Il trattamento termico post-saldatura è una delle applicazioni più impegnative per un forno a focolare a carrello, e un errore in questo ambito può costare caro: recipienti a pressione guasti, scambiatori di calore scartati e componenti pesanti demoliti per un valore di centinaia di migliaia di dollari.
MONTE INTELLIGENCE ha fornito forni a carrello per applicazioni di trattamento termico post-saldatura (PWHT) a produttori in Cina, nel Sud-est asiatico e in Medio Oriente. Questi forni trattano componenti saldati che vanno dai gusci di recipienti a pressione da 5 tonnellate alle colonne di reattori da 80 tonnellate. Questo articolo illustra i requisiti di progettazione del forno, la disciplina procedurale e la documentazione di conformità alle normative che distinguono un forno PWHT di successo da una fonte di problemi.
Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è richiesto dai codici di costruzione — ASME Sezione VIII per i recipienti a pressione, ASME B31.3 per le tubazioni di processo, AWS D1.1 per la saldatura strutturale — quando lo spessore del metallo base supera i limiti specificati, quando l'ambiente di esercizio prevede la presenza di idrogeno o corrosione sotto sforzo, o quando le specifiche di progetto lo richiedono indipendentemente dai requisiti del codice. Lo scopo del PWHT è ridurre le tensioni residue di saldatura, temprare la microstruttura della zona termicamente alterata e, in alcuni casi, ridurre il rischio di cricche indotte dall'idrogeno.
Il ciclo termico per il trattamento termico post-saldatura (PWHT) si articola in tre fasi che il forno deve eseguire con precisione. Innanzitutto, la fase di riscaldamento: il forno deve innalzare la temperatura del pezzo dalla temperatura ambiente alla temperatura di mantenimento a una velocità controllata. La norma ASME Sezione VIII specifica una velocità di riscaldamento massima di 222 °C all'ora divisa per lo spessore in pollici, fino a un massimo di 222 °C all'ora, al di sopra dei 315 °C. Per una saldatura di 50 mm (2 pollici) di spessore, ciò significa una velocità di riscaldamento massima di 111 °C all'ora al di sopra dei 315 °C.
In secondo luogo, la fase di mantenimento: il pezzo deve essere mantenuto alla temperatura di mantenimento specificata per un tempo minimo. La sezione VIII della norma ASME specifica un tempo di mantenimento minimo di un'ora ogni 25 mm (1 pollice) di spessore, con un minimo di 30 minuti. La temperatura di mantenimento dipende dal materiale di base. Per gli acciai al carbonio P-No. 1, la temperatura di mantenimento minima è di 593 °C (1100 °F). Per gli acciai Cr-Mo P-No. 4, varia da 675 a 730 °C a seconda del contenuto di cromo.
In terzo luogo, la fase di raffreddamento: il pezzo deve essere raffreddato dalla temperatura di mantenimento a una temperatura inferiore a 315 °C a una velocità controllata. La velocità di raffreddamento massima è di 278 °C all'ora divisa per lo spessore in pollici, fino a un massimo di 278 °C all'ora, al di sopra di 315 °C. Al di sotto di 315 °C, il pezzo può essere raffreddato in aria ferma.
Questi requisiti di velocità di riscaldamento e raffreddamento sono ciò che rende complessa la progettazione dei forni PWHT. Per la colonna del reattore da 80 tonnellate menzionata in precedenza, con uno spessore di saldatura di 100 mm, la velocità di riscaldamento massima al di sopra di 315 °C è di soli 56 °C all'ora. L'intero ciclo PWHT – riscaldamento dalla temperatura ambiente a 620 °C, mantenimento per 4 ore, raffreddamento a 315 °C – richiede dalle 28 alle 32 ore. Il forno deve mantenere l'uniformità della temperatura lungo tutta la lunghezza e la sezione trasversale del pezzo per l'intero ciclo.
