ASME B31 3 Eliminierte PWHT-Anforderungen

In der Ausgabe 2014 des ASME B31.3 Code for Process Piping wurden die PWHT-Anforderungen für Schweißwerkstoffe aus Kohlenstoffstahl gestrichen, sofern Mehrlagenschweißtechniken und Temperaturen von mindestens 95oC (200oF) angewandt wurden, wie durch bruchmechanische Tests und Analysen festgestellt wurde. Diese Änderungen spiegeln die Ergebnisse bruchmechanischer Analysen wider.

Vorwärmtemperatur

Die Vorwärmtemperatur ist der Schlüssel zur erfolgreichen Kontrolle der Rissbildung und muss ausreichend sein, um Oxidation zu vermeiden, die Abkühlung zu verzögern und eine ausreichende Zähigkeit des Schweißguts zu gewährleisten. Es gibt verschiedene Ansätze für die Einstellung dieser Temperatur, je nach Schweißvorschriften und Anforderungen an die Querschnittsdicke.

In den Schweißvorschriften werden häufig Spezifikationen für die Vorwärmtemperatur in den Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) angegeben, so dass diese Richtlinien unbedingt eingehalten werden müssen. Die Vorwärmtemperatur sollte direkt um die Schweißnaht herum und wenn möglich durch deren Dicke hindurch gemessen werden. Das Vorwärmen kann mit Gasbrennern, Autogenflammen, elektrischen Heizmatten oder elektronischen Induktionserwärmungsverfahren erfolgen und muss sorgfältig gesteuert werden, um gleichmäßige Ergebnisse zu gewährleisten.

Temperaturanzeigestifte wie der Tempilstik sollten verwendet werden, um die Vorwärmtemperaturen im Auge zu behalten, wobei die Überprüfung mit Thermoelementen oder Kontaktthermometern erfolgen sollte, um sicherzustellen, dass die Vorwärmung wie vorgesehen erfolgt ist. Bei der Auswahl einer Vorwärmmethode müssen auch die Größe und die Verfügbarkeit von Heizgeräten berücksichtigt werden. Für die Herstellung großer Schweißstücke sind oft ganze Reihen von Heizbrennern oder elektrischen Heizbändern erforderlich, was ebenfalls berücksichtigt werden muss. Kleinere Schweißstücke können mit einem Ofen oder einem Widerstandsheizsystem erwärmt werden. Die Vorwärmtemperatur sollte während des gesamten Schweißvorgangs ständig überwacht und in der Arbeitsvorschrift festgelegt werden, um die Rissbildung sowohl in der Wärmeeinflusszone als auch im Grundwerkstoff zu minimieren. Die Vorwärmtemperatur sollte niedriger als die minimale Zwischenlagentemperatur sein, um die Rissbildung in den angrenzenden Werkstoffen zu minimieren.

PWHT-Temperatur

Viele Vorschriften und Normen schreiben eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Postweld Heat Treatment, PWHT) für bestimmte Schweißkonstruktionen vor, z. B. für Rundnähte an Stahlrohren. Die PWHT trägt dazu bei, Zugeigenspannungen im Schweißnahtbereich zu reduzieren, das Gefüge zu härten, die Duktilität und Streckgrenze zu verbessern sowie die Duktilität und Streckgrenze zu erhöhen. Die Anforderungen variieren je nach Materialtyp und -dicke, wobei Kohlenstoff-Mangan-Stähle in der Regel höhere PWHT-Temperaturen aufweisen als Schweißmaterialien mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt.

Die Druckwasserhärtung ist ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung eines Rohrleitungssystems, kann aber sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig sein. Um die mit der PWHT verbundenen Kosten zu minimieren, ist die Optimierung der Temperatureinstellungen der Schlüssel - dazu gehört die Auswahl geeigneter Heiz-/Kühlraten sowie die Verwendung geeigneter Geräte und Einrichtungen für die PWHT.

Die aktuellen Konstruktionsvorschriften in der Druckbehälter- und Rohrleitungsindustrie schreiben PWHT-Schweißnähte vor, wenn ihre Dicke einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der auf der Grundlage der Charpy-Energieabsorptionstests für unedle Metalle sowie der Anforderungen an die Betriebstemperatur bestimmt wird. Diese Praxis ist seit Jahrzehnten weit verbreitet und kann sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht gerechtfertigt werden.

