Exigences en matière de traitement thermique post-soudure (PWHT) pour les tubes en acier au carbone

De nombreux projets impliquant des tuyauteries en acier au carbone peuvent contourner le PWHT en profitant de la tolérance de la norme BS 2633 et de codes similaires pour des épaisseurs allant jusqu'à 19 mm sans PWHT pour les aciers faiblement alliés à faible teneur en carbone ; ces exigences tendent à satisfaire ou à dépasser celles fixées par les codes américains ; toutefois, la norme BS 2633 stipule une exigence de préchauffage plus élevée.

Procédures de soudage

Le PWHT (Post Weld Heat Treatment) n'est pas une simple étape procédurale : il s'agit d'un processus d'ingénierie intégral qui affecte directement l'intégrité des équipements, la sécurité des travailleurs et les performances à long terme. Le PWHT réduit les contraintes résiduelles tout en affinant les microstructures afin de prévenir la fissuration par corrosion sous contrainte et de l'éviter complètement.

Le PWHT consiste à chauffer l'élément soudé à une température élevée pendant une période prolongée, ce qui permet à la matrice métallique d'absorber et de redistribuer les contraintes internes afin de réduire le risque de rupture fragile, d'améliorer la ténacité et la ductilité et de prévenir les dommages causés par l'hydrogène.

Pour atteindre des niveaux optimaux de PWHT, les procédures de soudage doivent inclure des mesures de préchauffage et de traitement thermique post-soudage, y compris la sélection de types et de températures de préchauffage appropriés, ainsi que le contrôle des températures de chauffage et de maintien et la mise en œuvre de mesures de contrôle de la qualité.

Le PWHT seul peut ne pas être suffisant pour réduire la dureté et augmenter la ductilité des matériaux utilisés pour le soudage ; des processus supplémentaires peuvent être nécessaires pour le personnel de soudage hautement qualifié.

Préchauffage

Des recherches récentes ont développé une méthode expérimentale et analytique de préchauffage pendant le soudage de réparation en plusieurs passes à l'aide de caméras de thermovision et d'une analyse du transfert de chaleur ; les deux méthodes se sont avérées exactes.

Depuis l'édition 2014 de la norme ASME B31.3, les tuyauteries épaisses en acier au carbone sont exemptées de PWHT à condition qu'elles soient préchauffées à une température austénitique supérieure à la température critique et que les soudures soient réalisées à l'aide de procédés de soudage multi-passes - une différence importante par rapport aux exigences précédentes.

Bien que ces nouvelles exemptions permettent de réaliser des économies, elles comportent des risques qu'il convient d'examiner attentivement avant de les choisir. Ces soudures peuvent potentiellement souffrir de corrosion et de problèmes de service ; en outre, l'absence d'exigences en matière de PWHT peut entraîner une conception incorrecte qui nécessite une nouvelle soudure dans certains cas ; le préchauffage est recommandé pour éviter cela.

Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique post-soudure (TPS) consiste à chauffer les pièces soudées à une température spécifique pendant une courte période, puis à les refroidir lentement, ce qui permet de réduire les tensions et d'augmenter la résistance des pièces soudées. Toutefois, le PWHT doit être effectué avec soin afin d'éviter un surtrempage ou un soustrempage qui affaiblit les propriétés du matériau.

Le PWHT consiste à chauffer la pièce soudée à des températures comprises entre 550 et 625 degrés Celsius pendant environ une heure par pouce d'épaisseur, ce qui modifie sa microstructure de l'austénitique à la martensite jumelée équiaxe et altère ses propriétés mécaniques en augmentant la ténacité tout en diminuant la dureté.

Le PWHT peut être nécessaire dans certains cas de soudures structurelles, mais il ne l'est pas dans d'autres. Les normes ASME B31.1 et B31.3 permettent de limiter l'épaisseur des parois des tuyaux en acier C-Mn utilisés dans les appareils à pression, les systèmes de tuyauterie et les réservoirs de stockage sans traitement thermique post-soudure, à condition que le soudage multipasse soit utilisé et que des mesures de préchauffage soient mises en œuvre.

Qualifications

Le tableau 331.1.3 détaille les modifications importantes apportées en 2014 aux exigences de PWHT pour les tuyauteries de process en acier au carbone soumises à des mesures PWHT, en réponse aux préoccupations selon lesquelles les précédentes exemptions de limite d'épaisseur PWHT auraient pu être trop restrictives ou excessivement conservatrices.

Des essais parrainés par l'EPRI (réf. 1) ont démontré que les matériaux P n° 4 subissaient des fluctuations spectaculaires de dureté et de ténacité à mesure que la température du traitement thermique augmentait, en particulier au niveau des joints de matériaux dissemblables entre les matériaux P n° 1 et P n° 4.

Les modifications apportées en 2014 à la norme B31.3 permettent à tous les matériaux en acier au carbone appartenant au groupe de matériaux P No 1 et à toutes les épaisseurs de contrôle et tous les types de soudure d'être exemptés du traitement thermique post-soudage si un préchauffage d'au moins 95 degrés Celsius est utilisé avant le soudage. Cette approche est similaire à ce que recommande la norme britannique BS 2633 ; toutefois, un inspecteur NDE doit toujours vérifier que tous les processus sont conformes aux exigences du code.