PWHT и заваряване на въглеродна стомана

Въглеродните и въглеродно-мангановите стомани, както и нисколегираните стомани, отговарящи на стандартите за твърдост, обикновено не се нуждаят от обработка чрез PWHT, въпреки че разликите между кодовете за съдове под налягане и тръбопроводи (както е описано в таблица 1) често усложняват процесите на рационализация.

Целта на тази статия е да опише и очертае изискванията и изключенията за PWHT, приложими за въглеродни и нисколегирани материали.

Облекчаване на стреса

Тъй като заваряването предизвиква остатъчни напрежения в металите, особено в нисколегираните въглеродни стомани, те могат да доведат до напукване и отслабване. За да се намалят тези вътрешни напрежения, материалът се подлага на термична обработка PWHT, при която се използват температури, по-ниски от температурата на трансформация, и той се накисва за продължителен период от време, преди да се охлади равномерно в напречното си сечение и повърхност.

PWHT изисква температури, които могат да облекчат напреженията, предизвикани от заваряването, като едновременно с това се избягват металургични фазови промени и крехкост, така че времето за нагряване и задържане трябва да се управлява внимателно, за да се максимизират ползите и да се гарантира тяхното реализиране.

Топлинната обработка с вълни под налягане, която обикновено се използва при съоръжения под налягане, но се извършва и при други конструкции като мостове и сгради, трябва да бъде разбрана, за да се вземат информирани решения по отношение на всички конструкции, които изграждате или ремонтирате. Изключително важно е да се знае кога е необходим този процес и какви са ползите от него, за да се вземат решения с максимални познания по отношение на тяхното изграждане.

Механичното намаляване на напреженията (MSR) може да предложи един метод за намаляване на остатъчните напрежения, но той не предлага същите металургични предимства като PWHT; следователно не трябва да се счита за алтернативно решение. MSR все още може да се окаже полезно, когато преместването на частите директно в пещта за PWHT е непрактично или невъзможно, но не трябва да се разглежда като заместващ вариант за обработка.

Промяна на температурата

В зависимост от използваните заваръчни процедури остатъчните напрежения могат да надвишат границата на провлачане на материала и да доведат до крехко разрушение в зоната на заваряване. PWHT намалява тези напрежения чрез преразпределение, като по този начин намалява риска от повреда в конструкции от въглеродна стомана, заварени чрез PWHT заваръчни процедури.

Обработките за заваряване чрез PWHT не само намаляват разтоварването на напрежението, но могат да се използват и за омекотяване и омекотяване на твърдите заварени структури - увеличават пластичността, като същевременно намаляват риска от напукване, подпомогнато от околната среда - което е особено полезно при заваръчни шевове за приложения за тръбопроводи с кисела вода.

Промените в PWHT могат да спомогнат за намаляване на водородно-индуцираната корозия във въглеродните стомани и да повишат техните характеристики при умора, както и да намалят риска. Трябва да се отбележи обаче, че PWHT се различава от закаляването, обработката с разтвори или процесите на стареене (въпреки че някои от техните ефекти могат да бъдат постигнати чрез PWHT).

Изискванията за PWHT са дефинирани в различни норми, като границите на дебелината обикновено са определени на 32 mm за съдове под налягане и тръбопроводи, изискващи PWHT. Възможно е също така да има разлики между кодовете поради различните енергии на Шарпи или стандарти за инспекция, както и поради разликите в химичния състав на въглеродните или C-Mn стомани, които те обхващат, което прави рационализирането малко вероятно.

Дефекти на заваряване

Остатъчните напрежения могат да причинят видими и невидими дефекти на заваръчния шев, включително прекъсвания, порьозност и пръски; видимите дефекти включват прекъсвания на заваръчния шев, порьозност и пръски; невидимите дефекти включват непълно сливане, ниска пластичност и лоши механични свойства. Остатъчните напрежения също така компрометират устойчивостта на заваръчните шевове на корозионно напукване под напрежение, като същевременно увеличават податливостта им на умора - особено при сложни конструкции или приложения с продължителна експлоатация.

Като правило, колкото по-високо е съдържанието на въглерод и сплави в заваръчните материали и дебелината на напречното сечение на конструкциите, толкова по-висока е потенциалната им необходимост от топлинна обработка след заваряване (PWHT). Това е така, защото остатъчните напрежения при заваряване намаляват якостта на разрушаване в тяхното закалено мартензитно състояние и по този начин изискват PWHT.

Въпреки това изискванията за PWHT имат някои изключения. Съгласно действащите стандартни правила за тъканите някои конструкции могат да бъдат освободени от изискванията за PWHT, ако са заварени чрез специално разработени ремонтни процедури и са специфицирани с енергиен фактор, изчислен чрез подходи на механиката на разрушението.

Заваряването е активен процес и заваръчните шевове, които се получават при него, могат да бъдат подложени на значително натоварване по време на фазата на охлаждане, което създава напрежения, които трябва да бъдат управлявани, за да могат тези заваръчни шевове да се използват в критични приложения. Това може да се постигне чрез намаляване на скоростта на движение на електрода, ограничаване на използването на ток по време на заваръчните операции и използване на защитни газове с подходящ състав за вида и дебелината на материала.

Безопасност

Заваряването е неразделна част от изграждането и поддръжката на съоръжения за преработка на нефт, газ и химикали. Неправилното изпълнение на заваръчните шевове обаче може по невнимание да отслаби оборудването чрез предизвикване на остатъчни напрежения в материалите и отслабване на здравината. За да се смекчи този ефект, след заваряване трябва редовно да се извършва термична обработка след заваряване (PWHT), за да се сведат до минимум остатъчните напрежения в заваръчния материал, да се контролират нивата на твърдост след заваръчните процеси и в някои случаи да се увеличи механичната якост.

PWHT е изолационна процедура, при която се използват високотемпературни нагреватели за повишаване на температурата на заваръчните шевове до около 300-1125 градуса в зависимост от вида на стоманата и съдържанието на въглерод. Топлината се прилага с помощта на електрически съпротивителен нагревател, предназначен за размера на тръбата, който отговаря на заваръчния шев, който трябва да бъде обработен. Всички електротехници, участващи в инсталацията, трябва да разберат последиците за безопасността по време на операциите по PWHT; всички връзки трябва да бъдат оградени правилно, а зоната трябва да бъде обособена като опасна зона, за да се предпазят неизвестни лица, които влизат в контакт с електрически кабели с високо напрежение.

Изискванията за PWHT се различават в различните кодове за изработка. Например прагът на дебелината, при който се налага PWHT, варира значително; например BS 1113 [22] и 2633 [23] го ограничават за въглеродно-манганови стомани със съдържание на въглерод до 0,25%, докато PD 5500 и Pr EN 13445 позволяват използването му за заваръчни елементи с дебелина до 140 mm, при условие че отговарят на установено изискване за якост на механиката на разрушението.