Die Bedeutung von PWHT bei Rohrschweißverfahren

Die von Hochfrequenzspulen erzeugten Ströme erzeugen die erforderliche Wärme, die anschließend durch Konvektion abgeführt wird.

Studien haben gezeigt, dass Bedenken hinsichtlich der Schweißrestspannungen und der Bruchzähigkeit in der Wärmeeinflusszone keine ausreichende technische Begründung dafür liefern, Anforderungen an die Nachwärmebehandlung (PWHT) auf Rohrmaterialien mit Wandstärken von weniger als 5/8 Zoll anzuwenden.

1. Baut Restspannungen ab

Beim Schweißen entstehen große Bereiche mit hohen Zug-Restspannungen, die bei geschweißten Stahlbaugruppen zu umgebungsbedingter Rissbildung oder Sprödbruch führen können. Durch die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) werden diese Spannungen abgebaut, sodass das Rohr im Betrieb weiterhin sicher eingesetzt werden kann.

Bei der herkömmlichen Nachwärmebehandlung (PWHT) wird die Schweißkonstruktion Temperaturen ausgesetzt, die über ihrer minimalen Umwandlungstemperatur liegen, um eine optimale Festigkeit der Schweißkonstruktion sowie Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit oder Schutz vor Wasserstoffschäden zu gewährleisten. Die Wahl der Temperatur hängt von den gewünschten Temperierungseffekten sowie von den erforderlichen Bestimmungsgraden des Werkstoffs hinsichtlich Korrosions-, Ermüdungs- oder Wasserstoffschäden ab.

Bei der Anwendung einer lokalen PWHT zur Reduzierung von Eigenspannungen in einem kleinen Bereich ist die Wahl der Geometrie der Erwärmungszone von entscheidender Bedeutung. Untersuchungen haben gezeigt, dass Erwärmungsstreifen mit variabler Breite die Spannungsgröße wirksamer reduzieren als umlaufende Streifen mit konstanter Breite, da elastische Analysen ergeben haben, dass bei deren Verwendung nach dem Abkühlen größere Eigenspannungen auftreten als bei Erwärmungszonen mit variabler Breite.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die derzeitigen Grenzwerte für die Befreiung von der PWHT in den Rohrleitungsnormen möglicherweise nicht zutreffend sind und dass es möglich sein könnte, die PWHT-Anforderungen zu reduzieren, ohne die Schweißbarkeit oder das Ermüdungsverhalten der Werkstoffe zu beeinträchtigen, zumal die bestehenden Normen keine Prüfung der Bruchzähigkeit bei Schweißnähten mit einer Dicke von weniger als 5/8 Zoll vorschreiben.

2. Verstärkt die Schweißnaht

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein wesentlicher Bestandteil von Schweißprozessen. Die PWHT baut Restspannungen in Werkstoffen ab, die andernfalls zu Verformungen und Rissbildung führen könnten; darüber hinaus erhöht die PWHT die Festigkeit, indem sie Spannungskonzentrationen beseitigt, die unter dynamischen Belastungsbedingungen die Schweißnähte schwächen und sie spröde machen sowie zum Versagen führen könnten.

Bei der PWHT wird Metall für eine vorgegebene Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, wobei verschiedene Verfahren wie Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen zum Einsatz kommen, um die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig das Risiko zu verringern. Das Ziel der PWHT ist es, Schweißnähte zu verstärken und gleichzeitig das Rissrisiko zu verringern.

Werden diese Behandlungen jedoch nicht korrekt durchgeführt, können sie die Schweißnaht sogar schwächen. Dies geschieht, wenn die Temperaturgradienten nicht ordnungsgemäß kontrolliert werden; in diesem Fall ist die Schweißnaht an einigen Stellen höheren Temperaturen ausgesetzt als an anderen und muss sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen und zusammenziehen, was zu einer geringeren Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und wasserstoffinduzierte Rissbildung führt.

Je nach Rohrtyp, verwendetem Schweißzusatzwerkstoff und weiteren Faktoren kann eine PWHT erforderlich sein oder auch nicht. Rohre aus Kohlenstoffstahl erfordern in der Regel eine PWHT, während vor dem Einbau der Schweißnähte möglicherweise eine Spannungsarmglühbehandlung erforderlich ist, um eine ausreichende Festigkeit gegenüber Umgebungsbeanspruchungen zu gewährleisten.

