ASME B31.3 Exigences de traitement thermique après soudage pour les tubes en acier au carbone

Depuis l'édition 2014 de la norme ASME B31.3, les tubes en acier au carbone à paroi épaisse sont exemptés des exigences relatives au traitement thermique après soudage (PWHT) ; seul un soudage en plusieurs passes est requis et aucun préchauffage n'est nécessaire. Des inquiétudes ont été exprimées quant au fait que de telles exemptions pourraient présenter un risque pour la sécurité.

Ce document, parrainé par l'EPRI et rédigé par les membres de l'équipe RRAC, a pour objectif d'appuyer les modifications apportées aux exigences minimales en matière de température de traitement thermique post-soudage (PWHT) des normes B31.1 et B31.3, ainsi que des modifications similaires figurant dans d'autres normes.

Température minimale de préchauffage

Les exigences minimales de la norme ASME B31.3 en matière de température de préchauffage varient considérablement d'un code ou d'une norme à l'autre, ce qui reflète peut-être les différentes conditions d'utilisation prises en compte par chacun d'entre eux. De réelles préoccupations apparaissent lorsque les exigences d'un code ou d'une norme semblent excessives d'un point de vue technique – comme c'est le cas, par exemple, des exigences relatives au traitement thermique après soudage (PWHT) pour les aciers au carbone.

La température de traitement thermique post-soudage (PWHT) prescrite par la norme est proche des températures critiques inférieures des aciers au carbone, ce qui peut entraîner l'apparition de fissures de réchauffage dans les zones soudées et affaiblir considérablement leur résistance. Des études ont toutefois révélé que la dureté et la ténacité des soudures P n° 4 peuvent encore être maintenues après un traitement thermique post-soudage (PWHT) à des températures inférieures à celles spécifiées par les exigences actuelles du code.

Même si certaines inquiétudes peuvent exister, le maintien des exigences actuelles en matière de préchauffage et de traitement thermique post-soudage (PWHT) pour la norme P n° 4 bénéficie d’un large soutien. Une étude commanditée par l’EPRI a montré que le traitement thermique post-soudage (PWHT) pouvait être réalisé à des températures inférieures à celles actuellement requises par les normes B31.1 et B31.3, tout en garantissant des propriétés acceptables du matériau. Cela permettrait d’offrir une plus grande flexibilité de conception, une marge de sécurité accrue pour les assemblages de matériaux dissemblables et d’éliminer la formation de fissures au niveau des zones de soudure dans les matériaux de type P n° 4 sensibles à ce phénomène.

Température maximale de préchauffage

La norme ASME B31.3 exige que les matériaux atteignent une température minimale de préchauffage à partir de laquelle le traitement thermique post-soudage (PWHT) peut commencer. Le PWHT est un procédé contrôlé au cours duquel les assemblages soudés sont chauffés à une température inférieure à leur température critique inférieure de transformation pendant une durée spécifiée, afin de réduire les contraintes résiduelles et les modifications microstructurales causées par le soudage ; en outre, il peut contribuer à augmenter la dureté en renforçant les processus de durcissement pendant le traitement PWHT.

L'édition 2014 de la norme ASME B31.3 a introduit plusieurs modifications importantes concernant les exigences en matière de traitement thermique après soudage (PWHT) pour les canalisations de process, en particulier pour les assemblages soudés en acier au carbone conformes aux exigences de la section VIII, division 1, de l'ASME, qui devaient auparavant faire l'objet d'un recuit après soudage (PWA).

Cette modification a été mise en œuvre à la demande du RRAC, qui a souligné que les températures de PWHT prévues par les normes ASME B31.1 et B31.3 sont proches des températures critiques inférieures de transformation de leurs matériaux, ce qui entraîne des pertes inutiles de capacité de durcissement dues à une surchauffe. Pour remédier à ce problème, le rapport a recommandé de modifier les exigences relatives au PWHT pour les situer entre 1 200 et 1 300 °F. De plus, une limite maximale de 150 degrés au-dessus de la température du PWHT devrait être fixée, ce qui correspond davantage aux exigences de la norme BS 2633.

