Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) Anforderungen der ASME B31.3

Die aktuellen Konstruktionsvorschriften in der Rohrleitungs- und Druckbehälterindustrie unterscheiden sich erheblich in ihren Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), wobei einige gerechtfertigt erscheinen, während andere aus technischer Sicht marginal sind.

EPRI-gesponserte Tests legen nahe, dass die PWHT-Anforderungen für P Nr. 4-Materialien reduziert werden sollten, und dieses Papier versucht, diese Änderung in B31.1, B31.3 und anderen Code-Abschnitten zu unterstützen.

Vorwärmtemperatur

Die Vorwärmtemperatur ist die Mindesttemperatur im Grundwerkstoff einer Schweißung oder, bei Mehrlagenschweißungen, zwischen den einzelnen Schweißgängen. Sie muss während des gesamten Vorgangs über eine Strecke konstant bleiben, die mindestens der dicksten Bauteildicke entspricht; ihre Spezifikationen sind in WPS aufgeführt (siehe 3.6 für präqualifizierte WPS-Einschränkungen und Tabelle 4.5 für wesentliche variable Einschränkungen).

Das Vorwärmen von unlegierten oder niedrig legierten Stählen erfordert eine sorgfältige Temperaturregelung, um eine Überhitzung zu vermeiden, da eine Erhöhung der Vorwärmtemperatur zu einer Verringerung der Festigkeit und Härte führen kann, während eine zu niedrige Temperatur die Zähigkeit und Duktilität im Vergleich zum Ausgangszustand verringern kann.

Bei komplex legierten Stählen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Vorwärmtemperatur so gewählt wird, dass eine Umwandlung und kristallografische Ausrichtung im Grundwerkstoff erreicht wird. Um dies korrekt zu erreichen, sind genaue Berechnungen der Temperaturgradienten innerhalb der Schweißzone erforderlich.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist für die Konstruktion und den Bau von Druckbehältern und Rohren aus niedrig legiertem Stahl, die während des Montageprozesses zusammengeschweißt werden, unerlässlich, um das Metall zu erweichen, Eigenspannungen zu verringern, die Duktilität zu erhöhen und Wasserstoffrisse zu verhindern. Diese Wärmebehandlung hat noch weitere Vorteile: Sie macht das Metall weich und verringert gleichzeitig die Eigenspannungen, erhöht die Duktilität und trägt dazu bei, Wasserstoffrisse ganz zu vermeiden.

Grenzwerte für die Dicke

Der Basiscode bietet eine breite Palette von zulässigen Längsspannungen für Rohrleitungen sowie die Möglichkeit, diese für gelegentliche Belastungen zu erhöhen. Die zeitabhängigen Kriecheigenschaften des Materials dienen als begrenzender Faktor. Bei Gusseisen und nicht duktilen Werkstoffen muss außerdem ein Materialqualitätsfaktor angewendet werden.

Bei gelegentlichen Belastungen ist SL auf 90% der Streckgrenze bei Temperatur zuzüglich eines Festigkeitsreduktionsfaktors begrenzt. Auf diese Weise können die Konstrukteure höhere Spannungsniveaus anwenden, als nach den grundlegenden Normen zulässig wären, und gleichzeitig die Sicherheit vor plötzlichen Lastanstiegen infolge von Erdbeben gewährleisten.

Andererseits sieht der Basiscode vor, dass die Spannungserhöhungsfaktoren auf das 1,33-fache der zulässigen Basisspannung für Dauer- und Gelegenheitslasten begrenzt werden; dies lässt jedoch bestimmte Fragen wie die Anwendung dieser Faktoren unter den Ingenieuren und Programmierern von Spannungsanalyseprogrammen offen.

Bei Rohrleitungssystemen für erhöhte Temperaturen wird die Spannweite durch Faktoren wie primäre Längsspannung, Biegemoment und Scherkräfte bestimmt. Mit einer Gleichung, die diese Komponenten einbezieht, können wir diese Grenzen sowohl für einfach gestützte als auch für feste Stützen berechnen.

