Codes de traitement thermique post-soudure (PWHT)

Les codes de conception actuels pour les tuyauteries et les appareils à pression stipulent que le PWHT peut être nécessaire si l'épaisseur du matériau dépasse un seuil établi, généralement déterminé par la mesure de l'énergie Charpy. Certains aciers au carbone et faiblement alliés peuvent bénéficier d'une exemption si un cycle de préchauffage approprié est utilisé.

Les soudures d'embouchure dans les tuyaux en acier ont fait l'objet d'une évaluation par Mohr qui indique qu'elles pourraient ne pas nécessiter de traitement PWHT.

Qu'est-ce que l'ASME PWHT ?

Le traitement thermique post-soudure (PWHT) est une technique de plus en plus populaire pour réduire les contraintes résiduelles des soudures dans les appareils à pression et les équipements de tuyauterie. Il est souvent spécifié dans le code comme étant nécessaire pour les soudures en acier au carbone dont l'épaisseur dépasse certains seuils afin de réduire leur propension à l'apparition de fissures et de ruptures fragiles. Malheureusement, il n'est pas toujours possible ou coûteux d'effectuer un traitement PWHT sur de grandes pièces en raison de leur éloignement ou de leur poids élevé.

Ces configurations utilisent généralement des bandes de contrôle de trempage, de chauffage et de gradient, dimensionnées et positionnées de manière à empêcher la distorsion, la fissuration des soudures adjacentes et l'apparition de contraintes résiduelles importantes. Malheureusement, en raison de la complexité de ces conceptions, la prédiction précise de leur réponse thermo-mécanique rend leur ingénierie extrêmement difficile. Les techniques avancées de simulation numérique utilisées dans cette étude offrent aux analystes un moyen de s'assurer que les configurations locales de PWHT mises en œuvre à la suite de réparations d'équipements ne causeront pas de dommages supplémentaires coûteux, tels que des déformations et des fissures, qui prolongent encore la durée d'immobilisation des équipements.

Les codes de conception actuels pour les appareils à pression et les tuyauteries imposent généralement le PWHT lorsque l'épaisseur de la soudure dépasse une valeur déterminée par les propriétés de l'essai d'impact Charpy du matériau, mais les exigences varient d'un code à l'autre, avec des écarts significatifs entre les limites d'épaisseur spécifiées dans les différents codes. Notre enquête a révélé que l'adoption d'une approche similaire à celle utilisée par PD5500 pourrait contribuer à répondre à certaines de ces spécifications disparates.

Qu'est-ce que le seuil d'épaisseur ASME PWHT ?

Comme le montre le tableau 1, alors que les codes relatifs aux tuyauteries et aux appareils à pression exigent généralement une résistance à la traction jusqu'à 19 mm pour les aciers C-Mn, les normes générales d'ingénierie structurelle, telles que BS 5400 pour les ponts ou 2633 [25] pour les bâtiments, peuvent fixer des seuils d'exemption inférieurs aux exigences de résistance à la traction pour l'exemption. Ces divergences s'expliquent probablement par des différences dans la composition chimique des aciers ainsi que par des exigences différentes en matière de résistance à la rupture (comme illustré).

Le traitement thermique post-soudure permet de réduire considérablement la tension résiduelle en trempant les microstructures du métal soudé et du métal de base, ce qui réduit considérablement les contraintes résiduelles dans l'élément soudé, augmente sa résistance et sa ténacité, et diminue les risques de fissuration dus à l'environnement.

Le PWHT peut également réduire la distorsion thermique, qui est coûteuse pour les équipements sous pression et prolonge le temps d'immobilisation nécessaire pour les remettre en état de marche. Le succès du PWHT repose sur un équilibre idéal entre le préchauffage et la vitesse de refroidissement.

