Trattamento termico post-saldatura (PWHT) per acciaio al carbonio

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è una componente integrale del processo di saldatura, che serve ad alleviare le tensioni residue causate dalla saldatura e a temprare le regioni microstrutturali dure o potenzialmente fragili.

La PWHT può essere eseguita in forni alimentati a elettricità, gas naturale o petrolio; tuttavia, in questo articolo ci concentreremo sulla temperatura da raggiungere per ottenere risultati ottimali con la PWHT dell'acciaio al carbonio.

Termodinamica

La saldatura è uno dei processi di produzione ingegneristica più diffusi. Tuttavia, dopo la saldatura possono formarsi tensioni residue che causano difficoltà operative. Per alleviare queste tensioni interne, il trattamento termico post-saldatura (PWHT) può contribuire ad alleviare le tensioni residue ammorbidendo le zone indurite, migliorando le caratteristiche microstrutturali e chimiche, riducendo il contenuto di idrogeno nell'area di saldatura e alleviando le tensioni residue; tuttavia, temperature o tempi di mantenimento eccessivi o inappropriati hanno un impatto negativo sulle proprietà meccaniche [1].

Gli acciai al carbonio e basso legati necessitano di PWHT per ridurre le tensioni residue, controllare la durezza del materiale e migliorare la resistenza meccanica. I requisiti di ogni materiale specifico per le temperature PWHT dipendono dal codice di utilizzo; le temperature PWHT per determinate composizioni chimiche o intervalli di spessore, come ad esempio per gli acciai per tubazioni e recipienti a pressione con un contenuto di cromo inferiore a 1,5%, richiedono in genere temperature superiori a 1050degC, come definito dai requisiti del codice. Ad esempio, quando viene utilizzato per tubi e recipienti a pressione con tali requisiti, come ad esempio con un contenuto di cromo di 1,5%, l'acciaio richiede temperature PWHT superiori a 1050degC per migliorare la resistenza meccanica, come stabilito dai requisiti imposti dai codici che regolano il funzionamento del PWHT e il raggiungimento di tali obiettivi in modo efficace.

Tuttavia, i gradi strutturali generali, come il BS 5400 per i ponti, il BS 5958 per gli edifici e l'EEMUA 158 per le strutture offshore, consentono limiti di spessore as-welded significativamente più elevati, legati a maggiori requisiti di energia Charpy. Queste differenze sembrano essere legate a fattori quali la temperatura di preriscaldo, il contenuto di leghe e la formazione di martensite: l'obiettivo di questo articolo è aiutare i lettori a comprendere meglio queste influenze nel determinare la temperatura PWHT per il proprio acciaio.

Microstruttura

Alcuni materiali richiedono un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per ottenere la resistenza e la duttilità desiderate. Il PWHT consiste nel riscaldare i manufatti saldati tra 580 e 620°C per 1 ora ogni 25 mm di spessore, al fine di rilassare le tensioni residue create durante la saldatura; ciò contribuisce a garantire una sufficiente resistenza alla trazione e all'impatto Charpy, nonché a ridurre il rischio di frattura.

La microscopia STEM è stata utilizzata per esaminare la struttura delle dislocazioni e l'alterazione dei carbonitruri MX a vari tempi di PWHT. Un campione saldato mostrava un'alta densità di dislocazioni gravemente aggrovigliate all'interno della matrice bainitica; in questa fase non si potevano distinguere strutture ordinate come reti di dislocazioni o confini subgrainici. Aumentando il tempo di PWHT, la densità di dislocazioni è diminuita in modo sostanziale; sono diventate evidenti nuove strutture ordinate come reti di dislocazioni o confini subgrainici, così come i carbonitruri di MX sono diventati più grossolani, il che ha ridotto il loro effetto di pinzaggio sulle dislocazioni, portando infine a rendere nuovamente visibili i confini subgrainici.

A tempi di PWHT di 8 e 16 ore, la morfologia del metallo saldato migliora con una minore densità di dislocazioni; tuttavia, la densità di dislocazioni rimane molto più elevata rispetto all'acciaio bonificato. Inoltre, i precipitati ai confini dei grani e dei sottogruppi si sono notevolmente accresciuti a causa della maturazione di Ostwald dei carbonitruri MX, portando a particelle più grandi ai confini dei grani/sottogruppi che all'interno dei grani stessi.

Sollievo dallo stress

Il PWHT degli acciai al carbonio e al carbonio-manganese è una fase essenziale dopo la saldatura per ridurre al minimo la frattura fragile. Questo processo prevede il riscaldamento dell'area di saldatura ad alte temperature per un periodo prolungato, quindi il raffreddamento. A temperature più elevate, la distribuzione delle sollecitazioni diventa più uniforme, riducendo così le tensioni residue, mentre il rinvenimento ammorbidisce le regioni microstrutturali dure del materiale di base che potrebbero altrimenti portare a cricche.

La saldatura introduce elevati livelli di tensioni residue nei metalli, in particolare nelle saldature più spesse. Se combinate con le sollecitazioni del carico di servizio, queste sollecitazioni residue possono causare una riduzione della tenacità alla frattura e della suscettibilità alla cricca da tensocorrosione (SCC). La PWHT serve ad alleviare queste tensioni residue e a migliorare le proprietà meccaniche del giunto da saldare.

La PWHT richiede di sottoporre le strutture a temperature elevate per lunghi tempi di mantenimento, il che può essere impegnativo e costoso per le strutture di grandi dimensioni. Per garantire un isolamento e un riscaldamento adeguati nell'area di saldatura, con una lettura accurata della temperatura da parte di un registratore/regolatore digitale.

Un PWHT non corretto può ridurre la resistenza del materiale. Inoltre, una velocità di raffreddamento inefficiente durante la PWHT può provocare distorsioni e ridurre la resistenza finale alla trazione.

La forza

Come già detto, i carichi di rottura e di snervamento dell'acciaio al carbonio tendono a diminuire con l'aumentare della temperatura; tuttavia, la sua duttilità (KJc) aumenta a causa del rinvenimento che produce componenti di martensite-austenite più grandi che migliorano la tenacità all'impatto.

Pertanto, è fondamentale che le condizioni di PWHT siano adattate non solo alle proprietà dell'acciaio consegnato, ma anche alle condizioni di servizio previste per il componente saldato. Pertanto, i produttori di acciaio devono tenerne conto quando determinano la temperatura di rinvenimento per i loro prodotti di laminazione.

I codici e gli standard di costruzione (come BS 1113 e ASME VIII ) spesso stabiliscono un limite inferiore per lo spessore PWHT. Questi limiti sono determinati sulla base dell'ipotesi che la resistenza alla trazione e allo snervamento rimangano entro parametri accettabili dopo la PWHT.

Naturalmente, questo non è sempre possibile ed è per questo che qualsiasi tubo o recipiente progettato per il servizio con idrogeno deve essere sottoposto a un trattamento termico post-saldatura (PWHT). Sia la temperatura che la durata devono essere scelte con cura per apportare i cambiamenti metallurgici desiderati, rispettando al contempo tutte le specifiche di codice/standard/contratto; è inoltre necessario richiedere la consulenza di esperti per quanto riguarda i tempi e le temperature specifiche per i tipi di acciaio al carbonio.