ASME B31 3 Eliminierte PWHT-Anforderungen

In der Ausgabe 2014 der Norm ASME B31.3 „Code for Process Piping“ wurden die Anforderungen an die Nachwärmbehandlung (PWHT) für Schweißmaterialien aus Kohlenstoffstahl gestrichen, sofern Mehrlagen-Schweißverfahren und Temperaturen von mindestens 95 °C (200 °F) angewendet wurden, wie durch bruchmechanische Prüfungen und Analysen festgestellt wurde. Diese Änderungen spiegeln die Ergebnisse der bruchmechanischen Analysen wider.

Vorwärmtemperatur

Die Vorheiztemperatur ist der entscheidende Faktor für eine erfolgreiche Vermeidung von Rissen und muss hoch genug sein, um Oxidation zu verhindern, die Abkühlung zu verzögern und eine ausreichende Zähigkeit des Schweißguts zu gewährleisten. Je nach Schweißnorm und Anforderungen an die Querschnittsdicke gibt es verschiedene Ansätze für die Festlegung dieser Temperatur.

In den Schweißverfahrenbeschreibungen (WPS) der Schweißnormen sind häufig Vorgaben zur Vorwärmtemperatur festgelegt; daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass diese Richtlinien eingehalten werden. Die Vorwärmtemperatur sollte direkt im Umfeld einer Schweißverbindung und, wenn möglich, über deren gesamte Dicke gemessen werden. Die Vorwärmung kann mit Gasbrennern, Autogenschweißflammen, Heizmatten oder elektronischen Induktionsheizverfahren erfolgen und muss sorgfältig gesteuert werden, um gleichmäßige Ergebnisse zu gewährleisten.

Zur Überwachung der Vorwärmtemperaturen sollten Temperaturanzeigestifte wie der Tempilstik verwendet werden, wobei die Überprüfung mittels Thermoelementen oder Kontaktthermometern erfolgen sollte, um sicherzustellen, dass die Vorwärmung wie vorgesehen stattgefunden hat. Bei der Auswahl einer Vorwärmmethode müssen auch die Größe und die Verfügbarkeit der Heizgeräte berücksichtigt werden. Bei großserienmäßig gefertigten Schweißkonstruktionen sind häufig ganze Reihen von Heizbrennern oder elektrischen Bandheizungen erforderlich, was ebenfalls berücksichtigt werden muss. Kleinere Schweißkonstruktionen können mit einem Ofen oder Widerstandsheizsystemen erwärmt werden. Die Vorwärmtemperatur sollte während des gesamten Schweißvorgangs ständig überwacht und in Ihrer Arbeitsprozessspezifikation festgelegt werden, um Rissbildung sowohl in der Wärmeeinflusszone als auch im Grundwerkstoff zu minimieren. Legen Sie sie dazu niedriger als die Mindesttemperatur zwischen den Schweißgängen fest, um Rissauswirkungen auf angrenzende Werkstoffe zu minimieren.

Temperatur bei der PWHT

Zahlreiche Vorschriften und Normen schreiben eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) für bestimmte Schweißkonstruktionen vor, wie beispielsweise bei Rundnähten an Stahlrohren. Die PWHT trägt dazu bei, Zugrestspannungen im Schweißbereich abzubauen, die Mikrostruktur zu tempern sowie die Duktilität und die Streckgrenze zu verbessern. Die Anforderungen variieren je nach Werkstoffart und Wandstärke – wobei Kohlenstoff-Mangan-Stähle im Vergleich zu Schweißwerkstoffen mit geringerem Kohlenstoffgehalt in der Regel höhere PWHT-Temperaturen erfordern.

Die PWHT ist ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung eines Rohrleitungssystems, kann jedoch sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig sein. Um die mit der PWHT verbundenen Kosten zu minimieren, ist die Optimierung der Temperatureinstellungen von entscheidender Bedeutung – dazu gehören die Wahl geeigneter Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten sowie der Einsatz geeigneter Geräte und Anlagen für die PWHT.

Die aktuellen Konstruktionsnormen in der Druckbehälter- und Rohrleitungsindustrie schreiben eine Nachwärmbehandlung (PWHT) von Schweißnähten vor, wenn deren Dicke einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, der auf der Grundlage der Ergebnisse der Charpy-Schlagzähigkeitsprüfung des Grundwerkstoffs sowie der Anforderungen an die Betriebstemperatur bestimmt wird. Diese Vorgehensweise ist seit Jahrzehnten gängige Praxis und lässt sich sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht rechtfertigen.

