PWHT et soudage de l'acier au carbone

Les aciers au carbone et au carbone-manganèse et les aciers faiblement alliés répondant aux normes de dureté ne nécessitent généralement pas de traitement PWHT, bien que les différences entre les codes pour les appareils à pression et les tuyauteries (détaillées dans le tableau 1) compliquent souvent les processus de rationalisation.

L'objectif de cet article est de décrire et d'exposer les exigences et les exemptions en matière de PWHT applicables aux matériaux en carbone et faiblement alliés.

Lutte contre le stress

Le soudage provoque des tensions résiduelles dans les métaux, en particulier dans les aciers au carbone faiblement alliés, qui peuvent entraîner des fissures et un affaiblissement. Pour atténuer ces tensions internes, le matériau subit un traitement thermique PWHT, où des températures inférieures à sa température de transformation sont utilisées et où il trempe pendant une période prolongée avant d'être refroidi uniformément sur toute sa section et sa surface.

Le PWHT requiert des températures capables de soulager les contraintes induites par le soudage tout en évitant les changements de phase métallurgique et la fragilisation par le revenu, de sorte que les temps de chauffage et de maintien doivent être étroitement gérés afin de maximiser les avantages et d'en assurer la réalisation.

Le traitement thermique par ondes de pression, couramment utilisé sur les équipements sous pression, mais également sur d'autres structures telles que les ponts et les bâtiments, doit être compris afin de prendre des décisions éclairées concernant les structures que vous construisez ou rénovez. Il est essentiel de savoir quand ce processus est nécessaire et quels en sont les avantages, afin de prendre des décisions en toute connaissance de cause concernant leur construction.

La réduction mécanique des contraintes (RSM) peut constituer une méthode de réduction des contraintes résiduelles, mais elle n'offre pas les mêmes avantages métallurgiques que la PTFE ; elle ne doit donc pas être considérée comme une solution de remplacement. La RMS peut encore s'avérer utile lorsqu'il n'est pas pratique ou possible de placer les pièces directement dans un four pour la PTFE, mais elle ne doit pas être considérée comme une option de traitement de remplacement.

Changement de température

En fonction des procédures de soudage utilisées, les contraintes résiduelles peuvent dépasser la limite d'élasticité du matériau et entraîner une rupture fragile dans la zone de soudure. Le PWHT réduit ces contraintes par redistribution, diminuant ainsi le risque de défaillance des structures en acier au carbone soudées à l'aide de procédures de soudage PWHT.

Les traitements de soudage PWHT ne réduisent pas seulement le relâchement des contraintes, mais ils peuvent également être utilisés pour adoucir et assouplir les structures soudées dures - en augmentant la ductilité tout en diminuant le risque de fissuration assistée par l'environnement - ce qui est particulièrement utile pour les soudures des applications de tuyauterie à service acide.

Les changements apportés par le PWHT peuvent contribuer à réduire la corrosion induite par l'hydrogène dans les aciers au carbone et à augmenter leur résistance à la fatigue, tout en réduisant les risques. Il convient toutefois de noter que le PWHT est distinct des processus de trempe, de mise en solution ou de vieillissement (bien que certains de leurs effets puissent être obtenus via le PWHT).

Les exigences du PWHT sont définies dans divers codes, les limites d'épaisseur étant généralement fixées à 32 mm pour les appareils à pression et les applications de tuyauterie nécessitant un PWHT. Il peut également y avoir des variations entre les codes en raison des différentes énergies Charpy ou des normes d'inspection, ainsi que des variations de composition chimique des aciers au carbone ou C-Mn qu'ils couvrent, ce qui rend la rationalisation improbable.

Défauts de soudure

Les contraintes résiduelles peuvent provoquer des défauts de soudure à la fois visibles et invisibles, notamment des discontinuités, des porosités et des éclaboussures ; les défauts visibles comprennent les discontinuités de soudure, les porosités et les éclaboussures ; les défauts invisibles détectés comprennent une fusion incomplète, une faible ductilité et des propriétés mécaniques médiocres. Les contraintes résiduelles compromettent également la résistance des soudures à la corrosion sous contrainte tout en augmentant leur vulnérabilité à la rupture par fatigue, en particulier dans le cas de structures complexes ou d'applications à long terme.

En règle générale, plus la teneur en carbone et en alliage des matériaux soudés et l'épaisseur de la section transversale des structures sont élevées, plus le besoin de traitement thermique post-soudage (PWHT) est important. En effet, les contraintes résiduelles de soudage réduisent la résistance à la rupture à l'état de martensite trempée et nécessitent donc un traitement thermique post-soudure.

Toutefois, les exigences en matière de PWHT comportent quelques exceptions. Selon les règles actuelles de la norme sur les tissus, certaines structures peuvent être exemptées des exigences de PWHT si elles sont soudées à l'aide de procédures de réparation spécifiquement conçues et spécifiées avec un facteur d'énergie calculé à l'aide d'approches de la mécanique des fractures.

Le soudage est un processus actif et les pièces soudées qu'il produit peuvent subir des déformations importantes pendant la phase de refroidissement, ce qui crée des contraintes qui doivent être gérées pour que ces pièces soudées puissent être utilisées dans des applications critiques. Pour ce faire, il convient de réduire la vitesse de déplacement de l'électrode, de limiter l'utilisation du courant pendant les opérations de soudage et d'utiliser des gaz de protection dont la composition est adaptée au type et à l'épaisseur du matériau.

Sécurité

Le soudage fait partie intégrante de la construction et de l'entretien des installations de traitement du pétrole, du gaz et des produits chimiques. Cependant, une mauvaise performance de soudage peut affaiblir involontairement l'équipement en induisant des contraintes résiduelles dans les matériaux et en affaiblissant la résistance. Pour atténuer cet effet, un traitement thermique post-soudure (PWHT) doit être effectué régulièrement après le soudage afin de minimiser les contraintes résiduelles dans le matériau soudé, de contrôler les niveaux de dureté après les processus de soudage et, dans certains cas, d'augmenter la résistance mécanique.

Le PWHT est une procédure d'isolation qui utilise des résistances chauffantes à haute température pour élever la température des soudures jusqu'à environ 300°F-1 125°F selon le type d'acier et sa teneur en carbone. La chaleur est appliquée à l'aide d'un appareil de chauffage à résistance électrique conçu pour la taille de tuyau correspondant à la soudure à traiter. Tous les électriciens impliqués dans une installation doivent comprendre les implications en matière de sécurité pendant les opérations de PWHT ; toutes les connexions doivent être correctement isolées et la zone doit être délimitée comme une zone dangereuse pour protéger les personnes inconnues entrant en contact avec les câbles électriques à haute tension.

Les exigences en matière de PTFE diffèrent d'un code de fabrication à l'autre. Par exemple, le seuil d'épaisseur à partir duquel le PWHT devient nécessaire varie considérablement ; ainsi, les normes BS 1113 [22] et 2633 [23] le limitent aux aciers carbone-manganèse dont la teneur en carbone ne dépasse pas 0,25%, tandis que les normes PD 5500 et Pr EN 13445 autorisent son utilisation sur des pièces soudées d'une épaisseur allant jusqu'à 140 mm, à condition qu'elles satisfassent à une exigence de ténacité établie en matière de mécanique de la rupture.