Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein weit verbreitetes Verfahren in der Fertigung und bei Reparaturarbeiten vor Ort, das zum Abbau von Eigenspannungen eingesetzt wird, um die Härte des Schweißmaterials zu verringern und die Festigkeit zu erhöhen.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung hängen sowohl vom Rohrwerkstoff als auch von den Anforderungen des ASME-Codes ab; Tabelle 331.1.1 enthält die für die verschiedenen Werkstoffe in Abschnitt 331.1.1 geltenden Temperaturbereiche für die Druckwasserhärtung.

Stärke

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) ist ein kontrollierter Erwärmungs- und Abkühlungsprozess, der auf geschweißte Bauteile angewendet wird, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern und Eigenspannungen abzubauen. Die PWHT erhöht die Festigkeit und Härte geschweißter Werkstoffe, verringert Schweißfehler und schützt vor umweltbedingter Rissbildung. Die PWHT fördert auch die Versetzungsbewegung in der Kristallstruktur geschweißter Werkstoffe und trägt so zum Abbau von Eigenspannungen und zur Verringerung von Spannungskonzentrationen bei. Rohrleitungen, die Umweltbelastungen ausgesetzt sind, erfordern in der Regel eine PWHT; eine ausführliche Diskussion über die spezifischen Anforderungen an verschiedene Rohrwerkstoffe finden Sie in Abschnitt 331.1.1 sowie in den Tabellen 331.1.1, 331.1.2 und 331.1.3 in ASME B31.3.

Diese REM-Aufnahme zeigt die Unterschiede in den Bruchflächen zwischen wärmebehandelten und unbehandelten Proben. Wärmebehandelte Proben weisen glattere Bruchflächen auf, während unbehandelte Proben einen spröden Bruchmodus mit Flussmustern zeigen.

Zähigkeit

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) ist ein Wiedererwärmungs- und Abkühlungsprozess, der dazu dient, die Zähigkeit geschweißter Werkstoffe zu erhöhen, Eigenspannungen abzubauen und das Risiko von Schweißnahtfehlern wie Rissbildung zu verringern. PWHT ist besonders wichtig, wenn Rohre Umweltbelastungen ausgesetzt sind, wie z. B. in Öl-/Gaspipelines oder Kernkraftwerken; spezifische Normen wie ASME Section VIII schreiben häufig eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen für diese Art von Rohrleitungsanwendungen vor.

Beim PWHT-Verfahren wird in der Regel ein kontrolliertes Rampen-Wärmebehandlungsprofil bei Temperaturen verwendet, die unter der ursprünglichen Umwandlungstemperatur des Materials liegen, um mögliche negative Nebenwirkungen wie Wiedererwärmungsrisse, Verzug und Zähigkeitsverlust zu minimieren. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Rampen-/Weichenraten und die Haltetemperatur effektiv gesteuert werden, um erfolgreiche Verarbeitungsergebnisse zu erzielen.

Die REM-Bilder unten vergleichen geschweißte NiTi-Drahtproben ohne und mit PWHT-Behandlung, wobei letztere glattere Bruchflächen ohne Flussmuster auf den Bruchflächen erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass PWHT-Behandlungen die Empfindlichkeit von Werkstoffen gegenüber umweltbedingter Rissbildung deutlich verringern und gleichzeitig die Lebensdauer erhöhen.

Korrosionsbeständigkeit

Unter Korrosionsbedingungen können Schweißnähte spröde werden und versagen. Die PWHT hilft, dieses Risiko zu mindern, indem sie die Spannungen im Schweißnahtbereich senkt; außerdem verbessert sie die Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffschäden und andere Formen der Korrosion.

Die Druckwasserhärtung ist ein bewährtes Verfahren zur Erhöhung der Haltbarkeit von geschweißten Strukturen in Chemieanlagen, Erdölraffinerien und anderen Industrieanlagen. Dieses Verfahren trägt dazu bei, das Risiko von Schweißnahtausfällen zu minimieren und gleichzeitig die Materialfestigkeit durch Erhöhung der Zugfestigkeit und Streckgrenze zu erhöhen. Darüber hinaus trägt die PWHT dazu bei, Spannungsrisskorrosion und andere Formen der Korrosion in den Werkstoffen zu verhindern.

Mehrere Schweißverfahren erzeugen Eigenspannungen in der Schweißzone, die die Materialauslegungsgrenzen überschreiten und zu Ermüdungsrisswachstum führen. Die PWHT kann diese Eigenspannungen erheblich verringern und die Rissausbreitungswege/-geschwindigkeit verändern.

Viele Schweißnähte von Rohrleitungen erfordern eine Plasmaschweiß-Wärmebehandlung (PWHT). Die PWHT kann die Anfälligkeit von Schweißnähten für metallurgische Schäden verringern, die Festigkeit und Duktilität erhöhen und die Korrosionsbeständigkeit gegen aggressive Korrosionsbedingungen verbessern. Leider kann die PWHT negative Auswirkungen auf die Schweißbarkeit und die Betriebsleistung haben; daher ist es wichtig, dass ihre Vorteile und Kosten gründlich bewertet werden, bevor diese Behandlung durchgeführt wird. In diesem Bericht untersuchen wir den Ursprung und die Grundlagen der PWHT sowie die aktuellen Anforderungen und Ausnahmen für die PWHT in kerntechnischen Anwendungen.

Dauerhaftigkeit

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (auch Spannungsarmglühen genannt) ist ein thermischer Prozess, der das Risiko eines spröden Versagens aufgrund von Eigenspannungen, die während des Schweißvorgangs entstehen, verringern soll. Eigenspannungen in Schweißbereichen können sich mit Belastungsspannungen jenseits der Materialauslegungsgrenzen verbinden und zu Rissen, Ermüdung und schließlich zu sprödem Versagen führen, wenn sie unkontrolliert bleiben; die PWHT fördert die Versetzungsbewegung innerhalb der Kristallstrukturen, um diese Spannungen zu lösen, und ist immer dann erforderlich, wenn das Potenzial für umweltbedingte Risse in Schweißverbindungen besteht.

Die Anforderungen an die Druckwasserhärtung sind in verschiedenen Regelwerken festgelegt, wobei die Bedingungen je nach Rohrwerkstoff und Gruppennummer variieren. ASME B31.3 enthält obligatorische PWHT-Vorschriften in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung der Rohre; es gibt jedoch Ausnahmen von der obligatorischen Prüfung, wenn Schweißnähte mit dickeren Rohren aus bestimmten Schweißmaterialien hergestellt werden.

Die Anforderungen an die PWHT in Kraftwerksrohren werden mit zunehmendem Rohrdurchmesser bei gleichbleibender Wanddicke weniger wichtig, da die Werte für den Tangens des Winkels zwischen dem Längsspannungsvektor und der Schweißrichtung (Theta "th") abnehmen. Daher sind die beim Schweißen entstehenden Eigenspannungen bei dickwandigen Rohren noch problematischer als bei dünnwandigen Rohren.