Trattamento termico in cantiere sui giunti saldati di tubi in Hastelloy: perché il trattamento termico post-saldatura locale è raramente necessario e quando è obbligatorio

Trattamento termico in cantiere sui giunti saldati di tubi in Hastelloy: perché il trattamento termico post-saldatura locale è raramente necessario e quando è obbligatorio

Se hai lavorato con tubazioni in acciaio al carbonio o in acciaio a bassa lega, sai che il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è una prassi consolidata: esso allevia le tensioni residue, tempra le microstrutture dure e previene la fessurazione da idrogeno. Pertanto, passando all’Hastelloy (C-276, C-22, B-3, ecc.), potresti ritenere che il PWHT sia altrettanto importante. Non è così.

In realtà, il PWHT locale dei giunti saldati di tubazioni in Hastelloy in cantiere è raramente necessario – e, se eseguito in modo scorretto, può effettivamente compromettere la resistenza alla corrosione della lega. Tuttavia, esistono circostanze specifiche e particolari in cui il trattamento termico post-saldatura (PWHT) diventa obbligatorio. Questo articolo spiega perché, in generale, gli acciai Hastelloy evitano il PWHT, quando non è possibile evitarlo e come eseguire correttamente il trattamento termico locale in cantiere.

Perché le saldature su Hastelloy di norma non richiedono il PWHT

A differenza degli acciai ferritici e martensitici, le leghe di nichel a soluzione solida come l’Hastelloy C-276 non subiscono una trasformazione di fase al raffreddamento. Non presentano problemi di temprabilità e non sono soggette a fessurazione indotta dall’idrogeno (tranne che in condizioni acide molto specifiche). Ancora più importante:

• Nessuna formazione di martensite – Il raffreddamento rapido dopo la saldatura non produce una struttura fragile e sensibile alle fessurazioni.

• Elevata duttilità nella condizione as-saldato – Il metallo d’apporto e la zona termicamente influenzata (HAZ) di un’acciaio C-276 saldato correttamente presentano allungamenti del 20–30%.

• La sensibilizzazione ai carburi non è la stessa – Mentre l'acciaio inossidabile della serie 300 richiede un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per evitare la precipitazione di carburi di cromo, l'Hastelloy C‑276 ha un contenuto di carbonio basso (≤0,01 %) e forma carburi meno dannosi. La sua sensibilizzazione (fase mu) avviene a temperature comprese tra 600 e 1000 °C, ma un PWHT di distensione richiederebbe un riscaldamento nella stessa gamma di temperature, esattamente ciò che si intende evitare.

Punto chiave: Eseguire un PWHT di distensione sull'Hastelloy C‑276 a una temperatura compresa tra 500 e 700 °C provocherebbe in realtà causa la precipitazione della fase mu e ridurrebbe la resistenza alla corrosione. Questa lega è progettata per essere utilizzata nello stato ricotto in soluzione o nello stato come saldato.

Accettazione normativa dell'Hastelloy nello stato come saldato

• ASME B31.3 (Tubazioni per processi) – La Tabella 331.1.1 elenca i materiali che richiedono il PWHT in base allo spessore e al numero di gruppo. L'Hastelloy C‑276 (gruppo 45) non presenta alcun obbligo di PWHT indipendentemente dallo spessore della parete, a meno che le condizioni di servizio (ad es. servizio letale) o il proprietario non lo richiedano espressamente.

• ASME Sezione VIII Div. 1 – Nessun trattamento termico post-saldatura (PWHT) obbligatorio per leghe austenitiche e leghe a base di nichel (UHA‑34). Tuttavia, se il materiale è stato lavorato a freddo durante la fabbricazione, potrebbe essere necessario un ricottura di solubilizzazione per ripristinare le proprietà.

Quando il trattamento termico post-saldatura (PWHT) o la ricottura di solubilizzazione sono effettivamente richiesti?

Esistono cinque scenari in cui il trattamento termico delle saldature su tubi in Hastelloy diventa obbligatorio. Si noti che nella maggior parte dei casi è richiesta una ricottura completa di solubilizzazione , non un semplice distensionamento.

1. Formatura a freddo severa (piegatura, espansione) senza successiva ricottura

Se un tubo in Hastelloy viene piegato a freddo con un raggio stretto (deformazione > 10–15%), la zona deformata a freddo può presentare una duttilità ridotta e un aumento della durezza. I codici possono richiedere una ricottura completa di solubilizzazione dopo la formatura a freddo.

Esempio: ASME B31.3 par. 332.2.2 stabilisce che, per le leghe a base di nichel, deformazioni superiori al 5% indotte da formatura a freddo possono richiedere un trattamento termico per ripristinare le proprietà. Per l’Hastelloy, la ricottura di solubilizzazione va eseguita a 1120–1180 °C seguita da tempra in acqua.

