Soluzioni PWHT - Garantire la resistenza e l'integrità delle strutture saldate

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) riduce le tensioni residue che potrebbero altrimenti portare a distorsioni e cricche nelle strutture saldate, oltre a prevenire lo sviluppo di fratture fragili, cricche da tensocorrosione e fatica in questi materiali. Il PWHT comporta il riscaldamento del metallo saldato a una temperatura specifica per un periodo prolungato, quindi il controllo di questo processo per evitare un eccessivo rammollimento, infragilimento da tempra e cricche.

Saldatura e trattamento termico

La saldatura è una componente integrante della creazione di strutture in acciaio, ma le sue tensioni residue possono portare al loro collasso. Per far fronte a questo rischio, è necessario ricorrere al trattamento termico post-saldatura (PWHT) per alleviare i livelli di stress all'interno della struttura e preservarne l'integrità.

Le soluzioni PWHT comprendono un processo termico che prevede il riscaldamento del metallo saldato a temperature specifiche per un periodo prolungato, per poi raffreddarlo gradualmente nel tempo. Ciò contribuisce ad alleviare le tensioni residue nella saldatura, migliorando al contempo le proprietà meccaniche e affinando la microstruttura.

I requisiti di pwht dipendono dalla lega, dallo spessore della sezione trasversale e da altre variabili del progetto; in generale, tuttavia, gli acciai a sezione spessa tendono a richiederlo più frequentemente a causa dei vincoli che causano superfici più vulnerabili che potrebbero rompersi per frattura fragile.

La PWHT può contribuire a questo sforzo temprando la zona di saldatura dura (HAZ), aiutando a prevenire rotture fragili durante il servizio e aumentando la resistenza della saldatura.

Sollecitazioni residue

Le sollecitazioni residue sono deformazioni interne autobilanciate nei componenti che derivano da tassi di riscaldamento e raffreddamento simultanei non uniformi, da variazioni locali dei tassi di ritiro tra le parti di una saldatura, da deformazioni associate a trasformazioni di fase nel metallo o da carichi esterni che rimangono al termine della saldatura. Quando queste sollecitazioni residue aumentano i carichi esterni applicati all'esterno, aumentano i livelli di tensione nei punti critici di una struttura, portando a tensioni elevate nei punti critici di scarico delle tensioni, che a loro volta causano tensioni più elevate nei punti critici e contemporaneamente una diminuzione delle tensioni di compressione altrove. La saldatura può indurre tensioni residue dovute a cicli simultanei di riscaldamento/raffreddamento non uniformi, variazioni locali tra le parti, diverse velocità di raffreddamento tra le parti, deformazioni associate a trasformazioni di fase tra le fasi del processo di saldatura o deformazioni associate a trasformazioni di fase dovute a condizioni simultanee di riscaldamento/raffreddamento non uniformi tra le parti saldate; variazioni locali tra i ritiri dovute a diverse velocità di raffreddamento nelle varie sezioni o deformazioni associate a trasformazioni di fase causate da cambiamenti di fase che si verificano a causa delle differenze tra le temperature di saldatura durante le trasformazioni di fase del processo di saldatura; infine, portano a cedimenti strutturali dovuti a carichi esterni applicati alle strutture.

Le tensioni residue indotte dalla saldatura possono avere esiti disastrosi, tra cui distorsioni, cricche e fratture fragili. Le concentrazioni di tensioni residue che superano il limite di snervamento del materiale possono provocare la formazione di cricche monoassiali in trazione o compressione nell'area di saldatura stessa o nelle parti adiacenti di una struttura.

Le tensioni residue nei componenti o nelle strutture saldate dipendono da numerosi fattori, tra cui la geometria del giunto saldato, i materiali utilizzati durante le procedure di saldatura, i processi di fabbricazione/riparazione utilizzati, i trattamenti termici post-saldatura applicati dopo il completamento, le condizioni di carico e la storia di servizio.

La maggior parte delle sollecitazioni residue rimane sconosciuta o sottostimata a causa di metodi di misurazione poco accurati e della mancanza di una documentazione completa dell'intero ciclo di vita delle strutture. La previsione o la mitigazione di tali sollecitazioni richiede una migliore comprensione e modellazione di come i componenti strutturali interagiscono durante la produzione e la storia operativa, oltre a conoscere meglio quando queste interazioni possono aver avuto luogo.

Cambiamenti microstrutturali

Durante il processo di saldatura, il metallo fuso è esposto a gradienti di temperatura elevati che possono provocare cambiamenti microstrutturali che ne riducono le proprietà meccaniche, come la duttilità e la tenacità, con conseguente rischio di frattura durante il servizio o di cricche da tensocorrosione. Le strutture saldate con questo processo sono quindi a rischio di frattura.

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un processo essenziale che può risolvere molti problemi legati alla saldatura, rafforzando e aumentando la resistenza delle strutture. Per ottenere risultati ottimali dal PWHT, è fondamentale seguire le migliori pratiche, come la scelta di un metodo efficace, le corrette temperature di riscaldamento/raffreddamento, il controllo della qualità durante il processo di trattamento e l'assicurazione della qualità durante il processo di ispezione post-saldatura. Rispettando queste regole, la struttura diventerà più forte e affidabile nel tempo.

La PWHT può contribuire a ridurre e ridistribuire le tensioni residue, ma possono esserci anche ulteriori vantaggi della PWHT a temperature più elevate. I processi di tempra o precipitazione possono ridurre la durezza e migliorare la duttilità.

Il tipo di ricottura da scegliere dipende sia dal materiale che dal suo sistema di leghe. Con l'aumento del contenuto di carbonio o dello spessore, è più probabile che sia necessaria una ricottura PWHT; molti codici impongono il trattamento PWHT se il materiale saldato supera un determinato spessore; ulteriori requisiti possono includere la composizione chimica o la suscettibilità alle cricche da tensocorrosione.

Ottimizzazione

La saldabilità dei componenti in acciaio dipende da fattori quali il processo di saldatura e le proprietà del materiale; gli ingegneri strutturisti devono tenere conto della saldabilità dei componenti che progettano in servizio per evitare di creare elementi che aumentano le tensioni e che portano a cedimenti prematuri.

Le soluzioni pwht possono essere necessarie per affrontare le sollecitazioni residue e i cambiamenti microstrutturali causati dai processi di saldatura, comprese le sollecitazioni residue. Il PWHT prevede il riscaldamento del materiale a una temperatura specifica per un periodo di tempo prolungato, al fine di ridistribuire queste sollecitazioni in modo più uniforme nella struttura, abbassando contemporaneamente i livelli di durezza, migliorando la duttilità e i livelli di tenacità per soddisfare le specifiche di progetto.

Poiché la temperatura PWHT dipende dalle proprietà metallurgiche di un materiale, la sua determinazione dipenderà da una combinazione di fattori, tra cui la saldabilità e i requisiti di servizio. Ad esempio, le procedure di saldatura che coinvolgono acciai dolci a basso tenore di carbonio o acciai al cromo-molibdeno con requisiti di shock specificano in genere temperature minime di preriscaldamento e di interpassaggio dipendenti dallo spessore.

Le temperature del PWHT devono essere gestite con attenzione per evitare l'eccessiva distorsione e l'infragilimento da tempra di componenti di grandi dimensioni come recipienti a pressione e tubi, che richiedono il supporto di cavalletti sagomati appositamente per ciascun componente. Per garantire una distribuzione uniforme del calore durante il processo, i cavalletti devono essere distanziati a intervalli regolari, in modo da fornire un supporto sufficiente.