Procedura PWHT secondo la norma ASME B31-3

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) contribuisce ad alleviare le tensioni residue nella zona di saldatura che potrebbero causare una frattura fragile.

La clausola 331.1.1 e la tabella 331.1.3 della norma ASME B31.3 stabiliscono requisiti specifici relativi al trattamento termico post-saldatura (PWHT) in base al materiale dei tubi. Tuttavia, in determinate situazioni, alcune temperature di preriscaldamento possono esentare dall’applicazione dei requisiti relativi al PWHT.

1. Temperatura di saldatura

La temperatura svolge un ruolo fondamentale nella saldatura. Essa determina la velocità con cui il calore si disperde e, di conseguenza, la rapidità con cui i giunti saldati si raffreddano; è quindi fondamentale che i saldatori conoscano la temperatura dell’acciaio prima di iniziare i processi di saldatura. Molti fattori influenzano le temperature di saldatura, tra cui il tipo di metallo utilizzato, lo spessore del materiale da saldare, il processo di saldatura impiegato e il tempo necessario.

Le norme di saldatura tipiche specificano una temperatura minima di preriscaldamento che deve essere chiaramente indicata nel documento contenente le specifiche della procedura di saldatura (WPS). Inoltre, tale temperatura dovrebbe essere confrontata con le temperature effettive di saldatura previste, al fine di garantire che sia stato raggiunto un preriscaldamento adeguato.

Un altro fattore fondamentale è la temperatura ambiente. La saldatura in condizioni di freddo può comportare proprietà della saldatura inferiori alla norma, come la formazione di cricche da freddo. Ciò è dovuto al fatto che la dispersione di calore avviene più rapidamente, poiché le differenze di dilatazione termica tra le saldature in ambienti freddi e il metallo di base sono maggiori.

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) convenzionale ha lo scopo di ridurre al minimo le tensioni residue, ammorbidire il materiale tramite tempra e contrastare i danni causati dall'idrogeno; tuttavia, i requisiti specifici relativi al PWHT variano notevolmente da una normativa all'altra, a seconda di fattori quali la saldabilità e lo spessore del materiale.

2. Tempo di saldatura

Le prove PWHT sono richieste da numerose norme per garantire che le strutture saldate siano in grado di resistere a temperature e condizioni ambientali estreme, in particolare quelle presenti nelle centrali nucleari. Di conseguenza, è necessario dedicare notevoli sforzi alla creazione e al mantenimento di procedure PWHT adeguate.

Il PWHT consiste nel riscaldare l'area di saldatura al di sopra del suo punto critico, aumentando la tenacità del metallo saldato e riducendo le tensioni residue. Questa tecnica è particolarmente importante per i tubi di grande diametro, dove l'arco deve percorrere una distanza maggiore per raggiungere la zona di fusione al fine di ottenere una qualità di saldatura uniforme.

La durata della saldatura riveste un ruolo fondamentale nell'efficacia dei trattamenti termici post-saldatura (PWHT). Una durata prolungata della saldatura può causare difetti di saldatura quali la fessurazione ritardata da idrogeno e la mancanza di duttilità; al contrario, una durata più breve della saldatura comporta in genere una maggiore tenacità del metallo saldato e una riduzione delle tensioni residue.

I requisiti relativi al trattamento termico post-saldatura variano a seconda del materiale da saldare, come l’acciaio al carbonio e alcuni acciai bassolegati utilizzati nelle centrali nucleari. Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) può essere obbligatorio, mentre i requisiti possono variare a seconda delle norme: la norma ASME B31.1 esenta i materiali P-4 o P-5A con spessore della parete pari o inferiore a 19 mm dal trattamento PWHT obbligatorio.

3. Processo di saldatura

La saldatura è un processo complesso utilizzato per unire due pezzi di metallo tramite il calore e la corrente elettrica. Trova numerose applicazioni in diversi settori industriali e crea legami estremamente resistenti tra i metalli; tuttavia, questa tecnica richiede una grande abilità e un impegno che richiede molto tempo.

Come processi di saldatura sono disponibili sia la saldatura a resistenza che quella laser, che offrono diversi livelli di resistenza della saldatura a seconda dell’applicazione. La saldatura a resistenza utilizza flussi elettrici costanti per fondere insieme il materiale di base e il materiale di apporto, creando un legame duraturo, ideale per sezioni di tubi di grande spessore. La saldatura laser utilizza fasci di energia focalizzati che fondono il materiale superficiale, consentendo velocità di saldatura elevate, adatte a giunti stretti o profondi.

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) riduce le tensioni residue nei componenti in acciaio saldati e previene la criccatura da corrosione sotto sforzo, risultando quindi indispensabile nelle tubazioni destinate a servizi in ambiente acido, nonché in base a numerose norme e specifiche.

Il PWHT viene tipicamente eseguito nell'intervallo di temperatura indicato dalle norme e dagli standard pertinenti, solitamente riportato in tabella. Ad esempio, la tabella 132 del Codice ASME B31.1 per le tubazioni di potenza specifica 1300-1375 °F come intervallo ideale per il PWHT per durate che dipendono dallo spessore della saldatura; esistono delle eccezioni. Il presente documento mira a modificare tale requisito nell’ambito della norma B31.1, nonché in altre sezioni delle norme relative a caldaie e recipienti a pressione, al fine di ridurre l’intervallo di temperatura richiesto per il PWHT.

4. Trattamento termico post-saldatura

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) riduce e ridistribuisce le tensioni residue per migliorare la duttilità, la resistenza alla frattura fragile, gli effetti di tempra, precipitazione o invecchiamento in determinati acciai, fornendo al contempo alcuni effetti di tempra, precipitazione o invecchiamento su altri. Purtroppo, il PWHT può comportare un deterioramento delle proprietà meccaniche, che deve essere valutato e controllato con attenzione al fine di evitare effetti quali deformazioni, infragilimento da tempra o fessurazioni da riscaldamento che potrebbero verificarsi a seguito dei cambiamenti indotti dal trattamento stesso.

Le temperature del PWHT devono essere gestite con attenzione per evitare che il materiale venga riscaldato oltre la sua temperatura critica di trasformazione o che rimanga a temperature elevate per periodi prolungati. Per ottenere risultati ottimali, il riscaldamento deve essere distribuito uniformemente in tutta l’area di saldatura e anche la velocità di raffreddamento e le relative tolleranze devono essere gestite in modo da evitare perdite di resistenza.

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) deve essere eseguito correttamente e nei tempi previsti per evitare tensioni residue eccessive che superino i limiti di progetto del materiale, causando il cedimento della saldatura e la formazione di crepe. Inoltre, la tenuta di una documentazione completa e il rispetto degli standard di settore relativi al PWHT possono risultare complessi, in particolare nei settori soggetti a una forte regolamentazione; fortunatamente esistono strumenti in grado di aiutare le aziende a soddisfare i requisiti di settore, garantendo al contempo la conformità alle normative.