Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) und Wärmebehandlung vor dem Schweißen (PWHT)

Die PWHT-Prüfung ist ein wesentliches Element der Qualitätssicherung in Branchen wie der Öl- und Gasindustrie und der Energieerzeugung, da sie die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung und die Zuverlässigkeit verbessert.

Kosten und Fachwissen sind zwei große Hindernisse bei der Herstellung von Druckbehältern und Rohrleitungssystemen, wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind. Die Unterschiede zwischen den Fertigungsnormen für Druckbehälter und Rohrleitungen können jegliche Rationalisierungsversuche zu einer großen Herausforderung machen.

Wärmebehandlung von Schweißnähten

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, die allgemein als Spannungsabbau bezeichnet wird, dient dazu, die durch das Schweißen verursachten Restspannungen zu verringern und umzuverteilen. Bei diesem Verfahren wird die Schweißnaht auf eine genaue Temperatur erwärmt und dann langsam abgekühlt, um das Wiederauftreten neuer Spannungen zu vermeiden; die genaue Temperatur und Dauer werden durch die geltenden Vorschriften bestimmt.

Bei der PWHT werden auch höhere Temperaturen verwendet, die metallurgische Veränderungen wie Anlassen, Ausscheidung und Alterung bewirken, die zur Erhöhung der Schweißnahtfestigkeit beitragen, indem sie Anlassen, Ausscheidungen und Alterungsprozesse auslösen, die die Härte senken, die Duktilität verbessern und die Gefahr von Sprödbrüchen bei einigen Werkstoffen minimieren. Dieses Verfahren trägt dazu bei, die Härte zu verringern und gleichzeitig die Duktilität zu verbessern sowie die Bruchgefahr in diesen Werkstoffen zu verringern.

Die PWHT-Prüfung ist in vielen Branchen und Anwendungen unverzichtbar, z. B. in Kernkraftwerken, Öl- und Gaspipelines und Druckbehältern. Die PWHT ist ein wesentliches Element des Turnarounds, um sicherzustellen, dass die Schweißnähte dieser kritischen Ausrüstungsgegenstände den hohen Temperaturen, dem Druck und der korrosiven Umgebung, in der sie betrieben werden, standhalten können.

Die Verwendung von steuerbaren Widerstandsheizsystemen in Verbindung mit Thermoelementen zur genauen und konstanten Überwachung der Schweißnahttemperaturen ist für die Erzielung genauer und wiederholbarer Ergebnisse von entscheidender Bedeutung. Die Durchwärmungszeit sollte auch so gewählt werden, dass die thermischen Gradienten in der Schweißnaht minimiert werden, damit die vorhandenen Eigenspannungen nicht einfach verschoben werden. Die Vorwärmung sollte auch an die Art und Dicke des zu behandelnden Materials angepasst werden, um eine maximale Wirksamkeit zu erzielen.

Vorwärmebehandlung

Die Wärmebehandlung ist ein teures und zeitaufwändiges Verfahren zur Verbesserung von Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Eigenspannungen in geschweißten Bauteilen. Sie ist in vielen Schweißvorschriften und -normen vorgeschrieben, und die Vorwärmbehandlung ist ein weiteres wichtiges Verfahren zur Verringerung des Rissrisikos bei Schweißverfahren.

Ein Schweißvorwärmer, der in der Regel aus keramischen Heizmatten oder elektrischen Heizbändern besteht, kann entweder innerhalb oder neben dem Schweißbereich platziert und nach einem bestimmten Temperaturprofil aufgeheizt werden. Die Vorwärmtemperaturen werden elektronisch über ein elektronisches Steuergerät mit Thermoelementen und Datenaufzeichnungsfunktionen geregelt.

Zur Bestimmung der idealen Vorwärmtemperatur müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Anforderungen der Vorschriften, die chemische Zusammensetzung des Grundmetalls, die Dicke des Profils, die Höhe der Einspannung, die Umgebungstemperatur und der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißzusatz. Um eine Rissbildung in den Schweißnähten während der Schweißprozesse und der Kombinationen von Querschnittsdicken zu vermeiden. Optimalerweise sollte der Mindestwert jedoch überschritten werden, um die Sicherheitsanforderungen für bestimmte Grundwerkstoff-Schweißverfahren und Querschnittsdickenkombinationen nicht zu verletzen.

