Απαιτήσεις PWHT του τμήματος VIII του ASME

Το Τμήμα VIII του ASME περιλαμβάνει μια σειρά κανονισμών και κατευθυντήριων γραμμών που αποσκοπούν στην προστασία των δοχείων υπό πίεση, από το στάδιο του σχεδιασμού έως την κατασκευή, την επιθεώρηση και τις δοκιμές. Καλύπτει επίσης τις διαδικασίες ανάπτυξης, κατασκευής, επιθεώρησης και δοκιμών.

Ο McEnerney συνέστησε την αύξηση της ελάχιστης θερμοκρασίας για τις δοκιμές PWHT των υλικών SS4 από 800degF σε 1200degF, σύμφωνα με τους Lundin και Khan (Αναφ. 6).

Απαιτήσεις PWHT

Ο πίνακας UCS-56 [1] του Τμήματος VIII, Τμήμα 1 του ASME δείχνει ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των απαιτήσεων θερμικής επεξεργασίας μετά την κατασκευή (PWHT) των διαφόρων κωδίκων για δοχεία υπό πίεση και σωληνώσεις, οι οποίες οφείλονται σε τεχνικές εφαρμογές (π.χ. κριτήρια σχεδιαστικής τάσης) ή σε διαφορετικές εγγενείς απαιτήσεις της δοκιμής Charpy, καθώς και σε διαφορές στα επιτρεπόμενα μεγέθη ελαττωμάτων σύμφωνα με τους κώδικες επιθεώρησης.

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση είναι μια ελεγχόμενη διαδικασία κατά την οποία το επαναθερμανθέν μέταλλο συγκόλλησης θερμαίνεται μέχρι την κατώτερη κρίσιμη θερμοκρασία μετασχηματισμού του για παρατεταμένο χρονικό διάστημα και διατηρείται σε αυτή τη θερμοκρασία. Αυτό συμβάλλει στην απομάκρυνση των υπολειπόμενων τάσεων και των μικροδομικών αλλαγών που προκαλούνται από τη διαφορά θερμοκρασίας κατά τη συγκόλληση.

Οι απαιτήσεις για την θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) διαφέρουν μεταξύ των διαφόρων προτύπων όσον αφορά τα όρια πάχους, καθώς και τις ελάχιστες απαιτήσεις για τη θερμοκρασία προθέρμανσης και τη διάρκειά της, ανάλογα με τη σύνθεση του χάλυβα, την αντοχή του και τον τύπο της εφαρμογής.

Οι απαιτήσεις PWHT τείνουν να μειώνονται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε κράμα και, κατά συνέπεια, απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες προθέρμανσης και/ή μείωση των μέγιστων επιτρεπόμενων επιπέδων άνθρακα. Ως εκ τούτου, ο εξορθολογισμός των απαιτήσεων PWHT καθίσταται δύσκολος, ιδίως καθώς διαφορετικές ομάδες χρηστών, όπως οι χρήστες των πετροχημικών και της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, έχουν συχνά αντικρουόμενα συμφέροντα όσον αφορά την απαλλαγή από την PWHT και ενδέχεται να δυσκολεύονται να συμφωνήσουν σε ένα ενιαίο όριο για την απαλλαγή από τις απαιτήσεις της.

Απαιτήσεις για την προθέρμανση

Η προθέρμανση είναι η εφαρμογή θερμότητας στο βασικό μέταλλο ενός τεμαχίου πριν από τη συγκόλληση, με στόχο την πρόληψη της δημιουργίας ρωγμών στη ζώνη συγκόλλησης και την αύξηση της αντοχής του συγκεκριμένου εξαρτήματος. Η προθέρμανση μπορεί επίσης να συμβάλει στην αποφυγή ρωγμών λόγω ψυχρού υδρογόνου (HICC), βελτιώνοντας παράλληλα τις τελικές μηχανικές ιδιότητες των συγκολλήσεων και των ζωνών επηρεασμού της συγκόλλησης (HAZ). Οι απαιτήσεις προθέρμανσης μπορούν να καθοριστούν από κώδικες συγκόλλησης ή από έγγραφα προδιαγραφών διαδικασίας συγκόλλησης (WPS) ειδικά για κάθε συγκεκριμένο έργο.