Es gibt verschiedene Argumente, die für eine Senkung der PWHT-Temperatur sprechen, und in diesem Beitrag werden wir diese Argumente untersuchen und aufzeigen, warum sie fehlerhaft sind. Dieses Whitepaper wird im Rahmen einer Initiative zur Änderung der Abschnitte B31.1 und B31.3 des Kodex eingereicht; es könnte jedoch in ähnlicher Weise auch auf andere Abschnitte des Kodex für Kessel und Druckbehälter angewendet werden.

PWHT-Dauer

ASME B31.3 enthält Richtlinien für die Auslegung, Fertigung, Montage und Errichtung von Prozessrohrleitungssystemen. Die Norm dient dazu, die verschiedenen beteiligten Parteien – darunter Planer, Inspektoren des Bauherrn, Fertigungsunternehmen, Montageunternehmen und Komponentenhersteller – bei diesem Prozess anzuleiten. Darüber hinaus behandelt diese Norm unter anderem Themen wie die Werkstoffauswahl, zulässige Spannungsgrenzen und Prüfvorschriften.

Im Rahmen des Schweißprozesses entstehen im Schweißbereich Eigenspannungen, die sich der Streckgrenze des Schweißmaterials annähern können, wodurch sich das Risiko für umgebungsbedingte Rissbildung (EAC) erhöht. Durch die Nachwärmbehandlung (PWHT) werden diese Eigenspannungen reduziert, um EAC in geschweißten Stahlkonstruktionen zu vermeiden.

Die Dauer der Nachwärmebehandlung (PWHT) ist ein wesentlicher Bestandteil einer erfolgreichen Schweißnahtwärmebehandlung. Je länger die Nachwärmebehandlung aufrechterhalten wird, desto besser sind in der Regel die Ergebnisse; darüber hinaus erhöht die Verwendung höherer Temperaturen die Wirksamkeit der Nachwärmebehandlung.

Das „Repair and Replacement Applications Center“ des EPRI hat kürzlich eine Empfehlung herausgegeben, wonach die Temperaturanforderungen für die Nachwärmebehandlung (PWHT) in den Normabschnitten B31.1 und B31.3 gesenkt werden sollten, um eine bessere Angleichung an die Anforderungen in anderen Normabschnitten zu erreichen. In diesem Beitrag wird untersucht, warum solche Änderungen notwendig sind und welche Vorteile sie bieten könnten, und es werden Methoden skizziert, mit denen diese Änderung im Ausschuss durchgesetzt werden kann. Phil Flenner von Flenner Engineering Services in Kalamazoo, Michigan, für seine Unterstützung bei der Durchsetzung dieser Änderungen.

PWHT-Dicke

Normen, die die Fertigung, Montage, Errichtung, Prüfung, Inspektion und Testung von Prozessrohrleitungen regeln, enthalten unterschiedliche Anforderungen an die Nachwärmebehandlung (PWHT), die sich hinsichtlich geringfügiger Abweichungen und potenzieller Sicherheitsrisiken erheblich unterscheiden. Erhebliche Abweichungen könnten die Fähigkeit eines Projekts beeinträchtigen, die Betriebsbedingungen sowie Kosten- und Leistungsziele zu erfüllen; die Vorgaben in den einzelnen Normen hängen in der Regel von den Werkstoffspezifikationen, den Schweißparametern sowie möglichen Versagensmechanismen in der Struktur ab.

Die Nachwärmebehandlung (PWHT) für Kohlenstoffstähle ist in mehreren Normen und Vorschriften festgelegt, darunter BS 1113 [22], BS 2633 [24], PD 5500 [25] und Pr EN 13445 [27]. Kürzlich wurde der B31.3-Code um Tabelle 331.1 ergänzt, die bestimmte Kohlenstoffstähle der Klasse P Nr. 1 von den verbindlichen Anforderungen an die Nachwärmebehandlung nach dem Schweißen ausnimmt, sofern Vorwärmtemperaturen von 95 °C angewendet und bei der Fertigung Mehrlagenschweißverfahren eingesetzt werden.

Tomerlin et al. führten kürzlich eine Studie durch, die zeigte, dass bei hochwertigen Schweißverbindungen eine Nachwärmebehandlung (PWHT) oft nicht erforderlich ist, selbst bei Rohren mit dickeren Wandstärken. Bei der Planung, Fertigung, Montage und dem Betrieb von Bauwerken ist Sorgfalt geboten, da zur maximalen Risikominderung und zur Gewährleistung der Dauerfestigkeit geeignete PWHT-Temperaturen gewählt werden müssen. Durch das Erreichen optimaler Temperaturen wird das Risiko einer Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften, der Zähigkeit oder Festigkeit sowie von Problemen mit der Ermüdungsfestigkeit minimiert.