Qu’est-ce que le traitement thermique post-soudage (PWHT) ou la relaxation des contraintes ?

Traitement thermique post-soudage (PWHT) ou anti-stress

Le traitement thermique post-soudage (PWHT), ou également appelé soulagement des contraintes (SR) est une méthode pour réduire et redistribuer les contraintes résiduelles dans le matériau qui ont été introduites par le soudage.

Le traitement thermique post-soudage est un processus contrôlé en ce sens qu’un composant soudé (matériau soudé) est réchauffé dans un four ou un dispositif de chauffage localisé à une température inférieure à sa température de transformation critique inférieure (AC1), puis il est maintenu à cette température pendant une durée spécifiée. quantité de temps. Ceci est suivi d’un refroidissement lent et contrôlé dans le four.

Pourquoi un traitement thermique post-soudage ou PWHT est-il nécessaire ?

Le développement de contraintes résiduelles approchant voire dépassant la limite d’élasticité est possible lors du soudage de sections épaisses. Pour certains secteurs industriels, par ex. Pétrochimie, Chimie, Pétrole et Gaz, etc. l’existence de contraintes résiduelles de cette ampleur est totalement inacceptable. Avec des équipements sous pression fonctionnant à 200 °C et en dessous, une variété de mécanismes de fissuration par corrosion sous contrainte sous le terme général de « fissuration environnementale » deviennent courants.
Il y a aussi le problème de la fatigue à considérer et l’effet que les contraintes de traction résiduelles ont à cet égard.

Effet du traitement thermique post-soudage ou PWHT sur le matériau

Effet tempérant du PWHT

Le traitement thermique post-soudage entraînera généralement une modification de la microstructure à la fois du métal fondu et de la zone affectée thermiquement. À l’exception des matériaux 9Cr1Mo et 12Cr1MoV, la microstructure de tous les autres matériaux doit contenir un mélange de ferrite et de fer ou de carbure d’alliage. L’effet d’un traitement thermique post-soudage de courte durée (1 à 2 heures) sur le carbure est généralement bénéfique, tandis que des durées plus longues entraînent une réduction de la ténacité due aux effets de sphéroïdisation . La microstructure normale du parent, de la soudure et de la ZAT pour les matériaux 9Cr1Mo et 12Cr1MoV est la martensite, et le traitement thermique post-soudure est absolument essentiel dans ces matériaux pour tempérer la phase martensitique.

Effet PWHT sur les propriétés mécaniques

En règle générale, les effets du traitement thermique post-soudage sont les suivants par rapport à l’état brut de soudage dans un matériau :
1. La limite d’élasticité est légèrement diminuée, l’effet diminuant assez rapidement avec le temps.
2. La résistance à la traction est diminuée.
3. La ductilité est augmentée.
4. Les niveaux de dureté sont réduits.
5. La ténacité est légèrement réduite sur de courtes périodes, mais l’effet peut être significatif sur des périodes plus longues.

Effet PWHT sur les propriétés de fluage

Pour les matériaux résistant au fluage, un traitement thermique post-soudage est nécessaire afin de développer pleinement la résistance au fluage. Cela est particulièrement vrai pour les composants plus épais tels que les en-têtes. Ces dernières années, il y a eu une tendance à autoriser la suppression de l’étape de traitement thermique post-soudage pour les matériaux plus minces utilisés généralement pour les serpentins de surchauffeur et de surchauffeur dans l’industrie de la production d’électricité, mais diverses conditions doivent être remplies.

Avantages du traitement thermique post-soudage ou du soulagement des contraintes (SR)

1. Amélioration de la diffusion de l’hydrogène hors du métal
fondu 2. Adoucissement de la zone affectée thermiquement et donc amélioration de la ténacité (mais pas de la ténacité du métal soudé)
3. Amélioration de la stabilité dimensionnelle pendant l’usinage.
4. Amélioration de la ductilité.
5. Amélioration de la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte.
6. Réduire les effets du travail à froid.

