Vergleich der Anforderungen an die Nachwärmebehandlung (PWHT) gemäß ASME B31.3

Vor 2014 schrieb die Norm ASME B31.3 vor, dass Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) unterzogen werden müssen. Da die jüngsten Änderungen dieser Norm jedoch Ausnahmen zulassen, wenn die Schweißnahtdicke bestimmte Grenzwerte überschreitet, ist die Wärmebehandlung nach dem Schweißen in bestimmten Fällen nun optional.

In diesem Beitrag werden die Argumente analysiert, mit denen Ausnahmeregelungen begründet werden, und es wird aufgezeigt, dass viele davon unzutreffend oder unvollständig sind. Darüber hinaus wird die Sichtweise eines EPC-Auftragnehmers dargelegt und es werden praktische Ansätze vorgestellt, die zur Risikominderung beitragen können.

PWHT-Anforderungen

Die Nachwärmbehandlung (PWHT) von Kohlenstoffstahl kann ein kostspieliger und komplexer Prozess sein, dennoch wächst das Interesse daran, diese Anforderung für bestimmte Anwendungen aus den Fertigungsnormen zu streichen. Dieser Trend ist insbesondere in der petrochemischen Industrie und in der Stromerzeugung im Rahmen des EGWP (Electricity Generators Welding Panel) zu beobachten. Teil 1 dieser Reihe vergleicht und kontrastiert verschiedene Fertigungsnormen hinsichtlich der Frage, wann eine PWHT für Schweißnähte vorgeschrieben ist, wobei besonderes Augenmerk auf etwaige Unterschiede in den Anforderungen zwischen den verschiedenen Branchen gelegt wird.

Die PWHT dient nicht nur der Spannungsentlastung, sondern kann auch Phasenumwandlungen auslösen und die Korngröße verringern, wodurch Festigkeit und Zähigkeit erhöht und gleichzeitig Spannungen abgebaut werden. Daher sollte die Temperatur hoch genug für diesen Prozess sein, jedoch nicht so hoch, dass es dadurch zu Schweißrissen kommt.

Wie bei jeder Fertigungsnorm hängt die für eine Schweißnaht erforderliche PWHT-Temperatur von den beim Schweißen verwendeten Werkstoffen ab. Beispielsweise schreibt ASME B31.3 für Rohrschweißnähte unterschiedlicher Dicke PWHT-Temperaturen vor, die von der P-Nummer und der Gruppennummer des Rohrmaterials abhängen; dickere Rohre können unter Umständen von dieser Vorschrift ausgenommen werden, wenn eine Vorwärmung und Mehrlagenschweißen mit vorgewärmtem Draht angewendet werden, wobei das Mehrlagenschweißen eine zulässige Verfahrensoption darstellt; Die in diesen Normen zulässigen Temperaturen reichen von nur 1100 °F für Stahl der P-Nummer 4 (Gruppe 1) bis hin zur ungefähren unteren kritischen Temperatur für 1-1/2-Cr-Stähle.

Vorwärmtemperatur

Vorwärmtemperaturen sind ein wesentlicher Bestandteil von Schweißprozessen. Sie tragen dazu bei, die Abkühlgeschwindigkeit in den Schweißbereichen zu verringern und gleichzeitig deren Duktilität zu verbessern, was zu einer besseren Schweißqualität und besseren Ergebnissen in der Wärmeeinflusszone (HAZ) führt. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass Sie wissen, wie Sie die für Ihr Projekt geeignete Vorwärmtemperatur ermitteln.

Beispielsweise können beim Schweißen von kohlenstoffarmem Stahl mit einer Dicke von weniger als 1 Zoll (25,4 mm) 100 Grad Celsius als Vorwärmtemperatur ausreichen; beim Schweißen von legiertem Stahl oder anderen hochfesten Werkstoffen werden hingegen höhere Vorwärmtemperaturen empfohlen.

Die Vorheiztemperaturen variieren je nach chemischer Zusammensetzung des Grundmetalls und des Schweißverfahrens; in den Schweißschutzanweisungen (WPS) werden sie in der Regel entsprechend der Materialart und den in den Projektspezifikationen festgelegten Anforderungen an das Schweißverfahren festgelegt.

Zur Überwachung und Regelung der Vorwärmtemperatur sollten Temperaturanzeigestifte oder digitale Infrarot-Thermometer verwendet werden, wobei die Messgeräte in einem Abstand von 4t (wobei t der Dicke der Schweißnaht entspricht) von beiden Wärmequellen auf beiden Seiten der Schweißnaht und in gleichem Abstand zu beiden Quellen angeordnet werden sollten. Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass das Anlegen und Aufrechterhalten gleichmäßiger Temperaturen über die gesamte Schweißnahtlänge hinweg Überhitzung, Durchbrennen, Verformungen sowie jegliche thermische Gradienteneffekte auf die Verbindung minimiert.

