ASME PWHT-Anforderungen

Die Energie- und Prozessindustrie sieht sich mit Problemen konfrontiert, die mit den Unterschieden zwischen den verschiedenen Regelwerken in Bezug auf die PWHT-Anforderungen für Kessel zusammenhängen. Während einige dieser Unterschiede begründet werden können, scheinen andere aus technischer Sicht weniger wichtig zu sein.

In den aktuellen Fertigungsvorschriften sind bestimmte Strukturen aufgrund ihrer Charpy-Bruchzähigkeit bei ihrer Mindestbetriebstemperatur von der PWHT ausgenommen; diese Kriterien sind jedoch oft subjektiv und vage definiert.

Was ist PWHT?

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) von Stahlbauteilen ist ein wesentlicher Schritt im Schweißprozess, bei dem die Bauteile über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen erhitzt werden, um thermische Verformungen zu korrigieren, die die Festigkeit und Zähigkeit des Metalls schwächen und damit die Anfälligkeit für Ausfälle von Druckbehältern erhöhen können. Das Hauptziel der PWHT ist die Wiederherstellung dieser Eigenschaften, um die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Materials wiederherzustellen.

Die aktuellen Fertigungsnormen für Druckbehälter und Rohrleitungen, wie ASME Section VIII und ASME B31.3, schreiben eine PWHT für Schweißnähte vor, die einen bestimmten Dickengrenzwert überschreiten. Diese Grenzdickenanforderung berücksichtigt in der Regel die Charpy-Testeigenschaften des Materials sowie die vorgesehenen Betriebsbedingungen bei der Festlegung der Dickenanforderung - dieser Ansatz ist jedoch bekanntermaßen zu konservativ, was zu anomalen Werten in verschiedenen Normen für die PWHT-Anforderungen führt.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, sehen diese Regelwerke verschiedene Ausnahmen von der PWHT vor, so dass Rationalisierungsmöglichkeiten innerhalb der einzelnen Regelwerke leichter zu erreichen sind. Es wäre jedoch schwierig, die Spezifikationen der petrochemischen Industrie mit denen des Energieerzeugungssektors in Einklang zu bringen; daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Unterschiede zu erkennen und Schweißverfahrensprüfungen an jeder Schweißnaht gemäß den Spezifikationen durchzuführen und deren Konformität sicherzustellen.

Warum ist PWHT erforderlich?

Die PWHT ist unerlässlich, da herkömmliche Schweißverfahren erhebliche Eigenspannungen erzeugen, die die Streckgrenze des Grundwerkstoffs oder des Schweißmaterials erreichen oder übersteigen können. Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen dient dazu, diese Eigenspannungen zu verringern und gleichzeitig die Mikrostruktur des Schweißguts zu temperieren, wodurch das Risiko von umweltbedingten Rissen verringert wird.

Das Erwärmen und Kühlen großer Stahlkonstruktionen ist jedoch ein kostspieliges Unterfangen, vor allem, wenn über die gesamte Lebensdauer der Druckgeräte mehrere Zyklen erforderlich sind. Außerdem kann dieser Prozess zu Verformungen der Geräte führen, die ihre Maßhaltigkeit und strukturelle Integrität beeinträchtigen.

Anwender, die ihre Kosten senken wollen, werden natürlich die Zeit, in der ihre Geräte PWHT-Prozessen ausgesetzt sind, minimieren wollen, was Verbundwerkstoffe zu einer praktikablen Alternative macht. Folglich müssen Spezialisten für die Reparatur von Druckgeräten diese potenziellen Lösungen für die PWHT-Behandlung kennen.

Die Überprüfung der Anforderungen für die Befreiung von der PWHT in verschiedenen Regelwerken, z. B. für Druckbehälter und Rohrleitungen (Tabelle 1) sowie in allgemeinen Konstruktionsnormen wie PD 5500 [22] und EEMUA 158 [23], hat gezeigt, dass es zwischen ihnen erhebliche Unterschiede gibt. Die Unterschiede sind hauptsächlich auf unterschiedliche Kriterien für die Bemessungsspannung, die Anforderungen an die inhärente Charpy-Zähigkeit und die zulässigen Fehlergrößen zurückzuführen, die von Norm zu Norm variieren.

