Κωδικοί θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT)

Οι ισχύοντες κανονισμοί σχεδιασμού για σωληνώσεις και δοχεία υπό πίεση ορίζουν ότι η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) ενδέχεται να είναι απαραίτητη εάν το πάχος του υλικού υπερβαίνει ένα καθορισμένο όριο, το οποίο συνήθως προσδιορίζεται με τη μέτρηση της ενέργειας Charpy. Ορισμένοι χάλυβες άνθρακα και χαμηλής κράμασης μπορούν να εξαιρούνται, εφόσον εφαρμόζεται κατάλληλος κύκλος προθέρμανσης.

Οι περιφερειακές συγκολλήσεις σε χαλύβδινους σωλήνες υποβλήθηκαν σε αξιολόγηση από τον Mohr, η οποία υποδεικνύει ότι ενδέχεται να μην απαιτείται επεξεργασία PWHT.

Τι είναι το ASME PWHT;

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) αποτελεί μια τεχνική που κερδίζει ολοένα και μεγαλύτερη δημοτικότητα για τη μείωση των υπολειμματικών τάσεων συγκόλλησης σε δοχεία υπό πίεση και εξοπλισμό σωληνώσεων, η οποία συχνά ορίζεται στους κώδικες ως υποχρεωτική για συγκολλημένα τμήματα από ανθρακούχο χάλυβα με πάχος άνω ορισμένων ορίων, με σκοπό τη μείωση της τάσης τους για εμφάνιση ρωγμών και εύθραυστης θραύσης. Δυστυχώς, η εφαρμογή της PWHT σε μεγάλα εξαρτήματα είναι μερικές φορές μη εφικτή ή δαπανηρή λόγω απομακρυσμένων τοποθεσιών ή μεγάλου βάρους των εξαρτημάτων, οπότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντ’ αυτού διαμορφώσεις PWHT τύπου «spot» ή «bulls eye».

Αυτές οι διαμορφώσεις χρησιμοποιούν συνήθως ζώνες ελέγχου διατήρησης θερμοκρασίας, θέρμανσης και βαθμίδας, οι οποίες διαστασιολογούνται και τοποθετούνται έτσι ώστε να αποτρέπουν τη δημιουργία παραμορφώσεων, ρωγμών σε γειτονικές συγκολλήσεις και σοβαρών υπολειπόμενων τάσεων. Δυστυχώς, λόγω της πολυπλοκότητας αυτών των σχεδιασμών, η ακριβής πρόβλεψη της θερμομηχανικής τους απόκρισης καθιστά τον σχεδιασμό τους εξαιρετικά απαιτητικό. Οι προηγμένες τεχνικές υπολογιστικής προσομοίωσης που χρησιμοποιούνται στην παρούσα έρευνα παρέχουν στους αναλυτές έναν τρόπο να διασφαλίσουν ότι οποιεσδήποτε τοπικές διαμορφώσεις PWHT που εφαρμόζονται μετά από επισκευές εξοπλισμού δεν θα προκαλέσουν δαπανηρές πρόσθετες ζημιές, όπως παραμόρφωση και ρωγμές, οι οποίες παρατείνουν περαιτέρω τον χρόνο ακινητοποίησης του εξοπλισμού.

Οι ισχύοντες κώδικες σχεδιασμού για δοχεία υπό πίεση και σωληνώσεις απαιτούν συνήθως τη διενέργεια θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT) όταν το πάχος του συγκολλημένου στοιχείου υπερβαίνει μια τιμή που καθορίζεται από τις ιδιότητες του υλικού κατά τη δοκιμή κρούσης Charpy· ωστόσο, οι απαιτήσεις διαφέρουν από κώδικα σε κώδικα, με σημαντικές αποκλίσεις μεταξύ των ορίων πάχους που καθορίζονται στους διάφορους κώδικες. Η έρευνά μας αποκάλυψε ότι η υιοθέτηση μιας προσέγγισης παρόμοιας με εκείνη που χρησιμοποιείται από το πρότυπο PD5500 θα μπορούσε να συμβάλει στην αντιμετώπιση ορισμένων από αυτές τις αποκλίνουσες προδιαγραφές.

