Θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) σύμφωνα με το ASME B31 3

Οι ισχύοντες κώδικες σχεδιασμού για δοχεία πίεσης και σωληνώσεις καθορίζουν ένα όριο πάχους στο οποίο η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) καθίσταται υποχρεωτική, συνήθως συνδεδεμένη με τις ιδιότητες του χάλυβα κατά τη δοκιμή Charpy.

Η PWHT μεγάλων συγκροτημάτων από ανθρακούχο χάλυβα είναι μια δαπανηρή διαδικασία λόγω των μακρών χρόνων αναμονής και των αργών ρυθμών θέρμανσης/ψύξης που απαιτούνται, και επομένως θα ήταν επωφελές να βρεθούν εξαιρέσεις από τις απαιτήσεις PWHT όπου είναι δυνατόν.

Περιοριστικό πάχος

Οι ισχύοντες κανόνες σχεδιασμού στις βιομηχανίες σωληνώσεων και δοχείων πίεσης υπαγορεύουν ότι η PWHT πρέπει να εκτελείται κάθε φορά που το πάχος των συγκολλημένων εξαρτημάτων υπερβαίνει μια ορισμένη τιμή, η οποία συνήθως καθορίζεται από τις παραμέτρους της δοκιμής Charpy του υλικού και τις ελάχιστες απαιτήσεις θερμοκρασίας λειτουργίας. Αν και η προσέγγιση αυτή παρέχει ένα εύκολο, απλό μέσο για την αξιολόγηση του κατά πόσον η PWHT είναι απαραίτητη, η ερμηνεία της μπορεί μερικές φορές να είναι υπερβολικά συντηρητική- υπάρχουν αποκλίσεις μεταξύ των διαφόρων κωδίκων όσον αφορά τις οριακές απαιτήσεις τους για το πάχος.

Οι ασυνεπείς απαιτήσεις και οι εξαιρέσεις μεταξύ των κωδίκων οφείλονται συχνά σε ειδικές πρακτικές του κλάδου και όχι σε συγκεκριμένες μεταλλουργικές ή δομικές εκτιμήσεις. Η έρευνα που διεξήχθη για το παρόν έργο διερεύνησε κατά πόσον θα ήταν δυνατόν να επιτευχθεί μεγαλύτερη συνοχή μέσω μεθοδολογιών μηχανικής θραύσης.

Η θεωρία της μηχανικής της θραύσης μας επιτρέπει να δικαιολογήσουμε τη μείωση του ορίου PWHT χωρίς να θέσουμε σε κίνδυνο την ακεραιότητα της κατασκευής της συγκόλλησης. Μελέτες έχουν καταδείξει αυτό το αποτέλεσμα- για παράδειγμα, οι συγκολλήσεις μούφας σε υλικά σωλήνων με συγκόλληση περιμετρικά του άκρου με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα μπορούν να πληρούν τις προϋποθέσεις για μειωμένες απαιτήσεις πάχους, εφόσον πληρούνται οι ελάχιστες περίοδοι παραμονής και οι απαιτήσεις ειδικής τεχνικής συγκόλλησης επισκευής.

Δοκιμή Charpy

Η δοκιμή Charpy είναι ένας απαραίτητος τρόπος μέτρησης της αντοχής σε κρούση και της ανθεκτικότητας των διαφόρων υλικών, παρέχοντας στους μηχανικούς και τους επαγγελματίες συγκολλήσεων ανεκτίμητες πληροφορίες σχετικά με το πώς τα υλικά θα αποδώσουν σε συνθήκες καταπόνησης, βοηθώντας τους να λαμβάνουν τεκμηριωμένες αποφάσεις και να λαμβάνουν τα κατάλληλα μέτρα.

Το τυποποιημένο δοκίμιο αποτελείται από μια ράβδο τετραγωνικής διατομής 10 mm με διαστάσεις 10mm x 10mm x 55 mm, με τη μία πλευρά της να διαθέτει εγκοπή σχήματος V, η οποία είναι κατασκευασμένη υπό γωνία 45 μοιρών, συνήθως με ακτίνα άκρου 0,25 mm και συνήθως υπό 45 μοίρες από τη μία πλευρά. Πραγματοποιούνται δοκιμές με κρούση με ράβδο εκκρεμούς και μέτρηση της απορροφούμενης ενέργειας Cv.

