ASME B31.3 Exigences de traitement thermique après soudage pour les tubes en acier au carbone

Depuis l'édition 2014 de la norme ASME B31.3, les tubes épais en acier au carbone sont exemptés des exigences de traitement thermique post-soudure (PWHT), seuls les soudages multi-passes étant requis et aucun préchauffage n'étant nécessaire. D'aucuns se sont inquiétés du fait que ces exemptions pouvaient être dangereuses.

Ce document, parrainé par l'EPRI et rédigé par des membres de l'équipe du RRAC, vise à soutenir les modifications des exigences minimales de température PWHT des codes B31.1 et B31.3, ainsi que des modifications similaires dans d'autres codes.

Température minimale de préchauffage

Les exigences de l'ASME B31.3 en matière de température minimale de préchauffage diffèrent considérablement d'un code ou d'une norme à l'autre, ce qui peut s'expliquer par le fait que les conditions de service traitées par chaque norme ou code sont différentes. De réelles préoccupations apparaissent lorsque les exigences d'un code ou d'une norme semblent excessives d'un point de vue technique - par exemple, les exigences de traitement thermique post-soudure (PWHT) pour les matériaux en acier au carbone.

La température de PWHT exigée par le code est proche des températures critiques inférieures pour les aciers au carbone, ce qui peut entraîner une fissuration de réchauffage des zones de soudure et affaiblir leur résistance de manière significative. Des études ont toutefois révélé que la dureté et la ténacité des soudures P no 4 peuvent être maintenues après un traitement thermique à des températures inférieures à celles spécifiées par le code actuel.

En dépit de certaines préoccupations, le maintien des exigences actuelles en matière de préchauffage et de PWHT pour le P n° 4 bénéficie d'un soutien solide. Une étude commanditée par l'EPRI a montré que le PWHT pouvait être effectué à des températures inférieures à celles actuellement exigées par les codes B31.1 et B31.3, tout en conservant des propriétés acceptables pour les matériaux - ce qui offre une plus grande souplesse de conception, une plus grande marge de sécurité pour les assemblages de matériaux dissemblables et permet d'éliminer les fissures dans les zones de soudure des matériaux P no 4 sensibles.

Température maximale de préchauffage

La norme ASME B31.3 exige que les matériaux atteignent une température de préchauffage minimale à laquelle le traitement thermique post-soudure (PWHT) peut commencer. Le PWHT est un processus contrôlé dans lequel les pièces soudées sont chauffées en dessous de leur température de transformation critique inférieure pendant une durée déterminée afin de réduire les contraintes résiduelles et les changements microstructuraux causés par le soudage ; en outre, il peut contribuer à augmenter la dureté en augmentant les processus de durcissement pendant le traitement PWHT.

L'édition 2014 de la norme ASME B31.3 a introduit plusieurs révisions significatives de ses exigences en matière de PWHT pour les tuyauteries de traitement, en particulier les soudures en acier au carbone qui répondent aux exigences de la section VIII Div 1 de l'ASME et qui nécessitaient auparavant un recuit post-soudure (PWA).

Ce changement a été mis en œuvre à la suite d'une demande du RRAC, qui a souligné que les températures de PWHT des normes ASME B31.1 et B31.3 sont proches des températures de transformation critiques inférieures de leurs matériaux, ce qui entraîne des pertes inutiles de capacité de durcissement en raison d'une surchauffe. Pour résoudre ce problème, le rapport recommande de modifier les exigences de PWHT entre 1200-1300 degF. En outre, 150 degrés devraient être fixés comme maximum au-dessus de la PWHT, plus en ligne avec les exigences de la BS 2633.

Temps de maintien minimum

Traitement thermique post-soudure des conduites en acier au carbone par traitement thermique post-soudure (PWHT). Ce traitement a pour but d'éviter la fissuration assistée par l'environnement des joints de tuyaux en acier au carbone et de réduire les contraintes résiduelles créées par le soudage tout en augmentant la ténacité du métal soudé. En outre, le PWHT contribue à atténuer la dégradation de l'environnement et à protéger contre la corrosion.

Les exigences en matière de PWHT varient en fonction du code et du groupe de matériaux. Par exemple, la norme B31.3 spécifie des temps de maintien minimums de 15 minutes pour les aciers faiblement alliés et de 20 minutes pour les aciers 2.25%Cr-1%Mo respectivement, sur la base des niveaux maximums de carbone et des épaisseurs de soudure autorisés dans chaque groupe ; cette exigence de temps de maintien minimum s'applique aussi bien aux soudures en une seule passe qu'aux soudures en plusieurs passes.

Le PWHT n'est pas toujours nécessaire, par exemple dans le cas des cuves en acier soudées telles que les réservoirs de stockage de pétrole. Bien qu'ils soient conçus pour résister à des pressions allant jusqu'à 5 000 psi, le risque de rupture fragile subsiste en raison des gradients de température extrêmes et des contraintes subies par les joints de soudure.

Les procédés PWHT peuvent être coûteux et peu pratiques ; c'est pourquoi certaines juridictions prévoient des exemptions pour les tuyauteries en acier au carbone. En outre, les exigences de la série de codes B31.3 visent à trouver un équilibre efficace entre la sécurité et l'efficacité en ce qui concerne les exigences de PWHT.

Temps de maintien maximum

ASME B31.3 est une norme nationale américaine qui couvre les exigences relatives aux tuyauteries utilisées dans les raffineries de pétrole, les usines chimiques, pharmaceutiques, d'hydrogène, textiles, de papier et de pâte à papier, les réacteurs nucléaires, les usines de semi-conducteurs ainsi que les installations de production d'énergie, les stations de compression de gaz naturel ainsi que les usines de production d'énergie. Elle traite des matériaux et des composants pour la conception, la fabrication, l'assemblage, l'érection, l'inspection et les essais des tuyauteries.

Comme pour les soudures, les températures de préchauffage doivent être ajustées en fonction de l'épaisseur de chaque soudure. Les soudures minces peuvent nécessiter des températures de préchauffage plus basses que les soudures plus épaisses pour leurs soudures respectives ; cependant, le temps nécessaire pour chaque étape reste constant.

Avant la révision, les limites obligatoires d'épaisseur de soudure PWHT ont été établies sur la base des bonnes pratiques d'ingénierie et de l'expérience. La mécanique de la rupture ayant progressé depuis la mise en œuvre initiale de ces limites, celles-ci ont été révisées à la lumière des courbes d'exemption basées sur la ténacité calculée, qui exigent des épaisseurs de paroi minimales plus élevées pour les aciers au carbone que ne le faisaient leurs équivalents plus anciens.

Dans la plupart des cas, le soudage PWHT requiert désormais une épaisseur de soudure maximale de 19 mm, ce qui est nettement inférieur aux codes structurels généraux (BS 5400 pour les ponts) ou à d'autres codes spécialisés (ASME B31.1 pour les appareils à pression et les conduites d'énergie, API 650 pour la construction de grands réservoirs de stockage).