Σε ένα WPS θα αναφέρονται λεπτομερώς η ελάχιστη θερμοκρασία προθέρμανσης και η διάρκεια που απαιτείται για κάθε έργο. Γενικά, οι ελάχιστες θερμοκρασίες προθέρμανσης πρέπει να διατηρούνται για τουλάχιστον 30 λεπτά, προκειμένου να επιτευχθούν βέλτιστα αποτελέσματα. Μπορεί να ελεγχθεί αν τα εξαρτήματα πληρούν αυτή τη θερμοκρασία είτε με μετρήσεις θερμοστοιχείου είτε με δοκιμές με κραγιόν, τα οποία αφήνουν σημάδια στις επιφάνειες όταν αυτές φτάσουν σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες.

Κατά τον καθορισμό της θερμοκρασίας προθέρμανσης, θα πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη το πάχος του υλικού και ο βαθμός συγκράτησης. Κατά τη διάρκεια της προθέρμανσης, η θερμοκρασία αυτή θα πρέπει να υπερβαίνει τόσο τη θερμοκρασία της ζώνης συγκόλλησης όσο και τη θερμοκρασία του βασικού μετάλλου – έχοντας πάντα κατά νου ότι πρέπει να παραμείνει σε αυτό το επίπεδο μέχρι να ολοκληρωθεί η συγκόλληση.

Όταν οι κανονισμοί συγκόλλησης δεν καθορίζουν πότε και πώς πρέπει να χρησιμοποιείται η προθέρμανση, εναπόκειται στον μηχανικό συγκόλλησης να καθορίσει εάν απαιτείται προθέρμανση και σε ποια θερμοκρασία, ανάλογα με το βασικό μέταλλο και το πάχος του τμήματος. Το πρότυπο AWS D1.1-96 προτείνει δύο μεθόδους για τον προσδιορισμό αυτό: τη μέθοδο ελέγχου σκληρότητας της ζώνης επηρεασμού (HAZ) και τη μέθοδο ελέγχου υδρογόνου.

Απαιτήσεις για τη θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) μπορεί να μειώσει τις υπολειμματικές τάσεις της συγκόλλησης, να μαλακώσει σκληρές και ενδεχομένως εύθραυστες μικροδομικές περιοχές και να βελτιώσει την αντοχή σε εφελκυσμό και την ανθεκτικότητα των συγκολλημένων υλικών. Η PWHT περιλαμβάνει τη θέρμανση των συγκολλήσεων σε μια καθορισμένη θερμοκρασία για παρατεταμένο χρονικό διάστημα· μερικές φορές απαιτείται επίσης η ταυτόχρονη εφαρμογή προθέρμανσης, προκειμένου να επιτευχθούν τα βέλτιστα αποτελέσματα.

Οι περισσότεροι ισχύοντες κώδικες κατασκευής ορίζουν ότι οι συγκολλήσεις που υπερβαίνουν ορισμένα κατώτατα όρια πρέπει να υποβάλλονται σε επεξεργασία PWHT, η οποία διαφέρει από κώδικα σε κώδικα ανάλογα με τις απαιτήσεις αντοχής σε θραύση στην ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας και τις τιμές απορρόφησης ενέργειας Charpy των διαφόρων ποιοτήτων υλικών.

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) συνίσταται στη θέρμανση των συγκολλημένων υλικών σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες για παρατεταμένο χρονικό διάστημα και, στη συνέχεια, στη διατήρησή τους σε αυτή τη θερμοκρασία χωρίς να προκληθεί παραμόρφωση ή άλλες μορφές βλάβης. Η PWHT μπορεί να είναι δαπανηρή· ως εκ τούτου, είναι λογικό να προσπαθούμε να ελαχιστοποιούμε τη χρήση της όποτε είναι δυνατόν.

