Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique post-soudure (PWHT) est un processus largement répandu dans les travaux de fabrication et de réparation sur le terrain, utilisé pour réduire les contraintes résiduelles afin d'adoucir la dureté du matériau soudé et d'augmenter la résistance.

Les exigences de PWHT dépendent à la fois du matériau du tube et des exigences du code ASME ; le tableau 331.1.1 fournit les plages de température de maintien du PWHT applicables aux différents matériaux de l'article 331.1.1.

La force

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) est un processus de chauffage et de refroidissement contrôlé appliqué aux composants soudés afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques et de soulager les contraintes résiduelles. Le PWHT augmente la résistance et la dureté des matériaux soudés, réduit les défauts de soudure et protège contre la fissuration assistée par l'environnement. Le PWHT favorise également le mouvement des dislocations dans les structures cristallines des matériaux soudés, ce qui contribue à soulager les contraintes résiduelles et à réduire les concentrations de contraintes. Les tuyauteries soumises à des contraintes environnementales nécessitent généralement un traitement au jet d'eau ; pour une discussion détaillée sur les exigences spécifiques aux différents matériaux de tuyauterie, voir la clause 331.1.1 ainsi que les tableaux 331.1.1, 331.1.2 et 331.1.3 de la norme ASME B31.3.

Cette photographie MEB illustre les différences de surface de rupture entre les échantillons ayant subi un traitement thermique et ceux qui n'en ont pas subi. Les échantillons traités thermiquement présentent des surfaces de rupture plus lisses, tandis que les échantillons non traités présentent un mode de rupture fragile avec des motifs en forme de rivière.

Solidité

Le traitement thermique post-soudure (TCPS) est un processus de réchauffage et de refroidissement utilisé pour accroître la ténacité des matériaux soudés, atténuer les contraintes résiduelles et réduire le risque de défauts de soudure tels que la fissuration. Le PWHT est particulièrement important lorsque les tuyaux sont soumis à des contraintes environnementales ou à des déformations, comme dans les oléoducs/gazoducs ou les centrales nucléaires ; des normes spécifiques telles que la section VIII de l'ASME stipulent fréquemment des exigences en matière de traitement thermique post-soudure pour ces types d'applications de tuyauterie.

Les procédés PWHT utilisent généralement un profil de rampe/trempage contrôlé à des températures inférieures à la température de transformation initiale du matériau, afin de minimiser les effets secondaires négatifs potentiels tels que la fissuration de réchauffage, la distorsion et la perte de ténacité. Il est essentiel que les taux de rampe/trempage et la température de maintien soient gérés efficacement afin d'obtenir des résultats de traitement satisfaisants.

Les images MEB ci-dessous comparent des échantillons de fils de NiTi soudés sans et avec traitements PWHT, ces derniers produisant des surfaces de rupture plus lisses sans motifs de rivières sur leurs surfaces de rupture. On a constaté que les traitements PWHT réduisaient de manière significative la sensibilité des matériaux à la fissuration assistée par l'environnement tout en augmentant leur durée de vie.

Résistance à la corrosion

Dans des conditions de corrosion, les joints soudés peuvent devenir fragiles et se rompre. Le PWHT contribue à atténuer ce risque en abaissant les niveaux de contrainte dans la zone de soudure ; il améliore en outre la résistance aux dommages causés par l'hydrogène et à d'autres formes de corrosion.

Le PWHT est une technique reconnue pour accroître la durabilité des structures soudées dans les usines chimiques, les raffineries de pétrole et d'autres installations industrielles. Ce procédé permet de minimiser le risque de défaillance des soudures tout en augmentant la résistance des matériaux grâce à l'augmentation de la résistance à la traction et de la limite d'élasticité. En outre, le PWHT aide à prévenir la corrosion fissurante sous contrainte ainsi que d'autres formes de corrosion dans les matériaux.

Les multiples procédés de soudage génèrent des contraintes résiduelles dans la zone de soudure qui dépassent les limites de conception des matériaux, entraînant la formation de fissures de fatigue. L'hydrotraitement à chaud peut réduire de manière significative ces contraintes résiduelles et modifier les trajectoires et les vitesses de propagation des fissures.

De nombreuses soudures de tuyauterie nécessitent un traitement thermique des soudures au plasma (PWHT). Le PWHT peut réduire la sensibilité des soudures à la dégradation métallurgique, augmenter la résistance et la ductilité, et accroître la résistance à la corrosion dans des conditions de corrosion agressives. Malheureusement, le PWHT peut avoir des répercussions négatives sur la soudabilité et les performances de service ; il est donc crucial d'évaluer soigneusement ses avantages et ses coûts avant d'entreprendre ce traitement. Dans ce rapport, nous étudions son origine et son fondement, ainsi que les exigences et les exemptions actuelles du PWHT dans les environnements de service nucléaire.

Durabilité

Le traitement thermique post-soudure (également appelé détensionnement) est un procédé thermique conçu pour réduire le risque de rupture fragile causée par les contraintes résiduelles créées au cours des processus de soudage. Les contraintes résiduelles dans les zones de soudure peuvent se combiner avec des contraintes de charge dépassant les limites de conception du matériau et entraîner des fissures, de la fatigue et finalement une rupture fragile si elles ne sont pas contrôlées. Le traitement thermique post-soudure favorise le mouvement des dislocations dans les structures cristallines pour libérer ces tensions et est nécessaire chaque fois qu'il existe un risque de fissuration assistée par l'environnement dans les joints de soudure.

Les exigences en matière de PWHT sont définies par divers codes, les conditions variant en fonction du matériau d'un tuyau et de son numéro de groupe. La norme ASME B31.3 contient des règles obligatoires en matière de PWHT en fonction de la composition du matériau de la tuyauterie ; toutefois, il existe des exemptions de tests obligatoires si les soudures sont réalisées avec des tuyaux plus épais construits avec des matériaux de soudage spécifiques.

Les exigences de PWHT dans les conduites des centrales électriques deviennent moins essentielles à mesure que le diamètre des conduites augmente tout en maintenant une épaisseur de paroi constante, en raison des valeurs décroissantes de la tangente de l'angle entre le vecteur de contrainte longitudinale et la direction de la soudure (thêta "th"). Ainsi, les contraintes résiduelles créées pendant le soudage deviennent une source de préoccupation encore plus importante pour les tuyaux à parois épaisses que pour les tuyaux à parois minces.