Кодове за термична обработка след заваряване (PWHT)

Настоящите норми за проектиране на тръбопроводи и съдове под налягане предвиждат, че може да се наложи ПВХТ, ако дебелината на материала надвишава установен праг, обикновено определян чрез измерване на енергията на Шарпи. Някои въглеродни и нисколегирани стомани могат да бъдат освободени, ако се използва подходящ цикъл на предварително нагряване.

Заваръчните шевове в стоманени тръби са били подложени на оценка от Mohr, която показва, че може да не се нуждаят от обработка с PWHT.

Какво е ASME PWHT?

Топлинната обработка след заваряване (PWHT) е все по-популярна техника за намаляване на остатъчните напрежения в заваръчните шевове в съдове под налягане и тръбопроводно оборудване, която често е посочена в правилата като задължителна за заваръчни шевове от въглеродна стомана с дебелина над определени прагове, за да се намали склонността им към иницииране на пукнатини и крехко разрушаване. За съжаление, извършването на PWHT на големи части понякога е непрактично или скъпо поради отдалечени места или голямо тегло на компонента, поради което вместо това могат да се използват конфигурации за PWHT на точки или на бичи очи.

В тези конфигурации обикновено се използват ленти за контрол на накисване, нагряване и градиент, оразмерени и разположени така, че да предотвратяват изкривяването, напукването на съседните заварки и генерирането на тежки остатъчни напрежения. За съжаление, поради сложността на тези конструкции, точното прогнозиране на термомеханичната им реакция прави проектирането им изключително трудно. Усъвършенстваните техники за изчислителна симулация, използвани в това изследване, предоставят на анализаторите начин да гарантират, че всички локални конфигурации за PWHT, прилагани след ремонт на оборудването, няма да предизвикат скъпоструващи допълнителни повреди като изкривяване и напукване, които да удължат допълнително времето за престой на оборудването.

Действащите норми за проектиране на съдове под налягане и тръбопроводи обикновено налагат PWHT, когато дебелината на заваръчния шев надвишава стойност, определена от свойствата на материала при изпитването на удар по Шарпи, но изискванията варират в различните норми, като има значителни разлики между границите на дебелината, посочени в различните норми. Нашето проучване показа, че подход, подобен на този, използван от PD5500, може да помогне за справяне с някои от тези несъответстващи спецификации.

Какъв е прагът на дебелината по ASME PWHT?

Както е показано в таблица 1, докато нормите за тръбопроводи и съдове под налягане обикновено изискват PWHT до 19 mm за C-Mn стомани, общите стандарти за структурно инженерство, като BS 5400 за мостове или 2633 [25] за сгради, могат да определят по-ниски прагове за освобождаване от изискванията за PWHT. Тези несъответствия вероятно се дължат на разликите в химичния състав на стоманите, както и на различните изисквания за якост на разрушаване (както е показано на илюстрацията).

Топлинната обработка след заваряване спомага за значително намаляване на остатъчното напрежение чрез отпушване на микроструктурите както на заваръчния метал, така и на основния метал, като по този начин значително се намаляват остатъчните напрежения в заваръчния шев, повишава се неговата якост и издръжливост и се намаляват рисковете от напукване, предизвикано от околната среда.

PWHT може също така да намали термичните деформации, които са скъпи за оборудването под налягане и удължават времето за ремонт, необходимо за възстановяване на работоспособността. Постигането на правилна PWHT чрез постигане на идеален баланс между степента на подгряване и охлаждане е от ключово значение за успеха.

С помощта на усъвършенствана нелинейна симулация на FEA може да се определи оптималната конфигурация на PWHT за ремонт на оборудване под налягане. Чрез симулиране на термомеханичните реакции на заваръчните елементи в отговор на различни условия на предварително нагряване и охлаждане, този метод определя оптимални локални схеми за PWHT, които минимизират деформациите и остатъчните напрежения.

Какъв е прагът на подгряване по ASME PWHT?

Настоящите норми за проектиране на оборудване под налягане и тръбопроводи определят, че PWHT трябва да се извършва само ако дебелината на заваръчния шев надвишава определена граница, обикновено определена от свойствата на материала при изпитването на Шарпи или изискванията за минимална работна температура. Този подход за ограничаване на дебелината отдавна се използва в промишлеността, за което свидетелства успехът му при защитата на оборудването от крехко разрушаване.

Но използването на PWHT консумира значително количество енергия и допринася за емисиите на парникови газове и други екологични проблеми, като добавя допълнителни разходи, свързани с експлоатацията и поддръжката му. Освен това през експлоатационния живот на оборудването може да са необходими множество цикли на PWHT, което води до допълнителни разходи, свързани с поддръжката и управлението му.

Поради това усилията за намаляване на нуждата от PWHT чрез създаване на по-щадящи свойства на материалите се посрещат с голям ентусиазъм. Това би позволило оборудване, използващо по-здрави въглеродни стомани, като същевременно се намаляват както потреблението на енергия, така и рискът, свързан с процесите на крекинг, подпомагани от околната среда.

Разработени са подходи за постигане на тази цел, като например използване на температури на предварително нагряване и многопроходни заварки. През 2014 г. кодексът ASME B31.3 "Енергийни тръбопроводи" беше изменен с таблица за изключения от задължителното PWHT за заварки от въглеродна стомана, съответстваща на неговата група материали P-No 1; съгласно тези изключения CS с дебелина >25 mm (1 инч) трябва да получи предварително загряване от 95 градуса по Целзий (200 градуса по Целзий) преди заваряване, като се използват многопроходни заварки.

Какво представлява освобождаването от дебелината на ASME PWHT?

Действащите правила за изработка на съдове под налягане и тръбопроводи обикновено определят, че може да се наложи PWHT, ако дебелината на заваръчния шев надхвърля дадена стойност, като тази граница обикновено се определя с помощта на свойствата на материала при изпитването на Шарпи. Изискванията обаче се различават в различните кодекси; някои от тях могат да бъдат по-консервативни от други.

ASME B31.3 (2014 г.) вече позволява освобождаване от задължителната PWHT за материали от въглеродна стомана от материална група P1, като преди заваряването се прилага температура на предварително нагряване от 95C, което представлява важна промяна в добрата инженерна практика. Тази нова разпоредба представлява съществена промяна в добрата инженерна практика.

PWHT е енергоемък процес със значителни последици за околната среда, включително емисии на парникови газове. Освен това многобройните цикли на PWHT през целия живот на оборудването могат да причинят деформации или изкривявания, които да наложат мащабен ремонт; композитните ремонти предлагат алтернатива на PWHT за ремонт на повредени части на оборудване под налягане.

Композитните ремонти имат няколко екологични предимства пред металните си аналози. Те не само могат да подобрят структурната цялост и да намалят риска от течове, но благодарение на комбинирането на висококачествени материали композитните ремонти са изключително трайни ремонти, които са устойчиви на свързаните с възрастта ефекти, като например умора. Като такива те помагат за осигуряване на безопасна експлоатация на оборудването дълго след приключване на първоначалните работи по ПВХТ.