Tratamentul termic în condiții de teren al sudurilor din țevi Hastelloy: De ce tratamentul termic post-sudură local (PWHT) este rar necesar și când este obligatoriu

Tratamentul termic în condiții de teren al sudurilor din țevi Hastelloy: De ce tratamentul termic post-sudură local (PWHT) este rar necesar și când este obligatoriu

Dacă ați lucrat cu țevi din oțel carbon sau oțel slab aliat, știți că tratamentul termic post-sudură (PWHT) este rutinier – el elimină tensiunile reziduale, îmbunătățește structurile microscopice dure și previne fisurarea indusă de hidrogen. Așadar, atunci când treceți la utilizarea aliajelor Hastelloy (C‑276, C‑22, B‑3 etc.), vă puteți imagina că PWHT este la fel de important. Nu este.

De fapt, tratamentul termic post-sudură local (PWHT) al sudurilor tuburilor din Hastelloy în câmp este rar necesar – și, dacă este efectuată incorect, poate deteriora chiar rezistența la coroziune a aliajului. Totuși, există anumite circumstanțe specifice, neobișnuite, în care tratamentul termic post-sudură (PWHT) devine obligatoriu. Acest articol explică de ce, în general, aliajele Hastelloy nu necesită PWHT, când nu puteți evita aplicarea acestuia și cum să efectuați corect tratamentul termic local pe teren.

De ce sudurile din Hastelloy nu necesită, în mod obișnuit, PWHT

Spre deosebire de oțelurile feritice și martensitice, aliajele de nichel cu soluție solidă, precum Hastelloy C-276, nu suferă o transformare de fază la răcire. Acestea nu ridică probleme legate de capacitatea de călire și nu sunt predispuse la fisurarea indusă de hidrogen (cu excepția unor condiții acide foarte specifice). Mai important însă:

• Nu se formează martensită – Răcirea rapidă după sudare nu produce o structură fragilă și sensibilă la fisurare.

• Ductilitate ridicată imediat după sudare – Metalul depus și zona influențată termic (HAZ) ale unui sudură corect executată din C-276 au alungiri de 20–30%.

• Sensibilizarea la carboni nu este același lucru – Deși oțelul inoxidabil din seria 300 necesită tratamentul termic post-sudură (PWHT) pentru a evita precipitarea carburiilor de crom, aliajul Hastelloy C‑276 are un conținut scăzut de carbon (≤0,01 %) și formează carburi mai puțin dăunătoare. Sensibilizarea acestuia (faza mu) are loc la temperaturi între 600–1000 °C, dar aplicarea unui PWHT de reducere a tensiunilor ar implica reîncălzirea în această gamă de temperaturi – ceea ce tocmai trebuie evitat.

Punct important: Aplica unui PWHT de reducere a tensiunilor asupra aliajului C‑276 în intervalul 500–700 °C ar duce, de fapt, la provoca precipitarea fazei mu și la reducerea rezistenței la coroziune. Aliajul este conceput pentru a fi utilizat în starea de recoacere în soluție sau în starea imediat după sudare.

Acceptarea conform codurilor a aliajului Hastelloy în starea imediat după sudare

• ASME B31.3 (Instalații de conducte pentru procese) – Tabelul 331.1.1 enumeră materialele care necesită PWHT în funcție de grosime și număr de grup. Hastelloy C‑276 (grupul 45) nu are nicio cerință obligatorie de PWHT indiferent de grosimea peretelui, cu excepția cazurilor în care condițiile de exploatare (de exemplu, serviciu letal) sau proprietarul o specifică explicit.

• ASME Secțiunea VIII, Divizia 1 – Nu este necesară tratamentul termic post-sudură (PWHT) obligatoriu pentru aliajele austenitice și cele pe bază de nichel (UHA‑34). Totuși, dacă materialul a fost prelucrat la rece în timpul fabricației, poate fi necesar un recoct la soluție pentru restabilirea proprietăților.

Când este necesar, de fapt, PWHT (sau recoctul la soluție)?

Există cinci scenarii în care tratamentul termic al sudurilor la țevi din Hastelloy devine obligatoriu. Observați că majoritatea acestora implică recoctul complet la soluție , nu doar o simplă relaxare a tensiunilor.

1. Prelucrare la rece severă (îndoire, dilatare) fără recoct ulterior

Dacă o țeavă din Hastelloy este îndoită la rece cu un rază mică (deformare > 10–15 %), zona prelucrată la rece poate avea o ductilitate redusă și o duritate crescută. Normele pot impune un recoct complet la soluție după prelucrarea la rece.

Exemplu: ASME B31.3, paragraful 332.2.2, precizează că deformările prin prelucrare la rece care depășesc 5 % la aliajele de nichel pot necesita tratament termic pentru restabilirea proprietăților. Pentru Hastelloy, se aplică recoctul la soluție la 1120–1180 °C, urmat de răcire bruscă în apă.

