Numerische Simulation der Wärmebehandlung nach dem Schweißen

In Druckgeräten können schweißbedingte Eigenspannungen zu Fertigungsfehlern führen und Sprödbrüche mit geringer Spannung verstärken. Die numerische Simulation hat sich zu einer unschätzbaren Methode entwickelt, um vorherzusagen, wo sich diese Eigenspannungen im Laufe der Zeit ansammeln werden.

Die Simulationsergebnisse weichen oft von den Ergebnissen der In-situ-Tests ab, da die Zeit bei der Spitzentemperatur unterschiedlich ist.

Einfluss der Temperatur

Eine effiziente Methode zur Bewertung der mechanischen Leistungsfähigkeit von Druckgeräten ist die simulierte Spannungsfreiglühung (SPWHT). Dabei werden die Bauteile über einen längeren Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, bevor sie langsam wieder abgekühlt werden. SPWHT kann Heterogenität und Spannungen in geschweißten Bauteilen wirksam abbauen und gleichzeitig die Duktilität und Zähigkeit erhöhen.

PWHT-Verfahren können jedoch auch nachteilige Gefügeveränderungen in der grobkörnigen Wärmeeinflusszone (CGHAZ) von geschweißten Bauteilen während der Verarbeitung verursachen, was zu einer geringeren Bruchzähigkeit und Ermüdungsschäden führt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir die Auswirkungen auf das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften der CGHAZ vollständig verstehen, bevor wir mit dem PWHT-Prozess beginnen.

Die SPWHT-Simulation bietet ein effizientes und kostengünstiges Mittel zur Bewertung der Auswirkungen wiederholter PWHT-Zyklen auf die mechanischen Eigenschaften von Grundmetallen. Leider werden bei aktuellen Simulationen häufig vereinfachte qualitative Ansätze und ungenaue konstitutive Kriechmodelle verwendet, die die Einflüsse von Temperatur und Spannungszustand auf Eigenspannungen nicht berücksichtigen.

Wirkung der Zeit

Die Zeit, die PWHTs benötigen, um Spannungsabbau- und Anlasstemperaturen zu erreichen, ist oft lang genug, um Verformungen oder den Zusammenbruch von Bauteilen zu verursachen, so dass normalisierende Wärmebehandlungen nach dem Schweißen nur bei solchen Strukturen erforderlich sind, die solch hohen Temperaturen standhalten können, wie z. B. bei großen und komplexen Formen wie Druckbehältern mit gewölbten Schweißenden. Um die strukturelle Integrität während dieser Hochtemperaturbehandlungen zu schützen, dürfen nur solche Strukturen behandelt werden, die in der Lage sind, sich selbst zu tragen, was sich als schwierig erweisen kann, wenn es sich um große Strukturen mit komplexen Formen wie Druckbehälter handelt, die solche Behandlungen benötigen.

Röntgenbeugung und Bohrtechniken können nur Oberflächeneigenspannungen messen; sie können nicht deren Dynamik während der Heiz-Halte-Kühl-Zyklen dokumentieren. Ein grundlegendes Verständnis dieses Verhaltens ist für die Optimierung von PWHT-Zyklen für bestimmte Werkstoffe wie Zircaloy-4 unerlässlich, wo ein PWHT-Zyklus allein die Quer- und Längseigenspannungen um bis zu 140 MPa senken kann.

Wirkung von Druck

Aufgrund begrenzter Prüfmethoden und aus Kostengründen muss die Wärmebehandlung nach dem Schweißen von Druckgeräten in erster Linie durch numerische Simulation untersucht werden. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass ein geeignetes und zuverlässiges Kriechmodell ausgewählt wird, um genaue Simulationsergebnisse zu erzielen.

Als Teil des thermischen Zyklus beim Schweißen durchläuft das Schweißgut (HAZ) von Druckbehälterstahl einen komplexen Erwärmungs- und Abkühlungszyklus, der zu erheblichen Veränderungen der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften des Schweißguts (HAZ) führt. Diese Veränderungen können zu einer verminderten Kerbschlagzähigkeit und Zugfestigkeit sowie zu einer verzögerten Rissbildung in der WEZ führen.

Forscher haben die PWHT als einen Ansatz entwickelt, um die Leistung geschweißter Strukturen zu verbessern, indem Schweißspannungen abgebaut und das Rissrisiko verringert werden [1, 2]. Bei der PWHT werden die Bauteile auf einen idealen Temperaturbereich erwärmt, dann für eine angemessene Dauer gehalten und langsam abgekühlt - diese Behandlung verbessert die Mikrostruktur der Schweißnaht, verringert die Eigenspannungen und erleichtert die Freisetzung von diffusionsfähigem Wasserstoff.

Auswirkungen der Umwelt

Es gibt verschiedene Simulationen der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT). Bei einigen werden Temperatur und Dauer verändert; andere Untersuchungen befassen sich mit Umwelteinflüssen auf die PWHT; in einigen Studien wurde sogar das Kriechen während der Erwärmungsphase untersucht, was zu einem besseren Verständnis der Eigenspannungsentwicklung während des PWHT-Prozesses führt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Wärmebehandlung von unedlen Metallen ist die Auswirkung auf ihre mechanischen Eigenschaften, wobei die chemische Zusammensetzung einen großen Einfluss auf die Festigkeit und Duktilität nach der PWHT-Behandlung hat. Simulierte PWHT-Behandlungen können dabei helfen, die optimalen Wärmebehandlungsbedingungen für ein bestimmtes Blechmaterial zu ermitteln.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist ein wesentlicher Schritt beim Schweißen korrosiver Bauteile, wie z. B. auf Bohrinseln und in LNG-Anlagen, die rauen Umgebungen standhalten müssen. Dabei wird der Schweißbereich über einen längeren Zeitraum auf einen bestimmten Temperaturbereich erwärmt und anschließend langsam abgekühlt, um die durch das Schweißen verursachten Eigenspannungen und die Anfälligkeit für verzögerte Rissbildung zu verringern.