Traitement thermique sur site des soudures de tubes Hastelloy : Pourquoi le traitement thermique post-soudage local est rarement nécessaire et dans quels cas il est obligatoire

Traitement thermique sur site des soudures de tubes Hastelloy : Pourquoi le traitement thermique post-soudage local est rarement nécessaire et dans quels cas il est obligatoire

Si vous avez déjà travaillé avec des tuyaux en acier au carbone ou en acier faiblement allié, vous savez que le traitement thermique après soudage (TRP) est une pratique courante : il permet de soulager les contraintes résiduelles, d’adoucir les microstructures dures et de prévenir la fissuration à l’hydrogène. Ainsi, lorsque vous passez à l’Hastelloy (C‑276, C‑22, B‑3, etc.), vous pourriez supposer que le TRP revêt une importance tout aussi grande. Ce n’est pas le cas.

En fait, le TRP local des soudures de tuyaux en Hastelloy sur site est rarement nécessaire – et, si elle est effectuée de manière incorrecte, elle peut en réalité nuire à la résistance à la corrosion de l’alliage. Toutefois, il existe des circonstances spécifiques et inhabituelles où le traitement thermique post-soudage (PWHT) devient obligatoire. Cet article explique pourquoi le traitement thermique post-soudage est généralement évité avec les alliages Hastelloy, dans quels cas il est inévitable, et comment réaliser correctement un traitement thermique local sur site.

Pourquoi les soudures Hastelloy n’ont généralement pas besoin d’un traitement thermique post-soudage

Contrairement aux aciers ferritiques et martensitiques, les alliages de nickel à solution solide, tels que l’Hastelloy C-276, ne subissent aucune transformation de phase lors du refroidissement. Ils ne présentent aucun problème de trempabilité et ne sont pas sensibles à la fissuration induite par l’hydrogène (sauf dans des conditions acides très spécifiques). Plus important encore :

• Aucune formation de martensite – Le refroidissement rapide après soudage ne produit pas une structure fragile et sensible aux fissures.

• Ductilité élevée à l’état soudé – Le métal déposé et la zone affectée thermiquement (ZAT) d’un alliage C-276 correctement soudé présentent des allongements de 20 à 30 %.

• La sensibilisation aux carbures n’est pas identique – Alors que les aciers inoxydables de la série 300 nécessitent un traitement thermique post-soudage (PWHT) afin d’éviter la précipitation de carbures de chrome, le Hastelloy C‑276 possède une teneur en carbone faible (≤ 0,01 %) et forme des carbures moins préjudiciables. Sa sensibilisation (phase mu) intervient entre 600 et 1000 °C, mais un PWHT impliquerait un réchauffage dans cette plage de température – ce qui est précisément ce qu’il faut éviter.

Point clé : Effectuer un PWHT de détente des contraintes sur le C‑276 à une température comprise entre 500 et 700 °C provoquerait en réalité cause de décès une précipitation de la phase mu et réduirait la résistance à la corrosion. Cet alliage est conçu pour être utilisé à l’état recuit à chaud ou à l’état après soudage.

Acceptation réglementaire du Hastelloy à l’état après soudage

• ASME B31.3 (Tuyauteries industrielles) – Le tableau 331.1.1 énumère les matériaux nécessitant un PWHT en fonction de leur épaisseur et de leur numéro de groupe. Le Hastelloy C‑276 (groupe 45) ne comporte aucune exigence obligatoire de PWHT quelle que soit l’épaisseur de paroi, sauf si les conditions de service (par exemple, service mortel) ou le maître d’ouvrage l’exigent.

• ASME Section VIII Div. 1 – Aucun traitement thermique post-soudage (PWHT) obligatoire pour les aciers austénitiques et les alliages de nickel (UHA‑34). Toutefois, si le matériau a subi une déformation à froid pendant la fabrication, un recuit de solution peut être requis afin de restaurer ses propriétés.

Lorsque le traitement thermique post-soudage (PWHT) ou le recuit de solution est‑il réellement requis ?

Il existe cinq scénarios dans lesquels le traitement thermique des soudures de tubes en Hastelloy devient obligatoire. Notez que la plupart d’entre eux impliquent un recuit de solution complet , et non un simple relâchement des contraintes.

1. Formage à froid sévère (cintrage, expansion) sans recuit ultérieur

Si un tube en Hastelloy est cintré à froid avec un rayon serré (déformation > 10–15 %), la zone déformée à froid peut présenter une ductilité réduite et une dureté accrue. Les normes peuvent exiger un recuit de solution complet après le formage à froid.

Exemple : L’ASME B31.3, paragraphe 332.2.2, stipule que les déformations à froid supérieures à 5 % dans les alliages de nickel peuvent nécessiter un traitement thermique afin de restaurer les propriétés. Pour l’Hastelloy, appliquer un recuit de solution à 1120–1180 °C suivi d’une trempe à l’eau.

