Θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) για χάλυβα άνθρακα

Πολλοί κώδικες και πρότυπα κατασκευής επιβάλλουν θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT). Οι θερμοκρασίες PWHT διαφέρουν ανάλογα με τις προδιαγραφές προσόντων κάθε διαδικασίας συγκόλλησης, όπως το BS 1113, το BS 2633 ή το EN 13445.

Η PWHT μπορεί να μειώσει και να αναδιανείμει τις παραμένουσες τάσεις, ενώ ταυτόχρονα σκληραίνει σκληρές ή δυνητικά εύθραυστες περιοχές μικροδομής. Οι Khanzadeh et al. [15] ανακάλυψαν ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας και του χρόνου PWHT σε σύνθετα υλικά EXW Cu/ανοξείδωτο χάλυβα, το πάχος του στρώματος διάχυσης διεπιφάνειας αυξήθηκε όπως και το πάχος του.

Θερμοκρασία

Ο χάλυβας μπορεί να υποβληθεί σε διάφορες θερμικές κατεργασίες για διάφορους λόγους, συμπεριλαμβανομένης της σκλήρυνσης, της απόσβεσης και της PWHT. Η θερμοκρασία στην οποία επιτυγχάνεται η θερμοκρασία PWHT ποικίλλει ανάλογα με την περιεκτικότητα σε κράμα και το πάχος του μετάλλου: γενικά οι χάλυβες άνθρακα χαμηλής περιεκτικότητας σε κράμα πάχους άνω των 20 mm (0,75 ίντσες) απαιτούν συνήθως PWHT, ενώ εκείνοι που περιέχουν λιγότερο από 0,5% χρώμιο συνήθως δεν απαιτούν.

Οι απαιτήσεις PWHT ποικίλλουν μεταξύ των διαφόρων κωδίκων και προτύπων, για παράδειγμα το BS 2633 απαιτεί PWHT μόνο για χάλυβες χαμηλής κραματοποίησης που περιέχουν έως 1,5% Cr και =0,5% Mo, ενώ άλλοι κώδικες όπως το PD 5500 καθορίζουν ότι η PWHT μπορεί να παραληφθεί με χάλυβες πάχους έως 35 mm.

Κατά τη διάρκεια της SR, είναι σημαντικό να παρακολουθείται τόσο η θερμοκρασία όσο και ο χρόνος αναθέρμανσης για να αποφευχθεί ο σχηματισμός σκληρού μαρτενσίτη στην περιοχή της συγκόλλησης, ο οποίος μειώνει την ανθεκτικότητα και μπορεί να οδηγήσει σε ρωγμές. Επιπλέον, η παρατεταμένη θέρμανση του χάλυβα μπορεί να οδηγήσει σε ευαισθητοποίηση, όπου η μικροδομή του αλλάζει από την έκθεση στη θερμότητα συνδυαζόμενη με τις υπάρχουσες παραμένουσες τάσεις για να σχηματίσει νέες και έτσι να μειωθεί η αντοχή στη διάβρωση, ενώ αυξάνεται η ευαισθησία σε ρωγμές διάβρωσης λόγω τάσης.

Χρόνος

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) αποτελεί αναπόσπαστο στοιχείο της συγκόλλησης ανθρακούχου χάλυβα. Συμβάλλει στη μείωση των παραμενουσών τάσεων, στον έλεγχο της σκληρότητας του υλικού και στην αύξηση της μηχανικής αντοχής. Εάν γίνει εσφαλμένα, οι υπολειμματικές τάσεις θα μπορούσαν να συνδυαστούν με τα επίπεδα τάσεων φορτίου λειτουργίας και να υπερβούν τα όρια σχεδιασμού των υλικών, οδηγώντας σε ρωγμές, εύθραυστη θραύση και απώλεια αντοχής του υλικού σε αστοχίες συγκόλλησης που απαιτούν επισκευή με PWHT- αλλά η PWHT παρέχει ανακούφιση ανακουφίζοντας αυτές τις τάσεις μέσω μείωσης και ανακατανομής.

Η PWHT απαιτεί τη διατήρηση σταθερών θερμοκρασιών σε ολόκληρο το εξάρτημα. Τα μονωτικά υλικά και τα θερμοστοιχεία μπορούν να βοηθήσουν να διασφαλιστεί αυτό, καταγράφοντας μετρήσεις θερμοκρασίας σε όλη την επιφάνειά του - και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας αυτές τις μετρήσεις για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας PWHT.

Εκτός από τη διατήρηση σταθερών θερμοκρασιών, είναι εξίσου σημαντικό τα εξαρτήματα να μπορούν να υποστηρίξουν το βάρος τους σε θερμοκρασίες PWHT. Για να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει να στηρίζονται σε βάσεις που κατασκευάζονται από υλικά παρόμοια με το εξάρτημα, ώστε να ταιριάζουν με τον συντελεστή θερμικής διαστολής του.

Οι θερμοκρασίες PWHT για σωληνώσεις και δοχεία πίεσης συχνά περιγράφονται λεπτομερώς στις προδιαγραφές πιστοποίησης διαδικασιών συγκόλλησης ως δεδομένα σε μορφή πίνακα και τυχόν αλλαγές πρέπει να επαναβεβαιώνονται με κάθε αναθεώρηση των προδιαγραφών διαδικασιών συγκόλλησης. Οι απαιτήσεις PWHT μπορούν εύκολα να προσδιοριστούν από αυτούς τους πίνακες καθώς και μέσω αναφοράς σε διαγράμματα βαθμονόμησης που εμφανίζουν σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας και επιπέδων σκληρότητας.