Vorheiz- und Haltezeit

Die Vorheiz-Haltezeit ist ein wesentlicher Bestandteil der Durchführung von SW-846-Prüfungen auf sechswertiges Chrom in Bodenproben, da durch die Festlegung einer angemessenen Haltezeit Veränderungen der Eigenschaften verhindert werden, die für das zum Zeitpunkt der Probenahme entnommene Material repräsentativ sind. Die Kapitel 3 und 4 enthalten Richtlinien für diesen Prozess; zusätzliche Vorbereitungs- und Bestimmungsmethoden können je nach Projekt festgelegt werden.

Zu niedrige Vorheiztemperaturen können zu Verschmutzungen der Prüfkörper führen, was eine erhebliche Verlängerung der Prüfdauer und eine Verringerung der Gesamteffizienz des Verfahrens zur Folge hat. Darüber hinaus kann sich dadurch die Wärmeübertragungsfähigkeit drastisch verringern. Um zu verhindern, dass dieses Szenario bei zukünftigen Verfahren erneut auftritt, müssen die Prüfverfahren höhere Vorheiztemperaturen mit kürzeren Haltezeiten vorsehen – um etwaige Ineffizienzen, die durch unzureichende Vorheiztemperaturen verursacht wurden, im Voraus auszugleichen.

Bei niedriglegierten Stählen mit leicht löslichen Karbiden lassen sich die Vorwärmhaltezeiten erheblich verkürzen, sodass für deren Vorwärmung nur wenige Minuten erforderlich sind. Bei der Berechnung der Vorwärmzeiten für legierte Werkstoffe (z. B. Weichstähle mit hohem Mangangehalt, der die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der die Vorwärmung erreicht werden kann) ist es jedoch wichtig, Legierungsfaktoren wie Mangan zu berücksichtigen; Das „ASM Handbook“, Band 4, bietet als allgemeine Faustregel eine Richtwertangabe von 1 Stunde pro Zoll Dicke als ungefähre Richtlinie für die Berechnung der Vorwärmhaltezeiten.

Temperaturbereich für die Nachwärmebehandlung (PWHT)

Im Mittelpunkt der Wärmebehandlung nach dem Schweißen steht der Temperaturbereich. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu maximieren und Wiederaufheizrisse zu vermeiden, muss die Zieltemperatur für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen hoch genug gewählt werden, um diese Eigenschaften zu fördern, ohne dass es zu einer Überhitzung und damit zu einer Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften kommt. Auch die Aufheiz- und Haltezeiten müssen sorgfältig gesteuert werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und eine ausreichende Spannungsentlastung zu erreichen; Fehler bei der Temperaturregelung oder ungeplantes Abkühlen könnten Phasenumwandlungen verursachen, die die Härte erhöhen und gleichzeitig die Zähigkeit verringern, oder zusätzliche Spannungen erzeugen, die zu Rissen führen.

Die Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) unterscheiden sich in der Regel je nach Rohrmaterial und Einsatzbedingungen und können sogar bei einzelnen Rohren erheblich variieren. Auch wenn diese Abweichungen nicht unbedingt Sicherheitsbedenken aufwerfen, entstehen doch echte Bedenken, wenn Vorschriften aus technischer Sicht nur knapp erfüllt werden.

So unterscheiden sich beispielsweise die Anforderungen an die Nachwärmebehandlung (PWHT) in der Norm B31.1 je nach Abschnitt erheblich. Bei Anwendungen in der Stromerzeugung sind höhere PWHT-Temperaturen erforderlich, da bei den Berechnungen der Bruchzähigkeit unterschiedliche Referenzfehlergrößen zugrunde gelegt werden, die einen anderen Temperaturbereich für die PWHT-Anforderungen erfordern.

Bisherige Studien zeigen, dass die derzeitigen Anforderungen an die PWHT-Temperatur für Werkstoffe in der Stromerzeugung keine ausreichende Zähigkeitsverbesserung gewährleisten, da die in den Normen vorgeschriebenen Temperaturen zu niedrig sind, um eine NiTi-Zähigkeitsverbesserung durch Laserschweißverfahren zu erzielen, und die kurzen Haltezeiten nicht genügend Zeit für das Umschmelzen oder die Stabilisierung der Mikrostruktur lassen.