Απαιτήσεις θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση ASME B31.3 για σωλήνες από χάλυβα άνθρακα

Από την έκδοση του 2014 του ASME B31.3, οι χοντροί σωλήνες από ανθρακούχο χάλυβα απαλλάσσονται από τις απαιτήσεις θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT), ενώ απαιτείται μόνο συγκόλληση πολλαπλών περασμάτων και δεν απαιτείται προθέρμανση. Έχουν εκφραστεί ανησυχίες ότι αυτές οι εξαιρέσεις μπορεί να είναι επικίνδυνες.

Το παρόν έγγραφο, το οποίο χρηματοδοτείται από την EPRI και συντάχθηκε από μέλη της ομάδας RRAC, έχει ως στόχο να υποστηρίξει αλλαγές στις απαιτήσεις ελάχιστης θερμοκρασίας PWHT των κωδίκων B31.1 και B31.3, καθώς και παρόμοιες αλλαγές σε άλλους κώδικες.

Ελάχιστη θερμοκρασία προθέρμανσης

Οι απαιτήσεις του ASME B31.3 για την ελάχιστη θερμοκρασία προθέρμανσης διαφέρουν σημαντικά μεταξύ των κωδίκων και των προτύπων, αντανακλώντας ενδεχομένως διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας που αντιμετωπίζονται από κάθε πρότυπο ή κώδικα. Πραγματικές ανησυχίες προκύπτουν όταν οι απαιτήσεις ενός κώδικα ή προτύπου φαίνονται υπερβολικές από τεχνική άποψη - ένα παράδειγμα είναι οι απαιτήσεις θερμικής επεξεργασίας μετά τη συγκόλληση (PWHT) για υλικά από ανθρακούχο χάλυβα.

Η απαίτηση θερμοκρασίας PWHT που ορίζει ο κώδικας είναι κοντά στις χαμηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες για τους ανθρακούχους χάλυβες, οδηγώντας ενδεχομένως σε ρωγμές επαναθέρμανσης των ζωνών συγκόλλησης και αποδυναμώνοντας σημαντικά την αντοχή τους. Μελέτες αποκάλυψαν, ωστόσο, ότι η σκληρότητα και η ανθεκτικότητα των συγκολλήσεων P No 4 μπορούν να διατηρηθούν και μετά την PWHT σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από αυτές που καθορίζονται από τις τρέχουσες απαιτήσεις του κώδικα.

Αν και μπορεί να υπάρχουν ανησυχίες, υπάρχει ισχυρή υποστήριξη για τη διατήρηση των σημερινών απαιτήσεων προθέρμανσης και PWHT για το P No 4. Μια μελέτη που χρηματοδοτήθηκε από την EPRI διαπίστωσε ότι η PWHT μπορεί να εκτελεστεί σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από αυτές που απαιτούνται σήμερα στους κώδικες B31.1 και B31.3, ενώ εξακολουθούν να παράγουν αποδεκτές ιδιότητες υλικού - παρέχοντας μεγαλύτερη ευελιξία σχεδιασμού, μεγαλύτερο περιθώριο ασφαλείας για αρθρώσεις από ανόμοια υλικά και εξαλείφοντας τη ρηγμάτωση στις περιοχές συγκόλλησης σε ευαίσθητα υλικά P No 4.

Μέγιστη θερμοκρασία προθέρμανσης

Το ASME B31.3 απαιτεί τα υλικά να πληρούν μια ελάχιστη θερμοκρασία προθέρμανσης στην οποία μπορεί να ξεκινήσει η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT). Η PWHT είναι μια ελεγχόμενη διαδικασία κατά την οποία οι συγκολλήσεις θερμαίνονται κάτω από τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία μετασχηματισμού τους για ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα για τη μείωση των υπολειμματικών τάσεων και των μικροδομικών αλλαγών που προκαλούνται από τη συγκόλληση- επιπλέον μπορεί να συμβάλει στην αύξηση της σκληρότητας με την αύξηση των διαδικασιών σκλήρυνσης κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας PWHT.