Différence entre le post-chauffage et la revitalisation du stress

Qu’est-ce que le post-chauffage

  • La fissuration induite par l’hydrogène (HIC)  se produit souvent lorsque des niveaux élevés d’hydrogène ambiant pénètrent dans un matériau pendant le soudage. En chauffant le matériau après le soudage, il est possible de diffuser l’hydrogène de la zone soudée, empêchant ainsi la fissuration induite par l’hydrogène. Ce processus est connu sous le nom de post-chauffage et doit commencer immédiatement après la fin de la soudure. au lieu d’être laissé refroidir à température ambiante, le matériau doit être chauffé à une température prédéfinie en fonction du type de matériau et de l’épaisseur du matériau. Il doit être maintenu à cette température pendant un certain nombre d’heures dépendant de l’épaisseur du matériau permettant ainsi à l’hydrogène de diffuser. Comme le chauffage est effectué après le soudage, on parle de post-chauffage en soudage.

Déstressant

  • Au moment où le soudage est terminé, en raison de l’effet des cycles thermiques de soudage dans le matériau, le processus de soudage peut laisser des contraintes résiduelles élevées dans le matériau, ce qui peut entraîner un potentiel accru de corrosion sous contrainte et de fissuration induite par l’hydrogène. PWHT peut être utilisé pour libérer ces contraintes résiduelles et réduire ce potentiel. Ce processus consiste à chauffer le matériau à une température spécifique, puis à le refroidir progressivement, c’est ce qu’on appelle le soulagement du stress.

Comment effectuer le traitement thermique post-soudage (PWHT)

La plupart des exigences relatives au traitement thermique post-soudage se trouvent dans la norme de fabrication selon laquelle le récipient ou d’autres pièces structurelles sont construits. Par exemple, AWS D1.1 pour les pièces structurelles, ASME Section VIII pour les appareils sous pression et ASME B31.3 pour la tuyauterie. Différentes techniques sont utilisées pour effectuer le PWHT, comme expliqué plus loin dans cet article.

Four fixe PWHT

Cette méthode est traditionnelle et bien connue de la plupart des gens de l’industrie de la fabrication. Un
four fixe est généralement constitué d’un boîtier rectangulaire en matériaux résistant à la chaleur dans lequel sont noyés des résistances électriques. Des portes s’ouvrent à chaque extrémité et un bogie roulant permet le chargement et le déchargement de la charge. Les fours tels que ceux-ci sont souvent capables de chauffer jusqu’à 1200°C et peuvent normaliser et recuire ainsi que soulager les contraintes. Certains fours fonctionnent au gaz, avec deux ou même quatre buses à chaque extrémité.
Les fours fixes ont tendance à être volumineux et coûteux à exploiter. Ils ont souvent des thermocouples fixes qui mesurent la température de l’atmosphère du four et non la
température de l’article à traiter thermiquement. Ceci est généralement satisfaisant jusqu’à environ 300°C, mais au-delà, des thermocouples physiquement attachés à l’article doivent prendre en charge à la fois le contrôle de la température et la mesure de la température. De tels fours doivent être équipés de contrôleurs/enregistreurs de température correctement calibrés avec au moins 12 points d’enregistrement. Des précautions doivent être prises lors du refroidissement après le traitement thermique post-soudage. La plupart des codes de fabrication spécifient une vitesse de refroidissement contrôlée jusqu’à ce qu’une certaine température soit atteinte (généralement 300 à 400 °C selon l’épaisseur), il est donc normal de contrôler le refroidissement dans
le four avant d’ouvrir les portes.

Four temporaire

Ceux-ci sont construits sur mesure autour d’un navire, plutôt que de transporter un navire vers un four fixe. L’idée est de minimiser l’espace d’air entre la cuve et les parois du four, et ils permettent un chauffage et un refroidissement plus rapides. La structure de base du four doit être une tuyauterie résistante au fluage (si les tuyaux doivent être continuellement réutilisés) avec des matériaux résistants à la chaleur qui y sont attachés. Le chauffage peut se faire par des tapis chauffants résistants placés sur un sol en béton ou par des brûleurs à gaz placés à chaque extrémité. Dans le cas des brûleurs à gaz, des précautions doivent être prises pour éviter tout impact direct de la flamme sur le récipient. Le contrôle de la température se fait à nouveau par un enregistreur/contrôleur à 12 points, mais les thermocouples d’atmosphère ne sont généralement pas utilisés. Les mêmes restrictions de taux de chauffage et de refroidissement s’appliquent que pour les fournaises fixes.