2. Serviciu letal sau serviciu cu cicluri severe

Unele specificații ale proprietarilor cer tratamentul termic post-sudură (PWHT) pentru toate sudurile vaselor de presiune și ale conductelor, indiferent de material, atunci când fluidul este letal (de exemplu, fosgen, HF). În aceste cazuri, scopul este eliminarea oricăror tensiuni reziduale de întindere care ar putea contribui la fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC). Deși aliajul Hastelloy este extrem de rezistent la SCC, proprietarii pot totuși impune un tratament termic post-sudură de reducere a tensiunilor – dar acest lucru este rar și trebuie calificat.

3. Suduri între metale diferite (Hastelloy și oțel carbon)

La sudarea aliajului Hastelloy de oțel carbon cu un adaos pe bază de nichel (de exemplu, ERNiCrMo‑4), zona influențată termic din partea oțelului carbon poate deveni dură și susceptibilă la fisurarea provocată de hidrogen. Tratamentul termic post-sudură (PWHT) al oțelului carbon (în mod obișnuit 620–650 °C) este obligatoriu dacă grosimea oțelului depășește limitele prevăzute în norme. Totuși, această temperatură se află în domeniul periculos pentru aliajul Hastelloy (precipitarea fazei mu). Soluția: aplicarea unui tratament termic post-sudură localizat care încălzește doar partea din oțel carbon, menținând Hastelloy sub 400 °C – o tehnică dificilă, dar posibilă.

4. Unele aliaje din familia Hastelloy – B‑3 și B‑2

Hastelloy B‑3 (UNS N10675) este un aliaj de nichel-molibden destinat acizilor reducători. Este mai predispus la precipitarea carburiilor și la atacul intergranular decât C‑276. Pentru B‑3, producătorul (Haynes International) recomandă tratamentul termic de recoacere în soluție după sudare pentru a obține rezistența maximă la coroziune, în special în condiții severe de serviciu chimic. Tratamentul termic post-sudură (PWHT) în condiții de teren pentru B‑3 este rar practic, astfel încât majoritatea sudurilor B‑3 se execută în ateliere, unde este posibilă recoacerea completă în cuptor.

5. Prevalența normelor sau a specificațiilor clientului

În mod excepțional, un inginer sau un client va impune tratamentul termic post-sudură (PWHT) pentru toate sudurile din „aliaje înalte” sau „aliaje de nichel”, dintr-un exces de precauție. Dacă această cerință apare în specificația proiectului dumneavoastră, trebuie să o respectați – dar ar trebui să argumentați tehnic împotriva acesteia. Dacă PWHT este inevitabil, trebuie să aplicați o procedură calificată care să evite sensibilizarea (vezi secțiunea următoare).

Pericolul PWHT convențional asupra aliajelor Hastelloy

Dăunător nocive pentru majoritatea calităților de Hastelloy. Efectele sunt:

Concluzie: Dacă aplicați o încălzire la 620 °C pe o sudură din Hastelloy C‑276, veți reduce rezistența la pitting de la PREN ~60 la PREN ~30 – ceea ce o face să nu fie mai bună decât oțelul inoxidabil 316L.

Aplicarea corectă a tratamentului termic post-sudură local – cazul excepțional

Dacă trebuie să aplicați un tratament termic post-sudură (de exemplu, pentru o sudură între metale diferite sau conform cerinței proprietarului), respectați cu strictețe aceste instrucțiuni pentru a evita deteriorarea Hastelloy-ului.

Pasul 1 – Determinarea temperaturii necesare pentru tratamentul termic post-sudură

• Pentru doar reducerea stresului (nu este recoacere completă) – Mențineți temperatura sub 400 °C . Această procedură nu are niciun efect asupra stresului rezidual, dar nici nu provoacă precipitări dăunătoare. Unele norme acceptă această metodă ca „reducere a stresului la temperatură scăzută”.

• Pentru recoctul complet la soluție – Încălziți la 1120–1180 °C, mențineți temperatura timp de 1 oră pentru fiecare 25 mm grosime, apoi răciți brusc în apă. Această metodă este rar posibilă pe teren din cauza necesității unei cuptoare sau a unei bobine mari de inducție cu sistem de răcire bruscă.

Pentru îmbinări neomogene (Hastelloy cu oțel carbon), oțelul carbon necesită 620–650 °C. Trebuie să protejați aliajul Hastelloy prin:

• Utilizarea unui bandă de gradient – încălzirea exclusiv a părții din oțel carbon, în timp ce partea din Hastelloy este răcită cu apă sau aer comprimat.

• Menținerea temperaturii Hastelloy sub 400 °C în permanență.

• Monitorizare cu cel puțin patru termocuple (două pe fiecare parte a sudurii).

Pasul 2 – Utilizarea echipamentelor corespunzătoare pentru încălzire și răcire

• Încălzire: Încălzirea prin inducție oferă un control precis și localizat. Încălzirea prin rezistență (plăci ceramice) este, de asemenea, acceptabilă, dacă puteți menține gradientele de temperatură.