3. Verringert das Risiko von Rissen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist ein wesentlicher Bestandteil der Stahlfertigung. Dieser kontrollierte Erwärmungs- und Abkühlungsprozess baut Restspannungen ab, temperiert die Mikrostruktur der Schweißkonstruktion, entfernt diffusen Wasserstoff, verringert die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion, erhöht die Festigkeit und Härte und sorgt für eine verbesserte Festigkeit. Wird sie unsachgemäß durchgeführt oder gänzlich unterlassen, werden Schweißkonstruktionen anfällig für transgranulare Rissbildung, die zu katastrophalen Ausfällen von Bauwerken wie Druckbehältern oder großen Rohrleitungskomponenten führen kann.

PWHT-Schweißverfahren können zudem Kaltrisse in Rohrbauteilen verringern, indem sie die Duktilität der Schweißkonstruktion erhöhen; um dieses Ziel zu erreichen, sollten Schweißzusätze mit niedrigen Werten für den diffusionsfähigen Wasserstoff (z. B. H4 oder H8) verwendet werden.

Studien haben gezeigt, dass durch eine Vorwärmung Restspannungen erheblich abgebaut werden können, wodurch sich das Risiko von Ermüdungsrissen verringert. Es ist jedoch zu beachten, dass die Nachwärmebehandlung (PWHT) nur dann einen wirksamen Beitrag leistet, wenn das Werkstück zeitlich wechselnden Belastungen ausreichender Stärke ausgesetzt ist.

Diese Forschungsergebnisse zeigen, dass die Bedeutung der PWHT bei gleichbleibender Wandstärke mit zunehmendem Rohrdurchmesser abnimmt, was darauf hindeutet, dass die derzeitigen Ausnahmeregelungen in den Normen, die festlegen, wann eine PWHT durchgeführt werden muss, überarbeitet werden sollten, ohne dass dies Auswirkungen auf die Standard-Rohrleitungspläne für Kraftwerke hat.

4. Verringert das Risiko von Mängeln

Viele Rohrleitungssysteme müssen unter rauen Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturen und Drücken betrieben werden, unter denen Schweißnähte ohne Nachwärmebehandlung thermischer Ermüdung oder Bruchversagen ausgesetzt sein können. Durch eine Nachwärmebehandlung kann das Metall diesen Belastungen jedoch besser standhalten, wodurch das Ausfallrisiko verringert und gleichzeitig die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems verbessert wird.

Obwohl die PWHT zahlreiche Vorteile bietet, besteht in bestimmten Fällen die Gefahr, dass sie übermäßig oder unsachgemäß angewendet wird. Eine Überdosierung kann die Zugfestigkeit und die Kriechfestigkeit verringern und gleichzeitig die Kerbschlagzähigkeit beeinträchtigen; eine unsachgemäße Anwendung kann sogar zu Rissen und transgranularen Rissen in Betonoberflächen führen.

Daher enthalten verschiedene Normen für Rohrleitungen und Druckbehälter oft unterschiedliche Vorgaben hinsichtlich der Anforderungen an die Nachwärmebehandlung (PWHT). So befreien beispielsweise die Abschnitte I und VIII der ASME BP&V-Norm Schweißkonstruktionen aus P-4- und P-5A-Werkstoffen mit einer Dicke von weniger als 5/8 Zoll von dieser Anforderung, während andere Normen wie ANSI B31.3 eine Nachwärmbehandlung nur für Schweißkonstruktionen mit einer Dicke von bis zu 4 Zoll vorschreiben.

Diese Unterschiede könnten darauf zurückzuführen sein, dass die Normen von verschiedenen Berufsverbänden ausgearbeitet wurden, die sich dabei von ihrer ingenieurtechnischen Erfahrung und Praxis leiten ließen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Schweißbarkeit tendenziell mit zunehmendem Durchmesser der Rohrmaterialien zunimmt; daher ist die Nachwärmbehandlung bei dickwandigen Schweißkonstruktionen weniger kritisch als bei dünnwandigen.