Значението на PWHT в процесите на заваряване на тръби

Токовете, генерирани от високочестотни намотки, генерират необходимата топлина и след това я охлаждат чрез конвекция.

Проучванията показват, че остатъчните напрежения в заваръчните шевове и проблемите с якостта на разрушаване на HAZ не предоставят достатъчна техническа обосновка за прилагане на изискванията за PWHT към тръбни материали с дебелина на стената по-малка от 5/8 инча.

1. Облекчава остатъчните напрежения

Заваряването създава големи области с високи остатъчни напрежения на опън, които могат да допринесат за подпомогнато от околната среда напукване или крехко счупване в заварени стоманени сглобки. Топлинната обработка след заваряване (PWHT) облекчава тези напрежения и позволява на тръбата да продължи да работи безопасно в експлоатация.

Конвенционалната PWHT включва подлагане на заварената заварка на температури, които надвишават минималната температура на трансформация за оптимална якост на заварката, устойчивост на корозия, умора или защита от водородни повреди. Изборът на температурата зависи от желаните ефекти на отпушване, както и от изискваните нива на устойчивост на материала срещу корозия, умора или водородни повреди.

Когато се използва локална PWHT за намаляване на остатъчните напрежения в малка област, изборът на геометрията на нагрятата зона е от решаващо значение. Проучванията разкриват, че нагряваните ленти с променлива ширина намаляват величината на напреженията по-ефективно, отколкото периферните ленти с постоянна ширина, поради еластичния анализ, показващ по-големи остатъчни напрежения след охлаждане от използването им в сравнение с нагряваните зони с променлива ширина.

Тези констатации предполагат, че настоящите ограничения за освобождаване от PWHT в тръбопроводните кодекси може да не са точни и че може да е възможно да се намалят изискванията за PWHT, без да се повлияе на заваряемостта или умората на материалите, особено след като съществуващите кодекси не изискват изпитване на якостта на разрушаване на заварки, по-тънки от 5/8 инча.

2. Укрепва заварката

Топлинната обработка след заваряване (PWHT) е съществен компонент на процесите на заваряване. PWHT намалява остатъчните напрежения в материалите, които иначе биха могли да доведат до изкривяване и напукване; освен това PWHT повишава якостта чрез премахване на концентрацията на напрежения, която иначе би могла да отслаби заварките при динамични условия на натоварване и да ги направи крехки и неустойчиви.

PWHT включва нагряване на метала до определена температура за предварително определен период от време и с различни техники, като отгряване, нормализиране, закаляване и отпушване, за да се увеличи здравината и същевременно да се намали рискът. Целта на PWHT е да се заздравят заварките, като същевременно се намалят рисковете от напукване.

Когато обаче тези процедури се извършват неправилно, те могат действително да отслабят заваръчния шев. Това се случва, когато топлинните градиенти не се контролират правилно; когато това се случи, заварката изпитва по-високи температури на някои места, отколкото на други, и е принудена да се разширява и свива с различна скорост, което води до по-малка устойчивост срещу корозионно напукване под напрежение и водородно индуцирано напукване.

В зависимост от вида на тръбата, използвания метален заваръчен материал и други фактори може да се наложи или не PWHT. Тръбите, изработени от въглеродна стомана, обикновено изискват PWHT, докато преди инсталирането на заварките може да е необходима термична обработка за намаляване на напрежението, за да се осигури достатъчна якост срещу напреженията на околната среда.

3. Намалява риска от напукване

Топлинната обработка след заваряване е неразделна част от производството на стомана. Този контролиран процес на нагряване и охлаждане облекчава остатъчните напрежения, отпушва микроструктурата на заваръчния шев, отстранява дифузния водород, намалява податливостта към корозионно напукване под напрежение, увеличава якостта и твърдостта, както и осигурява повишена якост. Когато се извършва неправилно или се пропуска изцяло, заваръчните съединения стават податливи на транс-грануларно напукване, което може да доведе до катастрофално разрушаване на структури като съдове под налягане или основни тръбни компоненти.

Техниките за заваряване чрез PWHT могат също така да намалят студеното напукване на тръбните компоненти, като повишат пластичността на заваръчния шев; за постигането на тази цел трябва да се използват метали за пълнене с ниски стойности на дифузния водород (напр. H4 или H8).

Проучванията показват, че използването на предварително нагряване може значително да облекчи остатъчните напрежения, като по този начин се намалява рискът от поява на пукнатини от умора. Трябва да се помни обаче, че предварителното нагряване има значителен принос само когато е подложено на достатъчно големи натоварвания, които се редуват във времето.

Въз основа на това изследване PWHT става по-малко значима с увеличаването на диаметъра на тръбата за всяка дадена дебелина на стената, което предполага, че настоящите изключения от правилата, ограничаващи кога трябва да се извършва PWHT, трябва да бъдат преразгледани, без да се засягат стандартните графици за тръбопроводите в електроцентралите.

4. Намалява риска от дефекти

Много тръбопроводни системи трябва да работят във враждебна среда с високи температури и налягания, където заварките могат да претърпят термична умора или да се разрушат без обработка с PWHT. Когато обаче се подложат на PWHT, металът им може да издържи по-добре на това напрежение, намалявайки риска от повреда и подобрявайки безопасността и надеждността на системата.

Въпреки че PWHT предоставя много предимства, съществува риск в някои случаи тя да бъде приложена прекомерно или неправилно. Прекаляването може да намали якостта на опън и на пълзене, като същевременно намали издръжливостта на врязване; неправилното прилагане може дори да причини напукване и транс-гранулирано напукване на бетонни повърхности.

Поради това различните норми, отнасящи се до тръбопроводи и съдове под налягане, често имат различни изисквания по отношение на изискванията за PWHT. Например раздели I и VIII на ASME BP&V освобождават от това изискване заваръчните шевове, изработени от материали P-4 и P-5A с дебелина под 5/8 инча, докато други кодекси, като ANSI B31.3, изискват PWHT само за заваръчни шевове с дебелина между 4 инча и по-малко.

Тези разлики могат да се дължат на различните професионални организации, които изготвят кодексите и се ръководят от своя инженерен опит и практика. Въпреки това е установено, че заваряемостта има тенденция да се увеличава с увеличаване на диаметъра на материалите на тръбите; по този начин PWHT става по-малко критична при заваръчни шевове с дебели стени, отколкото при такива с тънки стени.