Reduzierung der erforderlichen PWHT-Dicke gemäß ASME B31 3

1. Materialdicke

Sowohl die petrochemische Industrie als auch Stromerzeuger haben Interesse daran bekundet, die Anzahl der Schweißkonstruktionen zu reduzieren, die einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) bedürfen. Angesichts der damit verbundenen Kosten und möglicher Ausfallprobleme bei Kernkraftwerken schlugen verschiedene EPRI-Abonnenten vor, die aktuellen Anforderungen und Ausnahmeregelungen zu prüfen und zu ermitteln, ob eine Lockerung technisch machbar wäre.

Forscher sind zu dem Schluss gekommen, dass sich die Anforderungen an die PWHT bei ihrer Festlegung eher auf Branchenpraktiken als auf spezifische metallurgische und strukturelle Überlegungen stützen, während es erhebliche Unstimmigkeiten zwischen bestimmten Abschnitten der Normen geben kann, die Ausnahmen von der PWHT regeln. Aufgrund dieser Beobachtungen könnte eine Lockerung der bestehenden Anforderungen für Anwendungen im Nuklearbereich möglich sein; allerdings muss zuvor eine sorgfältige Prüfung erfolgen, um sicherzustellen, dass durch die PWHT-Behandlung eine ausreichende Rissbeständigkeit und ein angemessener Abbau der Restspannungen erreicht werden.

2. Wärmebehandlung

Rohrschweißkonstruktionen, die einer Hochtemperatur-PWHT-Behandlung unterzogen werden, können mit hohen Betriebskosten verbunden sein, und die Ausfallkosten für Kernkraftwerke können beträchtlich sein. Daher wäre es ideal, wenn möglichst viele Schweißkonstruktionen einer solchen Behandlung unterzogen würden, da dies die Ausfallkosten erheblich senken könnte.

Zahlreiche Normen, darunter der B&P Vessel Code, Abschnitt III, sowie einige Normen für die petrochemische Industrie, schreiben eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen vor, wenn die Dicke der Schweißkonstruktion einen festgelegten Grenzwert überschreitet; in der Regel bezieht sich dieser Grenzwert auf Anforderungen an die Zähigkeit, gemessen anhand der Charpy-Energie. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob und in welchen Punkten sich die Ausnahmeregelungen in den verschiedenen aktuellen Normen unterscheiden; anschließend schlagen wir Rationalisierungsoptionen als mögliche Lösungen vor.

Untersuchungen zu den Anforderungen an die Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) zeigen, dass diese eher traditionelle Praktiken in der Industrie widerspiegeln als spezifische metallurgische oder konstruktive Überlegungen. So könnten beispielsweise bei Schweißkonstruktionen aus CR-Mn-Stählen die in ASME B31.3 “Power Piping” festgelegte untere Dickenschwelle und der in EEMUA 158 festgelegte Wert von 40 mm gelockert werden, ohne die strukturelle Integrität der Schweißkonstruktionen zu beeinträchtigen; Dies würde die Kosten für die Nachschweißwärmebehandlung erheblich senken und zu erheblichen Einsparungen bei den Schweißdienstleistungen führen.

3. Schweißverfahren

Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen sind wesentliche Bestandteile fester, sicherer und normkonformer Schweißnähte. Beim Vorwärmen wird das Grundmaterial vor dem Schweißen erwärmt, um Temperaturgradienten zu verringern und wasserstoffbedingte Rissbildung zu verhindern; bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) wird das Material nach dem Schweißen kontrolliert erwärmt, um Restspannungen abzubauen und die Materialeigenschaften zu verbessern.

Die PWHT trägt laut den Anforderungen von ASME Abschnitt VIII für Kohlenstoffstahl mit einer Dicke von mehr als 38 mm oder für rissanfällige Legierungen dazu bei, Spannungen abzubauen und gleichzeitig die Duktilität und Festigkeit zu verbessern, um die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. In solchen Fällen ist sie vorgeschrieben.

Widerstands- oder Induktionserwärmungsverfahren liefern schnellere und präzisere Ergebnisse als ihre Widerstands-Pendants. Keramikmattenheizungen, Induktionsspulen oder Gas- bzw. Elektroöfen können alle geeignet sein. Bei Materialien mit einer Dicke unter 25 mm können Sie möglicherweise auf das Vorwärmen verzichten, sollten jedoch zunächst die normativen Anforderungen prüfen. Austenitische Edelstähle erfordern aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Duktilität in der Regel keine PWHT – allerdings können Alterungsbehandlungen oder Lösungsglühverfahren erforderlich sein, um die Zähigkeit wiederherzustellen; andere in nuklearen Anwendungen verwendete Werkstoffe benötigen möglicherweise vor ihrem endgültigen Einsatz einen zusätzlichen Prozess zur Spannungsentlastung und zum Anlassen.

4. Dicke kontrollieren

Stahlverwender in der petrochemischen Industrie und der Stromerzeugung könnten die Ausnahmeregelungen gemäß B31.3 und BS 2633 als Möglichkeit betrachten, die Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu reduzieren; im Vergleich zu den Anforderungen für Kohlenstoff-Mangan-Stahl, wie sie beispielsweise in B31.1, PD 5500, EEMUA 158 für Offshore-Konstruktionen usw., ist eine solche Angleichung möglicherweise nicht möglich.

Tabelle 1 verdeutlicht, dass die erforderliche Dicke zur Erreichung dieser Ausnahmen bei einfachen Schweißnähten mit guter Ausführung und quasi-statischen Dehnungsraten bereits bei 14 mm liegen könnte; unter aggressiveren Schweißbedingungen mit starken Spannungskonzentrationen wäre sie wahrscheinlich noch deutlich geringer. Darüber hinaus beziehen sich die Anforderungen an die Bruchzähigkeit nicht auf die Zähigkeitsanforderungen im Schweißnaht-Einflussbereich (HAZ), und dieser Bereich erfordert weitere Überlegungen auf der Grundlage eines bruchmechanischen Ansatzes, um solche Zähigkeitsanforderungen zu erfüllen.