Οι ισχύοντες κώδικες για τα δοχεία πίεσης και τις σωληνώσεις προβλέπουν ότι η δοκιμή PWHT πρέπει να πραγματοποιείται όταν το πάχος της συγκόλλησης υπερβαίνει μια προκαθορισμένη τιμή που προκύπτει από τα αποτελέσματα της δοκιμής Charpy, ωστόσο υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των κωδίκων, ορισμένες από τις οποίες οφείλονται σε συντηρητισμό ή διαφορές στη μηχανική πρακτική. Το παρόν άρθρο διερευνά γιατί μπορεί να υπάρχουν διαφορές στις απαιτήσεις μεταξύ των κωδίκων, καθώς και παρέχει μεθόδους που θα μπορούσαν να επιτρέψουν πιο συνεπείς προσεγγίσεις για την εξαίρεση της PWHT.

Εξαιρέσεις

Υπάρχουν μικρές διαφορές μεταξύ των διαφόρων κωδίκων όσον αφορά τις απαιτήσεις και τις εξαιρέσεις- οι διαφορές αυτές μπορούν να αποδοθούν σε διαφορετικές τεχνικές πρακτικές ή ερμηνείες των τεχνικών δεδομένων. Ως αποτέλεσμα, θα μπορούσαν να προκαλέσουν περιττά PMHT, τα οποία οδηγούν σε περιττές δαπάνες συντήρησης και διάρκειες διακοπής λειτουργίας.

Οι ισχύοντες κανονισμοί του κώδικα σωλήνων επιβάλλουν ότι οι συγκολλήσεις μούφας που χρησιμοποιούν υλικά P-4 και P-5A δεν χρειάζεται να υποβληθούν σε υποχρεωτική PWHT, εάν το πάχος του λαιμού τους δεν πέφτει κάτω από 1/2 in. Η εξαίρεση αυτή αναπτύχθηκε με βάση επιτυχημένες πρακτικές από την πετροχημική βιομηχανία που χρονολογούνται από τις δεκαετίες του 1920 και 1930.

Μια εξαίρεση θα πρέπει επίσης να τροποποιηθεί ώστε να ληφθεί υπόψη το πάχος του λαιμού συγκόλλησης καθώς και η απαίτηση του B31.3 για το πάχος που διέπει την συγκόλληση. Η χαλάρωση αυτής της απαίτησης θα μπορούσε να αποφέρει σημαντική εξοικονόμηση κόστους στη βιομηχανία ηλεκτροπαραγωγής με τη μείωση των περιττών PWHT και τη μείωση της διάρκειας των διακοπών. Επιπλέον, η πιο ομοιόμορφη αντιμετώπιση αυτών των χαλύβων σε όλους τους κώδικες θα μειώσει τις τάσεις κόπωσης και θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού- οι τρέχουσες εξαιρέσεις θα πρέπει να τροποποιηθούν ώστε να λαμβάνονται υπόψη τόσο το πάχος του λαιμού συγκόλλησης όσο και οι απαιτήσεις πάχους του B31.3.

Απαιτήσεις

Καθώς οι αρμοί συγκόλλησης μπορούν να επηρεαστούν από οποιονδήποτε αριθμό μεταβλητών που παρεμποδίζουν την αντοχή τους, είναι αδύνατο να δοθεί ακριβής ημερομηνία και ώρα κατά την οποία η PWHT θα καταστεί αναγκαία. Ωστόσο, οι περιορισμοί πάχους με βάση τις ανάγκες εξυπηρέτησης και τη σύνθεση του υλικού μπορούν να επιτευχθούν μέσω επαρκών θερμοκρασιών προθέρμανσης, χρόνων εμβάπτισης και ελεγχόμενων συστημάτων ψύξης.

Οι απαιτήσεις θερμοκρασίας προθέρμανσης και χρόνου παραμονής ποικίλλουν ανάλογα με την τεχνική συγκόλλησης.Ως γενική οδηγία, πρέπει να διατηρείται μία ώρα προθέρμανσης μέγιστης τιμής ανά 25 mm πάχους συγκόλλησης.

Οι απαιτήσεις που διέπουν τις εφαρμογές προθέρμανσης ποικίλλουν σε διάφορους ρυθμιστικούς κώδικες. Για παράδειγμα, το ASME B31.3 παραθέτει τις απαιτήσεις του με βάση τα υλικά των σωλήνων, ενώ το BS EN 13445 [25] προτείνει μια πιο συντηρητική προσέγγιση. Για την επιτυχή εκπλήρωση των απαιτήσεων PWHT, ανεξάρτητα από το ποιο πρότυπο ή κώδικα τηρείται, πρέπει να αποδειχθεί ικανοποιητική εξειδίκευση της διαδικασίας συγκόλλησης που πληροί τα ελάχιστα κριτήρια αντίστασης στην ανάπτυξη ρωγμών που ορίζονται από το τμήμα IX του ASME και πληροί οποιαδήποτε άλλα εφαρμοστέα κριτήρια, όπως αυτά πρέπει επίσης να αποδειχθούν.