PWHT e saldatura dell'acciaio al carbonio

Gli acciai al carbonio e al carbonio-manganese e gli acciai basso legati che soddisfano gli standard di durezza non necessitano generalmente di un trattamento PWHT, anche se le differenze tra i codici per i recipienti a pressione e le tubazioni (come dettagliato nella Tabella 1) spesso complicano i processi di razionalizzazione.

Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere e delineare i requisiti e le esenzioni PWHT applicabili ai materiali al carbonio e basso legati.

Alleviare lo stress

La saldatura provoca tensioni residue nei metalli, in particolare negli acciai al carbonio a bassa lega, che possono portare a cricche e indebolimenti. Per alleviare queste tensioni interne, il materiale viene sottoposto a un trattamento termico PWHT, in cui si utilizzano temperature inferiori a quella di trasformazione e si lascia in ammollo per un periodo di tempo prolungato prima di raffreddarsi in modo uniforme su tutta la sezione trasversale e la superficie.

La PWHT richiede temperature in grado di alleviare le tensioni indotte dalla saldatura, evitando al contempo i cambiamenti di fase metallurgici e l'infragilimento da tempra, pertanto i tempi di riscaldamento e di mantenimento devono essere gestiti attentamente per massimizzare i benefici e garantirne la realizzazione.

Il trattamento termico a onde di pressione, comunemente utilizzato per le apparecchiature a pressione, ma eseguito anche su altre strutture come ponti ed edifici, deve essere compreso per poter prendere decisioni informate in merito alle strutture che si costruiscono o si ristrutturano. È fondamentale sapere quando questo processo è necessario e quali sono i suoi vantaggi, in modo da prendere decisioni con la massima consapevolezza riguardo alla loro costruzione.

La distensione meccanica (MSR) può essere un metodo per alleviare le tensioni residue, ma non offre gli stessi vantaggi metallurgici della PWHT; pertanto non dovrebbe essere considerata una soluzione alternativa. L'MSR può ancora rivelarsi utile quando non è possibile o non è pratico spostare i pezzi direttamente in un forno per la PWHT, ma non dovrebbe essere considerato un'opzione di trattamento sostitutiva.

Variazione di temperatura

A seconda delle procedure di saldatura utilizzate, le tensioni residue possono superare il limite di snervamento del materiale e portare a cedimenti fragili nell'area di saldatura. Il PWHT riduce queste tensioni attraverso la ridistribuzione, diminuendo così il rischio di cedimento nelle strutture in acciaio al carbonio saldate con procedure di saldatura PWHT.

I trattamenti di saldatura PWHT non solo riducono la distensione, ma possono anche essere utilizzati per ammorbidire e ammorbidire le strutture saldate dure - aumentando la duttilità e riducendo al contempo il rischio di cricche assistite dall'ambiente - il che è particolarmente utile per la saldatura di tubazioni per servizi acidi.

I cambiamenti PWHT possono contribuire a ridurre la corrosione indotta dall'idrogeno negli acciai al carbonio e ad aumentare le loro prestazioni a fatica, oltre a ridurre i rischi. Va notato, tuttavia, che la PWHT è distinta dai processi di rinvenimento, trattamento in soluzione o invecchiamento (anche se alcuni dei loro effetti possono essere ottenuti tramite la PWHT).

I requisiti PWHT sono definiti in vari codici, con limiti di spessore tipicamente fissati a 32 mm per recipienti a pressione e applicazioni di tubazioni che richiedono PWHT. Inoltre, i codici possono variare a causa delle diverse energie Charpy o degli standard di ispezione, nonché delle variazioni di composizione chimica degli acciai al carbonio o al C-Mn, rendendo improbabile una razionalizzazione.

Difetti di saldatura

Le tensioni residue possono causare difetti di saldatura sia visibili che invisibili, tra cui discontinuità, porosità e spruzzi; i difetti visibili includono discontinuità di saldatura, porosità e spruzzi; i difetti invisibili includono fusione incompleta, bassa duttilità e proprietà meccaniche scadenti. Le tensioni residue compromettono anche la resistenza delle saldature alla cricca da tensocorrosione e aumentano la loro suscettibilità alla rottura per fatica, soprattutto nel caso di strutture complesse o di applicazioni a lungo termine.

Come regola generale, maggiore è il contenuto di carbonio e leghe nei materiali saldati e lo spessore della sezione trasversale delle strutture, maggiore è la loro potenziale necessità di trattamento termico post-saldatura (PWHT). Questo perché le tensioni residue di saldatura riducono la tenacità alla frattura nello stato di martensite temprata e quindi richiedono il PWHT.

Tuttavia, i requisiti PWHT prevedono alcune eccezioni. Secondo le attuali norme sui tessuti, alcune strutture possono essere esentate dai requisiti PWHT se saldate con procedure di riparazione specificamente progettate e specificate con un fattore di energia calcolato con approcci di meccanica della frattura.

La saldatura è un processo attivo e le saldature che produce possono subire sollecitazioni significative durante la fase di raffreddamento, creando stress che devono essere gestiti per poter essere utilizzati in applicazioni critiche. Ciò può essere ottenuto riducendo la velocità di traslazione dell'elettrodo, limitando l'uso della corrente durante le operazioni di saldatura e utilizzando gas di protezione con una composizione adeguata al tipo e allo spessore del materiale.

Sicurezza

La saldatura è una componente integrante della costruzione e della manutenzione di impianti di lavorazione di petrolio, gas e prodotti chimici. Tuttavia, un'esecuzione non corretta delle saldature può inavvertitamente indebolire le apparecchiature inducendo tensioni residue nei materiali e indebolendone la resistenza. Per mitigare questo effetto, il trattamento termico post-saldatura (PWHT) deve essere eseguito regolarmente dopo la saldatura per ridurre al minimo le tensioni residue nel materiale saldato, controllare i livelli di durezza dopo i processi di saldatura e, in alcuni casi, aumentare la resistenza meccanica.

Il PWHT è una procedura di isolamento che utilizza riscaldatori a resistenza ad alta temperatura per aumentare la temperatura della saldatura fino a circa 300degF-1.125degF, a seconda del tipo di acciaio e del suo contenuto di carbonio. Il calore viene applicato utilizzando una resistenza elettrica progettata per le dimensioni del tubo che si adatta alla saldatura da trattare. Tutti gli elettricisti coinvolti in un'installazione devono comprendere le implicazioni per la sicurezza durante le operazioni di PWHT; tutte le connessioni devono essere opportunamente delimitate e l'area deve essere delimitata come zona di pericolo per proteggere le persone sconosciute che entrano in contatto con i cavi elettrici ad alta tensione.

I requisiti della PWHT variano a seconda dei codici di fabbricazione. Ad esempio, la soglia di spessore a cui la PWHT diventa necessaria varia in modo significativo; per esempio, le norme BS 1113 [22] e 2633 [23] la limitano per gli acciai al carbonio-manganese con un contenuto di carbonio fino a 0,25%, mentre le norme PD 5500 e Pr EN 13445 ne consentono l'uso su saldature di spessore fino a 140 mm, a condizione che soddisfino un requisito di tenacità meccanica a frattura stabilito.