Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para acero al carbono

Muchas normas y estándares de fabricación exigen un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Las temperaturas del PWHT varían según cada especificación de calificación de procedimientos de soldadura, como la BS 1113, la BS 2633 o la EN 13445.

El PWHT puede reducir y redistribuir las tensiones residuales, al tiempo que templa las regiones microestructurales duras o potencialmente frágiles. Khanzadeh et al. [15] descubrieron que, al aumentar la temperatura y el tiempo del PWHT en compuestos de cobre y acero inoxidable EXW, aumentaba el espesor de la capa de difusión en la interfaz, al igual que su propio espesor.

Temperatura

El acero puede someterse a diversos tratamientos térmicos por diversas razones, entre ellos el templado, el enfriamiento rápido y el PWHT. La temperatura a la que se alcanza el PWHT varía en función del contenido de la aleación y del espesor del metal: por lo general, los aceros al carbono de baja aleación con un espesor superior a 0,75 pulgadas (20 mm) suelen requerir PWHT, mientras que los que contienen menos de 0,51 % de cromo normalmente no lo requieren.

Los requisitos de PWHT varían según los distintos códigos y normas; por ejemplo, la norma BS 2633 exige el PWHT únicamente para aceros de baja aleación que contengan hasta un 1,51 % de Cr y un 0,51 % de Mo, mientras que otros códigos, como la norma PD 5500, especifican que el PWHT puede omitirse en aceros de hasta 35 mm de espesor.

Durante el recocido de solidez (SR), es fundamental controlar tanto la temperatura como el tiempo de recalentamiento para evitar la formación de martensita dura en la zona de soldadura, lo que reduce la tenacidad y puede provocar grietas. Además, el calentamiento prolongado del acero puede provocar una sensibilización en la que su microestructura se ve alterada por la exposición al calor, lo que, al combinarse con las tensiones residuales existentes, da lugar a la formación de nuevas tensiones y, por lo tanto, disminuye la resistencia a la corrosión al tiempo que aumenta la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión.

Tiempo

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un componente esencial de la soldadura del acero al carbono. Ayuda a reducir las tensiones residuales, a controlar la dureza del material y a aumentar la resistencia mecánica. Si se realiza de forma incorrecta, las tensiones residuales podrían sumarse a los niveles de tensión de la carga de servicio y superar los límites de diseño de los materiales, lo que provocaría grietas, fracturas frágiles y pérdida de resistencia del material en fallos de soldadura que requerirían una reparación mediante PWHT; sin embargo, el PWHT ofrece una solución al aliviar estas tensiones mediante su reducción y redistribución.

El PWHT requiere mantener temperaturas uniformes en todo el componente. Los materiales aislantes y los termopares pueden ayudar a garantizarlo, ya que registran las lecturas de temperatura en toda su superficie y, a continuación, utilizan estas mediciones para calcular la temperatura de PWHT.

Además de mantener temperaturas constantes, es igualmente esencial que los componentes puedan soportar su propio peso a las temperaturas del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Para ello, deben apoyarse sobre caballetes fabricados con materiales similares a los del componente, de modo que coincidan con su coeficiente de expansión térmica.

Las temperaturas de PWHT para tuberías y recipientes a presión suelen detallarse en las especificaciones de calificación de procedimientos de soldadura en forma de tablas, y cualquier cambio debe volver a calificarse con cada revisión de dichas especificaciones. Los requisitos de PWHT pueden determinarse fácilmente a partir de estas tablas, así como consultando gráficos de calibración que muestran la relación entre la temperatura y los niveles de dureza.

Medio ambiente

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es esencial al soldar acero al carbono. El PWHT ayuda a reducir las tensiones residuales y a mantener la dureza del material; sin él, las tensiones de carga en servicio podrían superar los valores de diseño del material y provocar que las tensiones residuales excesivas se acumulen y superen dichos valores. Al reducir las tensiones residuales mediante el tratamiento PWHT, aumenta la resistencia mecánica de las piezas soldadas, así como su resistencia a la fisuración; el PWHT desempeña un papel fundamental en los procesos de control de calidad de todos los proyectos de soldadura de acero al carbono.

Como parte del proceso de soldadura, suele producirse un gradiente de temperatura extremo entre los metales base y la soldadura, lo que genera tensiones residuales que, en última instancia, pueden provocar fallos en la soldadura si alcanzan niveles inaceptables. Además, los cambios microestructurales pueden aumentar la dureza y, al mismo tiempo, reducir la tenacidad y la ductilidad de las soldaduras; el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) ayuda a aliviar dichas tensiones residuales y, al mismo tiempo, mejora las propiedades de tracción.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es esencial para proteger los recipientes a presión y las tuberías soldadas contra la fractura frágil. Sin embargo, su necesidad ha sido objeto de debate recientemente debido a estudios recientes que sugieren que los aceros al carbono podrían quedar exentos cuando su espesor se encuentre dentro del valor umbral establecido en la Tabla UCS 56 de la Sección VIII, División 1, de la norma ASME [1].

El tratamiento PWHT consiste en calentar el metal a temperaturas superiores a su límite de resistencia a la tracción, lo que provoca transformaciones de fase que lo vuelven frágil. Para que el proceso funcione correctamente, es necesario que, tras este proceso, se produzca un enfriamiento rápido, conocido como templado; dos estudios realizados para determinar sus efectos sobre la dureza de los aceros de bajo carbono y su susceptibilidad a la corrosión por tensión (SSC) revelaron aumentos significativos en la resistencia tras la aplicación del PWHT; cada experimento demostró este aumento significativo de la resistencia del material frente a las grietas provocadas por la SSC.

Seguridad

Durante el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), los aceros al carbono deben supervisarse de cerca para evitar que superen el límite crítico, utilizando un termopar para medir la temperatura y conectándolo a una computadora que registre los datos cada segundo. La supervisión en tiempo real permite entonces realizar ajustes para mantener este límite crítico, una tarea extremadamente peligrosa que solo debe ser realizada por personal capacitado.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede ser necesario para determinados aceros al carbono, dependiendo de sus características y condiciones de servicio, con el fin de preservar su integridad estructural, especialmente en el caso de las variedades de alta resistencia y de baja aleación. El PWHT también ayuda a reducir las tensiones residuales generadas durante la soldadura, que podrían provocar grietas y deformaciones.

El PWHT también ayuda al acero al carbono a resistir la corrosión al limitar la formación de carburos que contribuyen a la corrosión, un efecto conocido como sensibilización.

El PWHT no solo previene la corrosión, sino que también puede aumentar la resistencia de los componentes a presión de acero al carbono, una característica importante para garantizar que puedan soportar las pruebas hidráulicas y las tensiones operativas.

Los requisitos del precalentamiento previo a la soldadura (PWHT) varían según los códigos de soldadura, aunque sus principios se mantienen constantes. Los requisitos de temperatura de precalentamiento dependen del espesor de la soldadura y del contenido de cromo del material; por ejemplo, los aceros al carbono con un espesor de pared superior a 0,75 pulgadas (20 mm) suelen necesitar precalentamiento antes de la soldadura.