Reduzierung der erforderlichen PWHT-Dicke gemäß ASME B31 3

1. Materialdicke

Sowohl die petrochemische Industrie als auch Stromerzeuger haben ihr Interesse daran bekundet, die Anzahl der Schweißnähte zu verringern, die eine Wärmenachbehandlung (PWHT) erfordern. Verschiedene EPRI-Teilnehmer haben vorgeschlagen, dass es sich lohnen würde, die derzeitigen Anforderungen und Ausnahmen zu prüfen und festzustellen, ob eine Lockerung technisch machbar wäre.

Die Forscher sind zu dem Schluss gekommen, dass sich die Anforderungen an die PWHT eher auf Industriepraktiken als auf spezifische metallurgische und strukturelle Erwägungen stützen, wenn es um die Festlegung von Anforderungen geht. Als Ergebnis dieser Beobachtungen kann eine Lockerung der bestehenden Anforderungen für Anwendungen im Nuklearbereich möglich sein. Allerdings muss zunächst eine sorgfältige Prüfung erfolgen, um sicherzustellen, dass durch die PWHT-Behandlung eine angemessene Rissbeständigkeit und Eigenspannungsentlastung erreicht wird.

2. Wärmebehandlung

Rohrschweißnähte, die einer Hochtemperatur-PWHT-Behandlung unterzogen werden, können im Betrieb kostspielig sein, und die Ausfallkosten für Kernkraftwerke können beträchtlich sein, so dass es ideal wäre, wenn möglichst viele Schweißnähte einer solchen Behandlung unterzogen würden, da dies die Ausfallkosten erheblich senken könnte.

Mehrere Regelwerke, einschließlich des B&P Vessel Code Section III und einiger petrochemischer Regelwerke, schreiben eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen vor, wenn die Schweißnahtdicke einen festgelegten Grenzwert überschreitet; in der Regel bezieht sich dieser Grenzwert auf die Anforderungen an die Zähigkeit, gemessen mit der Charpy-Energie. In diesem Beitrag wird untersucht, ob und wo sich die Ausnahmeregelungen in den verschiedenen aktuellen Regelwerken unterscheiden; anschließend werden Rationalisierungsoptionen als mögliche Lösungen vorgeschlagen.

Studien über die Anforderungen an die Druckwasserhärtung zeigen, dass diese eher die traditionellen Praktiken innerhalb der Industrie widerspiegeln als spezifische metallurgische oder strukturelle Überlegungen. So könnte beispielsweise bei Schweißnähten aus CR-Mn-Stählen der untere Grenzwert für die Dicke gemäß ASME B31.3 "Power Piping" und 40 mm gemäß EEMUA 158 gelockert werden, ohne die strukturelle Integrität der geschweißten Schweißnähte zu beeinträchtigen; dies würde die Kosten für die Druckwasserhärtung erheblich senken und beträchtliche Kosten für Schweißdienstleistungen einsparen.

3. Verfahren zum Schweißen

Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen sind wesentliche Bestandteile starker, sicherer und vorschriftsmäßiger Schweißnähte. Beim Vorwärmen wird der Grundwerkstoff vor dem Schweißen erwärmt, um thermische Gradienten zu reduzieren und wasserstoffinduzierte Risse zu verhindern. Bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen wird eine kontrollierte Erwärmung nach dem Schweißen durchgeführt, um Eigenspannungen abzubauen und die Materialeigenschaften zu verbessern.

Die Druckwasserhärtung hilft, Spannungen zu reduzieren und gleichzeitig die Duktilität und Festigkeit zu verbessern, um die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern, wie es die Anforderungen von ASME Section VIII für Kohlenstoffstahl mit einer Dicke von mehr als 38 mm oder für rissanfällige Legierungen vorsehen. In solchen Fällen ist sie obligatorisch.

Widerstands- oder Induktionserwärmungsmethoden liefern schnellere und präzisere Ergebnisse als ihre Gegenstücke aus dem Bereich des Widerstands. Keramische Heizmatten, Induktionsspulen, Gas- oder Elektroöfen können alle geeignet sein. Bei Materialien unter 25 mm können Sie möglicherweise auf das Vorwärmen verzichten, aber prüfen Sie vorher die Vorschriften. Austenitische nichtrostende Stähle benötigen aufgrund ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und Duktilität in der Regel keine PWHT - allerdings können Auslagerungsbehandlungen oder Lösungsanwendungen erforderlich sein, um die Zähigkeit wiederherzustellen; andere Werkstoffe, die in nuklearen Anwendungen eingesetzt werden, benötigen vor ihrer endgültigen Verwendung möglicherweise eine zusätzliche Spannungsarmglüh- und Vergütungswärmebehandlung.

4. Kontrolle der Dicke

Anwender von Stählen für die Petrochemie und die Energieerzeugung sehen in den Ausnahmeregelungen von B31.3 und BS 2633 möglicherweise eine Möglichkeit, die Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu reduzieren. Im Vergleich zu den Anforderungen an Kohlenstoff-Mn-Stahl, wie sie in B31.1, PD 5500, EEMUA 158 für Offshore-Strukturen usw. festgelegt sind, ist eine solche Vereinbarkeit jedoch möglicherweise nicht möglich.

Tabelle 1 veranschaulicht, dass zur Erreichung dieser Ausnahmen die erforderliche Dicke bei einfachen Schweißnähten mit guten Details und quasistatischen Dehnungsraten nur 14 mm betragen könnte; bei aggressiveren Schweißbedingungen mit groben Spannungskonzentrationen und groben Spannungskonzentrationen wäre sie wahrscheinlich viel geringer. Darüber hinaus sind die Anforderungen an die Bruchzähigkeit nicht auf die Anforderungen an die Zähigkeit der Schweißnaht ausgerichtet, und dieser Bereich bedarf weiterer Überlegungen auf der Grundlage eines bruchmechanischen Ansatzes zur Erfüllung solcher Zähigkeitsanforderungen.