Exigences de l'ASME en matière de PWHT

Les industries de l'énergie et des procédés sont confrontées à des problèmes liés aux différences entre les codes en termes d'exigences de PWHT pour les chaudières. Si certaines de ces différences peuvent être justifiées, d'autres semblent moins importantes d'un point de vue technique.

Les codes de fabrication actuels exemptent généralement certaines structures de la PWHT en raison de leur résistance à la rupture Charpy à leur température de service minimale ; cependant, ces critères sont souvent subjectifs et définis de manière vague.

Qu'est-ce que le PWHT ?

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) des composants en acier est une étape essentielle du processus de soudage, qui consiste à les chauffer à des températures élevées pendant une période prolongée afin de corriger la distorsion thermique, d'affaiblir la résistance et la ténacité du métal, ce qui peut rendre l'équipement des appareils à pression plus susceptible de tomber en panne. L'objectif principal du PWHT est de restaurer ces propriétés afin de rétablir la résistance à la fois à la traction et à la limite d'élasticité du matériau.

Les normes de fabrication actuelles pour les appareils à pression et les tuyauteries, telles que ASME Section VIII et ASME B31.3, imposent le PWHT pour les pièces soudées qui dépassent un seuil d'épaisseur spécifié. Cette exigence de limite d'épaisseur prend généralement en compte les propriétés de l'essai Charpy du matériau ainsi que les conditions de service prévues lors de l'établissement de l'exigence d'épaisseur - cependant, cette approche est connue pour être trop conservatrice, ce qui conduit à des valeurs anormales dans les différents codes pour les exigences de PWHT.

Comme l'indique le tableau 1, ces codes prévoient diverses exemptions de PWHT, ce qui rend les possibilités de rationalisation disponibles au sein de chaque code plus réalisables. Il serait toutefois difficile de concilier les spécifications de l'industrie pétrochimique avec celles du secteur de la production d'énergie ; il est donc essentiel de reconnaître leurs différences et de procéder à la qualification des procédures de soudage sur chaque élément soudé conformément aux spécifications et de s'assurer de leur conformité.

Pourquoi le PWHT est-il nécessaire ?

Le traitement thermique après soudage est essentiel car les procédés de soudage conventionnels génèrent des contraintes résiduelles importantes qui peuvent atteindre ou dépasser la limite d'élasticité du métal de base ou du matériau soudé. Le traitement thermique post-soudure permet d'atténuer ces contraintes résiduelles tout en tempérant la microstructure du métal soudé, réduisant ainsi le risque de fissuration assistée par l'environnement.

Cependant, chauffer et refroidir de grandes structures en acier est une entreprise coûteuse, en particulier si plusieurs cycles sont nécessaires au cours du cycle de vie de l'équipement sous pression. En outre, ce processus peut entraîner des déformations de l'équipement qui compromettent sa précision dimensionnelle et son intégrité structurelle.

Les utilisateurs qui cherchent à réduire les coûts voudront naturellement minimiser la durée d'exposition de leur équipement aux procédés PWHT, ce qui fait des matériaux composites une option alternative viable. Par conséquent, les spécialistes de la réparation des équipements sous pression doivent comprendre ces solutions potentielles pour le traitement PWHT.

L'examen des exigences en matière d'exemption de PWHT dans divers codes, tels que ceux relatifs aux appareils à pression et aux tuyauteries (tableau 1), ainsi que dans des normes structurelles générales telles que PD 5500 [22] et EEMUA 158 [23], a révélé des écarts considérables entre ces codes. Les différences proviennent principalement des critères de contrainte de conception, des exigences de ténacité Charpy inhérentes et des tailles de défauts admissibles qui varient d'un code à l'autre.

Plages de température du PWHT

Les industries pétrochimiques et énergétiques ont chacune des exigences uniques en matière de traitement thermique post-soudure, en partie en raison des différents codes utilisés, mais surtout en raison de la manière dont chaque code traite les matériaux concernés.

Le PWHT (Post Weld Heat Treatment) consiste à chauffer une soudure à des températures inférieures à sa température de transformation critique inférieure et à la maintenir à ce niveau pendant une durée déterminée, afin de soulager les tensions du métal et d'augmenter sa ténacité. Les températures de traitement thermique post-soudure diffèrent entre les codes de l'industrie pétrochimique et ceux de l'industrie de l'énergie ; ceux de l'industrie pétrochimique ont généralement des limites plus élevées pour les températures de traitement.

Ainsi, il peut y avoir des variations significatives dans les exigences de PWHT entre les différentes sections du code, ce qui conduit à des incohérences dans les exigences de PWHT et crée des risques de sécurité lors du chauffage à des températures de PWHT qui entraînent une distorsion des composants qui ont ensuite du mal à supporter leur propre poids lorsqu'ils sont chauffés à leurs températures de PWHT requises. Pour éviter que de telles complications ne surviennent au cours des opérations de PWHT, des supports adaptés à chaque composant doivent être stratégiquement positionnés dans la structure avant le début de la PWHT afin d'atténuer ces risques potentiels.

Les essais de l'EPRI (réf. 1) et les recherches de Lundin et Khan (réf. 6) suggèrent que la température critique inférieure utilisée par le code B31.1 pour la tuyauterie d'énergie, à savoir 1100°F, pourrait être trop basse ; au lieu de cela, ces chercheurs ont constaté que l'utilisation de 1200°F comme PWHT entraînerait des changements plus rapides des propriétés, avec une augmentation de la ténacité et une diminution de la dureté des HAZ de soudure.

Exemptions PWHT

Plusieurs sections du code exemptent certaines épaisseurs de pièces soudées en acier au chrome-molybdène P-4 et P-5A du traitement thermique obligatoire après soudage (PWHT), bien que les règles varient d'un code à l'autre et dépendent de l'épaisseur ; la section VIII de l'ASME BP&V permet aux pièces soudées d'une épaisseur supérieure à 5/8 d'éviter le PWHT ; d'autres codes utilisent d'autres critères, y compris la soudabilité ou la capacité des pièces soudées à résister à l'absorption d'hydrogène, comme indicateurs d'exemption.

La soudabilité est souvent utilisée comme seul critère pour déterminer si un matériau doit subir un traitement PWHT. En particulier, son impact en termes de soudage de composants sans encourir de défauts pendant ou immédiatement après le soudage (soudabilité) est crucial. En outre, cet aspect joue également un rôle essentiel dans la conception des soudures et des éléments soudés destinés au service nucléaire.

La soudabilité fait référence à la capacité des structures soudées ou des éléments soudés à résister aux concentrations de contraintes causées par les contraintes résiduelles du processus de soudage et/ou la géométrie de l'élément soudé. Pour minimiser les risques de fissuration retardée par l'hydrogène, une cuisson post-soudure appropriée peut inclure un chauffage par résistance électrique ou l'évacuation de l'hydrogène piégé avec un gaz inerte tel que l'azote. Compte tenu de ces considérations, il semblerait prudent d'assouplir les exigences actuelles du code de manière à réduire de manière significative les essais de fissuration post-soudure effectués pour les matériaux de tuyauterie nucléaire.