• Răcire: Pentru recoacerea de soluționare este necesară răcirea bruscă în apă – imposibilă în majoritatea sudurilor efectuate în condiții de teren. Pentru relaxarea tensiunilor la temperaturi sub 400 °C, răcirea în aer este acceptabilă.

Pasul 3 – Calificarea prin încercări de coroziune

Înainte de aplicarea tratamentului termic post-sudură (PWHT) în condiții de teren pe o sudură de producție, trebuie să calificați procedura pe o probă reprezentativă. Efectuați încercarea conform ASTM G28 Metoda A (încercarea cu sulfat feric – acid sulfuric) pe eșantioanele în stare sudată și după PWHT. Criteriu de acceptare: rată de coroziune ≤ 0,5 mm/an. Dacă eșantionul supus PWHT nu îndeplinește acest criteriu, procedura respectivă nu poate fi utilizată.

Pasul 4 – Documentarea integrală

Înregistrați diagramele timp–temperatură, pozițiile termocuplurilor, metoda de răcire și rezultatele încercărilor de coroziune. Această documentare este obligatorie pentru conformitatea cu normele.

Ghid practic: Când să refuzați aplicarea PWHT

Dacă un client sau un inspector solicită tratamentul termic post-sudură (PWHT) pentru o sudură de conductă din Hastelloy C‑276, puneți aceste întrebări:

1. Care este articolul specific din normă care prevede PWHT? (ASME B31.3 nu îl prevede. Nici ASME Section VIII nu îl prevede pentru aliajele de nichel cu soluție solidă.)

2. Care este beneficiul așteptat? (Reducerea tensiunilor reziduale? Hastelloy este extrem de rezistent la coroziunea sub tensiune (SCC). Fisurarea hidrogenului? Nu reprezintă un risc în cazul sudării cu electrozi de joasă conținut de hidrogen.)

3. Știți că tratamentul convențional de reducere a tensiunilor (la 600 °C) va genera faza mu și va distruge rezistența la coroziune?

4. Va accepta clientul un tratament de reducere a tensiunilor la temperatură scăzută (< 400 °C), fără niciun beneficiu, sau un recoacere completă în soluție (≥ 1120 °C) cu răcire bruscă în apă – care este nepractică pe teren?

În aproape toate cazurile, răspunsul corect este: Nu este necesar PWHT. Utilizați procedura calificată de sudare în stare inițială (WPS as-welded).

Tabel: Cerințe privind tratamentele termice pentru gradele uzuale de Hastelloy

Rezumat: Flux decizional pentru tratamentul termic în condiții de teren

Pornire: Sudură de conductă din Hastelloy în teren.

Întrebare 1: Serviciul este letal, supus unor cicluri severe sau specificația proprietarului impune tratamentul termic post-sudură (PWHT)?

• Nu → Continuați cu sudura așa cum este. Finalizat.

• Da → Treceti la Întrebarea 2.

Întrebare 2: Este practică în teren recoacerea completă în soluție (≥1120°C + răcire bruscă în apă)?

• Da (de exemplu, cuptor portabil cu inducție și inel de răcire) → Efectuați recoacerea în soluție calificată. Testați conform ASTM G28.

• Nu → Negociați cu proprietarul pentru acceptarea sudurii așa cum este sau a unei „reduceri a tensiunilor” la temperatură scăzută (<400°C), cu înțelegerea că aceasta nu oferă niciun beneficiu.

Întrebarea 3: Este sudura o îmbinare între metale diferite (Hastelloy și oțel carbon), unde partea din oțel necesită tratament termic post-sudură (PWHT)?

• Da → Utilizați încălzirea cu gradient pentru a menține Hastelloy sub 400°C în timp ce încălziți oțelul la 620–650°C. Calificați procedeul cu termocuple.

• Nu → Returnați la starea după sudare.

Ultima Cuvânt

Sudurile la conducte din Hastelloy sunt printre cele mai tolerante din industrie – nu necesită tratament termic post-sudură (PWHT) pentru reducerea tensiunilor, iar, de fapt, tratamentul termic post-sudură convențional la 600–900 °C distruge rezistența lor la coroziune. Singurul tratament termic corespunzător pentru această familie de aliaje este recoacerea completă în soluție la o temperatură peste 1100 °C, urmată de răcire rapidă, care este rar fezabilă pe teren.

Dacă vi se cere să aplicați un tratament termic post-sudură (PWHT) la aliajele Hastelloy C‑276 sau C‑22, contestați cerința în mod politic, dar ferm. Furnizați dovezi tehnice. În cazurile rare în care tratamentul termic este inevitabil (B‑3, deformare plastică rece severă sau cerință impusă de proprietar), calificați procedura prin încercări de coroziune și utilizați un control strict al temperaturii pentru a evita domeniul periculos de precipitare.