Codes für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)

Die aktuellen Konstruktionsvorschriften für Rohrleitungen und Druckbehälter sehen vor, dass eine PWHT erforderlich sein kann, wenn die Materialdicke einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, der in der Regel durch Messung der Charpy-Energie ermittelt wird. Einige Kohlenstoffstähle und niedrig legierte Stähle sind davon ausgenommen, wenn ein geeigneter Vorwärmzyklus verwendet wird.

Umfangsschweißnähte in Stahlrohren wurden von Mohr einer Bewertung unterzogen, die darauf hindeutet, dass sie möglicherweise keine PWHT-Behandlung benötigen.

Was ist ASME PWHT?

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein immer beliebteres Verfahren zur Verringerung von Schweißeigenspannungen in Druckbehältern und Rohrleitungen. Sie wird häufig für Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl mit einer Dicke oberhalb bestimmter Grenzwerte vorgeschrieben, um die Neigung zur Rissbildung und zum Sprödbruch zu verringern. Leider ist die Durchführung der PWHT an großen Bauteilen manchmal unpraktisch oder kostspielig, da sie weit entfernt liegen oder ein hohes Bauteilgewicht aufweisen, so dass stattdessen Punkt- oder Bulls-Eye-PWHT-Konfigurationen eingesetzt werden können.

Diese Konfigurationen verwenden in der Regel Eintauch-, Heiz- und Gradientensteuerungsbänder, die so dimensioniert und positioniert sind, dass Verformungen, Risse in benachbarten Schweißnähten und schwere Eigenspannungen vermieden werden. Aufgrund der Komplexität dieser Konstruktionen ist eine genaue Vorhersage ihrer thermisch-mechanischen Reaktion eine große Herausforderung. Die in dieser Untersuchung eingesetzten fortschrittlichen Simulationsverfahren bieten Analysten die Möglichkeit, sicherzustellen, dass lokale PWHT-Konfigurationen, die nach Reparaturen an der Anlage eingesetzt werden, keine kostspieligen zusätzlichen Schäden wie Verformungen und Risse verursachen, die die Ausfallzeit der Anlage weiter verlängern.

Die aktuellen Konstruktionsvorschriften für Druckbehälter und Rohrleitungen schreiben in der Regel eine PWHT vor, wenn die Schweißnahtdicke einen Wert überschreitet, der durch die Eigenschaften des Charpy-Kerbschlagbiegeversuchs bestimmt wird. Die Anforderungen variieren jedoch von Vorschrift zu Vorschrift, wobei die in den verschiedenen Vorschriften festgelegten Dickengrenzen erheblich voneinander abweichen. Unsere Untersuchung ergab, dass ein ähnlicher Ansatz wie der von PD5500 verwendete dazu beitragen könnte, einige dieser uneinheitlichen Spezifikationen zu erfüllen.

Was ist der ASME PWHT-Dickenschwellenwert?

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, schreiben Rohrleitungs- und Druckbehältervorschriften in der Regel eine Druckwasserhärtung bis zu 19 mm für C-Mn-Stähle vor, während allgemeine Konstruktionsnormen wie BS 5400 für Brücken oder 2633 [25] für Gebäude niedrigere Schwellenwerte für die Befreiung von den Anforderungen an die Druckwasserhärtung festlegen können. Diese Diskrepanzen sind wahrscheinlich auf Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Stähle sowie auf unterschiedliche Anforderungen an die Bruchzähigkeit zurückzuführen (siehe Abbildung).

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen trägt zu einer erheblichen Verringerung der Eigenspannung bei, indem sowohl das Schweißgut als auch die Mikrostruktur des Grundmetalls getempert werden. Dadurch werden die Eigenspannungen in der Schweißnaht deutlich verringert, ihre Festigkeit und Zähigkeit erhöht und die Gefahr von umweltbedingten Rissen verringert.

Die PWHT kann auch den thermischen Verzug reduzieren, der für Druckgeräte kostspielig ist und die für die Wiederherstellung der Betriebsfähigkeit erforderliche Reparaturzeit verlängert. Der Schlüssel zum Erfolg der PWHT ist ein ideales Gleichgewicht zwischen Vorwärmung und Abkühlgeschwindigkeit.

