Procédure de traitement thermique post-soudage (PWHT) selon la norme ASME B31.3

La procédure de traitement thermique post-soudage (PWHT) de la norme ASME B31.3 s'applique à la fabrication et au soudage des canalisations de process utilisées dans les systèmes de transport de fluides, tels que les raffineries de pétrole, les usines de production de produits chimiques, les laboratoires pharmaceutiques, les usines d'hydrogène, les usines de pâte à papier et les centrales électriques.

L'EPRI a recommandé que les révisions de 2014 des normes B31.1 et B31.3 abaissent la plage de températures de traitement thermique post-soudage (PWHT) pour l'acier au carbone utilisé dans des applications en contact avec des fluides classées dans les catégories A ou M ; le présent rapport appuie cette modification.

Température

Un traitement thermique post-soudage (PWHT) peut s'avérer nécessaire pour certains assemblages soudés en acier, en fonction de leur plage de fonctionnement et de leur exposition à la fissuration assistée par l'environnement (EAC). Les aciers à faible teneur en carbone ou faiblement alliés ont tendance à être particulièrement sensibles à l'EAC et nécessitent donc des traitements PWHT afin de prévenir l'apparition de fissures.

Les procédés de soudage génèrent des contraintes résiduelles dans les zones soudées qui, dans certaines conditions, peuvent avoisiner la limite d'élasticité du matériau, exposant ainsi les assemblages à un risque de rupture fragile. Le traitement thermique post-soudage (PWHT) réduit considérablement ces contraintes résiduelles et minimise le risque de fissuration induite par l'environnement.

Les normes B31.1 et B31.3 imposent toutes deux des exigences en matière de traitement thermique post-soudage (PWHT) pour divers composants en acier soudés entre eux, tels que les aciers alliés au carbone-manganèse (C-Mn) et au chrome-molybdène (Cr-Mo), avec une épaisseur maximale de soudure fixée à 19 mm pour ces soudures, respectivement dans les normes B31.1 et B31.3 ; certains codes de construction généraux, tels que la norme BS 2633, autorisent des épaisseurs de soudure nettement supérieures sans nécessiter de traitement thermique post-soudage (PWHT). Ces exigences tiennent compte des exigences en matière de résistance à la rupture des différentes structures.

Les essais réalisés sur des matériaux P n° 4 ont démontré que la plupart des propriétés de résistance aux chocs modifiées après le traitement thermique post-soudage (PWHT) peuvent apparaître avant que la température n'atteigne 1 300 à 1 375 °F, ce qui signifie qu'il serait possible d'augmenter la marge de sécurité si les températures de PWHT pour les nuances B31.1 et B31.3 pouvaient être encore abaissées. Le présent article vise à soutenir cette démarche.

Equipement

Le traitement thermique après soudage peut avoir un impact considérable sur le risque de rupture par fragilité des composants soudés, ce qui rend ces traitements indispensables pour les réseaux de tuyauterie de process où les opérations de soudage sont souvent réalisées sur site. La norme ASME B31.3 autorise désormais des dérogations à son exigence obligatoire de traitement thermique post-soudage (PWHT) pour les aciers au carbone appartenant aux groupes de matériaux P-No 1, à condition qu’une température de préchauffage de 95 °C soit appliquée avant le soudage. Une étude a été menée sur l’efficacité des courbes d’exemption en examinant leurs fondements techniques et historiques, et en comparant ces données aux exigences plus récentes en matière de ténacité à la rupture, établies à l’aide de la mécanique de la rupture élastique-plastique et des méthodes des courbes maîtresses.

Le préchauffage est généralement utilisé pour réduire les contraintes résiduelles dans la zone de soudure et ainsi diminuer les risques de fissuration induite par l'environnement, mais son utilisation n'est pas toujours appropriée en raison des risques de déformation thermique qui peuvent compromettre la résistance et la ténacité des soudures. Il est donc essentiel de procéder à une planification adéquate avant de recourir au préchauffage des soudures.

La formation ASME B31.3 proposée par PetroSync offre une vision approfondie des exigences de la norme en matière de conception des réseaux de tuyauterie et des raccordements en dérivation, de sélection des brides et des raccords, de prise en compte des exigences de flexibilité, de fabrication, de soudage, de contrôles non destructifs et d’essais de pression, ainsi que de renforcement des équipements sous pression à l’aide de matériaux composites.

Personnel

Le PWHT nécessite du personnel qualifié dans ce domaine. Le matériel doit être correctement protégé de la pluie et du vent ; les soudures soumises au PWHT doivent être correctement délimitées par des panneaux de signalisation avertissant les personnes non autorisées de ne pas pénétrer dans la zone et de ne pas s'exposer à des connexions électriques à haute tension ; les personnes travaillant sur les connexions électriques doivent également porter des gants en caoutchouc et des chaussures de sécurité afin d'éviter tout contact avec des pièces chaudes et tout risque de brûlure accidentelle. Le PWHT peut être nécessaire sur certains aciers au carbone afin de réduire les contraintes résiduelles de soudage avant la mise en service, ce qui en fait une procédure obligatoire.

Sécurité

Le traitement thermique après soudage (PWHT) des assemblages soudés en acier au carbone vise à minimiser ou à atténuer les gradients de température et les contraintes résiduelles néfastes susceptibles de se développer au sein de ces assemblages, en particulier dans les réseaux de tuyauterie de puissance et de process. Les exigences en matière de PWHT dans ces domaines varient d'une norme à l'autre ; les exigences de ténacité diffèrent également selon le type d'assemblage. Dans cet article, nous examinons les exigences actuelles relatives au PWHT dans différentes sections des normes (B31.1 et B313), tout en nous demandant si une rationalisation serait envisageable.

Cet article examine les implications d'une réduction de la température maximale de traitement thermique post-soudage (PWHT) pour les matériaux de catégorie P n° 4 sensibles à la surchauffe, en se référant plus précisément à la température maximale recommandée de 1 200 à 1 300 °F indiquée dans le rapport de l'EPRI, qui est inférieure aux températures actuellement prévues dans les codes relatifs aux canalisations de puissance et de process. En outre, les auteurs proposent une courbe maître innovante de ténacité des assemblages soudés qui pourrait servir de base à la modification des courbes d’exemption dans l’ensemble des recueils de normes.

Le risque de rupture par fragilité constitue une préoccupation constante dans la conception des canalisations et des récipients sous pression ; il est donc primordial d’optimiser autant que possible l’efficacité du processus de traitement thermique post-soudage (PWHT) afin de minimiser ce risque. Une approche consisterait à recourir à de faibles températures de préchauffage associées à des procédés de soudage en plusieurs passes, ce qui revêt une importance particulière lorsque des tuyaux à paroi épaisse sont destinés à être utilisés dans des conditions d’exploitation difficiles.