PWHT und Schweißen von Kohlenstoffstahl

Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Mangan-Stähle sowie niedrig legierte Stähle, die die Normen für die Härteanforderungen erfüllen, benötigen im Allgemeinen keine PWHT-Behandlung, obwohl die Unterschiede zwischen den Normen für Druckbehälter und Rohrleitungen (wie in Tabelle 1 aufgeführt) die Rationalisierungsprozesse oft erschweren.

In diesem Artikel werden die Anforderungen an die PWHT und die Ausnahmeregelungen für Kohlenstoff- und niedrig legierte Werkstoffe beschrieben und erläutert.

Stressabbau

Da beim Schweißen Eigenspannungen im Metall verbleiben, insbesondere bei niedrig legierten Kohlenstoffstählen, können diese zu Rissen und Schwächung führen. Um diese inneren Spannungen abzubauen, wird das Material einer PWHT-Wärmebehandlung unterzogen. Dabei werden Temperaturen verwendet, die unter der Umwandlungstemperatur liegen, und das Material wird über einen längeren Zeitraum eingeweicht, bevor es gleichmäßig über seinen Querschnitt und seine Oberfläche abkühlt.

Für die PWHT sind Temperaturen erforderlich, die schweißbedingte Spannungen abbauen und gleichzeitig metallurgische Phasenveränderungen und Anlassversprödung vermeiden, so dass die Erwärmungs- und Haltezeiten genau gesteuert werden müssen, um die Vorteile zu maximieren und ihre Realisierung sicherzustellen.

Die Druckwellen-Wärmebehandlung, die häufig bei Druckgeräten, aber auch bei anderen Strukturen wie Brücken und Gebäuden angewandt wird, sollte verstanden werden, um fundierte Entscheidungen in Bezug auf alle Strukturen, die Sie bauen oder renovieren, treffen zu können. Es ist wichtig, zu wissen, wann dieses Verfahren notwendig ist und welche Vorteile es bietet, um mit einem Höchstmaß an Wissen Entscheidungen über die Konstruktion zu treffen.

Die mechanische Spannungsarmglühung (MSR) ist zwar eine Methode zum Abbau von Eigenspannungen, bietet aber nicht die gleichen metallurgischen Vorteile wie die Druckwasserhärtung und sollte daher nicht als Alternativlösung betrachtet werden. MSR kann sich immer noch als nützlich erweisen, wenn es unpraktisch oder nicht möglich ist, Teile direkt in einen Ofen für die PWHT zu bringen, sollte aber nicht als Ersatz für eine Behandlungsoption angesehen werden.

Temperaturänderung

Je nach Schweißverfahren können die Eigenspannungen die Streckgrenze des Materials übersteigen und zu sprödem Versagen im Schweißbereich führen. Die PWHT reduziert diese Spannungen durch Umverteilung und verringert so das Risiko eines Versagens in Kohlenstoffstahlkonstruktionen, die mit PWHT-Schweißverfahren geschweißt wurden.

PWHT-Schweißbehandlungen reduzieren nicht nur den Spannungsabbau, sondern können auch dazu verwendet werden, harte Schweißkonstruktionen zu erweichen und aufzuweichen - was die Duktilität erhöht und gleichzeitig das Risiko der umweltbedingten Rissbildung verringert - was besonders beim Schweißen von Schweißnähten für saure Rohrleitungen nützlich ist.

PWHT-Änderungen können dazu beitragen, die wasserstoffinduzierte Korrosion in Kohlenstoffstählen zu verringern und ihre Ermüdungsleistung zu verbessern sowie das Risiko zu verringern. Es ist jedoch zu beachten, dass sich die PWHT von Anlassen, Lösungsglühen oder Alterungsprozessen unterscheidet (obwohl einige ihrer Wirkungen durch die PWHT erzielt werden können).

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung sind in verschiedenen Regelwerken definiert, wobei die Dickengrenze für Druckbehälter und Rohrleitungen, die eine Druckwasserhärtung erfordern, in der Regel bei 32 mm liegt. Es kann auch Abweichungen zwischen den Normen geben, die auf unterschiedliche Charpy-Energien oder Prüfstandards sowie auf Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung von Kohlenstoff- oder C-Mn-Stählen zurückzuführen sind, was eine Rationalisierung unwahrscheinlich macht.