2. Service létal ou service cyclique sévère

Certaines spécifications des propriétaires exigent un traitement thermique post-soudage (PWHT) pour toutes les soudures de récipients sous pression et de canalisations, quel que soit le matériau, lorsque le fluide est toxique (par exemple, le phosgène ou l’acide fluorhydrique). Dans ces cas, l’objectif est d’éliminer toute contrainte résiduelle de traction susceptible de contribuer à la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC). Même si l’alliage Hastelloy présente une très forte résistance à la FCC, les propriétaires peuvent néanmoins exiger un PWHT de détente des contraintes ; toutefois, cette exigence est rare et doit faire l’objet d’une qualification.

3. Soudures entre métaux dissimilaires (Hastelloy et acier au carbone)

Lors de la soudure d’un alliage Hastelloy sur de l’acier au carbone à l’aide d’une baguette d’apport à base de nickel (par exemple, ERNiCrMo‑4), la zone affectée thermiquement côté acier au carbone peut présenter une dureté élevée et être sensible à la fissuration à l’hydrogène. Un traitement thermique post-soudage (PWHT) de l’acier au carbone (généralement entre 620 et 650 °C) est requis si l’épaisseur de l’acier dépasse les limites prescrites par le code. Or, cette plage de température se situe dans la zone critique pour l’alliage Hastelloy (précipitation de la phase mu). La solution consiste à appliquer un pWHT localisé qui ne chauffe que le côté en acier au carbone, maintenant ainsi l’alliage Hastelloy en dessous de 400 °C – une technique difficile, mais réalisable.

4. Certains alliages de la famille Hastelloy – B‑3 et B‑2

L’alliage Hastelloy B‑3 (UNS N10675) est un alliage nickel-molybdène destiné aux milieux acides réducteurs. Il est plus sensible à la précipitation de carbures et à la corrosion intergranulaire que le C‑276. Pour le B‑3, le fabricant (Haynes International) recommande le recuit de solution après soudage afin d’obtenir une résistance maximale à la corrosion, notamment dans des services chimiques sévères. Le traitement thermique post-soudage (PWHT) sur site du B‑3 est rarement pratique ; la plupart des soudures en B‑3 sont donc réalisées en atelier, où un recuit complet en four est possible.

5. Précédence des normes ou des spécifications client

Parfois, un ingénieur ou un client exigera le traitement thermique post-soudage (PWHT) pour toutes les soudures en « alliage hautement allié » ou en « alliage de nickel », par simple mesure de précaution. Si cette exigence figure dans la spécification de votre projet, vous devez la respecter — toutefois, vous devriez contester cette exigence en fournissant une justification technique. Si le PWHT est inévitable, vous devez appliquer une procédure qualifiée permettant d’éviter la sensibilisation (voir la section suivante).

Le danger du PWHT conventionnel sur les alliages Hastelloy

Nuisible à la plupart des nuances d’Hastelloy. Les effets sont les suivants : nuisibles effets :

Conclusion : Si vous appliquez une trempe à 620 °C sur une soudure en Hastelloy C-276, vous réduirez sa résistance à la corrosion localisée (PREN) de ~60 à ~30, ce qui la rendra au mieux équivalente à l’acier inoxydable 316L.

Réaliser correctement un traitement thermique post-soudage local – le cas rare

Si vous devez absolument effectuer un traitement thermique post-soudage (par exemple pour une soudure entre métaux dissimilaires ou sur exigence du maître d’ouvrage), suivez strictement les directives ci-dessous afin d’éviter d’endommager l’Hastelloy.

Étape 1 – Déterminer la température requise pour le traitement thermique post-soudage

• Pour détente des contraintes uniquement (pas de recuit complet de détente) – Maintenir la température en dessous de 400 °C . Cela n’a aucun effet sur les contraintes résiduelles, mais ne provoque non plus de précipitation nocive. Certaines normes acceptent cette opération comme une « détente à basse température ».

• Pour un recuit de solution complet – Chauffer à 1120–1180 °C, maintenir à cette température pendant 1 heure par 25 mm d’épaisseur, puis tremper à l’eau. Cette méthode est rarement réalisable sur site en raison de la nécessité d’un four ou d’une grande bobine à induction équipée d’un système de trempe.

Pour soudures hétérogènes (Hastelloy sur acier au carbone), l’acier au carbone nécessite un traitement à 620–650 °C. Vous devez protéger l’Hastelloy en :

• Utilisation d'un bande de gradient – chauffant uniquement le côté acier tout en refroidissant le côté Hastelloy à l’eau ou à l’air comprimé.

• Garder la température de l’Hastelloy en permanence inférieure à 400 °C.

• Surveillance à l’aide d’au moins quatre thermocouples (deux de chaque côté de la soudure).

Étape 2 – Utiliser des équipements adéquats pour le chauffage et le refroidissement

• Chauffage : Le chauffage par induction offre un contrôle précis et localisé. Le chauffage par résistance (plaques céramiques) est également acceptable, à condition de pouvoir maintenir les gradients de température.

