Comment la vitesse de refroidissement du traitement thermique après-soudage de 400 degrés à 200 degrés affecte-t-elle la relaxation des contraintes résiduelles et la résistance aux piqûres des embouts de chauffage en acier inoxydable 316 ?

La fenêtre de température critique pour le soulagement du stress sans sensibilisation

La technique de soudage des embouts crée des contraintes de traction résiduelles dans les tubes de chauffage électrique enveloppés d'acier inoxydable 316, ce qui peut provoquer des fissures par corrosion sous contrainte (SCC) et altérer la résistance aux piqûres dans des conditions de chlorure. Ces contraintes résiduelles sont souvent éliminées par traitement thermique post-soudage (PWHT) à 400-450 degrés pendant 1-2 h. Cependant, la vitesse de refroidissement depuis la température PWHT jusqu'à 200 degrés a un effet considérable mais généralement négligé à la fois sur le degré de relaxation des contraintes et sur la résistance à la corrosion du matériau. La norme 316 précipitera les carbures riches en chrome aux joints de grains (sensibilisation) s'il est refroidi lentement sur une plage de 300 à 450 degrés. Un refroidissement rapide (trempe à l'air ou à l'eau) conserve la structure soulagée des contraintes sans sensibilisation. Le lien entre la vitesse de refroidissement du PWHT, la réduction des contraintes résiduelles et la résistance aux piqûres est quantifié dans cet article, offrant un cadre de spécifications pour un traitement post-soudage optimisé.

Les effets contraires du soulagement du stress et de la sensibilisation

Deux réactions activées thermiquement se produisent simultanément pendant le PWHT à 400 -450 degrés dans l'acier inoxydable 316. Le premier est le soulagement du stress. Les contraintes résiduelles dues au soudage (généralement 100 à 300 MPa) sont relâchées via le mouvement de dislocation et la récupération. Le processus est logarithmique et 70-80 % de la contrainte résiduelle est libérée après 1 heure à 450 degrés. La deuxième phase est la précipitation des carbures : au-dessus de températures d'environ 450 degrés, les carbures de chrome peuvent se nucléer, bien que la précipitation soit lente. À mesure que le matériau refroidit à partir de la température PWHT, il passe à nouveau par la plage de sensibilisation (450 à 850 degrés). Cependant, comme la température PWHT (400-450 degrés) est inférieure à la plage de sensibilisation, aucun carbure supplémentaire ne précipite pendant le maintien. Le risque se produit lorsque le four est refroidi lentement et que la température du matériau augmente au-dessus de 450 degrés pendant le refroidissement ? Ce n'est pas le cas – le PWHT est effectué à 400-450 degrés, donc le refroidissement commencera en dessous de la plage de sensibilisation. Le risque réel est pour le PWHT à 500-600 degrés (utilisé parfois pour une libération plus complète du stress) lorsqu'un refroidissement progressif jusqu'à 450-850 degrés produit une sensibilisation. Lors du PWHT à 400-450 degrés, la principale préoccupation n'est pas la sensibilisation, mais la réintroduction de contraintes résiduelles dues au refroidissement différentiel. Tout refroidissement non uniforme (un côté de la soudure refroidit plus rapidement que l'autre) peut générer de nouvelles contraintes thermiques de 50 à 100 MPa, ce qui annule largement l'avantage du maintien de réduction des contraintes.

Quantification de l'influence de la vitesse de refroidissement sur la résistance aux piqûres et les contraintes résiduelles

La contrainte résiduelle finale a été évaluée par diffraction des rayons X- et la résistance aux piqûres a été évaluée par des tests de température critique de piqûre (CPT) dans 1 M de NaCl, sur une plage de vitesses de refroidissement allant d'un PWHT de 450 degrés pendant 1 heure de 316 embouts soudés (épaisseur de paroi de 1,5 mm) lors de tests contrôlés. Les résultats révèlent que la vitesse de refroidissement a un effet mineur sur la sensibilisation (tous les échantillons sont restés non sensibilisés car la température maximale n'a jamais dépassé la plage de sensibilisation) mais un effet important sur la contrainte résiduelle finale en raison des effets de gradient thermique.

Méthode de refroidissement PWHT à partir de 450 degrés Taux de refroidissement estimé (450 degrés à 200 degrés) Contrainte résiduelle finale à la soudure (MPa) Efficacité de soulagement des contraintes (% de la contrainte telle que-soudée) Température critique de piqûre (degré) (1 M NaCl) Recommandée pour les services de chlorure
Four froid (hors tension)5-10 degrés/heure 60-80 60-70 % 52-56 Non (inefficace)
Air calme froid (horizontal) 100-200 degrés/heure 40-60 70-80 % 54-58 Convient aux chlorures modérés
Ventilateur à air pulsé 300-500 degrés/heure 30-45 80-85 % 55-59 Oui
Trempe à l'eau (immersion) 1 000-2 000 degrés/heure 20-30 85-90 % 56-60 Oui, meilleurs chlorures élevés
Pas de PWHT (tel que-soudé) N/A 150-250 0 % 50-54 Pas pour le service au chlorure
Cas particulier du PWHT à 500-600 degrés