Bei Stumpfschweißnähten nach ASTM A572-Gr50, die eine lokale Nachbehandlung von mindestens 2 Zoll um die Schweißnaht herum erfordern, ist beispielsweise eine lokale Nachbehandlung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Vorwärmtemperaturen ausreichen, um Rissbildung während des Schweißens zu verhindern und die wasserstoffbedingte Rissbildung zu verringern, indem der verbleibende Wasserstoff aus der Schweißnaht unmittelbar nach der Schweißung ausgetrieben wird.

Behandlung nach dem Erhitzen

Bei der Wärmebehandlung handelt es sich um ein Herstellungsverfahren, bei dem Metalle und Legierungen vorsichtig erwärmt und anschließend abgekühlt werden, um ihre Mikrostruktur zu verändern, was sich unmittelbar auf ihre mechanischen Eigenschaften auswirkt und mitunter zu einer erheblichen Steigerung der Festigkeit und Zähigkeit führt.

Das Nachwärmen kann zwar Teil eines Schweißverfahrens sein, aber der Zweck wird in der Regel vom Kunden festgelegt und kann, muss aber nicht, durch Vorschriften vorgeschrieben sein. Die Anforderungen des Kunden diktieren in der Regel die Temperatur und die Dauer des Durchwärmens. Wenn dies gesetzlich vorgeschrieben ist, sollte der Zeitraum sowohl das Schweißgut als auch den Grundwerkstoff auf beiden Seiten abdecken; die Temperatur muss unter der unteren kritischen Temperatur bleiben und anschließend muss eine kontrollierte Abkühlung erfolgen.

Einige niedrig legierte Stähle, wie z. B. abschreckgehärtete Werkstoffe, die in HAZ-Umgebungen vorkommen, müssen nach dem Schweißen wärmebehandelt werden, um eine geeignete Mikrostruktur in Bezug auf Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen. Dies ist nicht nur aufgrund von Vorschriften erforderlich, sondern dient auch als wichtige Sicherheitspraxis, um Wasserstoffrisse in Zukunft zu vermeiden.

Wärmebehandler, die mit solchen Werkstoffen zu tun haben, bevorzugen in der Regel das Lösungsglühen gegenüber dem Abschreckglühen, da es höhere Temperaturen erlaubt, um die Bildung von schädlichen Phasen oder Partikeln zu vermeiden, die sich sonst beim Abschreckglühen bilden würden.

Ausnahmeregelungen

Da die PWHT kostspielig sein kann, ist die Befreiung von dieser Anforderung in der Fertigung ein wichtiges Anliegen. Die Bestimmung der Dickenschwelle, ab der eine PWHT erforderlich ist, kann bei großen Stahlbaugruppen, bei denen widerstandsfähige Materialien verwendet werden, eine Herausforderung darstellen; einige Fertigungsnormen und Prüfvorschriften schreiben nun eine PWHT-Behandlung für Schweißteile vor, die diese Dickenschwelle überschreiten.

In diesem Artikel werden verschiedene Fertigungsnormen (in erster Linie Rohrleitungs- und Druckbehälternormen) hinsichtlich der Anforderungen an die PWHT ab einer bestimmten Dicke, der Anforderungen an Zähigkeitsprüfungen (Charpy-Test) sowie möglicher Rationalisierungsmöglichkeiten zwischen BS 2633 [25], ASME VIII und den Normen ASME B31.1 und B31.3 bewertet und gegenübergestellt.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass trotz einiger Ähnlichkeiten zwischen den verschiedenen untersuchten Fertigungsnormen eine Angleichung nach Werkstoffgruppen kein geeigneter Ansatz ist, um ein gewisses Maß an Rationalisierung zu erreichen. Darüber hinaus müssen Prüfprogramme implementiert werden, um einige der Anomalien zu beseitigen, die in diesem Bereich der Anforderungen der Fertigungsnormen beobachtet wurden.