Simulationstests für PWHT- und Schweißprozesse

Schweiß- und Wärmebehandlungsverfahren nach dem Schweißen (PWHT) können die mechanischen Eigenschaften von geschweißten Bauteilen drastisch verändern. Daher tragen fortschrittliche Simulationen und die Einhaltung von Branchennormen dazu bei, sicherzustellen, dass Druckbehälter nach der PWHT die Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen.

Mithilfe der FEA können Ingenieure vorhersagen, wie sich eine Struktur während der Erwärmungs- und Abkühlungszyklen verformt, und so den optimalen Erwärmungszyklus entwerfen, um Verformungen und Rissbildung zu vermeiden. Die Last-Stoss-Verschiebungskurven für Schweissgut (WM) und Grobkorn aus der Wärmeeinflusszone (CGHAZ) tendieren bei der PWHT zur Konvergenz und stimmen eng mit denen des Grundmetalls (BM) überein, was auf eine erhebliche Homogenisierung des mechanischen Verhaltens hindeutet.

Statik

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung von Druckbehältern. Durch die PWHT können Schweißspannungen abgebaut, verzögerte Rissbildung verhindert und die Zähigkeit, Kriechfestigkeit, Lebensdauer sowie die Zähigkeit der miteinander verschweißten Bauteile erhöht werden.

Mithilfe der FEA lässt sich die Auswirkung des PWHT-Prozesses auf die strukturelle Integrität des Behälters simulieren, wodurch die Einhaltung der mechanischen Konstruktionsnormen und Sicherheitsstandards gewährleistet wird. Darüber hinaus hilft sie dabei, geometrische Verformungen während des PWHT-Prozesses vorherzusagen, um die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten so zu optimieren, dass Verformungen minimiert werden.

Die Ergebnisse der FEA-Modellierung der Schweißgeometrie von G91/C22 und der Restspannungen stimmen hervorragend mit den experimentellen Daten überein. Bei der Simulation der Mikrostruktur des Schweißguts und der Spannungsverteilung wurden unvollständige Austenit-Martensit-Umwandlungen, schweißbedingte Verformungen, weiche Bereiche in der Wärmeeinflusszone sowie thermische Dehnungsunterschiede zwischen Grund- und Aufpanzermaterial als Faktoren berücksichtigt. Ungeachtet dieser Inhomogenitäten sagt das Modell jedoch voraus, dass die Nachwärmebehandlung (PWHT) sowohl die schweißnahtbedingten Eigenspannungen als auch die Spannungsgradienten an der Verbindungsgrenzfläche reduziert.

Finite-Elemente-Analyse (FEA)

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein ingenieurwissenschaftliches Verfahren, bei dem mithilfe mathematischer Methoden das Verhalten realer Systeme simuliert wird, ohne dass physische Prototypen gebaut werden müssen. Die FEM spielt im modernen Ingenieurwesen eine wesentliche Rolle und hilft Herstellern dabei, die Kosten für die Produktentwicklung zu senken und gleichzeitig strenge Sicherheits- und Leistungsstandards zu erfüllen.

Mithilfe der FEA-Analyse lassen sich die Verteilung und die Auswirkungen der PWHT-Behandlung auf die Restspannungen in geschweißten Bauteilen sowie die durch Wärmebehandlungsprozesse verursachten geometrischen Verformungen und Veränderungen der Werkstoffeigenschaften genau simulieren. Dadurch erhalten Ingenieure Informationen, mit denen sie die PWHT-Parameter entsprechend optimieren können.

Die Genauigkeit von FEA-Modellen hängt jedoch von der Qualität der Eingabedaten ab. Mit Software wie Simcenter Femap können Sie die Integrität Ihrer Modelle ganz einfach mithilfe fortschrittlicher Werkzeuge zur Konstruktionsüberprüfung und -prüfung wie SDC Verifier verifizieren, um Codeänderungen direkt innerhalb der FEA-Workflows schnell zu überprüfen und so den Konstruktionsprozess mit einem Klick zu beschleunigen – Sie können sogar Standardregeln anwenden oder Ihre eigenen benutzerdefinierten Prüfungen erstellen!

Thermische Analyse

Da Druckgeräte einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) bedürfen, sollten Ingenieure eine Strukturanalyse durchführen, um potenzielle Schwachstellen und verformungsanfällige Bereiche zu identifizieren – so können sie die Konstruktion optimieren und die Sicherheit erhöhen.

Ingenieure nutzen die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um durch ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung verursachte geometrische Verformungen genau vorherzusagen. So können sie ihren PWHT-Prozess so optimieren, dass das Material gleichmäßig und mit minimalen Verformungen erwärmt wird.

Gemäß dem ASME-Code für Kessel und Druckbehälter müssen verschiedene Prüfungen an Stahlblechen durchgeführt werden, um die ASME-Vorschriften für die Abnahme zu erfüllen. Eine dieser Prüfungen ist die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT). Mechanische Prüfkörper, die die von Blechlieferanten gelieferten Bleche repräsentieren, werden von deren Lieferanten einer PWHT-Simulation unterzogen, wobei ihre mechanischen Eigenschaften nach der simulierten Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) die festgelegten Anforderungen erfüllen. Leider werden jedoch aufgrund unzureichender Prüfverfahren und vereinfachter qualitativer Ansätze, die die tatsächlich zu simulierenden Wärmebehandlungsprozesse nicht berücksichtigen, weder die tatsächlichen Leistungsmerkmale erfasst noch verstanden.

Werkstoffprüfung

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein zunehmend verbreitetes Verfahren zur Verbesserung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften von geschweißten Bauteilen, einschließlich des Abbaus von Restspannungen, der Verzögerung der Rissbildung, der Verbesserung der Zähigkeit und der Kriechgrenze von Bauteilen sowie der Erhöhung der Zähigkeit und der dauerhaften Kriechgrenzen.

Die technische Analyse muss sorgfältig durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Nachwärmebehandlung (PWHT) nicht zu Verformungen, Verziehrungen oder unerwünschten Materialeigenschaften in der Schweißnahtstruktur führt. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) hilft Ingenieuren dabei, das thermische und mechanische Verhalten einer Struktur beim Aufheizen und Abkühlen während dieses Prozesses genau vorherzusagen.

Es gibt zahlreiche Verfahren zur Messung von Restspannungen in Schweißkonstruktionen, darunter die weithin bekannten XRD- und Bohrverfahren. Aufgrund ihres zerstörenden Charakters und unvermeidbarer Messfehler ist die FEA jedoch ein unschätzbares Werkzeug zur Untermauerung experimenteller Ergebnisse und zur Klärung von Versuchsergebnissen. Indem sie dabei hilft, Bereiche mit hohen Restspannungskonzentrationen zu identifizieren und Möglichkeiten aufzuzeigen, wie diese während der PWHT-Behandlung reduziert werden können, können Hersteller ihre PWHT-Prozesse optimieren und konsistente, wiederholbare Ergebnisse erzielen, die eine gleichbleibende Leistung gewährleisten.