Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) - Anforderungen an die Dicke in ASME VIII Div 1 und PD 5500

Die derzeit geltenden Fertigungsvorschriften für P-4- und P-5A-Werkstoffe weisen erhebliche Unterschiede hinsichtlich der Dickenkriterien für die Befreiung von der Nacherwärmung (PWHT) auf; darüber hinaus gibt es weitere Abweichungen.

Im Allgemeinen können Baustähle, die für Brücken und Gebäude verwendet werden, von der Nachwärmebehandlung (PWHT) ausgenommen werden, sofern ihre Dickengrenzwerte die Anforderungen an die Bruchzähigkeit erfüllen. Normen für Druckbehälter und Rohrleitungen legen häufig andere Anforderungen hinsichtlich der Befreiung von der Nachwärmebehandlung fest.

Schweissverfahren

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) von dickwandigen Schweißkonstruktionen hängt vom jeweiligen Werkstoff und dem angewandten Schweißverfahren ab. Die PWHT dient dazu, Restspannungen zu beseitigen, die durch ungleichmäßige Abkühlungsgeschwindigkeiten entstehen und zu Verformungen und Rissbildung in Schweißkonstruktionen führen; durch die PWHT werden diese Spannungen auf ein Maß reduziert, das den Anforderungen an die Zähigkeit entspricht, wodurch sowohl die Maßhaltigkeit als auch die Leistungsfähigkeit dieser Schweißkonstruktionen verbessert werden.

Aktuelle Konstruktionsnormen für Rohrleitungen und Druckbehälter schreiben häufig eine Nachwärmbehandlung (PWHT) für Schweißkonstruktionen vor, die eine bestimmte Dicke überschreiten, wobei diese oft an Referenzwerte für die Zähigkeit auf der Grundlage der Charpy-Energieaufnahme geknüpft sind. Auch wenn sich die Anforderungen an die Nachwärmbehandlung nicht immer sinnvoll reduzieren lassen, könnte ein Ansatz darin bestehen, sicherzustellen, dass die Schweißverfahren (WPS) und die Schweißqualifikationsberichte (PQR) die verwendeten Schweißtechniken angemessen qualifizieren.

PWHT-Verfahren unterscheiden sich je nach Werkstoff und Schweißnahtkonfiguration; im Allgemeinen umfassen sie das Erhitzen der Schweißkonstruktionen auf eine gemäß den Projektspezifikationen oder den Parametern des Schweißverfahrens festgelegte Halte-Temperatur und das anschließende Halten dieser Temperatur für eine vereinbarte Dauer (in der Regel eine Stunde pro Zoll Schweißnahtdicke). Eine genaue Überwachung ist entscheidend, und alle Schweißkonstruktionen müssen nach der PWHT sorgfältig geprüft werden.

Vorheizen

Die Vorwärmtemperatur ist ein wesentlicher Faktor bei der Steuerung der Wasserstoffmenge, die in das frisch aufgetragene Schweißgut eindringt, und bei der Erhöhung der Beständigkeit gegen Rissbildung aufgrund von Eigenspannungen.

Sowohl materialbezogene als auch schweißverbrauchsbezogene Variablen beeinflussen die Anforderungen an die Vorwärmung, beispielsweise der Kohlenstoffgehalt. Schweißkonstruktionen mit höherem Kohlenstoffgehalt erfordern eine stärkere Vorwärmung als solche mit geringerem Kohlenstoffgehalt; zudem muss die Temperatur genau kontrolliert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden, die zu Verformungen oder Fehlern in der Schweißverbindung führen könnte.

Es wurden verschiedene Methoden zur Berechnung der geeigneten Vorwärmtemperatur entwickelt. Ein solcher Ansatz, der als „Wasserstoffkontrolltechnik“ bekannt ist, nutzt einen Parameter für die Kohlenstoffäquivalentzusammensetzung sowie eine Gleichung, die auf den Gehalten an diffusiblem Wasserstoff in Schweißzusatzwerkstoffen basiert, um Anfälligkeitsindexwerte abzuleiten, mit denen sich die Mindestanforderungen an die Vorwärmtemperatur bestimmen lassen. Leider funktionieren diese Verfahren in der Praxis nicht immer; beispielsweise kann bei Stumpfschweißnähten an großen Querschnitten die Anwendung der Anforderungen gemäß AWS D1.1-96 unter Umständen keine ausreichende Vorwärmung gewährleisten, um Rissbildung zu verhindern.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), allgemein als Spannungsarmglühen bekannt, werden Teile eines geschweißten Bauteils über einen längeren Zeitraum auf eine Temperatur oberhalb ihrer Streckgrenze erhitzt. Dadurch wird die Mikrostruktur verändert und gleichzeitig der Grad der Eigenspannungen verringert, die unter Belastung zu Schäden führen könnten.

Durch die PWHT lassen sich Restspannungen nicht wirksam auf Null reduzieren; selbst bei sorgfältiger thermischer Zyklierung können die Restspannungen immer noch die Streckgrenze des behandelten Materials 30% überschreiten.

Zugspannungen können nach wie vor die Wachstumsraten von Ermüdungsrissen sowie den Verlauf und die Form der Rissbildung beeinflussen. Ihre genaue Stärke hängt von den Materialeigenschaften, der Temperatur der Nachwärmebehandlung (PWHT), der Haltezeit, der kontrollierten Erwärmung sowie von Stützgerüsten ab, die auf ihre Abmessungen abgestimmt sind, um gleichmäßige Erwärmungsgradienten über die geschweißten Bauteile hinweg zu gewährleisten und Thermoschocks zu vermeiden.

Ausnahmeregelungen

Stähle, die in Rohrleitungen für Kraftwerke und Prozessanlagen zum Einsatz kommen, würden davon profitieren, wenn sie über einen größeren Dickenbereich hinweg von der PWHT ausgenommen würden, beispielsweise durch die Angleichung der Grenzwerten für die Dicke in den verschiedenen Normen, die für sie gelten (z. B. ASME VIII Div. 1 und PD 5500). Leider kann sich diese Aufgabe als schwierig erweisen, da es Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung und der Zähigkeit zwischen den verschiedenen Stahlsorten gibt und es keinen festgelegten absoluten Grenzwert für die Dicke bei der Charpy-Schlagzähigkeit gibt.

Die derzeitigen Ausnahmen von der obligatorischen PWHT-Prüfung richten sich nach Faktoren wie Kohlenstoffgehalt, Schweißbarkeit und Betriebstemperatur. Aufgrund langjähriger Forschungsarbeiten hat sich gezeigt, dass diese Anforderungen ursprünglich auf der Grundlage bewährter ingenieurtechnischer Praxis festgelegt wurden, heute jedoch nicht mehr angemessen sind. Es wird vorgeschlagen, die Mindestwandstärke unabhängig vom Kohlenstoffgehalt oder Schweißdurchmesser auf 0,625 Zoll festzulegen – dies bietet eine geeignetere Grundlage für die Anwendung des Master-Curve-Ansatzes zur Bestimmung der Bruchzähigkeit.