L'uniformità della temperatura è il parametro prestazionale del forno che determina la qualità del trattamento termico post-saldatura (PWHT). La sezione VIII dell'ASME richiede che la differenza di temperatura tra due punti qualsiasi del pezzo durante il periodo di mantenimento non superi i 65 °C (150 °F) per la maggior parte dei materiali. Per una colonna di reattore lunga 12 metri in un forno a carrelli, il raggiungimento di tale uniformità richiede un posizionamento accurato dei bruciatori, una progettazione adeguata del ventilatore di ricircolo e una suddivisione precisa delle zone di controllo.
In genere, i grandi forni a carrello PWHT vengono suddivisi in 4-8 zone di temperatura controllate in modo indipendente, ciascuna con il proprio bruciatore o elemento riscaldante, il proprio ingresso termocoppia e il proprio regolatore PID. I regolatori di zona comunicano con un regolatore di supervisione centrale che coordina la variazione del setpoint per mantenere le velocità di riscaldamento e raffreddamento specificate, mantenendo al contempo le differenze di temperatura tra le zone entro i limiti consentiti.
Il posizionamento e il fissaggio delle termocoppie rappresentano l'anello di misura nella catena di controllo. La normativa prevede che le termocoppie siano fissate al pezzo in lavorazione e non fluttuanti nell'atmosfera del forno. Per sezioni spesse, le termocoppie devono essere fissate in corrispondenza della saldatura, poiché è lì che la temperatura è più critica. I metodi di fissaggio includono la saldatura a scarica capacitiva (preferibile per termocoppie permanenti), fascette stringitubo (per termocoppie temporanee su pezzi più piccoli) e fascette metalliche (per geometrie complesse).
Il numero di termocoppie necessarie dipende dalle dimensioni del pezzo e dai requisiti normativi. La sezione VIII della norma ASME richiede un minimo di una termocoppia per i primi 3 metri di lunghezza del pezzo e una termocoppia aggiuntiva per ogni ulteriore tratto di 3 metri, fino a un minimo di tre in totale. Un recipiente di 10 metri richiede quattro termocoppie. Ogni termocoppia deve essere collegata a un registratore calibrato che stampi o registri la temperatura durante tutto il ciclo.
La calibrazione è il fondamento documentale per la garanzia di qualità del trattamento termico post-saldatura (PWHT). Ogni termocoppia utilizzata per il PWHT deve essere calibrata rispetto a uno standard tracciabile entro i 12 mesi precedenti. Il registratore di temperatura deve essere calibrato entro i 6 mesi precedenti. Il forno stesso deve essere sottoposto annualmente a un'indagine sull'uniformità della temperatura (TUS), secondo la norma AMS 2750 o una norma equivalente, per verificare che il forno raggiunga l'uniformità richiesta in condizioni di carico.
La configurazione del carico influisce sull'uniformità della temperatura tanto quanto la progettazione del forno. Un pezzo posizionato vicino alla parete del forno può raggiungere una temperatura diversa rispetto a uno posizionato al centro. Un pezzo che blocca il flusso d'aria di ricircolo può creare un punto freddo a valle. Le specifiche del trattamento termico post-saldatura (PWHT) dovrebbero includere un diagramma di carico che tenga conto di queste problematiche, e il carrello dovrebbe avere punti di fissaggio contrassegnati per i supporti dei pezzi, al fine di garantire un carico uniforme da un ciclo all'altro.
I forni PWHT a carrello di MONTE INTELLIGENCE sono progettati tenendo conto di questi requisiti normativi. Il nostro design standard include il controllo della temperatura multizona, ventilatori di ricircolo ad alto volume (tipicamente 3-6 ricircoli al minuto), ingressi per termocoppie calibrate e sistemi di registrazione dati che generano automaticamente la documentazione normativa richiesta.
Per una proposta di forno PWHT specifica per le vostre esigenze di fabbricazione, contattate helenxu@cnlymonte.com.
