Krav til varmebehandling efter svejsning (PWHT) i henhold til ASME Section VIII, Division 1

ASME Section VIII, Division 1 er en vigtig teknisk standard, der giver klare retningslinjer for konstruktion, inspektion og certificering af trykbeholdere. Det bidrager til standardiseret ingeniørpraksis og forbedrer samtidig sikkerheden og effektiviteten på tværs af forskellige brancher.

Varmebehandling efter svejsning (PWHT) er en kontrolleret proces, der er designet til at fjerne restspændinger i svejsede materialer og er defineret i afsnit 331.11 sammen med tabel 331.1.1.1 og 331.1.3. Den skal overholde kravene i afsnit 331.11.1.2 som angivet nedenfor for rørinstallationer.

Minimumstemperatur

Varmebehandling efter svejsning (PWHT) indebærer, at svejsemetallet opvarmes til temperaturer under den lavere kritiske omdannelsestemperatur og holdes i en længere periode. Dette hjælper med at reducere restspændinger og mikrostrukturelle ændringer forårsaget af svejsning; PWHT udføres dog ofte ukontrolleret med temperaturgradienter, der potentielt kan skade svejsemetallet, føre til spændingsrevner eller øge dets modtagelighed for sprødbrud.

Nuværende regler, der kræver PWHT for energirør, foreskriver en minimum PWHT-temperatur på 1100degF, hvilket er for lavt og kan føre til for tidlig korrosionsskade. En EPRI-sponsoreret undersøgelse udført af Souder og Lundin og Khan taler for at hæve den til 1200degF; det vil resultere i betydelige ændringer i svejsemetallets egenskaber som øget sejhed og nedsat hårdhed.

En reduktion af den minimale PWHT-temperatur kan reducere svejsemetallets overgangstemperatur fra duktil til sprød betydeligt, hvilket potentielt kan føre til uacceptable reduktioner i dets trækstyrke og duktilitet, hvilket nødvendiggør en stigning i konstruktionstrykket for den stemplede beholder og er meget dyrt for både rørproducenter og producenter af trykbeholdere. Det er derfor vigtigt, at producenterne finder en balance mellem disse krav, når de fastsætter minimum PWHT-temperaturer.

Minimum holdetid

PWHT (post weld heat treatment) er en varmebehandlingsproces efter svejsning, hvor stål opvarmes til sin lavere kritiske omdannelsestemperatur og holdes der i en bestemt periode for at reducere restspændinger og mikrostrukturelle ændringer i svejsemetallet. PWHT er ofte påkrævet ved fremstilling af trykbeholdere og rør, men det kan være dyrt og tidskrævende. For at spare omkostninger kan det være værd at forsøge at sikre sig fritagelse fra PWHT, hvor det er muligt.

Trykbeholdere, rørledninger og lagertanke skal opfylde PWHT-krav, der er bestemt af de designkoder, der bruges under konstruktionen. Kravene varierer meget på tværs af disse koder - for eksempel adskiller BS 2633's krav sig markant fra ASME VIII Div 1 eller B31.1/B31.3, som sætter maksimale tykkelsesgrænser på 32 mm; der kan også være betydelig variation mellem generelle strukturelle koder som BS 5400/5750 samt dem fra industrier, der søger fritagelse fra PWHT-krav som petrokemiske og kraftproduktionsindustrier, der har søgt bredere fritagelse.

Nuværende designkoder er afhængige af resultater fra Charpy-slagtests som deres begrænsende tykkelseskriterium; men sådanne krav afspejler ikke altid reelle sejheds- og restspændingsdata, der er tilgængelige for stål, der bruges til fremstilling.

Minimum forvarmningstemperatur

Forvarmningstemperaturen er afgørende for, om varmebehandlingen efter svejsning (PWHT) bliver en succes. PWHT tjener til at omfordele restspændinger skabt ved svejsning, hvilket gør materialet mere duktilt, samtidig med at restspændinger skabt under svejseprocessen dæmpes. Desuden tjener varmebehandling efter svejsning også til at fjerne mikrostrukturelle ændringer forårsaget af højtemperaturgradienter mellem svejsemetal og grundmateriale under svejseprocesser.

PWHT-test er i øjeblikket obligatorisk for de fleste rør- og trykbeholdermaterialer; kravene følger typisk Charpy-energiabsorptionsgrænser; derfor kan der være betydelig variation i den mindste tykkelse, hvor der kan gives dispensation fra PWHT på grund af forskellige designkoder, der bruges af den petrokemiske industri, som har udviklet deres specifikationer over tid gennem erfaring og ingeniørpraksis.

Nogle krav er blevet marginale ud fra et teknisk synspunkt, og specifikt er den minimale PWHT-temperatur blevet undersøgt. En EPRI-sponsoreret rapport (Ref 1) foreslog at sænke dette krav til 1100degF, hvilket ville bringe det tæt på at opfylde minimum Charpy-energiabsorptionsgrænser, der bruges i både NBEP- og B31.1-koder for P No 4-materiale, der bruges som svejsemetal; men denne lavere forvarmningstemperatur er blevet afvist af Subcommittee on Pressure Vessels of US på grund af bekymringer om genopvarmningsrevner, der opstår på grund af bekymringer om revner i svejsemetal under svejseoperationer (Ref 1).

Minimum forvarmningstid

Som en del af ASME Code Section VIII Div 1 skal svejsninger opfylde to kriterier for at være undtaget fra varmebehandling efter svejsning (PWHT). De skal både have en minimum forvarmningstemperatur og holdetid, før de kan undtages. PWHT-behandlinger reducerer sprødbrud ved at sænke restspændinger i svejsningen og samtidig hærde hårde, potentielt sprøde mikrostrukturer, hvilket hjælper med at undgå potentielle fejlscenarier.

Forskellige fabrikationskoder pålægger forskellige undtagelseskrav for stål. Nogle kræver PWHT selv i tyndere svejsninger end andre, afhængigt af kulstofindholdet; for eksempel kræver BS 1113 [23] og 2633 [24] det ikke ved svejsning af svejsninger med et kulstofindhold på over 0,25 procent.

Selv om PWHT er alment forstået, er de præcise krav stadig omstridte. Især inden for elproduktion er nødvendigheden blevet diskuteret. Variationer mellem fabrikationskodernes fritagelseskrav kan skyldes, at forskellige professionelle organer udarbejder dem i henhold til deres individuelle erfaringer; alligevel findes sådanne variationer, og det virker usandsynligt, at der nogensinde kan opnås et samlet krav om fritagelse fra PWHT; denne artikel undersøger disse ligheder og variationer og foreslår samtidig mulige rationaliseringsstrategier.