Ausnahmeregelungen

Wie in jeder Branche kann die Einhaltung von Normen und Dokumentationen eine Herausforderung sein, doch die Einhaltung von Vorschriften und eine gründliche Dokumentation sind für den Schutz von Mitarbeitern und Kunden gleichermaßen entscheidend. Dies ist besonders in stark regulierten Branchen wie Kraftwerken, der chemischen Industrie oder dem Bergbau von Bedeutung, wo strenge Compliance-Standards für eine sichere Arbeitsumgebung eingehalten werden müssen.

ASME B31.3 wurde kürzlich überarbeitet, um genauere Beschreibungen von Prüf-, Inspektions- und Testverfahren für Prozessrohrleitungssysteme zu liefern. Zu den Überarbeitungen gehörte die Aktualisierung der Definitionen für Konstruktion, Losgröße und kombinierte geschweißte Rohre (COW) nach dem Wasserstoffausheizen; die Anforderungen an die progressive Probenahme wurden präzisiert, während die Basis für die zulässigen Spannungen vom 0,67-fachen der Streckgrenze auf das 0,80-fache der Streckgrenze erhöht wurde.

Tabelle 331.1.3 wurde ebenfalls geändert, um einige Rohrleitungen von den obligatorischen PWHT-Anforderungen auf der Grundlage von Werkstoff und Gruppennummer, Kontrolldicke, Schweißnahtart und Vorwärmtemperatur auszunehmen.

Beispiel: Rohre aus Kohlenstoffstahl, die nach dem Schweißverfahren und -werkstoff der Gruppe P Nr. 1 geschweißt wurden, können von der Wärmebehandlung nach dem Schweißen ausgenommen werden, wenn sie einer Vorwärmtemperatur von 95 °C oder mehr ausgesetzt wurden; diese Ausnahme gilt auch für Schweißwerkstoffe, die als "Elevated Temperature Fluid Service" klassifiziert sind.

Vorwärmzeit

ASME B31.3 ist eine Reihe von umfassenden Normen, die verschiedene Aspekte von Prozessrohrleitungssystemen abdecken. Dieses Dokument enthält Informationen zu Werkstoffen, Armaturen, Verbindungsbautechniken und Prüfungen. ASME B31.3 hat sich zu einer Industrienorm entwickelt, die die Sicherheit und Integrität von Rohrleitungssystemen in vielen verschiedenen Branchen gewährleistet.

Die Ausgabe 2014 von ASME B31.3 enthielt mehrere wichtige Aktualisierungen, wie z. B. überarbeitete Vorwärmanforderungen, eine Erhöhung des maximalen Auslegungsdrucks für Energierohrleitungssysteme und mehr Informationen zu Inspektions- und Prüfverfahren. Darüber hinaus können nun nationale oder internationale zentrale Zertifizierungsprogramme anstelle des ASNT-eigenen zentralen Zertifizierungsprogramms verwendet werden, während spezifische Akzeptanzkriterien für Magnetpulver- und Flüssigkeitseindringprüfungen mit reduziertem Wasserdruck bei der Dichtheitsprüfung sowie eine vereinfachte Berechnung des Wasserdruckes hinzugefügt wurden.

Dieser Abschnitt des Codes schreibt eine Mindestwanddicke für Druckrohrleitungen vor, die für Flüssigkeiten bei erhöhten Temperaturen verwendet werden, und legt die maximal zulässige Spannung fest, die durch Multiplikation der zulässigen Spannung mit der Streckgrenze des Materials bestimmt wird. Darüber hinaus werden Regeln für die Berechnung der Längsspannungen und der maximal zulässigen Spannungsschwankungen aufgestellt, wobei Bestimmungen zur Bestimmung der Ermüdungseigenschaften entweder mit Hilfe der S/N-Kurvenanalyse oder gründlicherer bruchmechanischer Analysemethoden vorgesehen sind. Nach der Fertigstellung der Schweißnähte und der Montage des Rohrleitungssystems muss dieses einer Druckprüfung unterzogen werden, wobei entweder hydrostatische oder penumatische Prüfverfahren angewandt werden - weitere Einzelheiten in Abschnitt 8.4.