• Refroidissement : Pour le recuit de solution, un trempe à l’eau est requise – ce qui est impossible dans la plupart des cas de soudage sur site. Pour le traitement de relaxation des contraintes en dessous de 400 °C, un refroidissement à l’air est acceptable.

Étape 3 – Qualification par essai de corrosion

Avant d’appliquer un traitement thermique post-soudage (PWHT) sur site à une soudure en production, il faut qualifier la procédure sur un échantillon représentatif. Réaliser l’essai ASTM G28 Méthode A (essai à l’acide sulfurique et sulfate ferrique) sur les échantillons à l’état soudé et après PWHT. Critère d’acceptation : vitesse de corrosion ≤ 0,5 mm/an. Si l’échantillon soumis au PWHT ne satisfait pas ce critère, la procédure concernée ne peut pas être utilisée.

Étape 4 – Documenter intégralement toutes les opérations

Enregistrer les courbes temps-température, les emplacements des thermocouples, la méthode de refroidissement ainsi que les résultats des essais de corrosion. Cette documentation est obligatoire pour assurer la conformité aux normes applicables.

Conseils pratiques : Quand refuser d’appliquer un traitement thermique post-soudage (PWHT)

Si un client ou un inspecteur demande un traitement thermique après soudage (PWHT) pour une soudure de tuyauterie en Hastelloy C‑276, posez‑lui les questions suivantes :

1. Quel est l’article spécifique du code qui exige le PWHT ? (L’ASME B31.3 ne l’exige pas. L’ASME Section VIII ne l’exige pas non plus pour les alliages de nickel à solution solide.)

2. Quel est l’avantage recherché ? (Relaxation des contraintes résiduelles ? L’Hastelloy présente une très forte résistance à la corrosion sous contrainte (CSC). Fragilisation à l’hydrogène ? Ce risque n’existe pas avec un procédé de soudage à faible teneur en hydrogène.)

3. Êtes‑vous conscient que le traitement conventionnel de relaxation des contraintes (600 °C) provoque la formation de la phase mu et détruit la résistance à la corrosion ?

4. Le client acceptera‑t‑il un traitement de relaxation des contraintes à basse température (< 400 °C), sans aucun bénéfice, ou un recuit complet (≥ 1120 °C) suivi d’une trempe à l’eau – ce qui est impraticable sur site ?

Dans presque tous les cas, la réponse correcte est la suivante : Aucun PWHT requis. Utilisez le mode opératoire de soudage (WPS) qualifié à l’état après soudage.

Tableau : Exigences en matière de traitement thermique pour les nuances courantes d’Hastelloy

Résumé : Arborescence décisionnelle pour le traitement thermique sur site

Début : Soudage sur site de tuyaux en Hastelloy.

Question 1 : Le service est-il mortel, soumis à des cycles sévères ou la spécification du propriétaire exige-t-elle un traitement thermique après soudage (PWHT) ?

• Non → Procéder sans traitement thermique après soudage. Opération terminée.

• Oui → Passer à la question 2.

Question 2 : Le recuit complet en solution (≥ 1120 °C + trempe à l’eau) est-il réalisable sur site ?

• Oui (par exemple, four à induction portable équipé d’un anneau de trempe) → Réaliser un recuit en solution qualifié. Effectuer les essais conformément à la norme ASTM G28.

• Non → Négocier avec le propriétaire afin qu’il accepte soit le joint sans traitement thermique après soudage, soit un « relâchement de contraintes » à basse température (< 400 °C), en précisant qu’il n’apporte aucun bénéfice.

Question 3 : Le joint soudé est-il un assemblage de métaux dissimilaires (Hastelloy sur acier au carbone) pour lequel le côté acier nécessite un traitement thermique après soudage (PWHT) ?

• Oui → Utiliser un chauffage par gradient afin de maintenir l’Hastelloy en dessous de 400 °C tout en chauffant l’acier à 620–650 °C. Qualifier la procédure à l’aide de thermocouples.

• Non → Retour à l’état après soudage.

Dernier mot

Les soudures de tuyaux en Hastelloy comptent parmi les plus tolérantes du secteur : elles ne nécessitent pas de traitement thermique post-soudage (PWHT) pour la relaxation des contraintes, et, en fait, un PWHT conventionnel à 600–900 °C détruit leur résistance à la corrosion. Le seul traitement thermique approprié pour cette famille d’alliages est un recuit complet en solution à une température supérieure à 1100 °C suivi d’une trempe rapide, opération rarement réalisable sur site.

Si l’on vous demande d’effectuer un traitement thermique post-soudage (PWHT) sur de l’Hastelloy C‑276 ou C‑22, remettez poliment mais fermement en question cette exigence. Fournissez les éléments techniques justificatifs. Dans les rares cas où un traitement thermique s’avère inévitable (alliage B‑3, travail à froid sévère ou obligation imposée par le maître d’ouvrage), qualifiez la procédure par des essais de corrosion et appliquez un contrôle strict de la température afin d’éviter la plage critique de précipitation.