2. Servizio letale o servizio ciclico severo

Alcune specifiche del proprietario richiedono il trattamento termico post-saldatura (PWHT) per tutte le saldature di recipienti a pressione e tubazioni, indipendentemente dal materiale, quando il fluido è letale (ad esempio, fosgene, acido fluoridrico). In questi casi, l’obiettivo è eliminare qualsiasi tensione residua di trazione che potrebbe contribuire alla corrosione sotto sforzo (SCC). Anche se l’Hastelloy è altamente resistente alla SCC, il proprietario potrebbe comunque imporre un PWHT di distensione delle tensioni; tuttavia, ciò è raro e deve essere qualificato.

3. Saldature tra metalli dissimili (Hastelloy e acciaio al carbonio)

Quando si salda l’Hastelloy all’acciaio al carbonio utilizzando un materiale d’apporto a base di nichel (ad esempio, ERNiCrMo‑4), il lato in acciaio al carbonio presenta una zona termicamente alterata che può risultare dura e suscettibile alla fessurazione da idrogeno. Il PWHT dell’acciaio al carbonio (tipicamente 620–650 °C) è obbligatorio qualora lo spessore dell’acciaio superi i limiti previsti dai codici. Tuttavia, questa temperatura rientra nella gamma pericolosa per l’Hastelloy (precipitazione della fase mu). La soluzione consiste nell’applicare un pWHT localizzato che riscalda solo il lato in acciaio al carbonio, mantenendo l'Hastelloy al di sotto dei 400 °C – una tecnica difficile ma possibile.

4. Alcune leghe della famiglia Hastelloy – B‑3 e B‑2

Hastelloy B‑3 (UNS N10675) è una lega nichel-molibdeno per ambienti acidi riducenti. È più soggetta alla precipitazione di carburi e all’attacco intergranulare rispetto alla C‑276. Per la B‑3, il produttore (Haynes International) raccomanda la ricottura di soluzione dopo la saldatura per ottenere la massima resistenza alla corrosione, in particolare in servizi chimici aggressivi. Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) in cantiere per la B‑3 è raramente praticabile, pertanto la maggior parte delle saldature su B‑3 viene eseguita in officina, dove è possibile effettuare una ricottura completa in forno.

5. Prevalenza delle norme o delle specifiche del cliente

Occasionalmente, un ingegnere o un cliente potrebbe prescrivere il trattamento termico post-saldatura (PWHT) per tutte le saldature in «lega ad alto contenuto di leganti» o in «lega di nichel», per eccesso di cautela. Se questa prescrizione compare nelle specifiche del vostro progetto, dovrete rispettarla; tuttavia, è opportuno obiettare fornendo una giustificazione tecnica. Qualora il PWHT risulti inevitabile, dovrete eseguire una procedura qualificata in grado di evitare la sensibilizzazione (vedi sezione successiva).

Il pericolo del PWHT convenzionale su Hastelloy

Nocivo nocivi per la maggior parte delle leghe Hastelloy. Gli effetti sono i seguenti:

Conclusioni: Se si applica un mantenimento a 620 °C su una saldatura in Hastelloy C-276, si riduce la sua resistenza alla corrosione da punta (pitting) da un valore PREN di circa 60 a un valore PREN di circa 30, rendendola non migliore dell’acciaio inossidabile 316L.

Esecuzione corretta del trattamento termico post-saldatura locale – Il caso raro

Se è necessario eseguire il trattamento termico post-saldatura (ad esempio per una saldatura tra metalli dissimili o per richiesta del committente), seguire rigorosamente queste linee guida per evitare danni all’Hastelloy.

Passo 1 – Determinare la temperatura richiesta per il trattamento termico post-saldatura

• Per solo alleviamento delle sollecitazioni (non ricottura completa di distensione) – Mantenere la temperatura inferiore a 400 °C . Questo non ha alcun effetto sulle sollecitazioni residue, ma neppure su precipitazioni dannose. Alcuni codici accettano questa procedura come "distensione a bassa temperatura".

• Per una ricottura completa di solubilizzazione – Riscaldare a 1120–1180 °C, mantenere a temperatura per 1 ora ogni 25 mm di spessore, quindi raffreddare in acqua. Questa operazione è raramente possibile in cantiere a causa della necessità di un forno o di una grande bobina ad induzione con sistema di raffreddamento.

Per saldature eterogenee (Hastelloy con acciaio al carbonio), l'acciaio al carbonio richiede una temperatura di 620–650 °C. È necessario proteggere l'Hastelloy mediante:

• Utilizzando un zona di gradiente termico – riscaldando solo il lato in acciaio mentre si raffredda il lato in Hastelloy con acqua o aria compressa.

• Mantenendo in ogni momento la temperatura dell'Hastelloy al di sotto di 400 °C.

• Monitoraggio con almeno quattro termocoppie (due su ciascun lato del giunto saldato).

