Anforderungen an die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) gemäß ASME Section VIII, Division 1

von admin88in pwht-Wissenan Veröffentlicht am

ASME Section VIII, Division 1 ist eine wichtige technische Norm, die klare Richtlinien für die Konstruktion, Inspektion und Zertifizierung von Druckbehältern enthält. Dies trägt zu standardisierten technischen Verfahren bei und verbessert gleichzeitig die Sicherheit und Effizienz in verschiedenen Branchen.

Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein kontrolliertes Verfahren zur Beseitigung von Eigenspannungen in geschweißten Werkstoffen und ist in Abschnitt 331.11 zusammen mit den Tabellen 331.1.1.1 und 331.1.3 definiert. Sie muss den Anforderungen des Abschnitts 331.11.1.2 entsprechen, wie unten für Rohrleitungsanwendungen beschrieben.

Minimale Temperatur

Bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) wird das Schweißgut auf Temperaturen unterhalb seiner unteren kritischen Umwandlungstemperatur erwärmt und über einen längeren Zeitraum gehalten. Dies trägt zum Abbau von Eigenspannungen und durch das Schweißen verursachten Gefügeveränderungen bei. Allerdings wird die PWHT oft unkontrolliert durchgeführt, wobei Temperaturgradienten das Schweißgut schädigen können, was zu Spannungsrissen führt oder die Anfälligkeit für Sprödbrüche erhöht.

Die derzeitigen Vorschriften, die eine PWHT für Energierohrleitungen vorschreiben, sehen eine Mindesttemperatur von 1100 Grad Celsius vor, was zu niedrig ist und zu vorzeitigen Korrosionsschäden führen kann. Eine von EPRI gesponserte Studie, die von Souder und Lundin und Khan durchgeführt wurde, plädiert für eine Anhebung auf 1200 Grad Celsius; dies würde zu erheblichen Veränderungen der Eigenschaften des Schweißguts führen, wie z. B. zu einer höheren Zähigkeit und geringeren Härte.

Eine Herabsetzung der Mindesttemperatur für die Druckwasserhärtung könnte die Übergangstemperatur des Schweißguts von duktil zu spröde erheblich verringern, was zu einer unannehmbaren Verringerung der Zugfestigkeit und Duktilität führen könnte, was eine Erhöhung des Auslegungsdrucks des Behälters mit Code-Stempel erforderlich machen würde und sowohl für die Rohrhersteller als auch für die Druckbehälterhersteller sehr kostspielig wäre. Es ist daher zwingend erforderlich, dass die Hersteller bei der Festlegung der Mindesttemperaturen für die PWHT ein Gleichgewicht zwischen diesen Anforderungen finden.

Mindesthaltezeit

PWHT (post weld heat treatment) ist ein Wärmebehandlungsverfahren nach dem Schweißen, bei dem Stahl auf seine untere kritische Umwandlungstemperatur erwärmt und dort für eine bestimmte Dauer gehalten wird, um Eigenspannungen und Gefügeveränderungen im Schweißgut zu verringern. Die PWHT ist häufig bei der Herstellung von Druckbehältern und Rohren erforderlich, kann jedoch kostspielig und zeitaufwendig sein. Um Kosten zu sparen, kann es sich lohnen, eine Befreiung von der PWHT anzustreben, wo dies möglich ist.

Druckbehälter, Rohrleitungen und Lagertanks müssen die PWHT-Anforderungen erfüllen, die in den bei ihrer Konstruktion verwendeten Normen festgelegt sind. Die Anforderungen dieser Regelwerke sind sehr unterschiedlich - beispielsweise unterscheiden sich die Anforderungen von BS 2633 erheblich von denen von ASME VIII Div 1 oder B31.1/B31.3, in denen die maximale Dicke auf 32 mm festgelegt ist. Auch zwischen den allgemeinen Bauvorschriften wie BS 5400/5750 und denen der Industriezweige, die eine Befreiung von den DWHT-Anforderungen anstreben, wie z. B. die petrochemische Industrie und die Energieerzeugungsbranche, die eine umfassendere Befreiung beantragt haben, kann es erhebliche Abweichungen geben.

