Η σημασία της PWHT στις διεργασίες συγκόλλησης σωλήνων

Τα ρεύματα που παράγονται από πηνία υψηλής συχνότητας παράγουν την απαραίτητη θερμότητα και στη συνέχεια την ψύχουν μέσω συναγωγής.

Μελέτες έχουν δείξει ότι οι ανησυχίες για τις παραμένουσες τάσεις συγκόλλησης και την ανθεκτικότητα σε θραύση του HAZ δεν παρέχουν επαρκή τεχνική αιτιολόγηση για την εφαρμογή των απαιτήσεων PWHT σε υλικά σωλήνων με πάχος τοιχώματος μικρότερο από 5/8 ίντσες.

1. Ανακουφίζει από τις υπολειπόμενες τάσεις

Η συγκόλληση δημιουργεί μεγάλες περιοχές υψηλών εφελκυστικών παραμενουσών τάσεων, οι οποίες μπορεί να συμβάλλουν σε ρωγμές ή εύθραυστη θραύση σε συγκολλημένα χαλύβδινα συγκροτήματα. Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) ανακουφίζει αυτές τις τάσεις και επιτρέπει στον σωλήνα να συνεχίσει να λειτουργεί με ασφάλεια στην υπηρεσία.

Η συμβατική PWHT περιλαμβάνει την υποβολή της συγκολλημένης συγκόλλησης σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν την ελάχιστη θερμοκρασία μετασχηματισμού της για βέλτιστη αντοχή της συγκόλλησης, διάβρωση, αντοχή σε κόπωση ή προστασία από βλάβες υδρογόνου. Η επιλογή της θερμοκρασίας εξαρτάται από τα επιθυμητά αποτελέσματα σκλήρυνσης καθώς και από τα απαιτούμενα επίπεδα αντοχής του υλικού έναντι διάβρωσης κόπωσης ή βλάβης από υδρογόνο.

Όταν χρησιμοποιείται τοπική PWHT για τη μείωση των παραμενουσών τάσεων σε μια μικρή περιοχή, η επιλογή της γεωμετρίας της θερμαινόμενης ζώνης είναι κρίσιμης σημασίας. Μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι οι θερμαινόμενες ζώνες μεταβλητού πλάτους μειώνουν το μέγεθος των τάσεων πιο αποτελεσματικά από τις περιμετρικές ζώνες σταθερού πλάτους, λόγω της ελαστικής ανάλυσης που δείχνει μεγαλύτερες παραμένουσες τάσεις μετά την ψύξη από τη χρήση τους έναντι των θερμαινόμενων ζωνών μεταβλητού πλάτους.

Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι τα ισχύοντα όρια εξαίρεσης PWHT στους κώδικες σωληνώσεων μπορεί να μην είναι ακριβή και ότι μπορεί να είναι δυνατή η μείωση των απαιτήσεων PWHT χωρίς αντίκτυπο στη συγκολλησιμότητα ή την απόδοση των υλικών σε κόπωση, ιδίως δεδομένου ότι οι υπάρχοντες κώδικες δεν επιβάλλουν δοκιμές αντοχής σε θραύση σε συγκολλήσεις λεπτότερες από 5/8 ίντσες.

2. Ενισχύει τη συγκόλληση

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) αποτελεί βασικό συστατικό των διαδικασιών συγκόλλησης. Η PWHT μετριάζει τις παραμένουσες τάσεις στα υλικά που διαφορετικά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε παραμόρφωση και ρωγμές- επιπλέον, η PWHT αυξάνει την αντοχή εξαλείφοντας τις συγκεντρώσεις τάσεων που διαφορετικά θα μπορούσαν να αποδυναμώσουν τις συγκολλήσεις υπό δυναμικές συνθήκες φόρτισης και να τις καταστήσουν εύθραυστες και να αποτύχουν.

Η PWHT περιλαμβάνει τη θέρμανση του μετάλλου σε συγκεκριμένη θερμοκρασία για προκαθορισμένο χρονικό διάστημα και με διάφορες τεχνικές, όπως ανόπτηση, κανονικοποίηση, απόσβεση και σκλήρυνση, για την αύξηση της αντοχής και τη μείωση του κινδύνου. Στόχος της PWHT είναι η ενίσχυση των συγκολλήσεων με ταυτόχρονη μείωση των κινδύνων ρηγμάτωσης.

Ωστόσο, όταν αυτές οι επεξεργασίες εκτελούνται λανθασμένα, μπορεί στην πραγματικότητα να αποδυναμώσουν τη συγκόλληση. Αυτό συμβαίνει όταν οι θερμικές διαβαθμίσεις δεν ελέγχονται σωστά- όταν συμβαίνει αυτό, η συγκόλληση υφίσταται υψηλότερες θερμοκρασίες σε ορισμένα σημεία από ό,τι σε άλλα και αναγκάζεται να διαστέλλεται και να συστέλλεται με διαφορετικούς ρυθμούς, οδηγώντας σε μικρότερη αντοχή έναντι της ρηγμάτωσης από διάβρωση λόγω τάσης και της ρωγμάτωσης που προκαλείται από υδρογόνο.