Schweißnaht-Fehler

Eigenspannungen können sowohl sichtbare als auch unsichtbare Schweißnahtdefekte wie Unterbrechungen, Porosität und Spritzer verursachen. Zu den sichtbaren Defekten gehören Schweißnahtunterbrechungen, Porosität und Spritzer; zu den unsichtbaren Defekten gehören unvollständiges Aufschmelzen, geringe Duktilität und schlechte mechanische Eigenschaften. Eigenspannungen beeinträchtigen auch die Widerstandsfähigkeit von Schweißnähten gegen Spannungsrisskorrosion und erhöhen ihre Anfälligkeit für Ermüdungsbrüche - insbesondere bei komplexen Strukturen oder Langzeitanwendungen.

Als Faustregel gilt: Je höher der Kohlenstoff- und Legierungsgehalt in den geschweißten Werkstoffen und die Querschnittsdicke der Strukturen ist, desto höher ist der potenzielle Bedarf an einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT). Dies liegt daran, dass die Schweißeigenspannungen die Bruchzähigkeit im angelassenen Martensitzustand verringern und daher eine PWHT erforderlich ist.

Es gibt jedoch einige Ausnahmen von den PWHT-Anforderungen. Nach den aktuellen Regeln für die Gewebenorm können bestimmte Strukturen von den Anforderungen der Druckwasserhärtung ausgenommen werden, wenn sie mit speziell entwickelten Reparaturverfahren geschweißt und mit einem Energiefaktor spezifiziert werden, der mit bruchmechanischen Ansätzen berechnet wurde.

Schweißen ist ein aktiver Prozess, und die dabei entstehenden Schweißnähte können während der Abkühlungsphase erheblichen Belastungen ausgesetzt sein, die beherrscht werden müssen, damit diese Schweißnähte in kritischen Anwendungen eingesetzt werden können. Dies kann durch die Verringerung der Elektrodengeschwindigkeit, die Begrenzung des Stromverbrauchs während des Schweißens und die Verwendung von Schutzgasen mit einer für die Materialart und -dicke geeigneten Zusammensetzung erreicht werden.

Sicherheit

Schweißarbeiten sind ein wesentlicher Bestandteil beim Bau und bei der Wartung von Anlagen für die Öl-, Gas- und Chemieindustrie. Eine unsachgemäße Ausführung der Schweißarbeiten kann jedoch unbeabsichtigt zu einer Schwächung der Anlagen führen, indem Eigenspannungen in die Materialien eingebracht werden und die Festigkeit geschwächt wird. Um diesen Effekt abzuschwächen, sollte nach dem Schweißen regelmäßig eine Wärmenachbehandlung (PWHT) durchgeführt werden, um Eigenspannungen im Schweißmaterial zu minimieren, den Härtegrad nach dem Schweißen zu kontrollieren und in einigen Fällen die mechanische Festigkeit zu erhöhen.

Die PWHT ist ein Isolierverfahren, bei dem Hochtemperatur-Widerstandsheizungen eingesetzt werden, um die Schweißnahttemperaturen je nach Stahlsorte und Kohlenstoffgehalt auf etwa 300 bis 1.125 Grad Celsius zu erhöhen. Die Wärme wird mit einem elektrischen Widerstandsheizer aufgebracht, der für die Größe der zu behandelnden Schweißnaht geeignet ist. Alle Elektriker, die an einer Installation beteiligt sind, müssen sich über die Sicherheitsaspekte während der PWHT-Arbeiten im Klaren sein; alle Anschlüsse sollten ordnungsgemäß abgesperrt werden, während der Bereich als Gefahrenzone abgesperrt werden sollte, um unbekannte Personen zu schützen, die mit Hochspannungsleitungen in Kontakt kommen.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung unterscheiden sich je nach Fertigungsnorm. So variiert der Grenzwert für die Dicke, ab dem eine Druckwasserhärtung erforderlich wird, erheblich; BS 1113 [22] und 2633 [23] beispielsweise beschränken sie auf Kohlenstoff-Mangan-Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,25%, während PD 5500 und Pr EN 13445 ihre Anwendung auf Schweißteile mit einer Dicke von bis zu 140 mm zulassen, sofern sie eine festgelegte Anforderung an die Bruchzähigkeit erfüllen.