para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales soldados y aliviar las tensiones residuales, al tiempo que reduce los defectos relacionados con la soldadura.

Las normas sobre el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) son cada vez más exigidas por diversos sectores industriales, especialmente en el caso de tuberías y recipientes a presión.

El calentamiento posterior al soldado (PWHT) a nivel local suele realizarse con calentadores de resistencia eléctrica diseñados para aplicaciones de calentamiento de tuberías. Estas unidades autoaisladas ofrecen temperaturas específicas y controladas para satisfacer las necesidades de calefacción de las comunidades locales.

Resistencia a la corrosión

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un proceso controlado de calentamiento y enfriamiento que mejora las propiedades mecánicas de los componentes o estructuras soldadas al aliviar las tensiones residuales, disminuir el riesgo y reducir los defectos causados por las soldaduras. El PWHT puede ser necesario para los recipientes y los sistemas de tuberías que contienen recipientes a presión, así como para los equipos de centrales nucleares, a fin de cumplir con las estrictas normas reglamentarias.

El PWHT es un método eficaz para prevenir el agrietamiento por corrosión bajo tensión ambiental, ya que reduce la susceptibilidad de las soldaduras al agrietamiento al aumentar su resistencia a la corrosión y su dureza. Además, este proceso aumenta la tenacidad del material base, así como su ductilidad, hasta niveles adecuados para el diseño estructural.

Un tratamiento térmico de soldadura inadecuado (PWHT) puede generar tensiones internas que provoquen fallos en la zona soldada; si a esto se suman tensiones de carga que superen los límites de diseño, se puede llegar a una falla o a una fractura frágil. Un fallo o la omisión del PWHT podrían provocar fallas en la soldadura y, posteriormente, más fallas y fracturas en la misma.

El PWHT local se lleva a cabo normalmente mediante calentamiento por resistencia eléctrica. Un calentador de resistencia aislado, diseñado específicamente para adaptarse al diámetro de la tubería, consta de bobinas que se calientan individualmente con corrientes de alta frecuencia hasta alcanzar las temperaturas deseadas. Para supervisar y registrar este proceso, también se cuenta con un sistema de control provisto de luces indicadoras y un registrador, así como un potenciómetro para seleccionar el porcentaje de potencia suministrada a las bobinas.

Fuerza

La experiencia adquirida a lo largo del tiempo ha demostrado que los materiales para tuberías de clase P-4 y P-5 utilizados en aplicaciones nucleares son, en general, satisfactorios, y que los resultados parecen depender principalmente de factores relacionados con el espesor de la pared, más que con el diámetro de la tubería. Sin embargo, lamentablemente, estas tuberías no cumplen los criterios necesarios para soportar una condición de restricción elástica en una soldadura o en la zona afectada por el calor (HAZ).

El análisis de las restricciones normativas actuales indica que el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) podría eliminarse en muchos tipos de tuberías estándar sin que ello tenga consecuencias negativas, lo que permitiría reducir tanto los costos como los tiempos de interrupción del servicio en estos sistemas.

Los análisis han demostrado que, a medida que aumenta el diámetro para un espesor de pared dado, las tensiones residuales de soldadura disminuyen progresivamente, al igual que su zona de influencia dentro de la sección transversal de la tubería. Esto va acompañado de una disminución de la rigidez, lo que da lugar a un comportamiento más flexible en esta zona y hace que su comportamiento mecánico sea similar al de las placas planas.

Las velocidades de propagación de las grietas por fatiga dependen tanto de las cargas aplicadas como de las propiedades del material; por lo tanto, es difícil señalar una ventaja concreta del PWHT en cuanto al comportamiento frente a la fatiga. Sin embargo, el PWHT puede reducir significativamente las tensiones residuales máximas cerca de las soldaduras, lo que influye considerablemente en la relación de tensiones y, por ende, en la velocidad de propagación de las grietas por fatiga.

Durabilidad

El PWHT implica un consumo energético considerable, lo que contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero y a los problemas medioambientales. Además, la repetición de múltiples ciclos de PWHT podría debilitar significativamente los materiales de las tuberías, reduciendo la fiabilidad y la vida útil de los equipos, lo que plantea otro problema complejo que debe analizarse detenidamente antes de tomar cualquier decisión.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un proceso diseñado para mejorar las propiedades mecánicas de los componentes y estructuras soldados, aumentando su resistencia, dureza y capacidad de resistencia frente a defectos relacionados con la soldadura, como el agrietamiento por corrosión bajo tensión. Además, el PWHT ayuda a reducir las tensiones residuales generadas durante los procesos de soldadura.

Los requisitos para el PWHT se establecen en diversas secciones del Código y, por lo general, se centran en su composición microestructural y en los límites de espesor. Una iniciativa del EPRI ha determinado que flexibilizar estas normas podría suponer un ahorro significativo de costos para las empresas de servicios públicos, tanto desde el punto de vista financiero como operativo.

Las normas actuales del Código establecen que los materiales sujetos a un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) obligatorio deben tener un espesor de pared que supere un límite determinado; sin embargo, los análisis revelan que las tensiones residuales de la soldadura influyen menos en las secciones transversales de las tuberías a medida que aumenta el diámetro, para un espesor de pared dado, lo que sugiere que el requisito de PWHT puede reducirse sin afectar negativamente a los sistemas de tuberías de aplicaciones nucleares.

Fiabilidad

Las tuberías de la industria del petróleo y el gas, las centrales nucleares y otras aplicaciones de tuberías exigen normas de fiabilidad muy estrictas. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) garantiza que las uniones soldadas puedan soportar altas presiones, entornos corrosivos y fatiga térmica; muchas normas industriales, como la Sección VIII de la ASME, lo exigen para determinados materiales con el fin de cumplir estos criterios tan estrictos.

El PWHT altera la microestructura de las piezas soldadas, ablandando su estructura y aliviando las tensiones. Esto puede reducir las tensiones residuales cerca de las soldaduras u otras discontinuidades que podrían contribuir a fallos en las soldaduras o a la aparición de grietas durante el servicio, al tiempo que frena el crecimiento de las grietas por fatiga al reducir los niveles máximos de tensión residual o al alterar las relaciones de tensión.

La resistencia a la fatiga de los materiales depende de su resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, ductilidad y tenacidad, cualidades que el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede aumentar significativamente. Aunque los distintos códigos de tuberías difieren en cuanto a qué diámetros o espesores de pared están exentos de los requisitos de PWHT, estas inconsistencias parecen deberse más a prácticas habituales y a interpretaciones divergentes de los datos técnicos que a diferencias en las consideraciones de diseño (12).