Η PWHT μπορεί να απαιτείται ή να μην απαιτείται ανάλογα με τον τύπο του σωλήνα, το υλικό της μεταλλικής συγκόλλησης που χρησιμοποιείται και άλλους παράγοντες. Οι σωλήνες από ανθρακούχο χάλυβα απαιτούν συνήθως PWHT, ενώ οι θερμικές κατεργασίες ανακούφισης από τις τάσεις πριν από την εγκατάσταση των συγκολλήσεων μπορεί να είναι απαραίτητες πριν από την εγκατάσταση για να εξασφαλιστεί επαρκής αντοχή έναντι των περιβαλλοντικών καταπονήσεων.

3. Μειώνει τον κίνδυνο ρωγμών

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση είναι αναπόσπαστο στοιχείο της κατασκευής χάλυβα. Αυτή η ελεγχόμενη διαδικασία θέρμανσης και ψύξης ανακουφίζει τις παραμένουσες τάσεις, σκληραίνει τη μικροδομή της συγκόλλησης, απομακρύνει το διάχυτο υδρογόνο, μειώνει την ευαισθησία σε ρωγμές διάβρωσης λόγω τάσεων, αυξάνει την αντοχή και τη σκληρότητα καθώς και την αυξημένη αντοχή. Όταν εκτελούνται με ακατάλληλο τρόπο ή παραλείπονται εντελώς, οι συγκολλήσεις καθίστανται ευάλωτες σε διατμηματικές ρωγμές που θα μπορούσαν να προκαλέσουν καταστροφική αστοχία σε κατασκευές όπως δοχεία πίεσης ή σημαντικά εξαρτήματα σωλήνων.

Οι τεχνικές συγκόλλησης PWHT μπορούν επίσης να μειώσουν την ψυχρή ρηγμάτωση στα εξαρτήματα των σωλήνων αυξάνοντας την ολκιμότητα της συγκόλλησης.Για την επίτευξη αυτού του στόχου, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μέταλλα πλήρωσης με χαμηλές τιμές χαρακτηριστικών διάχυτου υδρογόνου (π.χ. H4 ή H8).

Μελέτες έχουν δείξει ότι η χρήση προθέρμανσης μπορεί να ανακουφίσει σημαντικά τις υπολειπόμενες τάσεις, μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο ρηγμάτωσης λόγω κόπωσης. Ωστόσο, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η PWHT έχει σημαντική συμβολή μόνο όταν υποβάλλεται σε φορτία επαρκούς μεγέθους που εναλλάσσονται με την πάροδο του χρόνου.

Με βάση αυτή την έρευνα, η PWHT γίνεται λιγότερο σημαντική όσο αυξάνεται η διάμετρος του σωλήνα για οποιοδήποτε πάχος τοιχώματος, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι τρέχουσες εξαιρέσεις του κώδικα που περιορίζουν το πότε πρέπει να εκτελείται PWHT θα πρέπει να αναθεωρηθούν χωρίς να επηρεάσουν τα τυπικά προγράμματα σωληνώσεων των σταθμών παραγωγής ενέργειας.

4. Μειώνει τον κίνδυνο ελαττωμάτων

Πολλά συστήματα σωληνώσεων πρέπει να λειτουργούν σε εχθρικά περιβάλλοντα με υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, όπου οι συγκολλήσεις μπορεί να παρουσιάσουν θερμική κόπωση ή αστοχία λόγω θραύσης χωρίς επεξεργασία PWHT. Όταν όμως υποβάλλονται σε PWHT, το μέταλλό τους μπορεί να αντέξει καλύτερα αυτή την καταπόνηση, μειώνοντας τον κίνδυνο αστοχίας και βελτιώνοντας παράλληλα την ασφάλεια και την αξιοπιστία του συστήματος.

Αν και η PWHT παρέχει πολλά πλεονεκτήματα, υπάρχει ο κίνδυνος να εφαρμοστεί υπερβολικά ή εσφαλμένα σε ορισμένες περιπτώσεις. Μια υπερβολική δόση μπορεί να μειώσει τις αντοχές σε εφελκυσμό και ερπυσμό, ενώ παράλληλα να μειώσει την ανθεκτικότητα σε εγκοπή- η εσφαλμένη εφαρμογή μπορεί ακόμη και να προκαλέσει ρηγμάτωση και δια-κοκκική ρηγμάτωση των επιφανειών σκυροδέματος.

Ως εκ τούτου, οι διάφοροι κώδικες που αφορούν τις σωληνώσεις και τα δοχεία πίεσης έχουν συχνά διαφορετικές απαιτήσεις όσον αφορά τις απαιτήσεις PWHT. Για παράδειγμα, τα τμήματα I και VIII του ASME BP&V εξαιρούν τις συγκολλήσεις από υλικά P-4 και P-5A πάχους μικρότερου από 5/8 ίντσες από την απαίτηση αυτή, ενώ άλλοι κώδικες, όπως ο ANSI B31.3, απαιτούν PWHT μόνο για συγκολλήσεις πάχους μεταξύ 4 ιντσών και λιγότερο.

Οι διαφορές αυτές θα μπορούσαν να οφείλονται σε διαφορετικούς επαγγελματικούς φορείς που συντάσσουν τους κώδικες και καθοδηγούνται από την εμπειρία και την πρακτική των μηχανικών τους. Ωστόσο, έχει ανακαλυφθεί ότι η συγκολλησιμότητα τείνει να αυξάνεται με την αύξηση της διαμέτρου των υλικών των σωλήνων- έτσι, η PWHT γίνεται λιγότερο κρίσιμη με συγκολλήσεις με παχιά τοιχώματα απ' ό,τι με λεπτά τοιχώματα.