PWHT og svejsning af kulstofstål

Kulstof- og kulstofmanganstål og lavlegeret stål, der opfylder standarderne for hårdhedskrav, behøver generelt ikke PWHT-behandling, selvom forskelle mellem koder for trykbeholdere og rør (som beskrevet i tabel 1) ofte komplicerer rationaliseringsprocesser.

Formålet med denne artikel er at beskrive og skitsere PWHT-krav og -undtagelser, der gælder for kulstof- og lavlegerede materialer.

Afhjælpning af stress

Da svejsning medfører restspændinger i metaller, især lavlegeret kulstofstål, kan disse føre til revnedannelse og svækkelse. For at afhjælpe disse interne spændinger gennemgår materialet PWHT-varmebehandling, hvor der anvendes temperaturer, der er lavere end dets transformationstemperatur, og det ligger i blød i længere tid, før det afkøles ensartet over dets tværsnit og overfladeareal.

PWHT kræver temperaturer, der kan aflaste svejseinducerede spændinger, samtidig med at man undgår metallurgiske faseændringer og skørhed, så opvarmnings- og holdetider skal styres nøje for at maksimere fordelene og sikre, at de realiseres.

Trykbølgevarmebehandling, der ofte bruges på trykbærende udstyr, men også udføres på andre konstruktioner som broer og bygninger, bør forstås, så man kan træffe informerede beslutninger om de konstruktioner, man bygger eller renoverer. Det er vigtigt at vide, hvornår denne proces er nødvendig, og hvilke fordele den har, så man kan træffe beslutninger med maksimal viden om konstruktionen.

Mekanisk spændingsaflastning (MSR) kan være en metode til at aflaste restspændinger, men den giver ikke de samme metallurgiske fordele som PWHT; derfor bør den ikke betragtes som en alternativ løsning. MSR kan stadig vise sig at være nyttig, når det er upraktisk eller umuligt at flytte dele direkte ind i en ovn til PWHT, men bør ikke ses som en alternativ behandlingsmulighed.

Temperaturændring

Afhængigt af de anvendte svejseprocedurer kan restspændinger overstige materialets flydespænding og føre til skørt svigt i svejseområdet. PWHT reducerer disse spændinger ved omfordeling og mindsker dermed risikoen for svigt i kulstofstålkonstruktioner, der er svejset ved hjælp af PWHT-svejseprocedurer.

PWHT-svejsebehandlinger reducerer ikke kun spændingsaflastning, men de kan også bruges til at blødgøre og blødgøre hårde svejsede strukturer - øge duktiliteten og samtidig mindske risikoen for miljøassisteret revnedannelse - hvilket især er nyttigt ved svejsning af svejsninger til sure rørledninger.

PWHT-ændringer kan hjælpe med at reducere hydrogeninduceret korrosion i kulstofstål og øge deres udmattelsesydelse samt mindske risikoen. Det skal dog bemærkes, at PWHT adskiller sig fra anløbning, opløsningsbehandling eller ældningsprocesser (selvom nogle af deres effekter kan opnås via PWHT).

Kravene til PWHT er defineret i forskellige regelsæt, hvor tykkelsesgrænserne typisk er sat til 32 mm for trykbeholdere og rørledninger, der kræver PWHT. Der kan også være forskelle mellem reglerne på grund af forskellige Charpy-energier eller inspektionsstandarder samt variationer i den kemiske sammensætning af kulstof- eller C-Mn-stål, som de dækker, hvilket gør rationalisering usandsynlig.

Svejsefejl

Restspændinger kan forårsage svejsefejl, der er både synlige og usynlige, herunder diskontinuiteter, porøsitet og sprøjt; synlige fejl omfatter svejseafbrydelser, porøsitet og sprøjt; usynligt opdagede fejl omfatter ufuldstændig sammensmeltning, lav duktilitet og dårlige mekaniske egenskaber. Restspændinger kompromitterer også svejsningers modstandsdygtighed over for spændingskorrosion og øger deres følsomhed over for udmattelsessvigt - især ved komplekse strukturer eller langvarige anvendelser.

Som tommelfingerregel gælder det, at jo højere kulstof- og legeringsindholdet i svejsematerialerne og konstruktionernes tværsnitstykkelse er, desto større er deres potentielle behov for varmebehandling efter svejsning (PWHT). Det skyldes, at restspændinger fra svejsningen reducerer brudstyrken i deres hærdede martensittilstand og dermed kræver PWHT.

PWHT-kravene har dog nogle undtagelser. I henhold til de nuværende regler for stofstandarder kan visse strukturer undtages fra PWHT-kravene, hvis de svejses ved hjælp af specifikt designede reparationsprocedurer og specificeres med en energifaktor beregnet ved hjælp af brudmekaniske tilgange.

Svejsning er en aktiv proces, og de svejsninger, den frembringer, kan blive udsat for betydelig belastning i afkølingsfasen, hvilket skaber spændinger, som skal håndteres, for at svejsningerne kan bruges i kritiske anvendelser. Dette kan opnås ved at nedsætte elektrodens bevægelseshastighed, begrænse strømforbruget under svejsearbejdet og bruge beskyttelsesgasser med en passende sammensætning til materialetype og -tykkelse.

Sikkerhed

Svejsning er en integreret del af opbygningen og vedligeholdelsen af olie-, gas- og kemiske procesanlæg. Forkert svejsning kan dog utilsigtet svække udstyret ved at fremkalde restspændinger i materialerne og svække styrken. For at afbøde denne effekt bør varmebehandling efter svejsning (PWHT) udføres regelmæssigt efter svejsning for at minimere restspændinger i svejsematerialet, kontrollere hårdhedsniveauer efter svejseprocesser og i nogle tilfælde øge den mekaniske styrke.

PWHT er en isoleringsprocedure, der bruger højtemperaturmodstandsvarmere til at hæve svejsetemperaturen op til omkring 300-1.125 grader, afhængigt af ståltypen og dens kulstofindhold. Varmen tilføres ved hjælp af en elektrisk modstandsvarmer, der er designet til den rørstørrelse, der passer til den svejsning, der skal behandles. Alle elektrikere, der er involveret i en installation, skal forstå de sikkerhedsmæssige konsekvenser af PWHT-arbejdet; alle forbindelser skal afspærres korrekt, og området skal afspærres som en farezone for at beskytte ukendte personer, der kommer i kontakt med elektriske højspændingskabler.

Kravene til PWHT varierer mellem fabrikationskoderne. For eksempel varierer tykkelsestærsklen, hvor PWHT bliver nødvendig, betydeligt; for eksempel begrænser BS 1113 [22] og 2633 [23] det til kulstofmanganstål med op til 0,25% kulstofindhold, mens PD 5500 og Pr EN 13445 tillader brugen af det på svejsninger med en tykkelse på op til 140 mm, forudsat at de opfylder et etableret krav til brudmekanisk sejhed.