Ποιο είναι το κατώτατο όριο πάχους σύμφωνα με το πρότυπο ASME PWHT;

Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, ενώ οι κανονισμοί για σωληνώσεις και δοχεία υπό πίεση απαιτούν συνήθως θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) έως τα 19 mm για χάλυβες C-Mn, τα γενικά πρότυπα δομικής μηχανικής, όπως το BS 5400 για γέφυρες ή το 2633 [25] για κτίρια, ενδέχεται να ορίζουν χαμηλότερα όρια εξαίρεσης από τις απαιτήσεις PWHT. Αυτές οι αποκλίσεις πιθανώς οφείλονται σε διαφορές στη χημική σύνθεση των χαλύβων, καθώς και σε διαφορετικές απαιτήσεις όσον αφορά την αντοχή σε θραύση (όπως απεικονίζεται).

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση συμβάλλει σημαντικά στη μείωση των υπολειπόμενων τάσεων, μέσω της ανόπτησης τόσο της μικροδομής του συγκολλημένου μετάλλου όσο και του βασικού μετάλλου, μειώνοντας έτσι σημαντικά τις υπολειπόμενες τάσεις στο συγκολλημένο τεμάχιο, αυξάνοντας την αντοχή και την ανθεκτικότητά του και μειώνοντας τον κίνδυνο ρωγμών που προκαλούνται από περιβαλλοντικούς παράγοντες.

Η PWHT μπορεί επίσης να μειώσει τη θερμική παραμόρφωση, η οποία έχει υψηλό κόστος για τον εξοπλισμό υπό πίεση και παρατείνει τον χρόνο διακοπής λειτουργίας που απαιτείται για την αποκατάσταση της λειτουργικότητάς του. Το κλειδί για την επιτυχία της PWHT είναι η επίτευξη της κατάλληλης διαδικασίας, μέσω της εξισορρόπησης της προθέρμανσης και του ρυθμού ψύξης.

Χρησιμοποιώντας προηγμένη μη γραμμική προσομοίωση FEA, είναι δυνατό να προσδιοριστεί η βέλτιστη διάταξη θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT) για επισκευές εξοπλισμού υπό πίεση. Μέσω της προσομοίωσης των θερμομηχανικών αντιδράσεων των συγκολλημένων κατασκευών σε διάφορες συνθήκες προθέρμανσης και ψύξης, η μέθοδος αυτή προσδιορίζει τις βέλτιστες τοπικές διατάξεις PWHT που ελαχιστοποιούν τόσο την παραμόρφωση όσο και τις υπολειμματικές τάσεις.

Ποιο είναι το όριο προθέρμανσης σύμφωνα με το πρότυπο ASME PWHT;

Οι ισχύοντες κώδικες σχεδιασμού για εξοπλισμό υπό πίεση και σωληνώσεις ορίζουν ότι η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) πρέπει να πραγματοποιείται μόνο εάν το πάχος της συγκόλλησης υπερβαίνει ένα συγκεκριμένο όριο, το οποίο καθορίζεται συνήθως από τις ιδιότητες του υλικού κατά τη δοκιμή Charpy ή από τις απαιτήσεις ελάχιστης θερμοκρασίας λειτουργίας. Αυτή η προσέγγιση που βασίζεται στο όριο πάχους χρησιμοποιείται εδώ και καιρό από τη βιομηχανία, όπως αποδεικνύεται από την επιτυχία της στην προστασία του εξοπλισμού από την ευθραυστότητα.

Ωστόσο, η χρήση της θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT) καταναλώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας και συμβάλλει στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου καθώς και σε άλλα περιβαλλοντικά προβλήματα, επιβαρύνοντας το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του εξοπλισμού. Επιπλέον, ενδέχεται να απαιτηθούν πολλαπλοί κύκλοι PWHT κατά τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού, γεγονός που αυξάνει περαιτέρω το κόστος συντήρησης και διαχείρισής του.

