Požadavky na tepelné zpracování po svařování (PWHT) podle oddílu VIII, divize 1 ASME

Oddíl VIII, divize 1 ASME je důležitou technickou normou, která poskytuje jasné pokyny pro vytváření, kontrolu a certifikaci tlakových nádob. To přispívá ke standardním inženýrským postupům a zároveň zvyšuje bezpečnost a efektivitu v různých průmyslových odvětvích.

Tepelné zpracování po svařování (PWHT) je řízený proces určený k odstranění zbytkových napětí ve svařovaných materiálech a je definován v bodě 331.11 spolu s tabulkami 331.1.1.1 a 331.1.3. Musí splňovat požadavky stanovené v bodě 331.11.1.2, jak je uvedeno níže pro použití v potrubí.

Minimální teplota

Tepelné zpracování po svařování (PWHT) zahrnuje zahřátí svarového kovu na teplotu nižší, než je jeho nižší kritická teplota přeměny, a jeho udržování po delší dobu. To pomáhá snižovat zbytková napětí a mikrostrukturní změny způsobené svařováním; PWHT se však často provádí nekontrolovaně s teplotními gradienty, které mohou poškodit svarový kov a vést k jeho praskání pod napětím nebo zvýšit jeho náchylnost ke křehkému lomu.

Současné předpisy vyžadující PWHT pro energetické potrubí stanovují minimální teplotu PWHT 1100 stupňů Celsia, což je příliš nízká teplota, která může vést k předčasnému poškození korozí. Studie sponzorovaná EPRI, kterou provedli Souder a Lundin a Khan, prosazuje zvýšení této teploty na 1200 stupňů Celsia; to by mělo za následek významné změny vlastností svarového kovu, jako je zvýšení houževnatosti a snížení tvrdosti.

Snížení minimální teploty PWHT by mohlo významně snížit teplotu přechodu svarového kovu z tvárné do křehké fáze, což by mohlo vést k nepřijatelnému snížení jeho pevnosti v tahu a tažnosti, což by si vyžádalo zvýšení konstrukčního tlaku nádoby s kódovým označením a bylo by také velmi nákladné jak pro výrobce trubek, tak pro výrobce tlakových nádob. Je proto nezbytné, aby výrobci při stanovování minimálních teplot PWHT našli rovnováhu mezi těmito požadavky.

Minimální doba držení

PWHT (post weld heat treatment) je proces tepelného zpracování po svařování, při kterém se ocel zahřeje na nižší kritickou teplotu přetvoření a udržuje se při ní po určitou dobu, aby se snížila zbytková napětí a mikrostrukturní změny ve svarovém kovu. PWHT je často vyžadována při výrobě tlakových nádob a trubek; protože však může být nákladná a časově náročná. V zájmu úspory nákladů se může vyplatit pokusit se zajistit výjimku z PWHT, pokud je to možné.

Tlakové nádoby, potrubí a skladovací nádrže musí splňovat požadavky PWHT stanovené konstrukčními předpisy použitými při jejich konstrukci. Požadavky těchto předpisů se značně liší - například požadavky normy BS 2633 se výrazně liší od požadavků norem ASME VIII Div 1 nebo B31.1/B31.3, které stanovují maximální tloušťku na 32 mm; mohou existovat také značné rozdíly mezi obecnými konstrukčními předpisy, jako je BS 5400/5750, a také mezi požadavky průmyslových odvětví, která usilují o výjimku z požadavků PWHT, jako je petrochemický průmysl a energetika, které usilují o širší výjimku.

Současné konstrukční předpisy se spoléhají na výsledky Charpyho rázových zkoušek jako na mezní kritérium tloušťky; tyto požadavky však nemusí vždy odrážet skutečné údaje o houževnatosti a zbytkovém napětí, které jsou k dispozici pro oceli používané k výrobě.

Minimální teplota předehřevu

Teplota předehřevu má zásadní význam pro úspěch tepelného zpracování po svařování (PWHT). PWHT slouží k redistribuci zbytkových napětí vzniklých při svařování, čímž se materiál stává tvárnějším a zároveň se tlumí zbytková napětí vzniklá během svařování. Kromě toho slouží tepelné zpracování po svařování také k odstranění mikrostrukturních změn způsobených vysokoteplotními gradienty mezi svarovým kovem a výchozím materiálem během svařovacích procesů.

Zkoušky PWHT jsou v současné době povinné pro většinu materiálů trubek a tlakových nádob; jejich požadavky se obvykle řídí limity absorpce energie podle Charpyho; proto mohou existovat značné rozdíly v minimální tloušťce, při které lze udělit výjimku z PWHT, a to v důsledku různých konstrukčních předpisů používaných v petrochemickém průmyslu, které se v průběhu času vyvinuly na základě zkušeností a inženýrské praxe.

Některé požadavky se z technického hlediska staly okrajovými a konkrétně minimální teplota PWHT byla podrobena zkoumání. Zpráva sponzorovaná EPRI (Ref 1) navrhla snížení tohoto požadavku na 1100 stupňů Celsia, čímž by se přiblížil splnění minimálních limitů Charpyho absorpce energie používaných v předpisech NBEP i B31.1 pro materiál P č. 4 používaný jako svarový kov; tuto nižší teplotu předehřevu však Podvýbor pro tlakové nádoby USA odmítl kvůli obavám z praskání při opětovném zahřátí, k němuž dochází v důsledku obav z praskání svarového kovu během svařovacích operací (Ref 1).

Minimální doba předehřevu

Podle předpisu ASME, oddílu VIII, divize 1, musí svařence splňovat dvě kritéria, aby byly osvobozeny od dodatečného tepelného zpracování (PWHT). Musí se vyznačovat minimální teplotou předehřevu a dobou udržování, aby mohly být vyjmuty. Úpravy PWHT snižují křehký lom tím, že snižují zbytková napětí při svařování a zároveň popouštějí tvrdé, potenciálně křehké mikrostruktury, což pomáhá předcházet možným scénářům selhání.

Různé výrobní předpisy stanovují pro oceli různé požadavky na výjimky. Některé vyžadují PWHT i u tenčích svařenců než jiné, a to v závislosti na obsahu uhlíku; například normy BS 1113 [23] a 2633 [24] ji nepředepisují při svařování svařenců s obsahem uhlíku vyšším než 0,25 %.

Přestože je PWHT obecně známá, její přesné požadavky zůstávají sporné. Zejména v oblasti energetiky se diskutuje o její nezbytnosti. Rozdíly mezi požadavky na výjimku z výrobních předpisů mohou být způsobeny tím, že je různé profesní organizace vypracovaly podle svých individuálních zkušeností; přesto tyto rozdíly existují a zdá se nepravděpodobné, že by se někdy podařilo dosáhnout jednotného požadavku na výjimku z PWHT; tento článek zkoumá tyto podobnosti a rozdíly a zároveň navrhuje možné strategie racionalizace.