Trattamento termico post-saldatura

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un processo ampiamente praticato nei lavori di fabbricazione e riparazione sul campo, utilizzato per ridurre le tensioni residue, ammorbidire la durezza del materiale saldato e aumentare la resistenza.

I requisiti PWHT dipendono sia dal materiale del tubo che dai requisiti del codice ASME; la Tabella 331.1.1 fornisce gli intervalli di temperatura di mantenimento PWHT applicabili ai vari materiali della Clausola 331.1.1.

La forza

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un processo controllato di riscaldamento e raffreddamento applicato ai componenti saldati per migliorarne le proprietà meccaniche e alleviare le tensioni residue. Il PWHT aumenta la resistenza e la durezza dei materiali saldati, riduce i difetti di saldatura e protegge dalle cricche assistite dall'ambiente. Il PWHT favorisce inoltre il movimento delle dislocazioni all'interno delle strutture cristalline dei materiali saldati, contribuendo ad alleviare le tensioni residue e a ridurre le concentrazioni di stress. Le tubazioni sottoposte a sollecitazioni ambientali richiedono tipicamente la PWHT; per una discussione dettagliata sui requisiti specifici per i vari materiali delle tubazioni, consultare la clausola 331.1.1 e le tabelle 331.1.1, 331.1.2 e 331.1.3 della norma ASME B31.3.

Questa fotografia al SEM mostra le differenze nelle superfici di frattura tra i campioni sottoposti a trattamento termico e quelli non trattati. I campioni trattati termicamente mostrano superfici di frattura più lisce, mentre quelli non trattati rivelano una modalità di frattura fragile con motivi a fiume.

La robustezza

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un processo di riscaldamento e raffreddamento utilizzato per aumentare la tenacità dei materiali saldati, alleviare le tensioni residue e ridurre il rischio di difetti di saldatura come le cricche. Il PWHT è particolarmente importante quando i tubi sono sottoposti a sollecitazioni ambientali, come nel caso di oleodotti e gasdotti o di centrali nucleari; norme specifiche come la Sezione VIII dell'ASME stabiliscono spesso requisiti di trattamento termico post-saldatura per questo tipo di applicazioni di tubazioni.

I processi PWHT utilizzano in genere un profilo controllato di rampa-ammollo a temperature inferiori alla temperatura di trasformazione iniziale del materiale, per ridurre al minimo i potenziali effetti collaterali negativi come cricche da riscaldo, distorsione e perdita di tenacità. È fondamentale gestire in modo efficace le velocità di rampa/ammollo e la temperatura di mantenimento per ottenere risultati di lavorazione di successo.

Le immagini SEM sotto riportate confrontano i campioni di filo di NiTi saldati senza e con trattamenti PWHT, questi ultimi producono superfici di frattura più lisce e prive di schemi fluviali sulle superfici di frattura. È stato dimostrato che i trattamenti PWHT riducono significativamente la sensibilità alla cricca assistita dall'ambiente dei materiali, aumentandone al contempo la vita utile.

Resistenza alla corrosione

In condizioni di corrosione, i giunti saldati possono diventare fragili e cedere. La PWHT contribuisce a ridurre questo rischio abbassando i livelli di stress nella regione di saldatura; inoltre, migliora la resistenza ai danni da idrogeno e ad altre forme di corrosione.

La PWHT è una tecnica consolidata per aumentare la durata delle strutture saldate negli impianti chimici, nelle raffinerie di petrolio e in altre strutture industriali. Questo processo aiuta a ridurre al minimo il rischio di rottura delle saldature, aumentando al contempo la resistenza del materiale attraverso l'incremento della resistenza alla trazione e allo snervamento. Inoltre, il PWHT aiuta a prevenire le cricche da tensocorrosione e altre forme di corrosione nei materiali.

I processi di saldatura multipli generano tensioni residue nella zona di saldatura che superano i limiti di progetto del materiale, portando alla formazione di cricche da fatica. La PWHT può ridurre significativamente queste tensioni residue e alterare i percorsi/le velocità di propagazione delle cricche.

Molte saldature di tubazioni richiedono un trattamento termico al plasma (PWHT). Il PWHT può ridurre la suscettibilità delle saldature al degrado metallurgico, aumentare la resistenza e la duttilità e incrementare la resistenza alla corrosione in condizioni di corrosione aggressiva. Sfortunatamente, il PWHT può avere ripercussioni negative sulla saldabilità e sulle prestazioni di servizio; è quindi fondamentale valutarne accuratamente i benefici e i costi prima di intraprendere questo trattamento. In questo rapporto ne analizziamo l'origine e le basi, nonché gli attuali requisiti ed esenzioni del PWHT negli ambienti di servizio nucleari.

Durata

Il trattamento termico post-saldatura (detto anche distensione) è un processo termico progettato per ridurre il rischio di cedimenti fragili causati da tensioni residue create durante i processi di saldatura. Le tensioni residue nelle aree di saldatura possono combinarsi con le sollecitazioni di carico oltre i limiti di progetto del materiale e provocare cricche, fatica e, in ultima analisi, cedimenti fragili se non vengono controllate; il PWHT promuove il movimento delle dislocazioni all'interno delle strutture cristalline per rilasciare queste tensioni ed è necessario ogni volta che esiste il potenziale di cricche assistite dall'ambiente nei giunti di saldatura.

I requisiti PWHT sono stabiliti da vari codici, con condizioni che variano a seconda del materiale di un tubo e del suo numero di gruppo. La norma ASME B31.3 contiene norme PWHT obbligatorie a seconda della composizione del materiale delle tubazioni; tuttavia, esistono esenzioni dalle prove obbligatorie se le saldature sono realizzate con tubi più spessi costruiti con materiali di saldatura specifici.

I requisiti PWHT nelle tubazioni delle centrali elettriche diventano meno essenziali all'aumentare del diametro del tubo, mantenendo costante lo spessore della parete, a causa dei valori decrescenti della tangente dell'angolo tra il vettore delle sollecitazioni longitudinali e la direzione della saldatura (theta "th"). Pertanto, le tensioni residue create durante la saldatura diventano una causa di preoccupazione ancora maggiore per i tubi a parete spessa rispetto a quelli a parete sottile.