PWHT Solutions - Garantir la résistance et l'intégrité des structures soudées

Le traitement thermique post-soudure (PWHT) réduit les contraintes résiduelles qui pourraient autrement entraîner des déformations et des fissures dans les structures soudées, et empêche le développement de la rupture fragile, de la fissuration par corrosion sous contrainte et de la fatigue dans ces matériaux. Le PWHT consiste à chauffer le métal soudé à une température spécifique pendant une période prolongée, puis à contrôler ce processus pour éviter un ramollissement excessif, une fragilisation du tempérament et des fissures.

Soudage et traitement thermique

Le soudage fait partie intégrante de la création de structures en acier, mais ses contraintes résiduelles peuvent entraîner leur effondrement. Pour faire face à ce risque, le traitement thermique post-soudage (TCPS) doit être utilisé après le soudage pour atténuer les niveaux de contrainte au sein de votre structure et préserver son intégrité.

Les solutions PWHT comprennent un processus thermique qui consiste à chauffer le métal soudé à des températures spécifiques pendant une période prolongée, puis à le refroidir progressivement. Cela permet de soulager les contraintes résiduelles dans l'assemblage soudé tout en améliorant les propriétés mécaniques et en affinant la microstructure.

Les exigences en matière de pwht dépendent de l'alliage, de l'épaisseur de la section transversale et d'autres variables du projet ; en général, toutefois, l'acier à section épaisse tend à en avoir besoin plus fréquemment en raison des contraintes qui rendent les surfaces plus vulnérables et susceptibles de se fissurer par rupture fragile.

Le PWHT peut contribuer à cet effort en trempant la zone de soudure dure (HAZ), en aidant à prévenir les ruptures fragiles pendant le service et en augmentant la résistance de la soudure.

Contraintes résiduelles

Les contraintes résiduelles sont des déformations internes auto-équilibrées dans les composants qui résultent de taux de chauffage et de refroidissement simultanés non uniformes, de variations locales des taux de retrait entre les parties d'une soudure, de déformations associées à des transformations de phase dans le métal, ou de charges externes qui subsistent une fois le soudage terminé. Lorsque ces contraintes résiduelles augmentent les charges externes appliquées à l'extérieur, elles augmentent les niveaux de tension aux endroits critiques d'une structure, ce qui conduit à une tension élevée aux points critiques de détente, qui à son tour provoque une tension plus élevée aux endroits critiques tout en diminuant simultanément la déformation compressive ailleurs. Le soudage peut induire des contraintes résiduelles dues à des cycles de chauffage/refroidissement simultanés non uniformes, à des variations locales entre les pièces, à des vitesses de refroidissement différentes entre les pièces, à des déformations associées à des transformations de phase entre les étapes du processus de soudage ou à des déformations associées à des transformations de phase dues à des conditions de chauffage/refroidissement simultanées non uniformes entre les pièces soudées ; à des variations locales entre les retraits dues à des vitesses de refroidissement différentes dans diverses sections ou à des déformations associées à des transformations de phase causées par des changements de phase se produisant en raison des différences entre les températures de soudage pendant les transformations de phase du processus de soudage ; conduisant finalement à une défaillance structurelle due à l'application de charges externes sur les structures.

Les contraintes résiduelles induites par le soudage peuvent avoir des conséquences désastreuses, notamment la distorsion, la fissuration et la rupture fragile. Les concentrations de contraintes résiduelles qui dépassent la limite d'élasticité du matériau peuvent entraîner la formation de fissures de tension ou de compression uniaxiales dans la zone de soudure elle-même ou dans les parties adjacentes d'une structure.

Les contraintes résiduelles dans les composants ou structures soudés dépendent de nombreux facteurs, notamment la géométrie du joint soudé, les matériaux utilisés pendant les procédures de soudage, les processus de fabrication/réparation utilisés, les traitements thermiques appliqués après le soudage, les conditions de charge et l'historique du service.

La plupart des contraintes résiduelles restent inconnues ou sous-estimées en raison des méthodes de mesure qui manquent de précision, ainsi que de l'absence de documentation complète sur l'ensemble du cycle de vie des structures. La prévision ou l'atténuation de ces contraintes nécessite une meilleure compréhension et une meilleure modélisation de la manière dont les composants structurels interagissent au cours de leur fabrication et de leur fonctionnement, ainsi qu'une meilleure connaissance du moment où ces interactions ont pu avoir lieu.

Changements micro-structurels

Dans le cadre du processus de soudage, le métal fondu est exposé à des gradients de température élevés qui peuvent entraîner des changements microstructuraux réduisant ses propriétés mécaniques telles que la ductilité et la ténacité - entraînant un risque de fracture en cours de service ou des modes de défaillance par fissuration par corrosion sous contrainte. Les structures soudées à l'aide de ce procédé sont donc exposées à un risque de fracture.

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) est un processus essentiel qui permet de résoudre de nombreux problèmes liés à la soudure tout en renforçant et en augmentant la résistance des structures. Pour obtenir des résultats optimaux, il est essentiel de suivre les meilleures pratiques telles que la sélection d'une méthode efficace, les températures de chauffage/refroidissement appropriées, le contrôle de la qualité pendant le processus de traitement ainsi que l'assurance de la qualité pendant le processus d'inspection post-soudure. En respectant ces règles, votre structure deviendra plus solide et plus fiable au fil du temps.

Le PWHT peut contribuer à réduire et à redistribuer les contraintes résiduelles, mais il peut également présenter d'autres avantages à des températures plus élevées. Les processus de trempe ou de précipitation peuvent réduire la dureté tout en améliorant la ductilité.

Le type de recuit choisi dépend à la fois du matériau et de son système d'alliage. Plus la teneur en carbone ou l'épaisseur augmente, plus il est probable qu'un recuit PWHT soit nécessaire ; de nombreux codes imposent un traitement PWHT si le matériau soudé dépasse une certaine épaisseur ; d'autres exigences peuvent inclure la composition chimique ou la susceptibilité à la corrosion fissurante sous contrainte.

Optimisation

La soudabilité des composants en acier dépend de facteurs tels que le procédé de soudage et les propriétés du matériau. Les ingénieurs en conception structurelle doivent tenir compte de la soudabilité des composants qu'ils conçoivent en service afin d'éviter de créer des caractéristiques de surcharge qui conduisent à une défaillance prématurée.

Des solutions de TPP peuvent être nécessaires pour traiter les contraintes résiduelles et les changements microstructuraux causés par les procédés de soudage, y compris les contraintes résiduelles. Le PWHT consiste à chauffer le matériau à une température spécifique pendant une période prolongée afin de redistribuer ces contraintes de manière plus homogène dans sa structure, tout en abaissant les niveaux de dureté, en améliorant la ductilité et les niveaux de ténacité afin de répondre aux spécifications de conception.

Comme la température de PWHT dépend des propriétés métallurgiques d'un matériau, sa détermination dépend d'une combinaison de facteurs, dont la soudabilité et les exigences de service. Par exemple, les procédures de soudage impliquant des aciers doux à faible teneur en carbone ou des aciers au chrome-molybdène soumis à des chocs spécifient généralement des températures minimales de préchauffage et d'interpassage en fonction de l'épaisseur.

Les températures de PWHT doivent être gérées avec soin afin d'éviter une déformation excessive et une fragilisation par trempe des grands composants tels que les appareils à pression et les tuyaux, qui nécessitent d'être soutenus par des chevalets façonnés spécifiquement pour chaque composant. Afin d'assurer une distribution uniforme de la chaleur tout au long du processus, ces chevalets doivent être espacés à intervalles réguliers pour fournir un soutien suffisant.