Απαιτήσεις ASME PWHT

Οι βιομηχανίες ενέργειας και επεξεργασίας αντιμετωπίζουν ζητήματα που σχετίζονται με τις διαφορές μεταξύ των κωδίκων όσον αφορά τις απαιτήσεις PWHT για τους λέβητες. Ενώ ορισμένες από αυτές τις διαφορές μπορούν να δικαιολογηθούν, άλλες φαίνονται λιγότερο σημαντικές από τεχνική άποψη.

Οι ισχύοντες κώδικες κατασκευής συνήθως εξαιρούν ορισμένες κατασκευές από την PWHT λόγω της ανθεκτικότητας θραύσης Charpy στην ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους- ωστόσο, τα κριτήρια αυτά είναι συχνά υποκειμενικά και ασαφώς καθορισμένα.

Τι είναι το PWHT;

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) των χαλύβδινων εξαρτημάτων είναι ένα ουσιαστικό βήμα στη διαδικασία συγκόλλησης, το οποίο περιλαμβάνει τη θέρμανσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες για παρατεταμένο χρονικό διάστημα, ώστε να διορθωθεί η θερμική παραμόρφωση, η αποδυνάμωση της αντοχής και της ανθεκτικότητας του μετάλλου, η οποία μπορεί να καταστήσει τον εξοπλισμό των δοχείων πίεσης πιο επιρρεπή σε αστοχίες. Πρωταρχικός στόχος της PWHT είναι η αποκατάσταση αυτών των ιδιοτήτων, ώστε να αποκατασταθεί η αντοχή τόσο στα όρια εφελκυσμού όσο και στα όρια διαρροής του υλικού.

Τα τρέχοντα πρότυπα κατασκευής για δοχεία πίεσης και σωληνώσεις, όπως το τμήμα VIII του ASME και το ASME B31.3, επιβάλλουν την PWHT για συγκολλήσεις που υπερβαίνουν ένα καθορισμένο όριο πάχους. Αυτή η απαίτηση οριακού πάχους λαμβάνει συνήθως υπόψη τις ιδιότητες του υλικού κατά τη δοκιμή Charpy καθώς και τις προβλεπόμενες συνθήκες λειτουργίας κατά τον καθορισμό της απαίτησης πάχους - ωστόσο αυτή η προσέγγιση είναι γνωστό ότι είναι υπερβολικά συντηρητική, οδηγώντας σε ανώμαλες τιμές σε διάφορους κώδικες για τις απαιτήσεις PWHT.

Όπως δείχνει ο Πίνακας 1, οι εν λόγω κώδικες παρέχουν διάφορες απαλλαγές από το PWHT, καθιστώντας τις ευκαιρίες εξορθολογισμού που υπάρχουν σε κάθε κώδικα πιο εφικτές. Θα ήταν δύσκολο, ωστόσο, να συμβιβαστούν οι προδιαγραφές της πετροχημικής βιομηχανίας με αυτές του τομέα της ηλεκτροπαραγωγής- επομένως, είναι ζωτικής σημασίας να αναγνωρίζονται οι διαφορές τους και να διεξάγονται προσόντα διαδικασίας συγκόλλησης σε κάθε συγκόλληση σύμφωνα με τις προδιαγραφές και να διασφαλίζεται η συμμόρφωσή τους.

Γιατί απαιτείται PWHT;

Η PWHT είναι απαραίτητη λόγω των συμβατικών διεργασιών συγκόλλησης που δημιουργούν σημαντικές παραμένουσες τάσεις που μπορεί να φτάσουν ή να ξεπεράσουν το όριο διαρροής είτε του μητρικού μετάλλου είτε του υλικού συγκόλλησης. Η θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση χρησιμεύει για τον μετριασμό αυτών των υπολειπόμενων τάσεων, ενώ παράλληλα μετριάζει τη μικροδομή του μετάλλου συγκόλλησης, μειώνοντας τον κίνδυνο ρηγμάτωσης που υποβοηθείται από το περιβάλλον.

Ωστόσο, η θέρμανση και η ψύξη μεγάλων χαλύβδινων κατασκευών είναι ένα δαπανηρό εγχείρημα, ειδικά αν απαιτούνται πολλαπλοί κύκλοι κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής του εξοπλισμού πίεσης. Επιπλέον, η διαδικασία αυτή μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση στον εξοπλισμό που θέτει σε κίνδυνο την ακρίβεια των διαστάσεων και τη δομική του ακεραιότητα.

Οι χρήστες που επιδιώκουν τη μείωση του κόστους θα θέλουν φυσικά να ελαχιστοποιήσουν το χρόνο έκθεσης του εξοπλισμού τους σε διαδικασίες PWHT, καθιστώντας τα σύνθετα υλικά μια βιώσιμη εναλλακτική επιλογή. Κατά συνέπεια, οι ειδικοί στην επισκευή εξοπλισμού υπό πίεση πρέπει να κατανοήσουν αυτές τις πιθανές λύσεις για την επεξεργασία PWHT.

Η επισκόπηση των απαιτήσεων απαλλαγής από την PWHT σε διάφορους κώδικες, όπως αυτοί για δοχεία πίεσης και σωληνώσεις (Πίνακας 1), καθώς και σε γενικά δομικά πρότυπα όπως το PD 5500 [22] και το EEMUA 158 [23], έδειξε σημαντική απόκλιση μεταξύ τους. Οι διαφορές οφείλονται κυρίως σε διαφορές στα κριτήρια τάσεων σχεδιασμού, στις απαιτήσεις εγγενούς ανθεκτικότητας Charpy και στα επιτρεπόμενα μεγέθη ατελειών που διαφέρουν μεταξύ τους.

