O tratamento térmico pós-soldagem é uma das aplicações mais exigentes para um forno de soleira móvel — e uma em que o custo de errar é medido em vasos de pressão danificados, trocadores de calor rejeitados e estruturas pesadas descartadas, avaliadas em centenas de milhares de dólares.
A MONTE INTELLIGENCE fornece fornos de soleira móvel para aplicações de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) a fabricantes na China, Sudeste Asiático e Oriente Médio. Esses fornos processam conjuntos soldados que variam de cascos de vasos de pressão de 5 toneladas a colunas de reatores de 80 toneladas. Este artigo aborda os requisitos de projeto do forno, a disciplina processual e a documentação de conformidade com as normas que diferenciam um forno de PWHT bem-sucedido de um problemático.
O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT, na sigla em inglês) é exigido pelas normas de construção — ASME Seção VIII para vasos de pressão, ASME B31.3 para tubulações de processo, AWS D1.1 para soldagem estrutural — quando a espessura do metal base excede os limites especificados, quando o ambiente de serviço envolve hidrogênio ou corrosão sob tensão, ou quando a especificação do projeto o exige, independentemente dos requisitos das normas. O objetivo do PWHT é reduzir as tensões residuais da soldagem, temperar a microestrutura da zona afetada pelo calor e, em alguns casos, reduzir o risco de fissuração induzida por hidrogênio.
O ciclo térmico para tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) possui três fases que o forno deve executar com precisão. Primeiro, a fase de aquecimento — o forno deve elevar a temperatura da peça de trabalho da temperatura ambiente até a temperatura de patamar a uma taxa controlada. A Seção VIII da ASME especifica uma taxa máxima de aquecimento de 222 °C por hora dividida pela espessura em polegadas, até um máximo de 222 °C por hora, acima de 315 °C. Para uma solda de 50 mm (2 polegadas) de espessura, isso significa uma taxa máxima de aquecimento de 111 °C por hora acima de 315 °C.
Em segundo lugar, a fase de imersão — a peça deve ser mantida na temperatura de imersão especificada por um tempo mínimo. A Seção VIII da ASME especifica um tempo mínimo de imersão de uma hora por 25 mm (1 polegada) de espessura, com um mínimo de 30 minutos. A temperatura de imersão depende do material base. Para aços carbono P-No. 1, a temperatura mínima de imersão é de 593 °C (1100 °F). Para aços Cr-Mo P-No. 4, varia de 675 a 730 °C, dependendo do teor de cromo.
Terceiro, a fase de resfriamento — a peça deve ser resfriada da temperatura de patamar até abaixo de 315 °C a uma taxa controlada. A taxa máxima de resfriamento é de 278 °C por hora dividida pela espessura em polegadas, até um máximo de 278 °C por hora, acima de 315 °C. Abaixo de 315 °C, a peça pode ser resfriada ao ar livre.
Esses requisitos de taxa de aquecimento e resfriamento são o que tornam o projeto de fornos de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) um desafio. Para a coluna de reator de 80 toneladas mencionada acima, com espessura de solda de 100 mm, a taxa máxima de aquecimento acima de 315 °C é de apenas 56 °C por hora. O ciclo completo de PWHT — aquecimento da temperatura ambiente até 620 °C, manutenção dessa temperatura por 4 horas e resfriamento até 315 °C — leva de 28 a 32 horas. O forno deve manter a uniformidade da temperatura em toda a extensão e seção transversal da peça durante todo o ciclo.
A uniformidade da temperatura é o parâmetro de desempenho do forno que determina a qualidade do tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). A Seção VIII da ASME exige que a diferença de temperatura entre quaisquer dois pontos na peça durante o período de permanência não exceda 65 °C (150 °F) para a maioria dos materiais. Para uma coluna de reator de 12 metros de comprimento em um forno de soleira móvel, alcançar essa uniformidade requer um posicionamento cuidadoso dos queimadores, um projeto adequado do ventilador de recirculação e a divisão precisa da zona de controle.
Normalmente, dividimos os grandes fornos de soleira móvel PWHT em 4 a 8 zonas de temperatura controladas independentemente, cada uma com seu próprio queimador ou elemento de aquecimento, sua própria entrada de termopar e seu próprio controlador PID. Os controladores de zona comunicam-se com um controlador supervisor central que coordena a rampa de ajuste para manter as taxas de aquecimento e resfriamento especificadas, mantendo as diferenças de temperatura entre as zonas dentro dos limites permitidos.
O posicionamento e a fixação do termopar são o elo de medição na cadeia de controle. As normas exigem que os termopares sejam fixados à peça de trabalho, e não fiquem flutuando na atmosfera do forno. Para seções espessas, os termopares devem ser fixados no local da solda, pois é ali que a temperatura é mais crítica. Os métodos de fixação incluem soldagem por descarga capacitiva (preferencial para termopares permanentes), abraçadeiras (para termopares temporários em peças menores) e abraçadeiras de nylon (para geometrias complexas).
O número de termopares necessários depende do tamanho da peça e das normas vigentes. A Seção VIII da ASME exige um mínimo de um termopar para os primeiros 3 metros de comprimento da peça e um termopar adicional para cada 3 metros subsequentes, com um mínimo de três no total. Um vaso de 10 metros requer quatro termopares. Cada termopar deve ser conectado a um registrador calibrado que imprima ou registre a temperatura durante todo o ciclo.
A calibração é a base documental da garantia de qualidade do tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). Cada termopar utilizado no PWHT deve ser calibrado com base em um padrão rastreável nos últimos 12 meses. O registrador de temperatura deve ser calibrado nos últimos 6 meses. O próprio forno deve ser submetido a um levantamento de uniformidade de temperatura (TUS) anualmente, conforme a norma AMS 2750 ou equivalente, para verificar se o forno atinge a uniformidade exigida sob condições de carga.
A configuração da carga afeta a uniformidade da temperatura tanto quanto o projeto do forno. Uma peça colocada próxima à parede do forno pode apresentar uma temperatura diferente de uma peça colocada no centro. Uma peça que bloqueia o fluxo de ar de recirculação pode criar um ponto frio a jusante. A especificação do tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) deve incluir um diagrama de carregamento que aborde essas questões, e o vagão de distribuição deve ter locais marcados para os suportes das peças, a fim de garantir uma carga consistente de um ciclo para o outro.
Os fornos de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) com soleira móvel da MONTE INTELLIGENCE são projetados levando em consideração esses requisitos de código. Nosso projeto padrão inclui controle de temperatura multizona, ventiladores de recirculação de alto volume (normalmente de 3 a 6 recirculações por minuto), entradas de termopares calibradas e sistemas de registro de dados que geram automaticamente a documentação exigida pelas normas.
Para uma proposta de forno PWHT específica para as suas necessidades de fabricação, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
