L'importance du PWHT dans les procédés de soudage de tubes

Les courants générés par les bobines à haute fréquence produisent la chaleur nécessaire, puis la refroidissent par convection.

Des études ont démontré que les problèmes de contraintes résiduelles dans les soudures et de résistance à la rupture de l'HAZ ne constituent pas une justification technique suffisante pour appliquer les exigences du PWHT aux matériaux des tuyaux dont l'épaisseur de paroi est inférieure à 5/8 de pouce.

1. Réduction des contraintes résiduelles

Le soudage crée de vastes zones de contraintes résiduelles de traction élevées qui peuvent contribuer à la fissuration assistée par l'environnement ou à la rupture fragile dans les assemblages d'acier soudés. Le traitement thermique post-soudage (PWHT) soulage ces tensions et permet à la conduite de continuer à fonctionner en toute sécurité.

Le PWHT conventionnel consiste à soumettre l'élément soudé à des températures qui dépassent sa température de transformation minimale pour obtenir une résistance optimale de l'élément soudé, une résistance à la corrosion et à la fatigue ou une protection contre les dommages causés par l'hydrogène. Le choix de la température dépend des effets de trempe souhaités ainsi que des niveaux de résistance requis du matériau contre la corrosion, la fatigue ou les dommages causés par l'hydrogène.

Lors de l'utilisation d'un procédé PWHT local pour réduire les contraintes résiduelles dans une petite zone, le choix de la géométrie de la zone chauffée est d'une importance cruciale. Des études ont révélé que les bandes chauffées de largeur variable réduisent l'ampleur des contraintes plus efficacement que les bandes circonférentielles de largeur constante, l'analyse élastique montrant des contraintes résiduelles plus importantes après refroidissement suite à leur utilisation par rapport aux zones chauffées de largeur variable.

Ces résultats suggèrent que les limites actuelles d'exemption de PWHT dans les codes de tuyauterie ne sont peut-être pas exactes et qu'il est possible de réduire les exigences de PWHT sans affecter la soudabilité ou la résistance à la fatigue des matériaux, d'autant plus que les codes existants n'imposent pas d'essais de ténacité à la rupture sur les soudures d'une épaisseur inférieure à 5/8 de pouce.

2. Renforce la soudure

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) est un élément essentiel des procédés de soudage. Le PWHT atténue les contraintes résiduelles dans les matériaux qui pourraient autrement conduire à la déformation et à la fissuration ; en outre, le PWHT augmente la résistance en éliminant les concentrations de contraintes qui pourraient autrement affaiblir les soudures dans des conditions de charge dynamique et les rendre cassantes et défaillantes.

Le PWHT consiste à chauffer le métal à une température spécifique pendant une durée prédéterminée et à l'aide de diverses techniques telles que le recuit, la normalisation, la trempe et le revenu, afin d'augmenter la résistance tout en réduisant les risques. L'objectif du PWHT est de renforcer les soudures tout en réduisant les risques de fissuration.

Toutefois, lorsque ces traitements sont mal effectués, ils peuvent en fait affaiblir la soudure. Cela se produit lorsque les gradients thermiques ne sont pas contrôlés correctement ; dans ce cas, la soudure subit des températures plus élevées à certains endroits qu'à d'autres et est forcée de se dilater et de se contracter à des rythmes différents, ce qui entraîne une moindre résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte et à la fissuration induite par l'hydrogène.

Le traitement thermique à chaud peut être nécessaire ou non en fonction du type de tuyau, du matériau de soudure métallique utilisé et d'autres facteurs. Les tuyaux en acier au carbone nécessitent généralement un traitement thermique de détensionnement, tandis que des traitements thermiques de détente avant l'installation des soudures peuvent être nécessaires avant l'installation pour garantir une résistance suffisante aux contraintes environnementales.

3. Réduit le risque de fissuration

Le traitement thermique après soudage fait partie intégrante de la fabrication de l'acier. Ce processus de chauffage et de refroidissement contrôlé soulage les contraintes résiduelles, tempère la microstructure de la pièce soudée, élimine l'hydrogène diffus, réduit la sensibilité à la corrosion fissurante sous contrainte, augmente la résistance et la dureté ainsi que la solidité. Lorsqu'elles sont mal exécutées ou complètement ignorées, les soudures sont susceptibles de se fissurer de manière transgranulaire, ce qui peut entraîner une défaillance catastrophique des structures telles que les réservoirs sous pression ou les principaux composants de tuyauterie.

Les techniques de soudage PWHT peuvent également réduire la fissuration à froid dans les composants des tuyaux en augmentant la ductilité de la soudure ; pour atteindre cet objectif, il convient d'utiliser des métaux d'apport ayant de faibles valeurs de désignateurs d'hydrogène diffusible (par exemple H4 ou H8).

Des études ont montré que l'utilisation d'un préchauffage peut réduire de manière significative les contraintes résiduelles, diminuant ainsi le risque de fissuration par fatigue. Il convient toutefois de rappeler que le PWHT n'apporte une contribution significative que lorsqu'il est soumis à des charges d'une ampleur suffisante et alternées dans le temps.

Sur la base de cette recherche, le PWHT devient moins important à mesure que le diamètre de la conduite augmente pour une épaisseur de paroi donnée, ce qui suggère que les exemptions actuelles du code limitant le moment où le PWHT doit être effectué devraient être révisées sans avoir d'impact sur les programmes de tuyauterie standard des centrales électriques.

4. Réduit le risque de défauts

De nombreux systèmes de tuyauterie doivent fonctionner dans des environnements hostiles, avec des températures et des pressions élevées, où les soudures peuvent subir une fatigue thermique ou une rupture sans traitement PWHT. Cependant, lorsqu'il est soumis à un traitement PWHT, leur métal peut mieux résister à cette contrainte, ce qui réduit le risque de défaillance tout en améliorant la sécurité et la fiabilité du système.

Bien que le PWHT présente de nombreux avantages, il existe un risque d'application excessive ou incorrecte dans certains cas. Un surdosage peut réduire les résistances à la traction et au fluage tout en diminuant la résistance à l'entaille ; une application incorrecte peut même provoquer des fissures et des fissures trans-granulaires sur les surfaces en béton.

C'est pourquoi les différents codes relatifs aux tuyauteries et aux appareils à pression ont souvent des exigences différentes en matière de PWHT. Par exemple, les sections I et VIII de l'ASME BP&V exemptent de cette exigence les pièces soudées fabriquées à partir de matériaux P-4 et P-5A d'une épaisseur inférieure à 5/8 de pouce, tandis que d'autres codes, tels que l'ANSI B31.3, n'exigent le PWHT que pour les pièces soudées d'une épaisseur inférieure ou égale à 4 pouces.

Ces différences pourraient être imputables aux différents organismes professionnels qui rédigent les codes et qui sont guidés par leur expérience et leur pratique en matière d'ingénierie. Cependant, il a été découvert que la soudabilité tend à augmenter avec le diamètre des matériaux des tuyaux ; ainsi, le PWHT devient moins critique pour les soudures à parois épaisses que pour celles à parois minces.