La norme ASME B31 3 a éliminé les exigences relatives à l'hydrotraitement (PWHT)

L'édition 2014 de la norme ASME B31.3 « Code for Process Piping » a supprimé les exigences relatives au traitement thermique post-soudage (PWHT) pour les matériaux de soudage en acier au carbone, à condition que des techniques de soudage à passes multiples et des températures d'au moins 95 °C (200 °F) soient utilisées, comme l'ont déterminé des essais et des analyses de mécanique de la rupture. Ces modifications reflètent les conclusions des analyses en mécanique de la rupture.

Température de préchauffage

La température de préchauffage est la clé d'une maîtrise efficace de la fissuration ; elle doit être suffisante pour éviter l'oxydation, retarder le refroidissement et garantir une ténacité adéquate du métal soudé. Il existe différentes méthodes pour la déterminer, en fonction des normes de soudage et des exigences relatives à l'épaisseur de la section.

Les normes de soudage précisent souvent les spécifications relatives à la température de préchauffage dans leurs spécifications de procédure de soudage (WPS) ; il est donc essentiel de respecter ces consignes. La température de préchauffage doit être mesurée à proximité immédiate d'un joint de soudure et, si possible, sur toute son épaisseur. Le préchauffage peut être réalisé à l'aide de brûleurs à gaz, de flammes oxy-gaz, de couvertures électriques ou de méthodes de chauffage par induction électronique, et doit être géré avec soin afin de garantir des résultats homogènes.

Il convient d'utiliser des crayons indicateurs de température, tels que le Tempilstik, pour surveiller les températures de préchauffage, et de procéder à une vérification à l'aide de thermocouples ou de thermomètres à contact afin de s'assurer que le préchauffage s'est déroulé comme prévu. Il faut également tenir compte de la taille et de la disponibilité des équipements de chauffage lors du choix d'une méthode de préchauffage. Les assemblages soudés de grande série nécessitent souvent des batteries de chalumeaux de chauffage ou de bandes chauffantes électriques, ce dont il faut également tenir compte. Les assemblages soudés de plus petite taille peuvent être chauffés à l’aide d’un four ou de systèmes de chauffage par résistance. La température de préchauffage doit être surveillée en permanence tout au long de la séquence de soudage et précisée dans votre cahier des charges de procédé afin de minimiser les fissures tant dans la zone affectée thermiquement que dans le matériau de base. Pour ce faire, fixez-la à un niveau inférieur à la température minimale entre passes afin de minimiser les effets de fissuration sur les matériaux adjacents.

Température de PWHT

De nombreux codes et normes imposent un traitement thermique après soudage (PWHT) pour certaines structures soudées, telles que les soudures circonférentielles des tubes en acier. Le PWHT permet de réduire les contraintes résiduelles de traction dans la zone de soudure, d’atténuer la microstructure, d’améliorer la ductilité et la limite d’élasticité. Les exigences varient en fonction du type de matériau et de l'épaisseur ; les aciers au carbone-manganèse nécessitent généralement des températures de PWHT plus élevées que les matériaux de soudure à faible teneur en carbone.

Le PWHT constitue une étape incontournable de la fabrication d'un réseau de tuyauterie, mais son exécution peut s'avérer à la fois coûteuse et chronophage. Pour réduire au minimum les coûts liés au PWHT, il est essentiel d'optimiser les réglages de température, ce qui implique notamment de choisir des vitesses de chauffage et de refroidissement adaptées, ainsi que d'utiliser des équipements et des installations appropriés pour le PWHT.

Les codes de conception actuellement en vigueur dans les secteurs des récipients sous pression et des canalisations imposent un traitement thermique post-soudage (PWHT) lorsque l'épaisseur des soudures dépasse un seuil défini, déterminé en fonction des propriétés d'absorption d'énergie selon l'essai de Charpy des métaux de base ainsi que des exigences en matière de température de service. Cette pratique est courante depuis des décennies et se justifie tant d'un point de vue économique que technique.