Οι κώδικες κατασκευής συχνά προβλέπουν εξαιρέσεις από την απαίτηση της θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT)· οι εξαιρέσεις αυτές ενδέχεται να απαιτούν διαπραγμάτευση βάσει λεπτομερούς ανάλυσης της μηχανικής θραύσης. Μπορεί μάλιστα να είναι δυνατή η πλήρης παράλειψή της, εφόσον η συγκόλληση πολλαπλών περασμάτων και η προθέρμανση χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με την PWHT· ομοίως, ορισμένες ποιότητες χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, όπως ο 1-1/4 Cr Mo, ενδέχεται να επιτρέπουν τη διεξαγωγή της διαδικασίας PWHT σε υψηλότερο εύρος θερμοκρασιών.

Εξαιρέσεις

Το Τμήμα VIII του ASME περιλαμβάνει ολοκληρωμένες απαιτήσεις για το σχεδιασμό, την κατασκευή, τη συναρμολόγηση, την εγκατάσταση, τον έλεγχο, την επιθεώρηση, τις δοκιμές και την πιστοποίηση των δοχείων πίεσης. Η προσεκτική εφαρμογή αυτού του τμήματος του Κώδικα επιτρέπει στους κατασκευαστές, τους χρήστες, τους εργολάβους και τους σχεδιαστές να συμμορφώνονται με τους κανονισμούς της εκάστοτε δικαιοδοσίας τους, αποκομίζοντας παράλληλα οφέλη όσον αφορά το κόστος, την ασφάλεια και τη λειτουργία, χάρη στις πολυάριθμες βέλτιστες πρακτικές του κλάδου που περιγράφονται σε αυτό.

Αν και οι απαιτήσεις του Τμήματος VIII σχετικά με τη θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) συγκαταλέγονται μεταξύ των αυστηρότερων στον κλάδο, ορισμένοι κώδικες συγκόλλησης παρέχουν πράγματι ευελιξία κατά τη συγκόλληση υλικών όπως οι σωλήνες. Για παράδειγμα, ο κώδικας ASME B31.3 επιτρέπει την εξαίρεση από αυτή την απαίτηση για σωλήνες διαμέτρου 4 ιντσών NPS ή μικρότερης, με ονομαστικό πάχος τοιχώματος κάτω των 0,625 ιντσών. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι μπορεί να υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των κωδίκων και των κλάδων όσον αφορά τις απαιτήσεις PWHT, γεγονός που απαιτεί προσεκτική εξέταση προκειμένου να διασφαλιστεί η συνέπεια και η αποτελεσματικότητα.

Επί του παρόντος, οι νεότερες καμπύλες «όπως συγκολλήθηκαν» και PWHT, που βασίζονται σε προηγμένη τεχνολογία αντοχής σε θραύση, έχουν αποδειχθεί ότι συμβάλλουν στην καλύτερη ευθυγράμμιση των απαιτήσεων PWHT με τα πραγματικά επίπεδα υπολειμματικών τάσεων της συγκόλλησης. Επιπλέον, οι πιλοτικά ελεγχόμενες βαλβίδες εκτόνωσης (POPRV) μπορούν ενίοτε να εξαλείψουν την ανάγκη για PWHT σε ορισμένες εφαρμογές, χάρη στον σχεδιασμό τους χωρίς ροή, ο οποίος εξασφαλίζει σταθερή εκτόνωση της υπερπίεσης σε επίπεδα πολύ χαμηλότερα από το σημείο ρύθμισης της PRV· αυτό συμβάλλει στη σημαντική μείωση των κινδύνων ζημιάς στον εξοπλισμό λόγω υπερπίεσης, καθώς και του κόστους ιδιοκτησίας, παρέχοντας παράλληλα μεγαλύτερη σιγουριά στους χειριστές.