In some situations where more comprehensive stress relief is required (e.g. heaters for high pressure duty or severe thermal cycling), PWHT at 500-600 °C for 1-2 hours is occasionally specified. Stress reduction efficiency at these temperatures is 90-95 % however the material is passed through the sensitisation range during heating and cooling. Severe sensitisation is seen in standard 316 (max 0.08 % C) with CPT decreasing to 35-40 °C and slow cooling from 550 °C, inappropriate for any chloride service. For these PWHT temperatures, the cooling rate is crucial. Water quenching from 550 °C (cooling rate >1 000 degrés/heure à 850-450 degrés) supprime la sensibilisation dans les tubes à paroi mince, maintenant le CPT autour de 55 à 60 degrés. Le choc thermique dû à la trempe de l'eau sur une pièce soudée peut cependant provoquer une déformation ou une rupture. La solution préférée pour tout appareil de chauffage nécessitant un PWHT supérieur à 480 degrés est d'utiliser du 316L (maximum 0,03 % C). 316L est nettement moins sensible à la sensibilisation et présente des précipitations de carbure à peine mineures, même lorsqu'il est refroidi lentement à partir de 550 degrés.

Recommandations pratiques pour le refroidissement PWHT

Pour la plupart des 316 radiateurs gainés en service aqueux, le PWHT suggéré est de 450 degrés pendant 1 heure suivi d'un refroidissement à air forcé (taux de refroidissement de 300 à 500 degrés/heure). Ce traitement réduit les contraintes résiduelles de 80 à 85 % et ne produit pas de sensibilisation, car la température maximale atteinte est inférieure à la plage de sensibilisation. La trempe à l'eau offre une réduction des contraintes un peu plus importante, mais elle est plus susceptible de se déformer et est rarement indispensable. Le tableau ci-dessous sert de guide de décision pour la sélection de la température PWHT, de la vitesse de refroidissement et de la qualité du matériau en fonction de la corrosivité de service.

Environnement de service Niveau de chlorure (ppm) Température maximale (degrés) Taux de refroidissement PWHT recommandé Qualité du matériau
Sec (sans-chlorure)Tout Tout Aucun (tel que-soudé) N/A 316L
Faible teneur en chlorure<200 <80 450°C, 1 hour Forced air 316 
Chlorure modéré 200-500<80 450°C, 1 hour Forced air or water quench Preferred 316L
Haute teneur en chlorure 500-1500<70 450°C, 1 hour Water quench 316L necessary
Very high chloride >1500 <60 500-550oC, 1 hour Water quench 316L (or upgrade to duplex)
Efficacité du PWHT sur la vérification sur le terrain

Pour les appareils de chauffage en service-, pour lesquels l'historique PWHT est inconnu, deux méthodes peuvent être utilisées pour déterminer si les contraintes résiduelles ont été suffisamment relâchées. Le premier est le test de courbure en U ASTM G38-, dans lequel un minuscule échantillon provenant de la partie droite du radiateur est plié à 180 degrés et placé dans du chlorure de magnésium bouillant. Si une fissuration se développe avant 100 heures, les contraintes résiduelles dépassent 100 MPa. La deuxième façon est de quantifier la contrainte résiduelle au niveau de la soudure par diffraction des rayons X- mais cela nécessite un équipement spécifique. C'est la solution réaliste pour la plupart des clients. Inscrivez les spécifications PWHT sur le bon de commande et demandez la vérification que la procédure (durée, température, méthode de refroidissement) a été suivie.

Conclusion : Spécification du taux de refroidissement dans le cadre du PWHT pour le service de chlorure

Pour les embouts de chauffage en acier inoxydable 316, le traitement thermique post-soudage à 450 degrés pendant 1 heure suivi d'un refroidissement à air forcé permet une réduction des contraintes de 80 à 85 % sans sensibilisation, améliorant considérablement la résistance au SCC et aux piqûres dans les environnements chlorés. Il n'est pas recommandé de refroidir lentement (dans un four), car cela diminuerait l'efficacité de la réduction des contraintes. La trempe à l'eau permet une réduction maximale des contraintes, mais augmente également la complexité et le risque.. 316L doit être spécifié et la trempe à l'eau est requise pour le PWHT à des températures plus élevées (500 à 600 degrés) pour éviter la sensibilisation. Pour le service au chlorure, les ingénieurs spécifiant le PWHT doivent également définir la température de maintien et la méthode de refroidissement. La méthodologie présentée ici permet aux clients de choisir les paramètres PWHT qui maximisent la résistance à la corrosion tout en empêchant la sensibilisation indésirable qui pourrait survenir en cas de refroidissement inapproprié, en reliant la vitesse de refroidissement aux contraintes résiduelles et à la résistance aux piqûres.