ASME B31.3 Krav til varmebehandling efter svejsning af kulstofstålrør

Siden 2014-udgaven af ASME B31.3 har tykke kulstofstålrør været undtaget fra kravene om varmebehandling efter svejsning (PWHT), hvor der kun kræves flergangssvejsning og ingen krav om forvarmning. Der er blevet udtrykt bekymring for, at sådanne undtagelser kan være usikre.

Dette dokument, som er sponsoreret af EPRI og skrevet af medlemmer af RRAC-teamet, har til formål at støtte ændringer af minimumskravene til PWHT-temperatur i B31.1- og B31.3-normerne samt lignende ændringer andre steder i normerne.

Minimum forvarmningstemperatur

ASME B31.3’s minimumskrav til forvarmningstemperatur varierer betydeligt på tværs af koder og standarder, hvilket muligvis afspejler forskellige serviceforhold, der behandles af hver standard eller kode. Der opstår reelle bekymringer, når kravene i en kode eller standard virker overdrevne ud fra et teknisk perspektiv - et eksempel er kravene til varmebehandling efter svejsning (PWHT) for materialer af kulstofstål.

Kravet til PWHT-temperatur i henhold til reglerne ligger tæt på de lavere kritiske temperaturer for kulstofstål, hvilket potentielt kan føre til genopvarmningsrevner i svejsezoner og svække deres styrke betydeligt. Undersøgelser har dog vist, at hårdheden og sejheden af P No 4-svejsninger stadig kan opretholdes efter PWHT ved temperaturer, der er lavere end dem, der er specificeret i de nuværende kodekrav.

Selv om der kan være bekymringer, er der stærk støtte til at opretholde de nuværende krav til forvarmning og PWHT for P No 4. En undersøgelse sponsoreret af EPRI viste, at PWHT kunne udføres ved lavere temperaturer end dem, der i øjeblikket kræves i B31.1- og B31.3-koderne, mens der stadig produceres acceptable materialeegenskaber - hvilket giver mere designfleksibilitet, større sikkerhedsmargin for samlinger af forskellige materialer og eliminerer revnedannelse i svejseområder i følsomme P No 4-materialer.

Maksimal forvarmningstemperatur

ASME B31.3 kræver, at materialer opfylder en minimum forvarmningstemperatur, hvor varmebehandling efter svejsning (PWHT) kan begynde. PWHT er en kontrolleret proces, hvor svejsninger opvarmes til under deres lavere kritiske transformationstemperatur i et bestemt tidsrum for at reducere restspændinger og mikrostrukturelle ændringer forårsaget af svejsning; desuden kan det hjælpe med at øge hårdheden ved at øge hærdningsprocesserne under PWHT-behandlingen.

2014-udgaven af ASME B31.3 introducerede flere væsentlige revisioner af PWHT-kravene til procesrør, især svejsninger i kulstofstål, der opfylder kravene i ASME Section VIII Div 1, som tidligere krævede eftersvejsning (PWA).

Denne ændring blev implementeret efter en anmodning fra RRAC, som fremhævede, hvordan ASME B31.1 og B31.3 PWHT-temperaturer ligger tæt på materialernes lavere kritiske transformationstemperaturer, hvilket resulterer i unødvendige tab af hærdningskapacitet på grund af overophedning. For at løse dette problem anbefalede rapporten at ændre PWHT-kravene til mellem 1200-1300 grader. Derudover bør 150 grader sættes som maksimum over PWHT, hvilket er mere i tråd med BS 2633-kravene.

Minimum holdetid

Varmebehandling efter svejsning af kulstofstålrør ved hjælp af varmebehandling efter svejsning (PWHT). Formålet er at undgå miljøbetingede revnedannelser i rørforbindelser af kulstofstål og også at mindske restspændinger, der opstår ved svejsning, samtidig med at svejsemetallets sejhed øges. Derudover hjælper PWHT med at afbøde miljøforringelse og beskytte mod korrosion.

Kravene til PWHT varierer efter kode og materialegruppe. For eksempel specificerer B31.3 minimum holdetider på 15 minutter for lavlegeret stål og 20 minutter for henholdsvis 2.25%Cr-1%Mo-stål baseret på maksimale kulstofniveauer og svejsetykkelser, der er tilladt inden for hver gruppe; dette minimumskrav til holdetid gælder både for single pass-svejsninger og multi pass-svejsninger.

PWHT er ikke altid nødvendigt, f.eks. i tilfælde af svejsede stålbeholdere som olielagertanke. Selv om de er designet til at modstå tryk på op til 5.000 psi, er der stadig risiko for skørhed på grund af ekstreme temperaturgradienter og spændinger i svejsesamlingerne.

PWHT-processer kan være dyre og besværlige; af denne grund giver nogle jurisdiktioner undtagelser for kulstofstålrør. Desuden sigter kravene i B31.3-kodeserien mod at finde en effektiv balance mellem sikkerhed og effektivitet, når det gælder PWHT-krav.

Maksimal holdetid

ASME B31.3 er en amerikansk national standard, der dækker krav til rør, der bruges i olieraffinaderier, kemiske, farmaceutiske, brint-, tekstil-, papir- og papirmassefabrikker, atomreaktorer, halvlederanlæg samt elproducerende anlæg, naturgaskompressorstationer samt elproducerende anlæg. Den omhandler materialer og komponenter til design, fremstilling, montering, opstilling, inspektion og test af rør.

Som ved svejsninger skal forvarmningstemperaturen justeres ud fra tykkelsen af hver svejsning. Tynde svejsninger kan kræve lavere forvarmningstemperaturer end tykkere svejsninger for deres respektive svejsninger; den nødvendige tid for hvert trin forbliver dog konstant.

Før revisionen blev der fastsat obligatoriske PWHT-svejsetykkelsesgrænser baseret på god teknisk praksis og erfaring. Efterhånden som brudmekanikken har udviklet sig, siden den første implementering af disse grænser blev gjort i overensstemmelse med god teknisk praksis og erfaring, er de siden blevet revideret i lyset af beregnede sejhedsbaserede undtagelseskurver, der kræver højere minimumskrav til vægtykkelse i kulstofstål, end deres ældre ækvivalenter gjorde.

PWHT-svejsning kræver i de fleste tilfælde nu 19 mm som maksimal svejsetykkelse - betydeligt lavere end generelle konstruktionskoder som BS 5400 for broer) eller andre specialiserede koder som ASME B31.1, der regulerer trykbeholdere, energirør og API 650, der regulerer konstruktion af store lagertanke.