El tratamiento térmico posterior a la soldadura es una de las aplicaciones más exigentes para un horno de solera móvil, y una en la que el coste de un error se mide en recipientes a presión defectuosos, intercambiadores de calor rechazados y fabricaciones pesadas desechadas por valor de cientos de miles de dólares.
MONTE INTELLIGENCE ha suministrado hornos de solera móvil para aplicaciones de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) a fabricantes en China, el sudeste asiático y Oriente Medio. Estos hornos procesan soldaduras que van desde carcasas de recipientes a presión de 5 toneladas hasta columnas de reactores de 80 toneladas. Este artículo abarca los requisitos de diseño del horno, la disciplina procedimental y la documentación de cumplimiento normativo que distinguen un horno PWHT exitoso de uno que genere responsabilidad.
El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es obligatorio según los códigos de construcción (ASME Sección VIII para recipientes a presión, ASME B31.3 para tuberías de proceso y AWS D1.1 para soldadura estructural) cuando el espesor del metal base excede los límites especificados, cuando el entorno de servicio implica corrosión por hidrógeno o corrosión bajo tensión, o cuando la especificación de diseño lo requiere independientemente de los requisitos del código. El objetivo del PWHT es reducir las tensiones residuales de la soldadura, templar la microestructura de la zona afectada por el calor y, en algunos casos, reducir el riesgo de agrietamiento inducido por hidrógeno.
El ciclo térmico para el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) consta de tres fases que el horno debe ejecutar con precisión. Primero, la fase de calentamiento: el horno debe elevar la temperatura de la pieza desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de mantenimiento a un ritmo controlado. La Sección VIII de la ASME especifica una velocidad máxima de calentamiento de 222 °C por hora, dividida por el espesor en pulgadas, hasta un máximo de 222 °C por hora, por encima de 315 °C. Para una soldadura de 50 mm (2 pulgadas) de espesor, esto significa una velocidad máxima de calentamiento de 111 °C por hora por encima de 315 °C.
En segundo lugar, la fase de remojo: la pieza debe mantenerse a la temperatura especificada durante un tiempo mínimo. La Sección VIII de ASME especifica un tiempo mínimo de remojo de una hora por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor, con un mínimo de 30 minutos. La temperatura de remojo depende del material base. Para los aceros al carbono P-No. 1, la temperatura mínima de remojo es de 593 °C (1100 °F). Para los aceros Cr-Mo P-No. 4, oscila entre 675 y 730 °C, según el contenido de cromo.
En tercer lugar, la fase de enfriamiento: la pieza debe enfriarse desde la temperatura de remojo hasta por debajo de 315 °C a una velocidad controlada. La velocidad máxima de enfriamiento es de 278 °C por hora, dividida por el espesor en pulgadas, hasta un máximo de 278 °C por hora, por encima de 315 °C. Por debajo de 315 °C, la pieza puede enfriarse al aire libre.
Estos requisitos de velocidad de calentamiento y enfriamiento son los que dificultan el diseño de hornos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Para la columna de reactor de 80 toneladas mencionada anteriormente, con un espesor de soldadura de 100 mm, la velocidad máxima de calentamiento por encima de 315 °C es de tan solo 56 °C por hora. El ciclo completo de PWHT (calentamiento desde temperatura ambiente hasta 620 °C, mantenimiento durante 4 horas y enfriamiento hasta 315 °C) dura entre 28 y 32 horas. El horno debe mantener una temperatura uniforme en toda la longitud y sección transversal de la pieza durante todo el ciclo.
La uniformidad de la temperatura es el parámetro de rendimiento del horno que determina la calidad del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). La Sección VIII de la ASME exige que la diferencia de temperatura entre dos puntos cualesquiera de la pieza durante el período de remojo no supere los 65 °C (150 °F) para la mayoría de los materiales. Para una columna de reactor de 12 metros de longitud en un horno de solera móvil, lograr dicha uniformidad requiere una cuidadosa colocación del quemador, un diseño adecuado del ventilador de recirculación y una correcta división de la zona de control.
Normalmente, dividimos los grandes hornos de solera móvil PWHT en 4 a 8 zonas de temperatura controladas independientemente, cada una con su propio quemador o elemento calefactor, su propia entrada de termopar y su propio controlador PID. Los controladores de zona se comunican con un controlador supervisor central que coordina el ajuste de la temperatura para mantener las velocidades de calentamiento y enfriamiento especificadas, a la vez que se mantienen las diferencias de temperatura entre zonas dentro de los límites permitidos.
La colocación y fijación de los termopares constituye el eslabón de medición en la cadena de control. La normativa exige que los termopares se fijen a la pieza de trabajo, no que floten en la atmósfera del horno. En secciones gruesas, los termopares deben fijarse en el punto de soldadura, ya que es allí donde la temperatura es más crítica. Los métodos de fijación incluyen la soldadura por descarga capacitiva (preferible para termopares permanentes), abrazaderas (para termopares temporales en piezas pequeñas) y bridas de alambre (para geometrías complejas).
La cantidad de termopares necesarios depende del tamaño de la pieza y de los requisitos del código. La Sección VIII de ASME exige un mínimo de un termopar para los primeros 3 metros de longitud de la pieza y un termopar adicional por cada 3 metros adicionales, con un mínimo de tres en total. Un recipiente de 10 metros requiere cuatro termopares. Cada termopar debe estar conectado a un registrador calibrado que imprima o registre la temperatura durante todo el ciclo.
La calibración es la base documental del aseguramiento de la calidad del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Cada termopar utilizado para el PWHT debe calibrarse con un patrón trazable dentro de los 12 meses anteriores. El registrador de temperatura debe calibrarse dentro de los 6 meses anteriores. El horno debe someterse anualmente a una evaluación de uniformidad de temperatura (TUS), según la norma AMS 2750 o una norma equivalente, para verificar que alcance la uniformidad requerida bajo condiciones de carga.
La configuración de la carga afecta la uniformidad de la temperatura tanto como el diseño del horno. Una pieza colocada cerca de la pared del horno puede experimentar una temperatura diferente a la de una colocada en el centro. Una pieza que obstruye el flujo de recirculación de aire puede generar un punto frío aguas abajo. La especificación del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) debe incluir un diagrama de carga que aborde estas preocupaciones, y el carro de transporte debe tener ubicaciones marcadas para los soportes de las piezas, a fin de garantizar una carga uniforme de un ciclo a otro.
Los hornos PWHT de hogar móvil MONTE INTELLIGENCE están diseñados teniendo en cuenta estos requisitos normativos. Nuestro diseño estándar incluye control de temperatura multizona, ventiladores de recirculación de alto volumen (normalmente de 3 a 6 recirculaciones por minuto), entradas de termopares calibradas y sistemas de registro de datos que generan automáticamente la documentación normativa requerida.
Para obtener una propuesta de horno PWHT específica para sus requisitos de fabricación, póngase en contacto con helenxu@cnlymonte.com.
