ASME Abschnitt VIII PWHT-Anforderungen

ASME Section VIII enthält eine Reihe von Vorschriften und Richtlinien zum Schutz von Druckbehältern, von der Konstruktion über den Bau bis hin zur Inspektion und Prüfung. Sie umfasst auch die Entwicklung, Konstruktion, Inspektion und Prüfung von Verfahren.

McEnerney empfahl in Übereinstimmung mit Lundin und Khan (Ref. 6), die Mindesttemperatur für die PWHT-Prüfung von SS4-Materialien von 800 °F auf 1200 °F zu erhöhen.

PWHT-Anforderungen

ASME Section VIII Div 1 Tabelle UCS-56 [1] zeigt, dass es erhebliche Abweichungen zwischen den PWHT-Anforderungen der verschiedenen Codes für Druckbehälter und Rohrleitungen gibt, die auf technische Anwendungen (z. B. Kriterien für die Auslegungsspannung) oder unterschiedliche inhärente Charpy-Prüfanforderungen sowie auf Unterschiede bei den zulässigen Fehlergrößen durch die Prüfvorschriften zurückzuführen sind.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist ein kontrollierter Prozess, bei dem das wiedererwärmte Schweißgut über einen längeren Zeitraum auf seine niedrigere kritische Umwandlungstemperatur gebracht und dort gehalten wird. Dies trägt zur Beseitigung von Eigenspannungen und Gefügeveränderungen bei, die durch den hohen Temperaturgradienten beim Schweißen verursacht werden.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung variieren je nach Stahlzusammensetzung, Zähigkeit und Anwendungsart in Bezug auf Dickenbegrenzung, Mindestvorwärmtemperatur und -dauer.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung nehmen mit steigendem Legierungsgehalt tendenziell ab und erfordern folglich höhere Vorwärmtemperaturen und/oder geringere maximal zulässige Kohlenstoffgehalte. Eine Rationalisierung der PWHT-Anforderungen ist daher schwierig, zumal verschiedene Nutzergruppen wie die Petrochemie und die Energieerzeugung oft unterschiedliche Interessen an einer Befreiung von der PWHT haben und sich nur schwer auf einen einzigen Grenzwert für die Befreiung von den Anforderungen einigen können.

Anforderungen an das Vorwärmen

Unter Vorwärmen versteht man die Wärmezufuhr zum Grundwerkstoff eines Bauteils vor dem Schweißen, um Rissbildung in der Schweißzone zu verhindern und die Festigkeit des Bauteils zu erhöhen. Das Vorwärmen kann auch dazu beitragen, wasserstoffinduzierte Kaltrisse (HICC) zu vermeiden und gleichzeitig die endgültigen mechanischen Eigenschaften von Schweißnähten und WEZ zu verbessern. Die Anforderungen an das Vorwärmen können durch Schweißvorschriften oder projektspezifische Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) festgelegt werden.

In den WPS werden die Mindestvorwärmtemperatur und -dauer angegeben, die für jedes Projekt erforderlich sind. Im Allgemeinen sollten die Mindestvorwärmtemperaturen für mindestens 30 Minuten aufrechterhalten werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die Einhaltung dieser Temperatur kann entweder durch Messungen mit Thermoelementen oder durch Kreidetests überprüft werden, bei denen die Oberflächen markiert werden, wenn sie bestimmte Temperaturen erreicht haben.

Bei der Wahl der Vorwärmtemperatur sollten auch die Materialdicke und der Grad der Beanspruchung berücksichtigt werden. Bei der Anwendung der Vorwärmung sollte die Temperatur sowohl die Temperatur der Schweißzone als auch die des Grundwerkstoffs übersteigen und bis zum Ende der Schweißung auf diesem Niveau bleiben.

Wenn in den Schweißvorschriften nicht festgelegt ist, wann und wie vorgeheizt werden soll, muss der Schweißfachingenieur bestimmen, ob und welche Vorwärmtemperatur für den Grundwerkstoff und die Querschnittsdicke erforderlich ist. AWS D1.1-96 bietet zwei Methoden für diese Bestimmung - die HAZ-Härtekontrollmethode und die Wasserstoffkontrollmethode.

Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) kann Schweißeigenspannungen reduzieren, harte, potenziell spröde Gefügebereiche anlassen und die Zugfestigkeit und Zähigkeit geschweißter Werkstoffe verbessern. Bei der PWHT werden die Schweißnähte über einen längeren Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erwärmt; manchmal muss gleichzeitig eine Vorwärmung durchgeführt werden, um maximale Ergebnisse zu erzielen.

Die meisten aktuellen Fertigungsvorschriften schreiben vor, dass Schweißnähte, die bestimmte Schwellenwerte überschreiten, einer PWHT-Behandlung unterzogen werden müssen. Die Vorschriften variieren je nach den Anforderungen an die Bruchzähigkeit bei der Mindestbetriebstemperatur und den Charpy-Energieabsorptionswerten der verschiedenen Werkstoffsorten.

Bei der PWHT werden die geschweißten Werkstoffe über einen längeren Zeitraum auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und dann bei dieser Temperatur gehalten, ohne dass es zu Verformungen oder anderen Schäden kommt. Die PWHT kann kostspielig sein; daher ist es sinnvoll, ihre Anwendung so weit wie möglich zu minimieren.

Die Fertigungsvorschriften lassen häufig Ausnahmen von der PWHT-Anforderung zu; diese können auf der Grundlage einer detaillierten bruchmechanischen Analyse ausgehandelt werden. Es kann sogar möglich sein, sie ganz wegzulassen, wenn Mehrlagenschweißen und Vorwärmen in Kombination mit PWHT verwendet werden; ebenso können bestimmte kohlenstoffarme Stahlsorten wie 1-1/4 Cr Mo ein PWHT-Verfahren im höheren Temperaturbereich erlauben.

Ausnahmeregelungen

ASME Section VIII enthält umfassende Anforderungen für die Konstruktion, Fertigung, Montage, Errichtung, Prüfung und Zertifizierung von Druckbehältern. Die sorgfältige Umsetzung dieses Abschnitts des Codes ermöglicht es Herstellern, Anwendern, Konstrukteuren und Designern, die Vorschriften in ihrem Zuständigkeitsbereich einzuhalten und gleichzeitig Kosten-, Sicherheits- und Betriebsvorteile aus den zahlreichen darin beschriebenen Best Practices der Branche zu ziehen.

Obwohl die PWHT-Anforderungen von Abschnitt VIII zu den strengsten in der Branche gehören, bieten einige Schweißvorschriften Flexibilität beim Schweißen von Materialien wie Rohren. Zum Beispiel erlaubt ASME B31.3 eine Befreiung von dieser Anforderung für Rohre mit einem NPS von 4 Zoll oder weniger und einer Nennwanddicke von weniger als 0,625 Zoll. Es sollte jedoch beachtet werden, dass es bei den Anforderungen an die Druckwasserhärtung je nach Norm und Branche erhebliche Unterschiede geben kann, was eine sorgfältige Prüfung erfordert, um Konsistenz und Effektivität sicherzustellen.

Gegenwärtig haben neuere Schweißnaht- und PWHT-Kurven, die auf fortschrittlicher Bruchzähigkeitstechnologie basieren, gezeigt, dass die PWHT-Anforderungen besser mit den tatsächlichen Eigenspannungsniveaus der Schweißnaht in Einklang gebracht werden können. Darüber hinaus können pilotgesteuerte Druckentlastungsventile (POPRV) in einigen Fällen die Notwendigkeit einer Druckwasserhärtung überflüssig machen, da sie dank ihrer nicht durchströmenden Konstruktion eine konstante Überdruckentlastung weit unterhalb des PRV-Sollwerts gewährleisten; dies trägt dazu bei, das Risiko von Überdruckschäden an der Anlage sowie die Betriebskosten erheblich zu senken und gibt den Betreibern mehr Sicherheit.