PWHT utilisant le tir interne

Des récipients de dimensions et d’un agencement d’ouvertures appropriés peuvent être soumis à un traitement thermique post-soudage par chauffage au gaz à travers des buses ou des trous d’homme. Les trous d’homme sont suffisamment grands pour accueillir les brûleurs à gaz, mais il faut faire attention au diamètre et à la position des buses et demander l’avis d’experts. Il faut également veiller à placer des plaques déflectrices à l’intérieur de la cuve et en face des points d’entrée du brûleur pour éviter un impact direct de la flamme sur la coque. Il n’est pas conseillé de post-souder les récipients de traitement thermique qui contiennent des éléments internes de cette manière.
L’extérieur du récipient doit être complètement recouvert d’un matériau isolant, et encore une fois, au moins un enregistreur de température à 12 points est conseillé.

PWHT utilisant le chauffage local ou PWHT localisé

Les cordons de soudure circonférentiels peuvent être soumis à un traitement thermique post-soudage en chauffant une bande autour de la soudure. Bien que cela ne soit pas spécifiquement indiqué, un tel chauffage est essentiellement limité au chauffage par résistance ou par induction, principalement en raison des contrôles requis sur la largeur de bande chauffée, la largeur d’isolation et les exigences de mesure de la température. L’utilisation de brûleurs annulaires à gaz et d’autres méthodes doit être soigneusement documentée, proposée au client et acceptée avant d’être envisagée pour une utilisation.


Les restrictions typiques sur la largeur de la bande chauffée dans les normes AS 4458 et EN 13445
impliquent l’utilisation d’une formule, c’est-à-dire. 5(Rt s )½
où la soudure est au centre et :
R = rayon intérieur de la virole, en mm
s = épaisseur nominale de la virole, en mm


Cela signifie qu’avec un récipient d’un diamètre intérieur de 2 mètres et d’une épaisseur de paroi de 50 mm,
la largeur minimale de la bande chauffée serait :
5 x (1000 x 50)½ = 1118 mm
ou 560 mm de chaque côté de la soudure.

En plus de cela, il est recommandé que la largeur de la bande isolée soit de 10 (Rts)½, ce qui
dans l’exemple ci-dessus serait de 2236 mm. Cela permet de s’assurer que le gradient de température de la partie voisine de la bande chauffée n’est pas préjudiciable. Il peut y avoir d’autres restrictions ou des formules différentes impliquées, et le Code pertinent doit être vérifié.

Traitement thermique post-soudage partiel

Il y a des occasions, par exemple avec des récipients très longs, où le récipient entier ne
rentre pas dans un four fixe. Cela a été pris en compte dans la plupart des normes, et il est permis de post-souder la section de traitement thermique du récipient en premier, puis de retourner le récipient et de traiter thermiquement la section restante. Comme pour le chauffage local, il existe dans ce cas également des restrictions sur le degré de chevauchement et le gradient de température longitudinal.
En règle générale, il existe de meilleures façons de post-souder les récipients de traitement thermique que d’utiliser cette méthode partielle.

Taux de chauffage et de refroidissement en PWHT

Celles-ci sont spécifiées dans la plupart des normes de construction et sont raisonnablement similaires. Par exemple, selon la section ASME Ⅲ NX-4623, au-dessus de 800°F (425℃), le taux de chauffage et de refroidissement dans un intervalle horaire ne doit pas dépasser 400°F (222℃) divisé par l’épaisseur maximale en pouces du matériau étant traité thermiquement, mais ne doit pas dépasser 400°F (222℃) et ne doit pas être inférieur à 100°F (56℃) dans un intervalle horaire.

Selon ASME Sec VIII Div. 1 taux de code de chauffage/refroidissement qui est mentionné dans l’UCS56 comme ci-dessous « Les taux de chauffage et de refroidissement ne doivent pas être inférieurs à 56 °C/h. Cependant, dans tous les cas, la prise en compte de chambres fermées et de structures complexes peut indiquer un taux de chauffage et de refroidissement réduit pour éviter les dommages structurels dus à un gradient thermique excessif.