Il existe divers arguments en faveur d'une baisse de la température de traitement thermique post-fabrication (PWHT) ; dans cet article, nous examinerons ces arguments et démontrerons en quoi ils sont erronés. Ce livre blanc sera présenté dans le cadre d’une initiative visant à modifier les sections B31.1 et B31.3 du code ; toutefois, il pourrait également s’appliquer de manière similaire à d’autres sections du Code des chaudières et des récipients sous pression.

Durée du traitement thermique post-soudage (PWHT)

La norme ASME B31.3 fournit des directives relatives à la conception, à la fabrication, à l'assemblage et à la mise en place des réseaux de tuyauterie de process. Elle a pour but de guider les différentes parties prenantes – notamment les concepteurs, les inspecteurs du maître d'ouvrage, les fabricants, les installateurs et les fabricants de composants – tout au long de ce processus. En outre, cette norme aborde des sujets tels que le choix des matériaux, les limites de contrainte admissibles et les exigences en matière de contrôle, parmi bien d’autres.

Dans le cadre du processus de soudage, des contraintes résiduelles apparaissent dans la zone de soudure ; celles-ci peuvent avoisiner la limite d'élasticité du matériau soudé, ce qui augmente le risque de fissuration induite par l'environnement (EAC). Le traitement thermique post-soudage (PWHT) réduit ces contraintes résiduelles afin de prévenir l'EAC dans les structures en acier soudées.

La durée du traitement thermique post-soudage (PWHT) est un élément essentiel à la réussite des traitements thermiques des soudures. Plus la durée du PWHT est longue, meilleurs sont généralement les résultats ; de plus, l'utilisation de températures plus élevées renforce l'efficacité du PWHT.

Le Centre des applications de réparation et de remplacement de l’EPRI a récemment émis une recommandation visant à abaisser les exigences de température relatives au traitement thermique post-soudage (PWHT) dans les sections B31.1 et B31.3 du code, afin de les aligner davantage sur les exigences d’autres sections du code. Le présent document examine les raisons pour lesquelles ces modifications sont nécessaires et leurs avantages potentiels, et présente les méthodes permettant de faire adopter cette modification au sein du comité. Nous remercions Phil Flenner, de Flenner Engineering Services (Kalamazoo, Michigan), pour son aide dans la mise en œuvre de ces changements.

Épaisseur du PWHT

Les codes régissant la fabrication, l'assemblage, le montage, l'examen, l'inspection et les essais des canalisations de procédé contiennent diverses exigences en matière de PWHT qui varient considérablement en termes de différences mineures et de risques potentiels pour la sécurité. Des divergences importantes pourraient compromettre la capacité d’un projet à répondre aux conditions d’exploitation ainsi qu’aux objectifs de coût et de performance ; les spécifications de chaque code dépendent généralement des caractéristiques des matériaux, des paramètres de soudage ainsi que des mécanismes de défaillance potentiels de la structure.

Le traitement thermique après soudage (PWHT) des aciers au carbone est prescrit dans plusieurs normes et codes, tels que la BS 1113 [22], la BS 2633 [24], la PD 5500 [25] et la Pr EN 13445 [27]. Récemment, le code B31.3 a ajouté le tableau 331.1 qui exempte certains aciers au carbone de catégorie P n° 1 des exigences obligatoires en matière de traitement thermique après soudage, à condition que des températures de préchauffage de 95 °C soient utilisées et que des techniques de soudage en plusieurs passes soient employées lors de la fabrication.

Tomerlin et al. ont mené une étude récente qui a démontré que, pour les assemblages soudés de haute qualité, le traitement thermique post-soudage (PWHT) est souvent inutile, même pour les tuyaux à paroi épaisse. Il convient de faire preuve de prudence lors de la conception, de la fabrication, du montage et de l'exploitation des structures, car il est nécessaire de choisir des températures de PWHT appropriées afin de réduire au maximum les risques et d'assurer une résistance à la fatigue optimale. Le respect des températures optimales permettra de minimiser tout risque de dégradation des propriétés du matériau, notamment de sa ténacité ou de sa résistance mécanique, ainsi que les problèmes liés à la résistance à la fatigue.