Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) für Kohlenstoffstahldicken aufgedeckt

Das Hauptziel der EPRI-Arbeiten zu Werkstoffen für nukleare Rohrleitungen war die Bewertung der Frage, ob die derzeitigen Anforderungen an die Ausnahmeregelung für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) für Kohlenstoffstahldicken auf der Grundlage von Branchenerfahrungen und nicht von technischen Daten oder Konstruktionsberechnungen gelockert werden könnten.

Die Druckwellenhärtung wird zur Beseitigung von Eigenspannungen in dickwandigen Bauteilen eingesetzt, um deren Maßhaltigkeit und Leistungsfähigkeit zu verbessern. Die Anforderungen an die Dicke von Kohlenstoffstahl variieren aufgrund der Charpy-Zähigkeitskriterien in den verschiedenen Normen erheblich.

1. Korrosionsbeständigkeit

Der hohe Chromgehalt von Kohlenstoffstahl macht ihn äußerst korrosionsbeständig und damit zum idealen Werkstoff für Konstruktionen in rauen Umgebungen. Leider verringert seine Härte die dynamischen und statischen Tragzahlen und erfordert größere Abmessungen und zusätzliche Lagerböcke.

Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Regen, Wind und Luftverunreinigungen beschleunigen die Korrosion in der Atmosphäre. Außerdem sollten bei der Planung von Metallrestaurierungsarbeiten auch die Nasszeiten des Metalls sorgfältig berücksichtigt werden.

Herkömmliche Tests im Freien und die Methode der Auswertung von Korrosionsdaten wurden eingesetzt, um das unterschiedliche Korrosionsverhalten von Q235-Kohlenstoffstahl und Q420-Bewitterungsstahl zu untersuchen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Sie zeigt die Kurven der kumulativen elektrischen Menge für beide Stahltypen in Qingdao und Hangzhou. Man kann beobachten, dass die Rostschicht des Kohlenstoffstahls viele Löcher und Beulen hat, während die des wetterfesten Stahls dichter ist und eine innere Schutzschicht hat, die das Eindringen von Cl- in das Metallsubstrat verhindert, was diesen Typ widerstandsfähiger gegen atmosphärische Korrosion macht.

2. Stärke

Für viele Anwendungen müssen Kohlenstoffstahlbleche erheblichen Belastungen standhalten, wobei die Werkstoffnormen Mindestwerte für die Streckgrenze und die Mindestzugfestigkeit vorgeben. Stähle, die den Spezifikationen von BS EN 1993-1-4 entsprechen, erfüllen diese Kriterien ebenfalls.

Höhere Kohlenstoffgehalte erhöhen die Festigkeit und Härte von Stahlblechen; höhere Kohlenstoffgehalte verringern jedoch auch die Duktilität, so dass sich der Stahl weniger gut dehnen lässt, ohne zu reißen oder zu brechen.

Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (manchmal auch als Baustahl bezeichnet) ist die dehnbarste Art von Kohlenstoffstahl und wird häufig im Bauwesen und in der Fertigung verwendet. Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt bietet eine hervorragende Festigkeit und Härte, ist aber schwieriger zu bearbeiten oder zu formen; kupferhaltige Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt hingegen können zwei- bis viermal so starke Bleche liefern und bieten dennoch eine gute Verformbarkeit.

3. Zähigkeit

Kohlenstoffstähle weisen im Allgemeinen aufgrund des Mangans eine niedrige Temperaturzähigkeit auf; durch den Zusatz von Elementen wie Bor, Vanadium und Niob kann die Zähigkeit jedoch erhöht werden. Dies kann das Risiko von Hydrotest-Brüchen während des Betriebs von Druckkomponenten und Hydrotest-Verfahren verringern; bruchmechanische Analysen zeigen, dass PWHT mit zunehmender Festigkeit neben den Anforderungen an die Charpy-Testenergie (für proportionale Rissgrößen) notwendig wird.

Bei der Wärmebehandlung vor dem Schweißen (Vorwärmen) wird die Temperatur des Grundwerkstoffs vor dem Schweißen erhöht, um thermische Gradienten und wasserstoffinduzierte Rissbildung zu minimieren. Bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Nachwärmen) wird nach dem Schweißen kontrollierte Wärme zugeführt, um Eigenspannungen abzubauen, gehärtete Zonen zu vergüten und die Materialeigenschaften zu verbessern, Eigenspannungen abzubauen, gehärtete Zonen zu vergüten und die Materialeigenschaften zu verbessern. Die PWHT sollte in der Regel 1 Stunde pro 25 mm (1 Zoll) Schweißnahtdicke mit einer gleichmäßig kontrollierten Abkühlungsrate durchgeführt werden, um Wärmeschocks zu vermeiden und gleichzeitig die Schweißnahtqualität für starke und dauerhafte Schweißnähte zu erhalten.

4. Schweißeignung

Die Schweißtechniken für Kohlenstoffstahl machen ihn zu einer attraktiven Option für viele Fertigungsprojekte, was ihn zu einer beliebten Wahl macht. Um eine qualitativ hochwertige Schweißraupe zu erzeugen und Verzug oder Schrumpfung zu reduzieren, müssen die richtigen Web- und Wurzellagenverfahren eingesetzt werden. Sie tragen zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung bei und gewährleisten gleichzeitig eine gute Verbindung von Schweißnaht und Grundwerkstoff.

Um qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzeugen, sind beim Schweißen von Kohlenstoffstahl Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen erforderlich. Bei der Wärmebehandlung vor dem Schweißen, auch als Vorwärmen bezeichnet, wird vor dem Schweißen kontrollierte Wärme zugeführt, um thermische Gradienten und wasserstoffinduzierte Risse in der Lichtbogenzone (WEZ) zu verringern. Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (oder Nachwärmebehandlung) wird nach dem Schweißen als Nachsorgemaßnahme eingesetzt, um Eigenspannungen abzubauen, Zonen zu härten und die mechanische Festigkeit zu erhöhen.

ASME Section VIII Div. 1 und seine Tabellen UCS-56-1 bis UCS-56-11 beschreiben die Anforderungen für das Vorwärmen und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen von Kohlenstoffstählen gemäß ASME Section IX; insbesondere enthalten diese Tabellen die für die PWHT erforderlichen Wärmezyklusdaten in Abhängigkeit von ihrer P-Nummer oder Gr.-Nummernkategorie, wie sie von ASME aufgelistet sind; sie enthalten auch Hinweise auf Ausnahmen oder mögliche Ersatzbehandlungen.