Trattamento termico post-saldatura (PWHT) e pre-trattamento termico (PWHT)

I test PWHT rappresentano un elemento essenziale della garanzia di qualità in settori quali quello petrolifero e del gas e della produzione di energia elettrica, in quanto garantiscono una maggiore resistenza alla fatica termica e migliorano l'affidabilità.

I costi e le competenze specialistiche rappresentano due ostacoli principali nella realizzazione di recipienti a pressione e sistemi di tubazioni, come quelli illustrati nella Tabella 1. Le divergenze tra le norme di fabbricazione relative ai recipienti a pressione e alle tubazioni possono rendere molto ardui eventuali tentativi di razionalizzazione.

Trattamento termico delle saldature

Il trattamento termico post-saldatura, comunemente denominato "alleviamento delle tensioni", serve sia a ridurre che a ridistribuire le tensioni residue causate dalla saldatura. Il processo prevede il riscaldamento del pezzo saldato a una temperatura precisa, seguito da un raffreddamento graduale al fine di evitare la reintroduzione di nuove tensioni; la temperatura esatta e la durata del trattamento saranno determinate dalle norme applicabili.

Il PWHT utilizza inoltre temperature più elevate che inducono cambiamenti metallurgici quali tempra, precipitazione e invecchiamento, i quali contribuiscono ad aumentare la resistenza del giunto saldato, riducendo la durezza, migliorando la duttilità e minimizzando i rischi di frattura fragile in alcuni materiali. Questo processo contribuisce a ridurre la durezza, migliorando al contempo la duttilità e diminuendo i rischi di frattura in questi materiali.

I test PWHT sono fondamentali in molti settori e applicazioni, tra cui le centrali nucleari, gli oleodotti e i gasdotti e i recipienti a pressione. Il PWHT è una componente essenziale delle operazioni di manutenzione programmata per garantire che le saldature su queste apparecchiature critiche siano in grado di resistere alle alte temperature, alle pressioni elevate e agli ambienti altamente corrosivi in cui saranno utilizzate.

L’utilizzo di sistemi di riscaldamento a resistenza regolabile, abbinati a termocoppie per monitorare le temperature del pezzo saldato in modo accurato e costante, è fondamentale per ottenere risultati precisi e ripetibili. Anche il tempo di mantenimento dovrebbe essere gestito in modo da ridurre al minimo i gradienti termici all’interno del pezzo saldato, per evitare di limitarsi a spostare le tensioni residue già presenti. Per ottenere la massima efficacia, anche il preriscaldamento dovrebbe essere regolato in base al tipo di materiale e allo spessore da trattare.

Trattamento preliminare termico

Il trattamento termico è un’operazione costosa e dispendiosa in termini di tempo, utilizzata per migliorare la resistenza, la tenacità, la resistenza alla corrosione e le tensioni residue nei componenti saldati. È previsto da numerose norme e standard relativi alle applicazioni di saldatura, e il pretrattamento termico è un’altra procedura essenziale che riduce il rischio di fessurazione durante i processi di saldatura.

Un preriscaldatore per saldatura, solitamente costituito da elementi riscaldanti a tappetino in ceramica o da resistenze elettriche a striscia, può essere posizionato all’interno o in prossimità dell’area di saldatura e riscaldato secondo un profilo termico specifico. Le temperature di preriscaldamento sono controllate elettronicamente tramite un regolatore elettronico dotato di termocoppie e di funzioni di registrazione dei dati.

Per determinare la temperatura di preriscaldamento ideale, occorre tenere conto di numerosi fattori, tra cui i requisiti normativi, la composizione chimica del metallo di base, lo spessore della sezione, il livello di vincolo, la temperatura ambiente e il contenuto di idrogeno diffusibile nel metallo d'apporto. Ciò al fine di evitare la formazione di cricche nei cordoni di saldatura durante i processi di saldatura e in determinate combinazioni di spessori delle sezioni. In linea ottimale, tuttavia, è opportuno superare il valore minimo per non compromettere i requisiti di sicurezza relativi a determinati processi di saldatura di metalli di base e combinazioni di spessori delle sezioni.

Ad esempio, per le saldature di testa ASTM A572-Gr50 che richiedono un trattamento termico locale post-saldatura di almeno 2 pollici attorno alla saldatura, tale trattamento è necessario per garantire che le temperature di preriscaldamento siano sufficienti a prevenire la formazione di cricche durante la saldatura e per ridurre le cricche da idrogeno espellendo l’idrogeno residuo dalla saldatura immediatamente dopo la saldatura stessa.

Trattamento successivo alla tempra

Il trattamento termico è un processo produttivo che prevede il riscaldamento e il successivo raffreddamento controllati di metalli e leghe al fine di modificarne la microstruttura, il che influisce direttamente sulle loro proprietà meccaniche, determinando talvolta un aumento significativo della resistenza e della tenacità.

Sebbene il post-riscaldamento possa essere incluso in una procedura di saldatura, il suo scopo è solitamente specificato dal cliente e può essere o meno richiesto dalla normativa. I requisiti del cliente determinano in genere la temperatura di mantenimento e la durata. Quando è previsto come requisito normativo, il periodo deve coprire sia il metallo di saldatura che il metallo di base su entrambi i lati; la temperatura deve rimanere al di sotto della temperatura critica inferiore e successivamente deve essere effettuato un raffreddamento controllato.

Alcuni acciai bassolegati, come i materiali induriti per tempra presenti negli ambienti HAZ, richiedono un trattamento termico post-saldatura al fine di ottenere una microstruttura adeguata in termini di resistenza e tenacità. Ciò non solo è previsto dalle norme, ma costituisce anche un’importante misura di sicurezza volta a prevenire la formazione di cricche da idrogeno in futuro.

Gli addetti al trattamento termico che lavorano con tali materiali preferiscono in genere la ricottura in soluzione rispetto alla ricottura in tempra, poiché la prima consente di raggiungere temperature più elevate, contribuendo così a evitare la formazione di fasi o particelle dannose che altrimenti si formerebbero nella ricottura in tempra.

Esenzioni

Poiché il trattamento termico post-saldatura (PWHT) può essere costoso, l’esenzione da tale requisito nella fase di fabbricazione rappresenta una questione importante. Determinare quale sia la soglia di spessore che richiede il PWHT può risultare complesso nel caso di grandi assemblaggi in acciaio realizzati con materiali resistenti; alcune norme di fabbricazione e codici di ispezione prevedono ora che il trattamento PWHT sia obbligatorio per i giunti saldati che superano tale soglia di spessore.

Il presente articolo valuta e mette a confronto diverse norme di fabbricazione (principalmente norme relative alle tubazioni e ai recipienti a pressione) per quanto riguarda i requisiti relativi al trattamento termico post-saldatura (PWHT) al di sopra di un determinato spessore, i requisiti relativi alle prove di tenacità (prova di Charpy), nonché le potenziali possibilità di razionalizzazione tra le norme BS 2633 [25], ASME VIII e ASME B31.1 e B31.3.

I risultati indicano che, sebbene esistano alcune somiglianze tra i vari codici di fabbricazione presi in esame, l’allineamento per gruppi di materiali non sembra un approccio adeguato per raggiungere un certo grado di razionalizzazione. Inoltre, è necessario attuare programmi di collaudo al fine di eliminare alcune delle anomalie osservate in questo ambito dei requisiti dei codici di fabbricazione, argomento approfondito nella Parte 2 del presente articolo.