Εύρος θερμοκρασιών PWHT

Οι βιομηχανίες πετροχημικών προϊόντων και ενέργειας έχουν όλες μοναδικές απαιτήσεις για τη θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση, εν μέρει λόγω των διαφορετικών κωδίκων που χρησιμοποιούνται, αλλά κυρίως λόγω του τρόπου με τον οποίο κάθε κώδικας αντιμετωπίζει το αντίστοιχο υλικό που εμπλέκεται.

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) περιλαμβάνει τη θέρμανση μιας συγκόλλησης σε θερμοκρασίες κάτω από τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία μετασχηματισμού της και την παραμονή της εκεί για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, προκειμένου να ανακουφιστεί το μέταλλο από τις τάσεις και να αυξηθεί η ανθεκτικότητα. Οι θερμοκρασίες PWHT διαφέρουν μεταξύ των κωδίκων της πετροχημικής βιομηχανίας και της βιομηχανίας ενέργειας- οι κωδικοί της πρώτης έχουν συνήθως υψηλότερα όρια για τις θερμοκρασίες επεξεργασίας.

Ως εκ τούτου, μπορεί να υπάρχει σημαντική απόκλιση στις απαιτήσεις PWHT σε διάφορα τμήματα του κώδικα, οδηγώντας σε ασυνέπεια στις απαιτήσεις PWHT και δημιουργώντας κινδύνους για την ασφάλεια κατά τη θέρμανση σε θερμοκρασίες PWHT που οδηγούν σε παραμόρφωση των εξαρτημάτων τα οποία στη συνέχεια δυσκολεύονται να υποστηρίξουν το βάρος τους όταν θερμαίνονται στις απαιτούμενες θερμοκρασίες PWHT. Για να αποφευχθεί η εμφάνιση τέτοιων πιθανών επιπλοκών κατά τη διάρκεια των εργασιών PWHT, πρέπει να τοποθετηθούν στρατηγικά σε όλη τη δομή στηρίγματα προσαρμοσμένα σε κάθε στοιχείο πριν από την έναρξη της PWHT, προκειμένου να μετριαστούν αυτοί οι πιθανοί κίνδυνοι.

Οι δοκιμές του EPRI (βλ. 1) και η έρευνα των Lundin και Khan (βλ. 6) υποδηλώνουν ότι η χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία που χρησιμοποιείται από τον κώδικα B31.1 για τις σωληνώσεις ενέργειας των 1100 βαθμών Κελσίου μπορεί να είναι πολύ χαμηλή- αντίθετα, οι ερευνητές αυτοί διαπίστωσαν ότι η χρήση των 1200 βαθμών Κελσίου ως PWHT θα είχε ως αποτέλεσμα ταχύτερες αλλαγές στις ιδιότητες, με αυξημένη ανθεκτικότητα και μειωμένη σκληρότητα των HAZs συγκόλλησης.

Απαλλαγές PWHT

Πολλαπλά τμήματα κωδίκων εξαιρούν ορισμένα πάχη συγκολλήσεων από χάλυβα χρωμίου-μολυβδαινίου P-4 και P-5A από την υποχρεωτική θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT), αν και οι κανόνες διαφέρουν από κώδικα σε κώδικα και εξαρτώνται από το πάχος- το τμήμα VIII του ASME BP&V επιτρέπει σε συγκολλήσεις πάχους άνω των 5/8 να αποφεύγεται η PWHT- άλλοι κώδικες χρησιμοποιούν άλλα κριτήρια, συμπεριλαμβανομένης της συγκολλησιμότητας ή της ικανότητας των συγκολλήσεων να αντιστέκονται στην πρόσληψη υδρογόνου ως δείκτες για την εξαίρεση.

Η συγκολλησιμότητα χρησιμοποιείται συχνά ως ο μοναδικός καθοριστικός παράγοντας για το αν ένα υλικό απαιτεί επεξεργασία PWHT. Ειδικότερα, η επίδρασή της όσον αφορά τη συγκόλληση εξαρτημάτων χωρίς να παρουσιάζονται ελαττώματα κατά τη διάρκεια ή αμέσως μετά τη συγκόλληση (συγκολλησιμότητα) είναι καθοριστικής σημασίας. Επιπλέον, η πτυχή αυτή διαδραματίζει επίσης ζωτικό ρόλο κατά το σχεδιασμό συγκολλήσεων και συγκολλήσεων πυρηνικής υπηρεσίας.

Η συγκολλησιμότητα αναφέρεται στην ικανότητα των συγκολλημένων κατασκευών ή συγκολλήσεων να αντιστέκονται σε συγκεντρώσεις τάσεων που προκαλούνται από παραμένουσες τάσεις από τις παραμένουσες τάσεις της διαδικασίας συγκόλλησης ή/και τη γεωμετρία της συγκόλλησής τους. Για να ελαχιστοποιηθούν οι κίνδυνοι καθυστερημένης ρηγμάτωσης υδρογόνου, μια κατάλληλη ψήση μετά τη συγκόλληση μπορεί να περιλαμβάνει θέρμανση με ηλεκτρική αντίσταση ή απομάκρυνση τυχόν παγιδευμένου υδρογόνου με αδρανές αέριο, όπως άζωτο. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις εκτιμήσεις, φαίνεται συνετό να χαλαρώσουμε τις τρέχουσες απαιτήσεις του κώδικα, ώστε να μειωθούν σημαντικά οι PWHT που πραγματοποιούνται για υλικά πυρηνικών σωλήνων.