Požadavky ASME PWHT

Energetický a zpracovatelský průmysl se potýká s problémy souvisejícími s rozdíly mezi předpisy, pokud jde o požadavky na PWHT kotlů. Zatímco některé z těchto rozdílů lze odůvodnit, jiné se zdají být z technického hlediska méně důležité.

Současné výrobní předpisy obvykle osvobozují některé konstrukce od PWHT na základě jejich lomové houževnatosti podle Charpyho při minimální provozní teplotě; tato kritéria jsou však často subjektivní a nejasně definovaná.

Co je PWHT?

Tepelné zpracování ocelových součástí po svařování (PWHT) je nezbytným krokem v procesu svařování, který zahrnuje jejich zahřívání při vysokých teplotách po delší dobu za účelem odstranění tepelné deformace, oslabení pevnosti a houževnatosti kovu, což může způsobit, že zařízení tlakových nádob bude náchylnější k poruchám. Hlavním cílem PWHT je obnovení těchto vlastností tak, aby se obnovila pevnost v tahu i mez kluzu materiálu.

Současné výrobní normy pro tlakové nádoby a potrubí, například ASME Section VIII a ASME B31.3, nařizují PWHT pro svařence, které přesahují určitou mezní tloušťku. Tento požadavek na mezní tloušťku obvykle bere při stanovení požadavku na tloušťku v úvahu vlastnosti materiálu při Charpyho zkoušce i předpokládané provozní podmínky - je však známo, že tento přístup je příliš konzervativní, což vede k anomálním hodnotám v různých předpisech pro požadavky na PWHT.

Jak ukazuje tabulka 1, tyto předpisy poskytují různé výjimky z PWHT, což usnadňuje možnosti racionalizace v rámci jednotlivých předpisů. Bylo by však obtížné sladit specifikace petrochemického průmyslu se specifikacemi energetického sektoru; je tedy životně důležité uvědomit si jejich rozdíly a provádět kvalifikaci postupů svařování u každého svařence podle specifikací a zajistit jejich shodu.

Proč je PWHT nutná?

PWHT je nezbytná vzhledem k tomu, že při běžných svařovacích procesech vznikají značná zbytková napětí, která mohou dosáhnout nebo překročit mez kluzu základního kovu nebo svarového materiálu. Tepelné zpracování po svařování slouží ke zmírnění těchto zbytkových napětí a zároveň k popuštění mikrostruktury svarového kovu, čímž se snižuje riziko vzniku trhlin podpořených prostředím.

Ohřev a chlazení velkých ocelových konstrukcí je však nákladná záležitost, zejména pokud je v průběhu životnosti tlakového zařízení zapotřebí více cyklů. Kromě toho může tento proces způsobit deformace zařízení, které ohrožují jeho rozměrovou přesnost a strukturální integritu.

Uživatelé, kteří se snaží snížit náklady, budou přirozeně chtít minimalizovat dobu, po kterou je jejich zařízení vystaveno procesům PWHT, což z kompozitních materiálů činí vhodnou alternativu. Specialisté na opravy tlakových zařízení proto musí těmto potenciálním řešením pro PWHT ošetření rozumět.

Přehled požadavků na výjimku z PWHT v různých předpisech, například pro tlakové nádoby a potrubí (tabulka 1), a také v obecných konstrukčních normách, jako je PD 5500 [22] a EEMUA 158 [23], ukázal, že se mezi nimi vyskytují značné rozdíly. Rozdíly vyplývají především z rozdílů v kritériích návrhového namáhání, vlastních požadavků na Charpyho houževnatost a přípustné velikosti vad, které se mezi nimi liší.

Teplotní rozsahy PWHT

Petrochemický a energetický průmysl mají každý jedinečné požadavky na tepelné zpracování po svařování, částečně kvůli různým používaným předpisům, ale především kvůli tomu, jak každý předpis zachází s příslušným materiálem.

PWHT (Post Weld Heat Treatment) zahrnuje zahřátí svaru na teplotu nižší, než je jeho nižší kritická teplota přetvoření, a jeho udržení po určitou dobu, aby se uvolnilo napětí v kovu a zvýšila se jeho houževnatost. Teploty PWHT se liší v různých předpisech petrochemického a energetického průmyslu; v prvních předpisech jsou obvykle stanoveny vyšší limity pro teploty ošetření.

V různých částech předpisů se proto mohou vyskytovat značné rozdíly v požadavcích na PWHT, což vede k nejednotnosti požadavků na PWHT a k bezpečnostním rizikům při zahřívání na teploty PWHT, které vedou k deformaci součástí, jež následně při zahřátí na požadované teploty PWHT těžko unesou vlastní hmotnost. Aby se předešlo takovým potenciálním komplikacím při PWHT, musí být před zahájením PWHT v celé konstrukci strategicky rozmístěny podpěry přizpůsobené každé součásti, aby se tato potenciální nebezpečí zmírnila.

Testy EPRI (Ref. 1) a výzkum Lundina a Khana (Ref. 6) naznačují, že nižší kritická teplota používaná předpisem B31.1 pro energetická potrubí 1100 stupňů Celsia může být příliš nízká; místo toho tito výzkumníci zjistili, že použití teploty 1200 stupňů Celsia jako PWHT by vedlo k rychlejším změnám vlastností se zvýšenou houževnatostí a sníženou tvrdostí HAZ svarů.

Výjimky PWHT

Některé oddíly kodexu osvobozují určité tloušťky svařenců z chrom-molybdenových ocelí P-4 a P-5A od povinného tepelného zpracování po svařování (PWHT), ačkoli pravidla se v jednotlivých kodexech liší a závisí na tloušťce; oddíl VIII ASME BP&V umožňuje, aby se svařence silnější než 5/8 vyhnuly PWHT; jiné kodexy používají jako ukazatele pro osvobození jiná kritéria, včetně svařitelnosti nebo schopnosti svařenců odolávat absorpci vodíku.

Svařitelnost se často používá jako jediný rozhodující faktor, zda materiál vyžaduje ošetření PWHT. Rozhodující je zejména její vliv na svařování součástí bez vzniku vad během svařování nebo bezprostředně po něm (svařitelnost). Kromě toho hraje tento aspekt zásadní roli také při navrhování svarů a svařenců pro jaderné použití.

Svařitelnost označuje schopnost svařovaných konstrukcí nebo svařenců odolávat koncentracím napětí způsobeným zbytkovými napětími ze zbytkových napětí svařovacího procesu a/nebo geometrie jejich svařence. Pro minimalizaci rizika vzniku trhlin se zpožděním způsobeným vodíkem může vhodný posvařovací ohřev zahrnovat elektrický odporový ohřev nebo vytlačení zachyceného vodíku inertním plynem, například dusíkem. Vzhledem k těmto úvahám se zdá být rozumné zmírnit současné požadavky předpisu tak, aby se výrazně snížil počet PWHT prováděných pro materiály jaderných trubek.