Mithilfe einer fortschrittlichen nichtlinearen FEA-Simulation kann eine optimale PWHT-Konfiguration für die Reparatur von Druckgeräten ermittelt werden. Durch die Simulation thermisch-mechanischer Reaktionen von Schweißnähten als Reaktion auf verschiedene Vorwärm- und Abkühlungsbedingungen identifiziert diese Methode optimale lokale PWHT-Anordnungen, die sowohl den Verzug als auch die Restspannung minimieren.

Was ist der ASME PWHT-Vorwärmschwellenwert?

In den aktuellen Konstruktionsvorschriften für Druckgeräte und Rohrleitungen ist festgelegt, dass eine PWHT nur dann durchgeführt werden muss, wenn die Schweißnahtdicke einen bestimmten Grenzwert überschreitet, der in der Regel durch die Charpy-Testeigenschaften des Materials oder die Mindestbetriebstemperaturanforderungen bestimmt wird. Dieser Ansatz der Grenzschichtdicke wird seit langem von der Industrie verwendet, wie der Erfolg beim Schutz der Geräte vor Sprödbruch beweist.

Der Einsatz von PWHT verbraucht jedoch viel Energie und trägt zu Treibhausgasemissionen und anderen Umweltproblemen bei, wodurch zusätzliche Kosten für Betrieb und Wartung entstehen. Darüber hinaus können während der Lebensdauer der Geräte mehrere PWHT-Zyklen erforderlich sein, was weitere Kosten für die Instandhaltung und Verwaltung verursacht.

Aus diesem Grund wurde mit großem Enthusiasmus versucht, den Bedarf an PWHT zu verringern, indem man nachsichtigere Materialeigenschaften schafft. Dies würde Anlagen ermöglichen, die stärkere Kohlenstoffstähle verwenden und gleichzeitig sowohl den Energieverbrauch als auch das Risiko, das mit umweltfreundlichen Rissbildungsprozessen verbunden ist, verringern.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Ansätze entwickelt, wie z. B. die Verwendung von Vorwärmtemperaturen und mehrlagigen Schweißnähten. Im Jahr 2014 wurde die Norm ASME B31.3 "Power Piping" um eine Tabelle mit Ausnahmen von der obligatorischen PWHT für Schweißnähte in Kohlenstoffstahl der Werkstoffgruppe P-No 1 ergänzt; nach diesen Ausnahmen muss CS mit einer Dicke von mehr als 25 mm vor dem Schweißen auf 95 °C (200 °F) vorgewärmt werden, wobei mehrlagige Schweißnähte verwendet werden.

Was ist die ASME PWHT Thickness Exemption?

In den aktuellen Fertigungsvorschriften für Druckbehälter und Rohrleitungen ist in der Regel festgelegt, dass eine PWHT erforderlich sein kann, wenn die Schweißnahtdicke einen bestimmten Wert überschreitet. Die Anforderungen variieren jedoch von Regelwerk zu Regelwerk; einige können konservativer sein als andere.

ASME B31.3 (2014) erlaubt nun eine Befreiung von der obligatorischen Druckwasserhärtung für Kohlenstoffstahl der Werkstoffgruppe P1, wenn vor dem Schweißen eine Vorwärmtemperatur von 95 °C angewendet wird, was eine wichtige Änderung der guten technischen Praxis darstellt. Diese neue Bestimmung stellt eine wesentliche Änderung der guten Ingenieurspraxis dar.

Die Druckwasserhärtung ist ein energieintensiver Prozess mit erheblichen Auswirkungen auf die Umwelt, einschließlich Treibhausgasemissionen. Darüber hinaus können mehrere PWHT-Zyklen während der Lebensdauer des Geräts zu Verformungen oder Verwerfungen führen, die umfangreiche Reparaturen erforderlich machen; Reparaturen aus Verbundwerkstoffen bieten eine Alternative zur PWHT, um beschädigte Druckgeräteteile zu reparieren.

Reparaturen aus Verbundwerkstoffen bieten mehrere Umweltvorteile gegenüber ihren Gegenstücken aus Metall. Sie können nicht nur die strukturelle Integrität verbessern und das Leckagerisiko verringern, sondern dank der Kombination von Hochleistungsmaterialien sind Reparaturen aus Verbundwerkstoffen äußerst langlebig und widerstehen altersbedingten Einflüssen wie Ermüdung. So tragen sie dazu bei, den sicheren Betrieb von Anlagen lange nach Abschluss der ursprünglichen PWHT-Arbeiten zu gewährleisten.