Le traitement thermique après soudage est l'une des applications les plus exigeantes pour un four à sole mobile — et une application où le coût d'une erreur se mesure en défaillances de récipients sous pression, en rejets d'échangeurs de chaleur et en mises au rebut de pièces lourdes d'une valeur de centaines de milliers de dollars.
MONTE INTELLIGENCE a fourni des fours à sole mobile pour le traitement thermique post-soudage (TTPS) à des fabricants en Chine, en Asie du Sud-Est et au Moyen-Orient. Ces fours traitent des ensembles soudés allant de viroles de cuves sous pression de 5 tonnes à des colonnes de réacteur de 80 tonnes. Cet article aborde les exigences de conception du four, la rigueur des procédures et la documentation de conformité aux normes qui garantissent le bon fonctionnement d'un four TTPS et évitent les problèmes.
Le traitement thermique après soudage (TTAS) est exigé par les normes de construction (ASME Section VIII pour les appareils à pression, ASME B31.3 pour les tuyauteries industrielles, AWS D1.1 pour le soudage de structures) lorsque l'épaisseur du métal de base dépasse les limites spécifiées, lorsque l'environnement de service présente un risque de corrosion sous contrainte ou en présence d'hydrogène, ou encore lorsque le cahier des charges l'impose, indépendamment des exigences des normes. Le TTAS vise à réduire les contraintes résiduelles dues au soudage, à modifier la microstructure de la zone affectée thermiquement et, dans certains cas, à limiter le risque de fissuration induite par l'hydrogène.
Le cycle thermique du traitement thermique après soudage (TTAS) comporte trois phases que le four doit exécuter avec précision. Premièrement, la phase de chauffage : le four doit élever la température de la pièce de la température ambiante à la température de maintien à une vitesse contrôlée. La section VIII de la norme ASME spécifie une vitesse de chauffage maximale de 222 °C par heure divisée par l’épaisseur en pouces, jusqu’à un maximum de 222 °C par heure, au-dessus de 315 °C. Pour une soudure de 50 mm (2 pouces) d’épaisseur, cela correspond à une vitesse de chauffage maximale de 111 °C par heure au-dessus de 315 °C.
Deuxièmement, la phase de maintien en température : la pièce doit être maintenue à la température spécifiée pendant une durée minimale. La section VIII de la norme ASME spécifie une durée minimale de maintien d'une heure par 25 mm (1 pouce) d'épaisseur, avec un minimum de 30 minutes. La température de maintien dépend du matériau de base. Pour les aciers au carbone de type P-1, la température minimale est de 593 °C (1 100 °F). Pour les aciers au chrome-molybdène de type P-4, elle varie de 675 à 730 °C selon la teneur en chrome.
Troisièmement, la phase de refroidissement : la pièce doit être refroidie de la température de maintien à une température inférieure à 315 °C à une vitesse contrôlée. La vitesse de refroidissement maximale est de 278 °C par heure divisée par l’épaisseur en pouces, jusqu’à un maximum de 278 °C par heure au-dessus de 315 °C. En dessous de 315 °C, la pièce peut être refroidie à l’air ambiant.
Ces exigences en matière de vitesse de chauffage et de refroidissement complexifient la conception des fours de traitement thermique après soudage (TTAS). Pour la colonne de réacteur de 80 tonnes mentionnée précédemment, avec une épaisseur de soudure de 100 mm, la vitesse de chauffage maximale au-dessus de 315 °C n'est que de 56 °C par heure. Le cycle complet de TTAS — chauffage de la température ambiante à 620 °C, maintien à cette température pendant 4 heures, refroidissement à 315 °C — dure entre 28 et 32 heures. Le four doit maintenir une température uniforme sur toute la longueur et la section de la pièce pendant toute la durée du cycle.
L'uniformité de la température est le paramètre de performance du four qui détermine la qualité du traitement thermique après soudage (TTAS). La section VIII de l'ASME exige que la différence de température entre deux points quelconques de la pièce pendant la période de maintien ne dépasse pas 65 °C (150 °F) pour la plupart des matériaux. Pour une colonne de réacteur de 12 mètres de long dans un four à sole mobile, l'obtention de cette uniformité nécessite un positionnement précis des brûleurs, une conception optimisée du ventilateur de recirculation et une division judicieuse des zones de contrôle.
On divise généralement les grands fours à sole mobile pour le traitement thermique post-soudage en 4 à 8 zones de température à régulation indépendante, chacune équipée de son propre brûleur ou élément chauffant, de sa propre entrée pour thermocouple et de son propre régulateur PID. Les régulateurs de zone communiquent avec un contrôleur de supervision central qui coordonne la montée en température des consignes afin de maintenir les vitesses de chauffage et de refroidissement spécifiées, tout en limitant les écarts de température entre les zones.
Le positionnement et la fixation des thermocouples constituent l'étape de mesure dans la chaîne de contrôle. La norme exige que les thermocouples soient fixés à la pièce et non exposés à l'atmosphère du four. Pour les pièces épaisses, les thermocouples doivent être fixés au niveau de la soudure, car c'est là que la température est la plus critique. Les méthodes de fixation comprennent le soudage par décharge capacitive (privilégié pour les thermocouples permanents), les colliers de serrage (pour les thermocouples temporaires sur les petites pièces) et les attaches métalliques (pour les géométries complexes).
Le nombre de thermocouples nécessaires dépend des dimensions de la pièce et des exigences des normes. La section VIII de l'ASME exige un minimum d'un thermocouple pour les trois premiers mètres de longueur de la pièce, puis un thermocouple supplémentaire tous les trois mètres, avec un minimum de trois au total. Un récipient de 10 mètres nécessite quatre thermocouples. Chaque thermocouple doit être relié à un enregistreur étalonné qui enregistre ou imprime la température tout au long du cycle.
L'étalonnage constitue le fondement documentaire de l'assurance qualité du traitement thermique après soudage (TTAS). Chaque thermocouple utilisé pour le TTAS doit être étalonné par rapport à un étalon traçable au cours des 12 derniers mois. L'enregistreur de température doit être étalonné au cours des 6 derniers mois. Le four lui-même doit faire l'objet d'un contrôle annuel d'uniformité de température (CUT), conformément à la norme AMS 2750 ou à une norme équivalente, afin de vérifier qu'il atteint l'uniformité requise en conditions de charge.
La configuration de la charge influe autant sur l'uniformité de la température que la conception du four. Une pièce placée près de la paroi du four peut présenter une température différente de celle d'une pièce placée au centre. Une pièce obstruant le flux d'air de recirculation peut créer un point froid en aval. Le cahier des charges du traitement thermique après soudage (TTAS) doit inclure un schéma de charge prenant en compte ces aspects, et le chariot élévateur doit comporter des repères pour les supports de pièces afin de garantir une charge constante d'un cycle à l'autre.
Les fours de traitement thermique par soudage (PWHT) à sole mobile de MONTE INTELLIGENCE sont conçus en tenant compte de ces exigences réglementaires. Notre conception standard comprend un contrôle de température multizone, des ventilateurs de recirculation à haut débit (généralement 3 à 6 recirculations par minute), des entrées pour thermocouples calibrées et des systèmes d'acquisition de données qui génèrent automatiquement la documentation réglementaire requise.
Pour obtenir une proposition de four PWHT adaptée à vos exigences de fabrication, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com.
