Pruebas de simulación de procesos PWHT y de soldadura

Los procesos de soldadura y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) tienen la capacidad de cambiar drásticamente las propiedades mecánicas de las estructuras soldadas, por lo que las simulaciones avanzadas y el cumplimiento de los códigos del sector ayudan a garantizar que los recipientes a presión cumplan las normas de seguridad y rendimiento posteriores al PWHT.

El AEF permite a los ingenieros predecir cómo se deformará una estructura durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento, lo que les permite diseñar el ciclo de calentamiento óptimo para evitar la distorsión y el agrietamiento. Las curvas de desplazamiento carga-perforación para el metal de soldadura (WM) y el grano grueso de la zona afectada por el calor (CGHAZ) tienden a converger tras el PWHT, alineándose estrechamente con las del metal base (BM), mostrando una homogeneización significativa del comportamiento mecánico.

Análisis estructural

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un paso integral en la producción de recipientes a presión. El PWHT puede relajar las tensiones de soldadura, evitar el agrietamiento retardado y aumentar la tenacidad, la resistencia a la fluencia, la vida útil y la dureza de los componentes que se han soldado entre sí.

El AEF permite simular el proceso de PWHT en la integridad estructural del recipiente, garantizando el cumplimiento de los códigos de diseño mecánico y las normas de seguridad. Además, ayuda a predecir las distorsiones geométricas durante la PWHT, con el fin de optimizar las velocidades de calentamiento/enfriamiento para minimizar las distorsiones.

Los resultados del modelado por elementos finitos de la geometría de la soldadura G91/C22 y la tensión residual concuerdan perfectamente con los datos experimentales. Al simular la microestructura del metal de soldadura y la distribución de tensiones, se tuvieron en cuenta como factores las transformaciones incompletas de austenita en martensita, la distorsión inducida por la soldadura, las regiones blandas en la zona afectada por el calor y el desajuste de la deformación térmica entre los materiales base y revestidos. Sin embargo, independientemente de estas inhomogeneidades, el modelo predice que la PWHT reduce las tensiones residuales relacionadas con la soldadura, así como los gradientes de tensión en la interfaz de unión.

Análisis por elementos finitos (FEA)

El análisis por elementos finitos (AEF) es una técnica de ingeniería que utiliza las matemáticas para simular el comportamiento en el mundo real sin necesidad de construir prototipos físicos. El AEF desempeña un papel esencial en la ingeniería moderna, ya que ayuda a los fabricantes a reducir los costes de desarrollo de productos sin dejar de cumplir estrictas normas de seguridad y rendimiento.

El análisis FEA puede simular con precisión la distribución y el efecto del tratamiento PWHT en las tensiones residuales de las estructuras soldadas, así como las distorsiones geométricas y los cambios en las propiedades de los materiales causados por los procesos de tratamiento térmico, proporcionando a los ingenieros información para optimizar los parámetros PWHT en consecuencia.

Sin embargo, la precisión de los modelos de AEF depende de la calidad de los datos de entrada. Con software como Simcenter Femap, puede verificar fácilmente la integridad de sus modelos utilizando herramientas avanzadas de verificación e inspección de diseños como SDC Verifier para inspeccionar rápidamente los cambios de código directamente dentro de los flujos de trabajo de AEF para acelerar el proceso de diseño con un solo clic; incluso puede aplicar reglas estándar o crear sus propias comprobaciones personalizadas.

Análisis térmico

Dado que los equipos a presión requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), los ingenieros deben realizar un análisis estructural para identificar posibles puntos débiles y zonas susceptibles de deformación, lo que permite optimizar el diseño y mejorar la seguridad.

Los ingenieros utilizan el análisis de elementos finitos (FEA) para predecir con exactitud las distorsiones geométricas causadas por el calentamiento y el enfriamiento desiguales, lo que les permite ajustar su proceso PWHT para calentar el material de manera uniforme con las mínimas distorsiones.

De acuerdo con el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión, deben realizarse varias pruebas experimentales en la chapa de acero para satisfacer las normas ASME de aceptación. Una de estas pruebas experimentales es el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Los cupones de pruebas mecánicas que representan las chapas suministradas por los proveedores de chapas se someten a una simulación de PWHT por parte de su proveedor, y sus propiedades mecánicas cumplen los requisitos especificados tras el tratamiento térmico postsoldadura (PWHT) simulado. Lamentablemente, sin embargo, debido a los inadecuados métodos de ensayo disponibles y a los enfoques cualitativos simplistas que se emplean y que no tienen en cuenta los procesos reales de tratamiento térmico que se simulan, tampoco se comprenden los rendimientos reales.

Pruebas de materiales

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es una práctica cada vez más popular para mejorar la microestructura y las propiedades mecánicas de los componentes soldados, incluyendo la reducción de la tensión residual, la prevención del agrietamiento pospuesto, la mejora de la tenacidad y el límite de fluencia de las estructuras, así como el aumento de la tenacidad/límite de fluencia duradera.

El análisis de ingeniería debe realizarse cuidadosamente para garantizar que la PWHT no provoque distorsiones, alabeos o propiedades de material no deseadas en la estructura soldada. El análisis de elementos finitos (FEA) ayuda a los ingenieros a predecir con precisión los comportamientos térmicos y mecánicos a medida que una estructura se calienta y se enfría durante este proceso.

Existen muchos métodos para medir las tensiones residuales en las soldaduras, incluidos los métodos ampliamente conocidos de DRX y perforación de agujeros. Pero debido a su naturaleza destructiva y a los inevitables errores de las pruebas, el AEF es una herramienta inestimable para respaldar los resultados experimentales y aclarar los resultados experimentales. Al ayudar a identificar las áreas donde existen altas concentraciones de tensiones residuales y sugerir formas de reducirlas durante el procesamiento PWHT, los fabricantes pueden optimizar los procesos PWHT y producir resultados coherentes y repetibles que ofrezcan un rendimiento repetible.