Die derzeitigen Konstruktionsvorschriften stützen sich auf die Ergebnisse von Kerbschlagbiegeversuchen nach Charpy als Kriterium für die Grenzdicke; diese Anforderungen spiegeln jedoch nicht immer die tatsächlichen Zähigkeits- und Eigenspannungsdaten der für die Herstellung verwendeten Stähle wider.

Minimale Vorwärmtemperatur

Die Vorwärmtemperatur ist entscheidend für den Erfolg der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT). Die PWHT dient dazu, die durch das Schweißen entstandenen Eigenspannungen umzuverteilen und das Material duktiler zu machen, während sie die während des Schweißprozesses entstandenen Eigenspannungen abschwächt. Darüber hinaus dient die Wärmebehandlung nach dem Schweißen auch dazu, Gefügeveränderungen zu beseitigen, die durch die hohen Temperaturgradienten zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff während des Schweißvorgangs verursacht werden.

Die PWHT-Prüfung ist derzeit für die meisten Rohr- und Druckbehälterwerkstoffe vorgeschrieben; ihre Anforderungen richten sich in der Regel nach den Charpy-Energieabsorptionsgrenzwerten. Daher kann es bei der Mindestdicke, ab der eine Befreiung von der PWHT gewährt werden kann, erhebliche Unterschiede geben, da die petrochemische Industrie unterschiedliche Konstruktionsvorschriften verwendet, die ihre Spezifikationen im Laufe der Zeit durch Erfahrung und technische Praxis entwickelt haben.

Einige Anforderungen sind aus technischer Sicht marginal geworden, und insbesondere die Mindesttemperatur für die PWHT ist auf den Prüfstand gekommen. Ein von EPRI gesponserter Bericht (Ref. 1) schlug vor, diese Anforderung auf 1100 °F zu senken, was der Einhaltung der in den NBEP- und B31.1-Normen für P Nr. 4-Materialien als Schweißgut verwendeten Mindestcharpy-Energieabsorptionsgrenzwerte nahe käme; diese niedrigere Vorwärmtemperatur wurde jedoch vom US-Unterausschuss für Druckbehälter aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Rissbildung bei der Wiedererwärmung des Schweißguts während des Schweißvorgangs abgelehnt (Ref. 1).

Minimale Vorwärmzeit

Gemäß ASME Code Section VIII Div 1 müssen Schweißnähte zwei Kriterien erfüllen, um von der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) befreit zu werden. Sie müssen sowohl eine Mindestvorwärmtemperatur als auch eine Mindesthaltezeit aufweisen, um als befreit zu gelten. PWHT-Behandlungen reduzieren Sprödbrüche, indem sie die Schweißeigenspannungen senken und gleichzeitig harte, potenziell spröde Gefüge anlassen, was dazu beiträgt, potenzielle Versagensszenarien zu vermeiden.

Verschiedene Fertigungsnormen sehen unterschiedliche Ausnahmeregelungen für Stähle vor. Einige verlangen die PWHT sogar bei dünneren Schweißnähten als andere, je nach Kohlenstoffgehalt; zum Beispiel schreiben BS 1113 [23] und 2633 [24] sie nicht vor, wenn Schweißnähte mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 % geschweißt werden.

Auch wenn die PWHT allgemein bekannt ist, sind ihre genauen Anforderungen nach wie vor umstritten. Insbesondere im Bereich der Energieerzeugung ist ihre Notwendigkeit umstritten. Die Unterschiede zwischen den Anforderungen an die Befreiung von der PWHT in den Herstellungsvorschriften könnten darauf zurückzuführen sein, dass verschiedene Berufsverbände sie entsprechend ihren individuellen Erfahrungen aufgestellt haben; dennoch gibt es solche Abweichungen, und es scheint unwahrscheinlich, dass jemals eine einheitliche Anforderung für die Befreiung von der PWHT erreicht werden kann; dieser Artikel untersucht diese Ähnlichkeiten und Unterschiede und schlägt gleichzeitig mögliche Rationalisierungsstrategien vor.