Περιβάλλον

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) είναι απαραίτητη κατά τη συγκόλληση ανθρακούχου χάλυβα. Η PWHT συμβάλλει στη μείωση των παραμενουσών τάσεων και στη διατήρηση της σκληρότητας του υλικού- χωρίς αυτήν, οι τάσεις φορτίου λειτουργίας θα μπορούσαν να υπερβούν τις τιμές σχεδιασμού τους για το υλικό και να προκαλέσουν υπερβολικές παραμένουσες τάσεις που θα συνδυάζονται μεταξύ τους και θα υπερβαίνουν τις τιμές σχεδιασμού για το υλικό. Με τη μείωση των παραμενουσών τάσεων μέσω της επεξεργασίας PWHT, αυξάνεται η μηχανική αντοχή των συγκολλήσεων, καθώς και η αντίσταση στη ρηγμάτωση- η PWHT διαδραματίζει αναπόσπαστο ρόλο στις διαδικασίες διασφάλισης ποιότητας όλων των έργων συγκόλλησης ανθρακούχου χάλυβα.

Ως μέρος της διαδικασίας συγκόλλησης, υπάρχει συχνά μια ακραία θερμοκρασιακή διαβάθμιση μεταξύ των μητρικών μετάλλων και της συγκόλλησης, δημιουργώντας παραμένουσες τάσεις, οι οποίες μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε αστοχία της συγκόλλησης, εάν φτάσουν σε απαράδεκτα επίπεδα. Επιπλέον, οι αλλαγές στη μικροδομή μπορεί να αυξήσουν τη σκληρότητα, μειώνοντας παράλληλα την ανθεκτικότητα και την ολκιμότητα των συγκολλήσεων- η PWHT συμβάλλει στην άμβλυνση αυτών των υπολειμματικών τάσεων, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνει τις εφελκυστικές ιδιότητες.

Η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) είναι απαραίτητη για την προστασία των συγκολλημένων δοχείων και σωλήνων πίεσης από την εύθραυστη θραύση. Ωστόσο, η αναγκαιότητά της έχει πρόσφατα τεθεί υπό συζήτηση λόγω πρόσφατης έρευνας που υποδηλώνει ότι οι ανθρακούχοι χάλυβες μπορούν να εξαιρεθούν όταν το πάχος τους εμπίπτει στην τιμή κατωφλίου του πίνακα UCS 56 του τμήματος VIII Division 1 του ASME [1].

Η κατεργασία PWHT συνεπάγεται θέρμανση του μετάλλου σε θερμοκρασίες υψηλότερες από την αντοχή του σε εφελκυσμό, οδηγώντας σε μετασχηματισμούς φάσεων που το καθιστούν εύθραυστο. Η ταχεία ψύξη, γνωστή ως απόσβεση, πρέπει να λάβει χώρα μετά από αυτό που συμβαίνει για τη σωστή λειτουργία. Δύο μελέτες που διεξήχθησαν για να διαπιστωθούν οι επιπτώσεις της στη σκληρότητα των χαλύβων χαμηλού άνθρακα και στην ευαισθησία σε SSC αποκάλυψαν σημαντικές αυξήσεις στην αντοχή μετά την εφαρμογή της PWHT - κάθε πείραμα κατέδειξε αυτή τη σημαντική αύξηση της αντοχής του υλικού έναντι της ρηγμάτωσης λόγω SSC.

Ασφάλεια

Οι ανθρακούχοι χάλυβες κατά τη διάρκεια της PWHT πρέπει να παρακολουθούνται στενά για να μην υπερβούν το κρίσιμο όριο, χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και συνδέοντάς το με έναν υπολογιστή που την καταγράφει κάθε δευτερόλεπτο. Η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο επιτρέπει στη συνέχεια προσαρμογές προκειμένου να διατηρηθεί αυτό το κρίσιμο όριο - μια εξαιρετικά επικίνδυνη εργασία που πρέπει να εκτελείται μόνο από εκπαιδευμένο προσωπικό.

Η PWHT μπορεί να απαιτείται για ορισμένους ανθρακούχους χάλυβες ανάλογα με το υλικό τους και τις συνθήκες λειτουργίας τους, προκειμένου να διατηρηθεί η δομική τους ακεραιότητα, ιδίως για ποικιλίες υψηλής αντοχής και χαμηλής περιεκτικότητας σε κράματα. Η PWHT συμβάλλει επίσης στη μείωση των παραμενουσών τάσεων που δημιουργούνται κατά τη συγκόλληση, οι οποίες θα μπορούσαν ενδεχομένως να προκαλέσουν ρωγμές και παραμορφώσεις.

Η PWHT βοηθά επίσης τον ανθρακούχο χάλυβα να αντισταθεί στη διάβρωση περιορίζοντας το σχηματισμό καρβιδίων που συμβάλλουν στη διάβρωση - ένα αποτέλεσμα γνωστό ως ευαισθητοποίηση.

Η PWHT όχι μόνο αποτρέπει τη διάβρωση, αλλά μπορεί επίσης να αυξήσει την αντοχή των εξαρτημάτων πίεσης από ανθρακούχο χάλυβα - ένα σημαντικό χαρακτηριστικό για να εξασφαλιστεί ότι μπορούν να αντέξουν τις καταπονήσεις των υδροδοκιμών και της λειτουργίας.

Οι απαιτήσεις PWHT διαφέρουν μεταξύ των κωδίκων συγκόλλησης, αλλά οι αρχές τους παραμένουν σταθερές. Οι απαιτήσεις θερμοκρασίας προθέρμανσης εξαρτώνται από το πάχος της συγκόλλησης και την περιεκτικότητα του υλικού σε χρώμιο - για παράδειγμα, οι ανθρακούχοι χάλυβες με πάχος τοιχώματος μεγαλύτερο από 20 mm (0,75 ίντσες) χρειάζονται γενικά προθέρμανση πριν από τη συγκόλληση.