PWHT-Temperaturbereiche

Die Petrochemie und die Energiewirtschaft haben jeweils eigene Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, was zum Teil auf die unterschiedlichen Vorschriften zurückzuführen ist, vor allem aber darauf, wie die einzelnen Vorschriften das jeweilige Material behandeln.

Bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) wird eine Schweißnaht auf Temperaturen unterhalb der unteren kritischen Umwandlungstemperatur erhitzt und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten, um die Metallspannungen abzubauen und die Zähigkeit zu erhöhen. Die PWHT-Temperaturen unterscheiden sich zwischen den Normen der Petrochemie und der Energiewirtschaft; in der Petrochemie gelten in der Regel höhere Grenzwerte für die Behandlungstemperaturen.

Daher können die Anforderungen an die Druckwasserhärtung in den verschiedenen Regelwerken erheblich voneinander abweichen, was zu uneinheitlichen Anforderungen an die Druckwasserhärtung und zu Sicherheitsrisiken beim Erhitzen auf Druckwasserhärtungstemperaturen führt, die eine Verformung von Bauteilen zur Folge haben, die dann ihr eigenes Gewicht nicht mehr tragen können, wenn sie auf die erforderlichen Druckwasserhärtungstemperaturen erhitzt werden. Um solche potenziellen Komplikationen während des PWHT-Vorgangs zu vermeiden, müssen vor Beginn der PWHT für jedes Bauteil maßgeschneiderte Stützen strategisch in der gesamten Struktur positioniert werden, um solche potenziellen Gefahren zu minimieren.

EPRI-Tests (Ref. 1) und Forschungen von Lundin und Khan (Ref. 6) deuten darauf hin, dass die untere kritische Temperatur von 1100 Grad Celsius, die im B31.1 Code for Power Piping verwendet wird, zu niedrig sein könnte; stattdessen fanden diese Forscher heraus, dass die Verwendung von 1200 Grad Celsius als PWHT zu schnelleren Veränderungen der Eigenschaften führen würde, mit erhöhter Zähigkeit und verringerter Härte der Schweißnaht-HAZ.

PWHT-Befreiungen

Mehrere Abschnitte des Codes befreien bestimmte Dicken von P-4- und P-5A-Chrom-Molybdän-Stahlschweißnähten von der obligatorischen Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), obwohl die Regeln von Code zu Code variieren und von der Dicke abhängen; ASME BP&V Section VIII erlaubt es, Schweißnähte mit einer Dicke von mehr als 5/8 von der PWHT auszunehmen; andere Codes verwenden andere Kriterien, einschließlich der Schweißbarkeit oder der Fähigkeit der Schweißnähte, der Wasserstoffaufnahme zu widerstehen, als Indikatoren für die Befreiung.

Die Schweißbarkeit wird oft als einziges Kriterium dafür herangezogen, ob ein Werkstoff eine PWHT-Behandlung benötigt. Insbesondere die Auswirkungen auf das Schweißen von Bauteilen ohne Defekte während oder unmittelbar nach dem Schweißen (Schweißbarkeit) sind entscheidend. Darüber hinaus spielt dieser Aspekt auch eine wichtige Rolle bei der Konstruktion von Schweißnähten und Schweißteilen für den Einsatz in der Kerntechnik.

Die Schweißbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit geschweißter Strukturen oder Schweißteile, Spannungskonzentrationen zu widerstehen, die durch Eigenspannungen aus dem Schweißprozess und/oder der Geometrie der Schweißstelle verursacht werden. Um das Risiko der wasserstoffverzögerten Rissbildung zu minimieren, kann eine geeignete Nachschweißung eine elektrische Widerstandserwärmung oder das Austreiben von eingeschlossenem Wasserstoff mit Inertgas wie Stickstoff umfassen. In Anbetracht dieser Überlegungen erscheint es sinnvoll, die derzeitigen Anforderungen des Regelwerks zu lockern, um die Anzahl der PWHTs für Kernrohrwerkstoffe deutlich zu verringern.