Passo 2 – Utilizzo di attrezzature adeguate per il riscaldamento e il raffreddamento

• Riscaldamento: Il riscaldamento a induzione fornisce un controllo preciso e localizzato. Anche il riscaldamento a resistenza (con piastre ceramiche) è accettabile, purché sia possibile mantenere i gradienti di temperatura.

• Raffreddamento: Per la ricottura di solubilizzazione è necessario il raffreddamento rapido in acqua, operazione impossibile nella maggior parte dei giunti saldati in opera. Per la distensione meccanica a temperature inferiori a 400 °C, il raffreddamento all’aria è sufficiente.

Passo 3 – Qualifica mediante prove di corrosione

Prima di eseguire il trattamento termico post-saldatura (PWHT) in opera su un giunto saldato produttivo, qualificare la procedura su un provino. Eseguire la prova ASTM G28 Metodo A (prova con soluzione di solfato ferrico–acido solforico) sui campioni allo stato saldato e dopo PWHT. Criterio di accettazione: velocità di corrosione ≤ 0,5 mm/anno. Se il campione sottoposto a PWHT non soddisfa tale requisito, la procedura non può essere utilizzata.

Passo 4 – Documentazione completa

Registrare i diagrammi tempo–temperatura, le posizioni delle termocoppie, il metodo di raffreddamento e i risultati delle prove di corrosione. Tale documentazione è obbligatoria ai fini della conformità alle norme.

Linee guida pratiche: quando rifiutare il PWHT

Se un cliente o un ispettore richiede il trattamento termico post-saldatura (PWHT) di una saldatura su tubo in Hastelloy C‑276, porre le seguenti domande:

1. Qual è la specifica clausola del codice che richiede il PWHT? (ASME B31.3 non lo richiede. Neppure ASME Sezione VIII lo prevede per le leghe di nichel a soluzione solida.)

2. Qual è il beneficio atteso? (Alleviamento delle tensioni residue? L’Hastelloy presenta un’elevata resistenza alla corrosione sotto sforzo (SCC). Fessurazione da idrogeno? Non rappresenta un rischio con tecniche di saldatura a basso contenuto di idrogeno.)

3. È consapevole che il classico trattamento di alleviamento delle tensioni (600 °C) provoca la formazione della fase mu, compromettendo irrimediabilmente la resistenza alla corrosione?

4. Il cliente accetterà un trattamento di alleviamento delle tensioni a bassa temperatura (< 400 °C), privo di benefici effettivi, oppure un ricottura completa (≥ 1120 °C) con tempra in acqua – operazione impraticabile sul campo?

In quasi tutti i casi, la risposta corretta è: Nessun PWHT richiesto. Utilizzare la procedura di saldatura qualificata nella condizione ‘come saldata’.

Tabella: Requisiti di trattamento termico per le principali leghe Hastelloy

Riepilogo: Flusso decisionale per il trattamento termico in campo

Inizio: Saldatura di tubi in Hastelloy in campo.

Domanda 1: Il servizio è letale, soggetto a cicli severi o le specifiche del proprietario richiedono il trattamento termico post-saldatura (PWHT)?

• No → Procedere con la saldatura così com'è. Fatto.

• Sì → Passare alla Domanda 2.

Domanda 2: L’annealing completo in soluzione (≥1120 °C + tempra in acqua) è praticabile in campo?

• Sì (ad es. forno a induzione portatile con anello di tempra) → Eseguire l’annealing in soluzione qualificato. Eseguire le prove secondo ASTM G28.

• No → Negoziazione con il proprietario per accettare la saldatura così com’è oppure un trattamento di “distensione” a bassa temperatura (<400 °C), con la consapevolezza che tale trattamento non fornisce alcun beneficio.

Domanda 3: La saldatura è un giunto tra metalli dissimili (Hastelloy e acciaio al carbonio), per il quale il lato in acciaio richiede il trattamento termico post-saldatura (PWHT)?

• Sì → Utilizzare un riscaldamento graduale per mantenere l’Hastelloy al di sotto dei 400 °C mentre si riscalda l’acciaio a 620–650 °C. Qualificare mediante termocoppie.

• No → Ritornare allo stato come saldato.

Parere Finale

I giunti saldati di tubi in Hastelloy sono tra i più tolleranti del settore: non richiedono un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per la distensione, e infatti un PWHT convenzionale a 600–900 °C ne distrugge la resistenza alla corrosione. L’unico trattamento termico corretto per questa famiglia di leghe è un ricottura completa in soluzione a temperatura superiore a 1100 °C, seguita da una tempra rapida, operazione raramente praticabile in cantiere.

Se vi viene richiesto di eseguire un PWHT su Hastelloy C‑276 o C‑22, contestate tale richiesta in modo educato ma fermo. Fornite le evidenze tecniche. Nei rari casi in cui il trattamento termico risulti inevitabile (lega B‑3, lavorazione a freddo severa o imposizione del committente), qualificate la procedura mediante prove di corrosione e adottate un controllo rigoroso della temperatura per evitare l’intervallo di temperature pericolose per la precipitazione.