Ως εκ τούτου, έχει παρατηρηθεί μεγάλος ενθουσιασμός γύρω από τις προσπάθειες μείωσης της ανάγκης για PWHT μέσω της δημιουργίας υλικών με πιο ανεκτικές ιδιότητες. Αυτό θα επέτρεπε τη χρήση ισχυρότερων ανθρακούχων χαλύβων στον εξοπλισμό, μειώνοντας ταυτόχρονα τόσο την κατανάλωση ενέργειας όσο και τον κίνδυνο που συνδέεται με τις διαδικασίες ρωγμάτωσης υπό την επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων.

Έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για την επίτευξη αυτού του στόχου, όπως η χρήση θερμοκρασιών προθέρμανσης και συγκολλήσεων πολλαπλών περασμάτων. Το 2014, ο κώδικας ASME B31.3 “Power Piping” τροποποιήθηκε με την προσθήκη πίνακα εξαιρέσεων από την υποχρεωτική PWHT για συγκολλήσεις σε ανθρακούχο χάλυβα που ανταποκρίνονται στην ομάδα υλικών P-No 1 του κώδικα· σύμφωνα με αυτές τις εξαιρέσεις, οι ράβδοι πάχους CS >25 mm (1 in) πρέπει να υποβάλλονται σε προθέρμανση στους 95 °C (200 °F) πριν από τη συγκόλληση, με τη χρήση συγκολλήσεων πολλαπλών περασμάτων.

Τι είναι η εξαίρεση πάχους ASME PWHT;

Οι ισχύοντες κώδικες κατασκευής για δοχεία υπό πίεση και σωληνώσεις ορίζουν συνήθως ότι η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) ενδέχεται να είναι απαραίτητη εάν το πάχος της συγκόλλησης υπερβαίνει μια συγκεκριμένη τιμή, η οποία καθορίζεται συνήθως με βάση τις ιδιότητες του υλικού κατά τη δοκιμή Charpy. Ωστόσο, οι απαιτήσεις διαφέρουν από κώδικα σε κώδικα· ορισμένοι κώδικες μπορεί να είναι πιο συντηρητικοί από άλλους.

Το πρότυπο ASME B31.3 (2014) επιτρέπει πλέον την εξαίρεση από την υποχρεωτική θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) για υλικά από ανθρακούχο χάλυβα της ομάδας υλικών P1, υπό την προϋπόθεση ότι εφαρμόζεται θερμοκρασία προθέρμανσης 95 °C πριν από τη συγκόλληση, γεγονός που αποτελεί σημαντική αλλαγή στις ορθές τεχνικές πρακτικές. Η νέα αυτή διάταξη συνιστά ουσιαστική αλλαγή στις ορθές τεχνικές πρακτικές.

Η PWHT είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία με σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, μεταξύ των οποίων και οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Επιπλέον, οι πολλαπλοί κύκλοι PWHT κατά τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού ενδέχεται να προκαλέσουν στρέβλωση ή παραμόρφωση, γεγονός που απαιτεί εκτεταμένες επισκευές· οι επισκευές με σύνθετα υλικά προσφέρουν μια εναλλακτική λύση έναντι της PWHT για την επισκευή κατεστραμμένων εξαρτημάτων εξοπλισμού υπό πίεση.

Οι επισκευές με σύνθετα υλικά προσφέρουν πολλά περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις αντίστοιχες μεταλλικές. Όχι μόνο μπορούν να βελτιώσουν τη δομική ακεραιότητα και να μειώσουν τον κίνδυνο διαρροών, αλλά, χάρη στον συνδυασμό υλικών υψηλής απόδοσης, οι επισκευές με σύνθετα υλικά είναι εξαιρετικά ανθεκτικές και αντέχουν σε φαινόμενα που σχετίζονται με τη γήρανση, όπως η κόπωση. Ως εκ τούτου, συμβάλλουν στη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας του εξοπλισμού πολύ καιρό μετά την ολοκλήρωση των αρχικών εργασιών PWHT.