Traitement thermique post-soudure

De nombreux codes de tuyauterie utilisent la résistance à la rupture des pièces soudées comme base pour déroger localement aux exigences de traitement thermique post-soudure (PWHT) ; cependant, cette méthode ne s'applique pas toujours à tous les matériaux ou applications.

Les exigences de PWHT pour les matériaux de tuyauterie d'énergie reposent généralement sur la température de transformation critique inférieure du métal de base.

Procédures de soudage

La soudabilité des joints soudés dépend de plusieurs facteurs, dont la géométrie, la contrainte, les températures de préchauffage et d'interpassage du soudage, ainsi que la densité du courant. En outre, les matériaux à faible teneur en carbone tels que l'AISI P-4 ou P-5A influencent également la soudabilité ; la trempabilité peut également avoir un effet, de même que le potentiel de fissuration par retardement de l'hydrogène.

Le traitement thermique post-soudure (PWHT) permet d'améliorer la ténacité des entailles en soulageant les contraintes résiduelles et en relâchant les contraintes préexistantes de la pièce causées par les processus de fabrication, de soudage et de découpage. Le traitement thermique post-soudure dure généralement une heure par 25 mm d'épaisseur à une température de 600 degrés Celsius.

Les exigences en matière de PTFE sont généralement déterminées par des critères de soudabilité et les codes de fabrication fournissent des exigences détaillées en ce qui concerne le PTFE local. Une grande partie de ces réglementations se concentre sur les exigences en matière de limite d'épaisseur - une hypothèse basée sur le fait que la rupture fragile est plus probable sans PWHT qu'avec. Cependant, cette hypothèse a été remise en question par l'analyse de la mécanique de la rupture ; plus précisément, la comparaison des courbes maîtresses pour les soudures bout à bout dans les tubes en acier a démontré cette conclusion et a trouvé les limites d'épaisseur PWHT actuelles trop restrictives dans certains codes de fabrication.

Préchauffage

Le préchauffage des aciers avant le soudage est essentiel pour minimiser les contraintes de soudage et les contraintes résiduelles, en fonction de l'épaisseur de la pièce soudée et de la teneur en alliages. Des crayons indicateurs de température ou des pyromètres à thermocouple doivent être utilisés pour contrôler ces températures avec précision.

Le préchauffage réduit le gradient de vitesse critique pour un rapport d'équivalence donné et augmente la vitesse de la flamme laminaire, créant des arcs plus stables avec moins de projections. (Fig. 20).

Le préchauffage est utilisé pour augmenter la dureté du métal soudé et de la zone affectée thermiquement (ZAT) pour les aciers au carbone et faiblement alliés en ralentissant leur vitesse de refroidissement, réduisant ainsi les défauts tels que la porosité et les vides dans la ZAT, améliorant les propriétés mécaniques et diminuant le risque de fissuration par fragilisation à l'hydrogène (également appelée fissuration retardée ou sous le talon) dans les aciers au carbone/faiblement alliés ainsi que dans les aciers inoxydables austénitiques à haute teneur en nickel tels que le type 347/Incoloy 825.

Les réductions des températures de préchauffage et d'inter-passage peuvent contribuer à augmenter l'épaisseur des soudures sans traitement thermique post-soudure (PWHT), en particulier pour les soudures à haute pression telles que les soudures bout à bout, les soudures d'emboîtement et les soudures d'angle sur les raccords filetés et les raccords de tuyères. D'après les études d'E2G sur les ruptures fragiles, l'élimination du traitement thermique post-soudure obligatoire pour les pièces soudées à la pression en alliage faible selon la norme ASME B31.3 diminuerait la ténacité des soudures tout en augmentant le risque de ruptures fragiles.

Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) est un moyen efficace d'éliminer les contraintes résiduelles préjudiciables dans les composants soudés tels que les appareils à pression et les tuyaux, tout en atténuant leur susceptibilité aux conditions environnementales qui provoquent l'apparition de fissures ou de ruptures fragiles. La conformité aux exigences du code doit toujours être respectée afin de maintenir l'intégrité des pièces soudées fabriquées.

Les procédés PWHT sont généralement requis pour les soudures en acier au carbone dont l'épaisseur dépasse un seuil prédéfini afin de les protéger de la rupture retardée par l'hydrogène et d'autres phénomènes de corrosion sous contrainte, y compris la rupture retardée par l'hydrogène. Le PWHT implique des conditions de chauffage, de refroidissement et de trempage qui affectent les propriétés du matériau de la soudure résultant de ce processus - des temps de trempage excessifs ou prolongés peuvent entraîner une décarburation, une dé-fragilisation ou une fragilisation qui affecteront négativement ses propriétés de résistance à la traction, de résistance au fluage ou de ténacité à l'entaille.

Les exigences de PWHT pour les aciers au carbone varient selon les codes de fabrication et de réparation en fonction des limites d'épaisseur et de diamètre, les variations pouvant être attribuées à des interprétations différentes de la base de données techniques ou à l'évolution des pratiques de fabrication/soudure au fil du temps. Les codes ASME BP&V actuels autorisent des exemptions d'essais PWHT pour les matériaux d'une épaisseur allant jusqu'à 5/8 de pouce utilisés dans le secteur nucléaire, sur la base d'hypothèses telles que l'amélioration de la soudabilité des matériaux de grand diamètre et à parois minces, leurs caractéristiques inhérentes de ténacité à la rupture, qui sont suffisantes pour supporter une rupture à faible énergie.

Refroidissement

Les procédures de PWHT doivent être adaptées spécifiquement à chaque composant, les températures dépendant de son épaisseur ; ASME VII s'applique aux épaisseurs supérieures à 19 mm, tandis que BS EN 13445 et BSPD 5500 couvrent les épaisseurs de 35 mm ou plus. Les taux de refroidissement dépendent également de l'épaisseur ; une heure par 25 mm d'épaisseur et le refroidissement à l'air libre est autorisé en dessous de 800°F. Le PWHT utilise généralement des fours fixes permanents ou des fours portatifs à bogie de type top hat pour les pièces volumineuses et difficiles à manipuler.