Révélation des exigences en matière de traitement thermique après soudage (PWHT) pour les épaisseurs d'acier au carbone

Les travaux menés par l’EPRI sur les matériaux utilisés pour les canalisations nucléaires avaient pour objectif principal de déterminer si les exigences actuelles relatives à la dérogation au traitement thermique après soudage (PWHT) pour les épaisseurs d’acier au carbone pouvaient être assouplies en s’appuyant sur l’expérience du secteur plutôt que sur des données techniques ou des calculs de conception.

Le traitement thermique post-fabrication (PWHT) est utilisé pour éliminer les contraintes résiduelles dans les composants à parois épaisses, ce qui améliore leur stabilité dimensionnelle et leurs performances. Les exigences relatives à l'épaisseur de l'acier au carbone varient considérablement d'une norme à l'autre en raison des critères de ténacité Charpy qui leur sont propres.

1. Résistance à la corrosion

La forte teneur en chrome de l'acier au carbone lui confère une excellente résistance à la corrosion, ce qui en fait le matériau idéal pour les structures exposées à des environnements difficiles. Malheureusement, sa dureté réduit sa capacité de charge dynamique et statique, ce qui nécessite des dimensions plus importantes et des blocs d'appui supplémentaires.

L'humidité, la température, la pluie, le vent et les impuretés présentes dans l'air accélèrent la corrosion atmosphérique. De plus, il convient également de prendre soigneusement en compte la durée d'exposition des métaux à l'humidité lors de la planification des travaux de restauration des métaux.

Des essais d'exposition en extérieur traditionnels et une méthode d'évaluation de la corrosion basée sur le « big data » ont été utilisés pour étudier les différences de comportement à la corrosion entre l'acier au carbone Q235 et l'acier résistant aux intempéries Q420, comme le montre la figure 4. Cette figure présente les courbes de charge électrique cumulée pour les deux types d’acier à Qingdao et à Hangzhou ; on constate que la couche de rouille de l’acier au carbone présente de nombreuses piqûres et irrégularités, tandis que celle de l’acier résistant aux intempéries est plus dense et comporte une couche protectrice interne qui empêche le Cl- de pénétrer dans le substrat métallique, ce qui rend ce type d’acier plus résistant à la corrosion atmosphérique.

2. Force

De nombreuses applications des tôles en acier au carbone exigent que celles-ci résistent à des contraintes considérables ; les normes relatives aux matériaux fixent ainsi des valeurs minimales pour la limite d'élasticité et la résistance à la traction minimale. Les aciers conformes aux spécifications de la norme BS EN 1993-1-4 répondent également à ces critères.

Des teneurs en carbone plus élevées augmentent la résistance et la dureté des tôles d'acier ; toutefois, elles réduisent également la ductilité, ce qui rend l'acier moins apte à être étiré sans se fissurer ni se rompre.

L'acier à faible teneur en carbone (parfois appelé « acier doux ») est le type d'acier au carbone le plus ductile ; il est largement utilisé dans la construction et l'industrie manufacturière. L'acier à haute teneur en carbone offre une résistance et une dureté excellentes, mais il est plus difficile à usiner ou à façonner ; en revanche, les aciers à haute teneur en carbone enrichis en cuivre peuvent offrir des tôles deux à quatre fois plus résistantes tout en conservant une bonne ductilité.

3. Résistance

Les aciers au carbone présentent généralement une ténacité à basse température due à la présence de manganèse ; toutefois, l'ajout d'éléments tels que le bore, le vanadium et le niobium permet d'augmenter cette ténacité. Cela peut réduire le risque de rupture lors des essais hydrauliques pendant le fonctionnement des composants sous pression et lors des procédures d’essais hydrauliques ; les analyses de mécanique de la rupture indiquent que le traitement thermique post-soudage (PWHT) devient nécessaire à mesure que la résistance augmente, parallèlement aux exigences d’énergie d’essai Charpy (pour des tailles de défauts proportionnelles).

Le traitement thermique préalable au soudage (préchauffage), également appelé « préchauffage », consiste à augmenter la température du métal de base avant le soudage afin de minimiser les gradients thermiques et les fissures induites par l'hydrogène. Le traitement thermique post-soudage (post-chauffage) consiste à appliquer une chaleur contrôlée après le soudage afin de dissiper les contraintes résiduelles, de recuire les zones durcies et d’améliorer les propriétés du matériau. Le traitement thermique post-soudage (PWHT) doit généralement durer 1 heure par 25 mm (1 pouce) d’épaisseur de soudure, avec une vitesse de refroidissement contrôlée de manière uniforme afin d’éviter tout choc thermique tout en contribuant à maintenir la qualité de la soudure pour obtenir des soudures solides et durables.

4. Soudabilité

Les techniques de soudage de l'acier au carbone en font une option intéressante pour de nombreux projets de fabrication, ce qui en fait un choix très prisé. Pour obtenir un cordon de soudure de haute qualité et réduire la déformation ou le retrait, il est indispensable d'utiliser des techniques appropriées de mouvement de la baguette et de passe de racine. Celles-ci permettent de répartir la chaleur de manière homogène tout en garantissant une bonne adhérence entre la soudure et le métal de base.

Pour obtenir des soudures de haute qualité, le soudage de l'acier au carbone nécessite des traitements thermiques avant et après soudage. Le traitement thermique de préchauffage, communément appelé « préchauffage », consiste à appliquer une chaleur contrôlée avant le soudage afin de réduire les gradients thermiques et les fissures induites par l'hydrogène dans la zone affectée par l'arc (HAZ). Le traitement thermique post-soudage (ou post-chauffage) est utilisé après le soudage comme mesure de finition afin de soulager les contraintes résiduelles, de durcir certaines zones et d'augmenter la résistance mécanique.

La section VIII, division 1, de l'ASME et ses tableaux UCS-56-1 à UCS-56-11 détaillent les exigences relatives au préchauffage et au traitement thermique après soudage des aciers au carbone conformément à la section IX de l'ASME ; plus précisément, ces tableaux fournissent les données relatives aux cycles de chauffage nécessaires au traitement thermique après soudage (PWHT) en fonction de leur numéro P ou de leur catégorie telles que répertoriées par l’ASME ; elles comprennent également des remarques concernant les exemptions ou les traitements de substitution possibles.