En utilisant une simulation FEA non linéaire avancée, il est possible de déterminer une configuration PWHT optimale pour les réparations d'équipements sous pression. En simulant les réactions thermo-mécaniques des pièces soudées en réponse à diverses conditions de préchauffage et de refroidissement, cette méthode identifie les arrangements locaux optimaux de PWHT qui minimisent les distorsions ainsi que les contraintes résiduelles.

Quel est le seuil de préchauffage ASME PWHT ?

Les codes de conception actuels pour les équipements sous pression et les tuyauteries spécifient que le PWHT ne doit être effectué que si l'épaisseur de la soudure dépasse une limite spécifique, généralement déterminée par les propriétés de l'essai Charpy du matériau ou les exigences minimales de température de service. Cette approche de limitation de l'épaisseur est utilisée depuis longtemps par l'industrie, comme en témoigne son succès dans la protection des équipements contre les ruptures fragiles.

Mais l'utilisation du PWHT consomme beaucoup d'énergie et contribue aux émissions de gaz à effet de serre et à d'autres préoccupations environnementales, ajoutant des coûts supplémentaires liés à son fonctionnement et à sa maintenance. En outre, de multiples cycles de traitement thermique peuvent être nécessaires pendant la durée de vie de l'équipement, ce qui augmente encore les coûts liés à son entretien et à sa gestion.

C'est pourquoi les efforts visant à réduire les besoins en PWHT en créant des propriétés de matériaux plus tolérantes ont suscité beaucoup d'enthousiasme. Cela permettrait d'utiliser des aciers au carbone plus résistants tout en réduisant la consommation d'énergie et les risques associés aux processus de fissuration assistés par l'environnement.

Des approches ont été conçues pour atteindre cet objectif, telles que l'utilisation de températures de préchauffage et de soudures multi-passes. En 2014, le code ASME B31.3 "Power Piping" a été amendé avec un tableau d'exemptions du PWHT obligatoire pour les soudures en acier au carbone conformes à son groupe de matériaux P-No 1 ; en vertu de ces exceptions, les CS >25mm (1 in) d'épaisseur doivent recevoir un préchauffage de 95 degC (200degF) avant le soudage avec l'utilisation de soudures multi-passes.

Qu'est-ce que l'exemption ASME PWHT relative à l'épaisseur ?

Les codes de fabrication en vigueur pour les appareils à pression et les tuyauteries spécifient généralement que le traitement thermique à chaud peut être nécessaire si l'épaisseur de la soudure dépasse une valeur donnée, cette limite étant généralement déterminée à l'aide des propriétés du matériau obtenues lors de l'essai Charpy. Toutefois, les exigences varient d'un code à l'autre, certains étant plus conservateurs que d'autres.

La norme ASME B31.3 (2014) permet désormais une exemption du PWHT obligatoire pour les matériaux en acier au carbone du groupe de matériaux P1 avec une température de préchauffage de 95°C appliquée avant le soudage, ce qui représente un changement important dans les bonnes pratiques d'ingénierie. Cette nouvelle disposition représente un changement important dans les bonnes pratiques d'ingénierie.

Le PWHT est un processus qui consomme beaucoup d'énergie et qui a des conséquences importantes sur l'environnement, notamment en termes d'émissions de gaz à effet de serre. En outre, les multiples cycles de traitement au jet d'eau pendant la durée de vie de l'équipement peuvent provoquer des déformations ou des distorsions qui nécessitent des réparations importantes ; les réparations composites offrent une alternative au traitement au jet d'eau pour réparer les pièces endommagées de l'équipement sous pression.

Les réparations en matériaux composites offrent plusieurs avantages environnementaux par rapport aux réparations en métal. Non seulement elles peuvent améliorer l'intégrité structurelle et réduire le risque de fuite, mais grâce à la combinaison de matériaux de haute performance, les réparations composites sont très durables et résistent aux effets liés au vieillissement tels que la fatigue. En tant que telles, elles contribuent à garantir un fonctionnement sûr des équipements longtemps après la fin des travaux originaux de remise en état.