Exigences en matière de traitement thermique post-soudure (PWHT) conformément à la section VIII, division 1 de l'ASME

La section VIII, division 1 de l'ASME est une norme d'ingénierie importante qui fournit des lignes directrices claires pour la création, l'inspection et la certification des appareils à pression. Elle contribue aux pratiques d'ingénierie standard tout en améliorant la sécurité et l'efficacité dans différents secteurs.

Le traitement thermique post-soudure (PWHT) est un processus contrôlé conçu pour éliminer les contraintes résiduelles dans les matériaux soudés et est défini dans la clause 331.11 ainsi que dans les tableaux 331.1.1.1 et 331.1.3. Il doit être conforme aux exigences de la clause 331.11.1.2, comme indiqué ci-dessous pour les applications de tuyauterie.

Température minimale

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) consiste à chauffer le métal soudé à des températures inférieures à sa température de transformation critique inférieure et à le maintenir à cette température pendant une période prolongée. Cela permet de réduire les contraintes résiduelles et les changements microstructuraux causés par le soudage. Cependant, le PWHT est souvent effectué de manière incontrôlée, avec des gradients de température susceptibles d'endommager le métal soudé, entraînant une fissuration sous contrainte ou augmentant sa susceptibilité à la rupture fragile.

Les codes actuels exigeant un PWHT pour les conduites d'énergie stipulent une température minimale de PWHT de 1100degF, ce qui est trop bas et peut entraîner des dommages prématurés dus à la corrosion. Une étude commanditée par l'EPRI et menée par Souder, Lundin et Khan préconise de porter cette température à 1200 degrés F. Cela entraînerait des changements significatifs dans les propriétés du métal soudé, comme une augmentation de la ténacité et une diminution de la dureté.

La réduction de la température minimale de PWHT pourrait diminuer de manière significative la température de transition entre la ductilité et la fragilité du métal soudé, ce qui pourrait entraîner des réductions inacceptables de la résistance à la traction et de la ductilité, et nécessiter une augmentation de la pression de conception de l'appareil estampillé selon le code, tout en étant très coûteux pour les fabricants de tuyaux et d'appareils à pression. Il est donc impératif que les fabricants trouvent un équilibre entre ces exigences lorsqu'ils fixent les températures minimales de PWHT.

Temps de maintien minimum

Le PWHT (post weld heat treatment) est un processus de traitement thermique post-soudure dans lequel l'acier est chauffé à sa température de transformation critique inférieure et maintenu à cette température pendant une durée spécifique afin de réduire les contraintes résiduelles et les changements microstructuraux dans le métal de la soudure. Le PWHT est souvent nécessaire lors de la fabrication d'appareils à pression et de tuyaux, mais il peut être coûteux et prendre beaucoup de temps. Afin de réduire les coûts, il peut être intéressant d'essayer d'obtenir une exemption de PWHT lorsque c'est possible.

Les appareils à pression, les tuyauteries et les réservoirs de stockage doivent répondre aux exigences du PWHT déterminées par les codes de conception utilisés lors de leur construction. Les exigences varient considérablement d'un code à l'autre - par exemple, les exigences de la norme BS 2633 diffèrent sensiblement de celles de la norme ASME VIII Div 1 ou B31.1/B31.3, qui fixent les limites d'épaisseur maximale à 32 mm ; il peut également y avoir des écarts importants entre les codes structurels généraux tels que la norme BS 5400/5750, ainsi qu'entre les codes des industries qui demandent à être exemptées des exigences de PWHT, comme les industries pétrochimiques et de production d'énergie, qui ont demandé une exemption plus large.

Les codes de conception actuels s'appuient sur les résultats des essais de résilience Charpy comme critère d'épaisseur limite ; cependant, ces exigences ne reflètent pas toujours les données réelles de ténacité et de contrainte résiduelle disponibles pour les aciers utilisés pour la fabrication.

Température minimale de préchauffage

La température de préchauffage est essentielle au succès du traitement thermique post-soudure (PWHT). Ce dernier permet de redistribuer les contraintes résiduelles créées par le soudage, ce qui rend le matériau plus ductile tout en atténuant les contraintes résiduelles créées au cours du processus de soudage. En outre, le traitement thermique post-soudure permet également d'éliminer les changements microstructuraux causés par les gradients de température élevés entre le métal soudé et le matériau de base au cours des processus de soudage.

L'essai PWHT est actuellement obligatoire pour la plupart des matériaux des tuyaux et des appareils à pression ; ses exigences suivent généralement les limites d'absorption d'énergie Charpy ; il peut donc y avoir des variations considérables dans l'épaisseur minimale à laquelle une exemption de PWHT peut être accordée en raison des différents codes de conception utilisés par l'industrie pétrochimique, qui ont développé leurs spécifications au fil du temps grâce à l'expérience et à la pratique de l'ingénierie.

Certaines exigences sont devenues marginales d'un point de vue technique et, en particulier, la température minimale de PWHT a fait l'objet d'un examen minutieux. Un rapport parrainé par l'EPRI (Ref 1) a suggéré d'abaisser cette exigence à 1100degF, ce qui permettrait de respecter les limites minimales d'absorption d'énergie Charpy utilisées dans les codes NBEP et B31.1 pour le matériau P n° 4 utilisé comme métal de soudure ; toutefois, cette température de préchauffage plus basse a été rejetée par le sous-comité sur les appareils à pression des États-Unis en raison des inquiétudes concernant la fissuration due au réchauffage pendant les opérations de soudage (Ref 1).

Temps de préchauffage minimum

En vertu de la section VIII Div 1 du code ASME, les pièces soudées doivent répondre à deux critères pour être exemptées de traitement thermique post-soudure (PWHT). Elles doivent présenter à la fois une température de préchauffage et un temps de maintien minimums avant de pouvoir être exemptées. Les traitements PWHT réduisent les ruptures fragiles en diminuant les contraintes résiduelles de soudage tout en tempérant les microstructures dures et potentiellement fragiles, ce qui permet d'éviter les scénarios de défaillance potentiels.

Les différents codes de fabrication imposent diverses exigences d'exemption pour les aciers. Certains exigent le PWHT même pour les soudures plus fines que d'autres, en fonction de leur teneur en carbone ; par exemple, les normes BS 1113 [23] et 2633 [24] ne l'imposent pas pour les soudures dont la teneur en carbone est supérieure à 0,25 %.

Bien que le PWHT soit généralement compris, ses exigences précises restent controversées. Sa nécessité a été débattue, en particulier dans les applications de production d'énergie. Les variations entre les exigences d'exemption des codes de fabrication pourraient être attribuables aux différents organismes professionnels qui les ont élaborées en fonction de leurs expériences individuelles. Pourtant, ces variations existent et il semble peu probable qu'une exigence unifiée pour l'exemption de la PWHT puisse jamais être atteinte.