Temps de maintien minimum

Traitement thermique après soudage (PWHT) des canalisations en acier au carbone. Ce traitement vise à éviter la fissuration induite par l'environnement au niveau des joints des canalisations en acier au carbone, ainsi qu'à réduire les contraintes résiduelles générées par le soudage tout en augmentant la ténacité du métal soudé. De plus, le PWHT contribue à atténuer la dégradation due à l'environnement et à protéger contre la corrosion.

Les exigences en matière de traitement thermique après soudage (PWHT) varient selon la norme et le groupe de matériaux. Par exemple, la norme B31.3 spécifie des durées de maintien minimales de 15 minutes pour les aciers faiblement alliés et de 20 minutes pour les aciers 2.25%Cr-1%Mo, respectivement, en fonction des teneurs maximales en carbone et des épaisseurs de soudure autorisées au sein de chaque groupe ; cette exigence de durée de maintien minimale s'applique aussi bien aux soudures à passe unique qu'aux soudures à passes multiples.

Le PWHT n'est pas toujours nécessaire ; c'est le cas, par exemple, des réservoirs en acier soudés, tels que les réservoirs de stockage de pétrole. Bien qu'ils soient conçus pour résister à des pressions pouvant atteindre 5 000 psi, le risque de rupture fragile demeure en raison des gradients de température extrêmes et des contraintes au niveau des joints de soudure.

Les procédés de traitement thermique post-soudage (PWHT) peuvent s'avérer coûteux et peu pratiques ; c'est pourquoi certaines juridictions prévoient des dérogations pour les canalisations en acier au carbone. Par ailleurs, les exigences de la série de normes B31.3 visent à trouver un juste équilibre entre sécurité et efficacité en matière de traitement thermique post-soudage.

Durée maximale de conservation

La norme ASME B31.3 est une norme nationale américaine qui définit les exigences relatives aux canalisations utilisées dans les raffineries de pétrole ; les usines chimiques, pharmaceutiques, d'hydrogène, textiles, de papier et de pâte à papier ; les réacteurs nucléaires ; les usines de semi-conducteurs ; ainsi que les centrales électriques ; les stations de compression de gaz naturel et les centrales de production d'électricité. Elle traite des matériaux et des composants utilisés pour la conception, la fabrication, l'assemblage, le montage, l'inspection et les essais des canalisations.

Comme pour les soudures, les températures de préchauffage doivent être adaptées en fonction de l'épaisseur de chaque soudure. Les soudures minces peuvent nécessiter des températures de préchauffage inférieures à celles des soudures plus épaisses ; toutefois, la durée nécessaire pour chaque étape reste constante.

Avant cette révision, les limites d'épaisseur des soudures soumises à un traitement thermique post-soudage (PWHT) obligatoire avaient été fixées sur la base des bonnes pratiques d'ingénierie et de l'expérience acquise. La mécanique de la rupture ayant évolué depuis la mise en place initiale de ces limites, qui s'appuyait alors sur les bonnes pratiques d'ingénierie et l'expérience, celles-ci ont depuis été révisées à la lumière des courbes d'exemption calculées en fonction de la ténacité, qui imposent des exigences d'épaisseur minimale de paroi plus élevées pour les aciers au carbone que leurs équivalents antérieurs.

Dans la plupart des cas, le soudage avec traitement thermique post-soudage (PWHT) impose désormais une épaisseur maximale de soudure de 19 mm, ce qui est nettement inférieur aux normes générales de construction telles que la norme BS 5400 (pour les ponts) ou à d’autres normes spécialisées comme la norme ASME B31.1, qui régit les appareils sous pression et les canalisations de transport d’énergie, ainsi que la norme API 650, qui régit la construction de grands réservoirs de stockage.