Anforderungen von BSI und ASME an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)

von admin88in pwht-Wissenan Veröffentlicht am

Die aktuellen Konstruktionsvorschriften für die Rohrleitungs- und Druckbehälterindustrie, darunter die BSI- und ASME-Normen, schreiben eine Nachwärmebehandlung (PWHT) vor, wenn die Wandstärke der Bauteile bestimmte Werte überschreitet; diese Werte hängen in der Regel von den Charpy-Prüfparametern und den Anforderungen an die Mindestbetriebstemperatur ab. Leider wird ein solcher Ansatz jedoch manchmal als übermäßig konservativ angesehen, und es gab Fälle, in denen es zu Abweichungen zwischen verschiedenen Normen hinsichtlich ihrer Grenzwerte für die Wanddicke kam.

Schweissverfahren

Schweißen, Hartlöten und Schmelzschweißen sind wesentliche Verfahren bei der Herstellung kritischer Komponenten für industrielle Anwendungen wie die Stromerzeugung sowie die Öl- und Gasförderung. Normen und Vorschriften wie API 650 für Lagertanks und ASME B31.3 für Prozessrohrleitungen verlangen strenge Qualifizierungs- und Prüfverfahren, um die Qualitäts- und Sicherheitsvorschriften einzuhalten.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), gemeinhin als Spannungsarmglühen bezeichnet, dient dazu, die durch das Schweißen entstandenen Eigenspannungen abzubauen und neu zu verteilen. Dabei werden Teile einer Konstruktion in der Regel für eine festgelegte Zeit auf hohe Temperaturen erhitzt – üblicherweise eine Stunde pro Zoll Materialdicke.

Die Nachwärmebehandlung (PWHT) ist ein wesentlicher Bestandteil der Schweiß- und Schmelzverfahren, die für den Bau von Druckbehältern erforderlich sind. Sie trägt dazu bei, die Integrität der Schweißkonstruktionen zu erhalten und gleichzeitig deren langfristige Leistungsfähigkeit unter Betriebsbedingungen sicherzustellen. Die Nichtbeachtung der entsprechenden Anforderungen kann zu schlechten mechanischen Eigenschaften in Schweiß- und Grundwerkstoffen sowie zu Spannungsrisskorrosion in den Wärmeeinflusszonen (HAZ) führen. Durch das Vorwärmen gemäß PQR lässt sich die PWHT bei bestimmten Rohren reduzieren oder sogar ganz vermeiden, indem die Temperaturen während des Vorwärmens angemessen geregelt und die Kontrolle während der Prüfverfahren verbessert werden.

Anforderungen

Die Vorschriften für die Nachwärmebehandlung (PWHT) in verschiedenen Normen für Rohrleitungen und Druckbehälter weichen erheblich voneinander ab, auch wenn die Unterschiede manchmal nur geringfügig sind. So unterscheiden sich beispielsweise die Temperaturanforderungen für die Nachwärmebehandlung von niedriglegiertem Stahl in Normen wie BS EN 13445 [21], PD 5500 [25] und ASME VIII je nach Grenzstärke und den jeweiligen Betriebsbedingungen.

Wie bereits erwähnt, können sich die Anforderungen an Vorwärm- und Haltezeiten je nach Norm unterscheiden; alle enthalten jedoch Mindestanforderungen, die Anwender einhalten müssen, um transgranulare Rissbildung in von ihnen geschweißten Druckbehältern und Rohrleitungskomponenten zu verhindern; dies ist ein wesentlicher Aspekt der Sicherheit und Zuverlässigkeit, weshalb Anwender diese Spezifikationen vollständig verstehen und deren strikte Einhaltung gewährleisten müssen.

Ausnahmeregelungen

Wie bereits erörtert, haben Kernkraftwerksbetreiber festgestellt, dass eine Verringerung der Anzahl der nach dem Schweißen wärmebehandelten Rohrschweißkonstruktionen sowohl die Kosten als auch die Stillstandszeiten erheblich senken kann. Daher haben die Teilnehmer des EPRI-Programms für Reparatur- und Austauschmaßnahmen beantragt, die aktuellen Anforderungen zu überprüfen, um festzustellen, ob eine Lockerung technisch machbar wäre.

Es sollte möglich sein, die PWHT-Nachwärmbehandlung auf Schweißkonstruktionen mit Wandstärken von höchstens 0,625 Zoll zu beschränken, auch wenn die Ausnahmeregelungen je nach Norm oder Abschnitt variieren können, da die Einteilung der Werkstoffe anhand der Charpy-Energieaufnahme bei Kohlenstoffstählen nicht einheitlich ist. Die Norm CEN/TS 15608 sieht hierfür eine Ausnahme vor.

Hinzu kommt, dass die chemische Zusammensetzung des Stahls eine große Rolle spielt, während einige Normen vorschreiben, dass im Rahmen der Schweißverfahren eine Vorwärmung der Schweißnaht erforderlich ist – all diese Faktoren zusammen machen es unmöglich, bei Schweißverfahren für Kohlenstoffstahl eine einheitliche Anforderung an die Nachwärmbehandlung (PWHT) zu erfüllen.

Thermoelemente

Thermoelemente sind Temperatursensoren, die aus zwei an einem Ende miteinander verbundenen Metallen bestehen und eine Spannung erzeugen, die proportional zur Temperatur an der Messstelle ist. Damit sind sie unverzichtbare Hilfsmittel bei Brandversuchen und zur Sicherstellung, dass Bauteile die Sicherheitsstandards erfüllen. Sie müssen durch Kondensatorentladungsschweißen (CD-Schweißen) sicher befestigt oder mechanisch mit hitzebeständiger Kittmasse fixiert werden und sollten zudem von direkten Heizelementen isoliert sein, um eine Überhitzung ihrer Verbindungsstellen zu vermeiden.

Bei einigen Bauteilen kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich sein. Diese wird in der Regel mithilfe von Thermoelementen durchgeführt, die entlang der Mittellinie der Schweißnähte, an den Rändern von Haltezonen, beheizten Zonen und an Stellen mit starken Wanddickenänderungen – den sogenannten Kontrollzonen – angebracht sind. Die Stromversorgung erfolgt über ein externes Bedienfeld, das einen digitalen Schreiber und ein Leistungsschütz mit Potentiometer-Reglern für eine einfache Steuerung enthält.