Exigences en matière de traitement thermique après soudage

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est exigé par les codes de fabrication pour certaines structures afin de réduire les contraintes résiduelles de soudage et de tempérer les régions de microstructure dures et potentiellement fragiles, mais il s'agit d'un processus coûteux.

Le tableau 1 ci-dessous présente les exigences minimales d'épaisseur au-delà desquelles le PWHT doit être utilisé pour diverses normes relatives aux appareils à pression et aux tuyauteries, et cet article les passe en revue tout en suggérant des rationalisations potentielles de ces exigences.

1. Réduit le risque de fracture fragile

La rupture fragile est un mode de défaillance catastrophique pour les navires, les réservoirs et d'autres composants, qui entraîne souvent des pertes importantes en vies humaines et en biens. La rupture fragile peut être évitée grâce à des pratiques de conception, de fabrication et d'inspection appropriées, telles que la spécification d'énergies Charpy minimales pour les matériaux, la conception pour éviter les contraintes élevées, le traitement thermique de détente après soudage des sections épaisses, l'adoption de méthodes de fabrication et d'inspection qui minimisent les défauts tout en augmentant les chances de les trouver, la réalisation d'essais d'épreuve dans le cadre d'opérations de maintenance régulières, etc.

Il est essentiel de faire fonctionner les équipements et les tuyauteries dans les limites prévues, en particulier lorsque les températures de fonctionnement sont inférieures à la température de conception inférieure (LDT ou MDMT selon les codes de l'ASME). Les équipements existants en acier au carbone doivent faire l'objet d'une évaluation de la rupture fragile, conformément à la norme API RP 579 Fitness for Service Part-3 : Assessment of Existing Equipment for Brittle Fracture (évaluation des équipements existants pour la rupture fragile).

Cette évaluation doit être fondée sur une justification technique solide plutôt que sur des hypothèses, en utilisant la mécanique des fractures pour définir des limites de travail sûres pour les conditions de température et de pression de l'équipement. Une approche basée sur le risque est de loin supérieure au simple respect des critères d'épaisseur minimale fixés par les codes, qui reposent souvent sur une expérience subjective plutôt que sur une justification technique.

2. Réduit le risque de distorsion

De nombreux codes et spécifications exigent que le PWHT réduise la tension dans les joints soudés, diminuant ainsi le risque de fracture tout en augmentant la distorsion et le gauchissement des équipements sous pression, ce qui compromet leur précision dimensionnelle, leur intégrité structurelle et augmente le risque de fuites.

Il est possible d'atténuer les déformations pendant le traitement thermique en assurant un soutien et un refroidissement adéquats du matériau pendant le traitement, généralement au moyen de chevalets façonnés spécifiquement pour s'adapter à un composant et espacés à intervalles réguliers autour de son diamètre. Le nombre de chevalets requis dépend de la taille, de la forme et de l'épaisseur de la pièce.

Pour éviter toute déformation, il convient de s'assurer que la température du PWHT ne dépasse pas celle spécifiée à l'origine pour le revenu de l'acier. Des températures plus élevées peuvent entraîner une fragilisation ou un ramollissement excessif de l'acier, ce qui pourrait abaisser sa résistance en dessous des niveaux minimums spécifiés, entraînant une déformation qui réduirait sa résistance en dessous de la valeur minimum spécifiée. Il est donc conseillé d'effectuer des essais mécaniques après le traitement de l'équipement PWHT pour confirmer la conservation de la résistance.

3. Réduit le risque de déformation

Le PWHT consiste à chauffer le matériau soudé à des températures élevées avant de le refroidir lentement, ce qui peut entraîner un gauchissement ou une déformation de l'équipement sous pression, conduisant à une réduction de l'intégrité structurelle, à des fuites ou à des défaillances, ainsi qu'à une plus grande consommation d'énergie et à une contribution aux émissions de gaz à effet de serre. En outre, cette méthode nécessite une grande consommation d'énergie, ce qui contribue aux émissions de gaz à effet de serre ainsi qu'à d'autres préoccupations environnementales.

Les procédés PWHT sont traditionnellement utilisés pour soulager les contraintes, modifier la microstructure de la soudure et diffuser l'hydrogène pour résister à la corrosion et à l'oxydation. Cependant, des études ont révélé que des avantages similaires peuvent également être obtenus à des températures plus basses que celles généralement utilisées.

Bien que le PWHT présente de nombreux avantages, les codes actuels varient considérablement en ce qui concerne les exigences d'exemption du PWHT. Cette variation découle souvent des pratiques d'ingénierie et de l'expérience des différentes industries plutôt que de considérations métallurgiques ou structurelles spécifiques ; par conséquent, il peut y avoir confusion et conflit entre les exigences des codes concernant l'exemption du PWHT pour les soudures de tuyaux utilisant des matériaux P-4 et P-5A dans les différents codes.

4. Réduit le risque de fuites

Le PWHT nécessite un équipement de soutien pendant son exposition à des températures élevées afin d'éviter qu'il ne se déforme excessivement, souvent au moyen de chevalets adaptés à sa forme, à sa taille et à son épaisseur. Dans le cadre de ce processus, le matériau est chauffé à des températures élevées avant d'être progressivement refroidi à intervalles réguliers sur son périmètre afin de redistribuer les contraintes en son sein et de provoquer l'apparition de faiblesses susceptibles de réduire la résistance des soudures, voire de provoquer des fuites au sein de ses structures.

Les différents codes imposent des exigences différentes en matière de PWHT, certaines spécifications exemptant complètement certains matériaux ou pièces soudées en raison de facteurs tels que l'épaisseur. De telles variations dans les exigences sont probablement le résultat de pratiques d'ingénierie et d'expériences d'application divergentes plutôt que d'interprétations différentes des données techniques ou d'expérimentations ; il est conseillé que si un matériau ou une pièce soudée est utilisé(e) en service nucléaire, ses critères d'exemption soient réduits à zéro, quelle que soit l'épaisseur.

5. Réduit le risque de corrosion

La corrosion peut endommager les équipements, polluer le sol et les réserves d'eau, libérer des toxines nocives dans l'air, affaiblir les structures telles que les réservoirs et les tuyaux qui sont plus susceptibles de tomber en panne et augmenter les risques pour les équipements et le personnel. En prenant des mesures proactives contre la corrosion, vous pouvez réduire ces risques pour l'équipement et le personnel.

La corrosion atmosphérique se produit lorsque des objets métalliques sont exposés à des conditions d'oxygène et d'humidité ; elle est également connue sous le nom de corrosion uniforme ou générale, car le processus se déroule sur l'ensemble de l'objet. D'autres formes de corrosion, telles que la corrosion par piqûres, la corrosion par crevasses et la corrosion sous contrainte, peuvent être plus imprévisibles, car elles se forment à des endroits spécifiques d'un objet métallique.

La protection contre la corrosion dépend à la fois de la composition du métal et des méthodes de protection utilisées. La protection cathodique consiste à recouvrir le métal d'éléments plus actifs, comme le zinc, qui se corrodera et s'oxydera en réagissant avec son environnement pour protéger la composition métallique sous-jacente de la rouille. D'autres moyens de prévention peuvent inclure le contrôle des niveaux chimiques dans l'air ou les sources d'eau ou l'utilisation de matériaux qui offrent une plus grande résistance à l'abrasion, comme les revêtements et les peintures anticorrosion.