Wärmebehandlung nach dem Schweißen

In vielen Rohrleitungsvorschriften wird die Bruchzähigkeit von Schweißnähten als Grundlage für den Verzicht auf eine örtliche Wärmebehandlung nach dem Schweißen herangezogen; diese Methode gilt jedoch nicht immer für alle Werkstoffe oder Anwendungen.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung von Werkstoffen für Energierohrleitungen basieren im Allgemeinen auf der niedrigeren kritischen Umwandlungstemperatur des Grundmetalls.

Schweissverfahren

Die Schweißbarkeit von Schweißverbindungen hängt von verschiedenen Faktoren ab, u. a. von der Geometrie, der Wiederbeanspruchung, den Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen sowie der Stromdichte. Darüber hinaus beeinflussen auch kohlenstoffarme Werkstoffe wie AISI P-4 oder P-5A die Schweißbarkeit; auch die Härtbarkeit kann sich auswirken, ebenso wie das Potenzial für wasserstoffverzögerte Rissbildung.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) dient der Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit durch den Abbau von Eigenspannungen und die Entspannung bereits vorhandener Werkstückspannungen, die durch Herstellungs-, Schweiß- und Schneidprozesse verursacht wurden. PWHT-Prozesse dauern in der Regel eine Stunde pro 25 mm Dicke bei einer Temperatur von 600 Grad Celsius.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung werden in der Regel durch Schweißbarkeitskriterien bestimmt, und die Fertigungsvorschriften enthalten detaillierte Anforderungen an die lokale Druckwasserhärtung. Ein erheblicher Teil dieser Vorschriften konzentriert sich auf die Anforderungen an die Dickenbegrenzung - eine Annahme, die darauf beruht, dass ein Sprödbruch ohne PWHT wahrscheinlicher ist als mit PWHT. Diese Annahme wurde jedoch durch bruchmechanische Analysen in Frage gestellt; insbesondere der Vergleich von Master-Kurven für Rundstumpfschweißnähte in Stahlrohren hat diese Schlussfolgerung gezeigt und die derzeitigen PWHT-Dickenbegrenzungen in einigen Fertigungsvorschriften als zu restriktiv eingestuft.

Vorheizen

Das Vorwärmen von Stählen vor dem Schweißen ist unerlässlich, um Schweiß- und Eigenspannungen zu minimieren, je nach Dicke der Schweißnaht und Legierungsgehalt. Zur genauen Überwachung dieser Temperaturen sollten Temperaturmessstifte oder Thermoelement-Pyrometer verwendet werden.

Das Vorwärmen verringert den kritischen Geschwindigkeitsgradienten für ein bestimmtes Äquivalenzverhältnis und erhöht die laminare Flammengeschwindigkeit, wodurch stabilere Lichtbögen mit weniger Spritzern entstehen. (Abb. 20).

Das Vorwärmen wird eingesetzt, um die Härte des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone (WEZ) von Kohlenstoff- und niedrig legierten Stählen zu erhöhen, indem die Abkühlungsgeschwindigkeit verlangsamt wird. Dadurch werden Defekte wie Porosität und Hohlräume in der WEZ verringert, die mechanischen Eigenschaften verbessert und das Risiko der Wasserstoffversprödung (auch als verzögerte oder Unterwulstrissbildung bezeichnet) in Kohlenstoff- und niedrig legierten Stählen sowie in austenitischen, rostfreien Stählen mit hohem Nickelgehalt wie Typ 347/Incoloy 825 verringert.

Vorwärm- und Zwischenlagentemperatursenkungen können dazu beitragen, die Schweißnahtdicke ohne Wärmenachbehandlung (PWHT) zu erhöhen, insbesondere bei Schweißnähten, die hohen Druck aushalten, wie Stumpf-, Muffen- und Kehlnähte an Gewindeverbindungen und Stutzenanschlüssen. Auf der Grundlage der E2G-Studien zum Sprödbruch würde die Abschaffung der obligatorischen PWHT für niedrig legierte, druckgeschweißte Teile gemäß ASME B31.3 die Zähigkeit der Schweißnähte verringern und gleichzeitig das Risiko von Sprödbrüchen erhöhen.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) ist ein wirksames Mittel, um schädliche Eigenspannungen in geschweißten Bauteilen wie Druckbehältern und Rohren zu beseitigen und gleichzeitig ihre Anfälligkeit für Umweltbedingungen zu verringern, die zu Rissbildung oder Sprödbruch führen. Um die Unversehrtheit der hergestellten Schweißteile zu gewährleisten, sollte stets auf die Einhaltung der Vorschriften geachtet werden.

PWHT-Verfahren sind in der Regel für Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl erforderlich, deren Dicke einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet, um sie vor wasserstoffverzögertem Bruch und anderen Spannungskorrosionsphänomenen, einschließlich wasserstoffverzögertem Bruch, zu schützen. Die PWHT umfasst Erwärmungs-, Abkühlungs- und Eintauchbedingungen, die sich auf die Eigenschaften des Schweißmaterials auswirken - übermäßige oder längere Eintauchzeiten können zu Entkohlung, Versprödung oder Versprödung führen, was sich negativ auf die Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit oder Kerbzähigkeit auswirkt.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärte für Kohlenstoffstähle variieren je nach Dicke und Durchmesser in den verschiedenen Herstellungs- und Reparaturvorschriften, wobei die Abweichungen möglicherweise auf unterschiedliche Interpretationen der technischen Datenbank oder auf sich im Laufe der Zeit entwickelnde Herstellungs-/Schweißverfahren zurückzuführen sind. Die aktuellen ASME BP&V-Codes erlauben Ausnahmen von der PWHT-Prüfung für Materialien mit einer Dicke von bis zu 5/8 Zoll, die im Nuklearbereich verwendet werden. Diese Ausnahmen beruhen auf Annahmen wie z. B. der erhöhten Schweißbarkeit von dünnwandigen Materialien mit großem Durchmesser, deren inhärenten Bruchzähigkeitseigenschaften, die ausreichend sind, um einen Bruch mit geringer Energie zu unterstützen.

Kühlung

Die PWHT-Verfahren müssen speziell auf jedes Bauteil zugeschnitten sein, wobei die Temperaturen von der Dicke abhängen; ASME VII gilt für Dicken über 19 mm, während BS EN 13445 und BSPD 5500 für Dicken ab 35 mm gelten. Die Abkühlungsraten hängen ebenfalls von der Dicke ab; eine Stunde pro 25 mm Dicke und eine Abkühlung mit ruhender Luft ist unter 800 Grad Celsius zulässig. Bei der PWHT werden in der Regel entweder fest installierte Öfen oder tragbare Öfen auf Fahrgestellen für große, unhandliche Teile verwendet.