Es gibt verschiedene Argumente, die für eine Senkung der PWHT-Temperatur sprechen, und in diesem Papier werden wir diese Argumente untersuchen und aufzeigen, warum sie fehlerhaft sind. Dieses White Paper wird als Teil einer Initiative für Änderungen an den Abschnitten B31.1 und B31.3 vorgelegt; es könnte jedoch auch für andere Abschnitte des Kessel- und Druckbehältergesetzes verwendet werden.

PWHT-Zeit

ASME B31.3 enthält Richtlinien für die Konstruktion, Fertigung, Montage und Errichtung von Prozessrohrleitungssystemen. Sie dient als Leitfaden für die verschiedenen Beteiligten - Konstrukteure, Inspektoren des Eigentümers, Verarbeiter, Monteure und Komponentenhersteller - in diesem Prozess. Darüber hinaus behandelt diese Norm Themen wie Materialauswahl, zulässige Spannungsgrenzen und Prüfungsanforderungen sowie viele andere.

Als Teil des Schweißprozesses entstehen im Schweißbereich Eigenspannungen, die sich der Streckgrenze des Schweißmaterials nähern können, was die Gefahr der umweltbedingten Rissbildung (EAC) erhöht. Die PWHT reduziert diese Eigenspannungen, um EAC in geschweißten Stahlkonstruktionen zu vermeiden.

Die PWHT-Zeit ist ein wesentlicher Bestandteil einer erfolgreichen Wärmebehandlung von Schweißnähten. Je länger die PWHT durchgeführt wird, desto besser sind die Ergebnisse; darüber hinaus erhöht die Verwendung höherer Temperaturen die Wirksamkeit der PWHT.

Das EPRI Repair and Replacement Applications Center hat kürzlich die Empfehlung ausgesprochen, die Anforderungen an die PWHT-Temperatur in den Abschnitten B31.1 und B31.3 zu reduzieren, um sie besser an die Anforderungen in anderen Abschnitten anzupassen. In diesem Beitrag wird untersucht, warum solche Änderungen notwendig sind und welche Vorteile sie haben, und es werden Methoden vorgestellt, mit denen diese Änderung im Ausschuss durchgesetzt werden kann. Wir danken Phil Flenner von Flenner Engineering Services Kalamazoo Michigan für seine Unterstützung bei der Durchsetzung dieser Änderungen.

PWHT-Dicke

Die Vorschriften, die die Herstellung, Montage, Errichtung, Untersuchung, Inspektion und Prüfung von Prozessrohrleitungen regeln, enthalten verschiedene PWHT-Anforderungen, die sich in Bezug auf geringfügige Abweichungen und potenzielle Sicherheitsbedenken erheblich unterscheiden. Erhebliche Abweichungen könnten die Fähigkeit eines Projekts gefährden, die Betriebsbedingungen sowie die Kosten- und Leistungsziele zu erfüllen. Die Spezifikationen in den einzelnen Regelwerken hängen in der Regel von den Materialspezifikationen, den Schweißparametern und den wahrscheinlichen Fehlermechanismen in der Struktur ab.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen für Kohlenstoffstähle ist in mehreren Normen und Regelwerken vorgeschrieben, z. B. in BS 1113 [22], BS 2633 [24], PD 5500 [25] und Pr EN 13445 [27]. Kürzlich wurde in der Norm B31.3 die Tabelle 331.1 hinzugefügt, die bestimmte Kohlenstoffstähle der Güteklasse P Nr. 1 von der obligatorischen Wärmebehandlung nach dem Schweißen befreit, sofern Vorwärmtemperaturen von 95 °C verwendet werden und bei der Herstellung Mehrlagenschweißverfahren zum Einsatz kommen.

Tomerlin et al. haben in einer kürzlich durchgeführten Studie nachgewiesen, dass bei qualitativ hochwertigen Schweißverbindungen eine Druckwasserhärtung oft unnötig ist, selbst bei dickwandigeren Rohren. Bei der Planung, Herstellung, Montage und dem Betrieb von Bauwerken muss darauf geachtet werden, dass für eine maximale Risikominderung und Dauerhaftigkeit geeignete PWHT-Temperaturen gewählt werden. Das Erreichen optimaler Temperaturen minimiert das Risiko einer Verschlechterung der Materialeigenschaften und einer Beeinträchtigung der Zähigkeit oder Festigkeit sowie der Ermüdungsbeständigkeit.