Formel für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) dient der Spannungsentlastung und soll Restspannungen im Bereich von Schweißnähten verringern. Die meisten maßgeblichen Normen schreiben lokale PWHT-Behandlungen vor, um Ermüdungsrisse in Prozessrohrleitungssystemen zu verhindern.

Um die optimalen Bedingungen für die lokale Nachwärmebehandlung (PWHT) zu ermitteln, wurde ein vollfaktorielles Versuchsdesign mit drei Faktoren durchgeführt. Zu den untersuchten Variablen gehörten:

Temperatur

Die Temperatur bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) darf die Temperierungstemperatur des zu bearbeitenden Werkstoffs niemals überschreiten, und jeder Versuch in dieser Richtung muss durch mechanische Prüfungen bestätigt werden, um nachzuweisen, dass die Festigkeit nicht unter den für diese Güteklasse festgelegten Wert gesunken ist. Daher muss die Wärmebehandlung nach dem Schweißen innerhalb der Bereiche erfolgen, die in den spezifischen Normen zur Regelung der Wärmebehandlung nach dem Schweißen definiert sind, wie z. B. Haltezonen, Erwärmungszonen oder Gradientenkontrollbänder.

Um optimale Ergebnisse bei der Nacherwärmung (PWHT) zu erzielen, sollten die zu bearbeitenden Teile während der Haltezeit durch innenliegende und außenliegende, passgenau geformte Stützen abgestützt werden, die in regelmäßigen Abständen um den Umfang herum angeordnet sind. Dieser Schritt ist besonders wichtig bei Druckbehältern, die inneren und äußeren Kräften ausgesetzt sind, die zu Ausdehnung und Kontraktion führen.

Druck

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) dient dazu, Restspannungen abzubauen, die andernfalls zusammen mit den Belastungsspannungen die Auslegungsgrenzen des Werkstoffs überschreiten und möglicherweise zu Schweißnahtversagen, Spannungskorrosionsrissen oder spröden Brüchen führen würden. Bei der PWHT werden diese Spannungen durch Erwärmen und Abkühlen des Schweißguts mit kontrollierter Geschwindigkeit reduziert, um sie abzubauen.

Je nach Art des zu behandelnden Stahls gibt es verschiedene Verfahren zur Wärmebehandlung nach der Fertigung (PWHT), darunter Glühen, Normalisieren, Anlassen und Spannungsarmglühen. Bei der Auswahl eines geeigneten Verfahrens auf der Grundlage der chemischen Zusammensetzung oder der vorgesehenen Anwendung (z. B. Druckbehälter oder Rohre) sind geeignete Anlagen und Einrichtungen mit ordnungsgemäß geregelten Halte-Temperaturen sowie Qualitätssicherungsmaßnahmen und angemessene Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten entscheidende Faktoren, um Ergebnisse zu erzielen, die den gewünschten Erwartungen entsprechen.

Eine PWHT kann gemäß den Vorschriften erforderlich sein, wenn die Dicke der Schweißkonstruktion einen bestimmten Schwellenwert überschreitet; sie kann jedoch auch auf der Grundlage einer mikrostrukturellen Analyse oder der Anfälligkeit für Spannungskorrosionsrisse festgelegt werden.

Der sachgemäße Einsatz der Nachwärmebehandlung (PWHT) ist unerlässlich, um Schweißfehler und andere Mängel in geschweißten Konstruktionen zu vermeiden. Die PWHT kann die Zähigkeit erhöhen, die Duktilität verbessern und das Rissrisiko während des Betriebs verringern; wird die PWHT jedoch zu schnell oder unkontrolliert durchgeführt, könnten sich diese Effekte umkehren und zu einem vorzeitigen Versagen der Konstruktionen führen.

Wärmeübertragungsrate

Die Wärmeübertragung zwischen Materialien hängt von deren Eigenschaften ab; so leitet beispielsweise Metall Wärmeenergie effektiver als Kunststoffplatten oder Holz. Daher geben Metallplatten aufgrund des Temperaturunterschieds DT zwischen warmer und kalter Umgebung sowie der Dicke der verwendeten Materialien mehr Wärme an ihre Umgebung ab als ihre Gegenstücke aus Kunststoff.

Die verwendeten PWHT-Verfahren können sich sowohl auf die Aufheiz- als auch auf die Abkühlgeschwindigkeit von Bauteilen, insbesondere von Behältern, auswirken. Bei der Anwendung dieses Verfahrens bei Behältern muss während der PWHT eine Abstützung vorgesehen werden, um übermäßige Verformungen zu vermeiden; dies kann das Aufstellen von speziell für diese Behälter angefertigten Stützböcken in regelmäßigen Abständen während des PWHT-Prozesses beinhalten oder die Verwendung entweder eines fest installierten Ofens, bei dem die Bauteile auf rollbare Ofenbetten geladen werden, oder eines vor Ort für den PWHT-Prozess errichteten provisorischen Ofens.

Gemäß den technischen Vorschriften muss der Schweißbereich der Bauteile in mehrere Zonen unterteilt werden, die als „Soak-Bänder“, „Heizbänder“ und „Gradientenregelungsbänder“ bezeichnet werden. Innerhalb der Gradientenregelungsbänder werden Wärmeisolierungen oder zusätzliche Heizelemente angebracht, um einen akzeptablen axialen Temperaturgradienten zwischen Schweißtemperatur und Umgebungstemperatur aufrechtzuerhalten; dabei kommen jeweils Konvektions- und Strahlungsheizverfahren zum Einsatz.