Η έκδοση 2014 του ASME B31.3 εισήγαγε αρκετές σημαντικές αναθεωρήσεις στις απαιτήσεις PWHT για τις σωληνώσεις διεργασιών, ιδίως για τις συγκολλήσεις από ανθρακούχο χάλυβα που πληρούν τις απαιτήσεις της ενότητας VIII Div 1 του ASME, οι οποίες προηγουμένως απαιτούσαν ανόπτηση μετά τη συγκόλληση (PWA).

Η αλλαγή αυτή εφαρμόστηκε μετά από αίτημα της RRAC, η οποία τόνισε ότι οι θερμοκρασίες PWHT των προτύπων ASME B31.1 και B31.3 είναι κοντά στις χαμηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες μετασχηματισμού των υλικών τους, με αποτέλεσμα να προκαλούνται περιττές απώλειες της ικανότητας σκλήρυνσης λόγω υπερθέρμανσης. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το ζήτημα, η έκθεση συνέστησε την αλλαγή των απαιτήσεων PWHT μεταξύ 1200-1300 degF. Επιπλέον, οι 150 βαθμοί θα πρέπει να οριστούν ως μέγιστο όριο πάνω από την PWHT, σε μεγαλύτερη ευθυγράμμιση με τις απαιτήσεις του BS 2633.

Ελάχιστος χρόνος συγκράτησης

Μετά τη συγκόλληση θερμική επεξεργασία σωληνώσεων από ανθρακούχο χάλυβα με θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT). Αυτό αποσκοπεί στην αποφυγή της περιβαλλοντικά υποβοηθούμενης ρηγμάτωσης των συνδέσεων των σωλήνων από ανθρακούχο χάλυβα και επίσης στη μείωση των παραμενουσών τάσεων που δημιουργούνται από τη συγκόλληση, αυξάνοντας παράλληλα την ανθεκτικότητα του μετάλλου συγκόλλησης. Επιπλέον, η PWHT συμβάλλει στον μετριασμό της περιβαλλοντικής υποβάθμισης και στην προστασία από τη διάβρωση.

Οι απαιτήσεις PWHT διαφέρουν ανάλογα με τον κώδικα και την ομάδα υλικών. Για παράδειγμα, το πρότυπο B31.3 ορίζει ελάχιστους χρόνους συγκράτησης 15 λεπτών για χάλυβες με χαμηλό κράμα και 20 λεπτών για χάλυβες 2.25%Cr-1%Mo αντίστοιχα, με βάση τα μέγιστα επίπεδα άνθρακα και τα πάχη συγκόλλησης που επιτρέπονται σε κάθε ομάδα- αυτή η απαίτηση ελάχιστου χρόνου συγκράτησης ισχύει εξίσου τόσο για συγκολλήσεις ενός περάσματος όσο και για συγκολλήσεις πολλαπλών περασμάτων.

Η PWHT μπορεί να μην είναι πάντα απαραίτητη, για παράδειγμα, στην περίπτωση συγκολλημένων χαλύβδινων δοχείων όπως οι δεξαμενές αποθήκευσης πετρελαίου. Αν και έχουν σχεδιαστεί για να αντέχουν πιέσεις έως και 5.000 psi, ο κίνδυνος εύθραυστης αστοχίας παραμένει λόγω των ακραίων κλίσεων θερμοκρασίας και των τάσεων στις ενώσεις συγκόλλησης.

Οι διεργασίες PWHT μπορεί να είναι δαπανηρές και άβολες- για το λόγο αυτό, ορισμένες δικαιοδοσίες παρέχουν εξαιρέσεις για σωληνώσεις από ανθρακούχο χάλυβα. Επιπλέον, οι απαιτήσεις της σειράς κωδικών B31.3 αποσκοπούν στην επίτευξη μιας αποτελεσματικής ισορροπίας μεταξύ ασφάλειας και αποδοτικότητας όσον αφορά τις απαιτήσεις PWHT.

Μέγιστος χρόνος συγκράτησης

Το ASME B31.3 είναι ένα αμερικανικό εθνικό πρότυπο που καλύπτει τις απαιτήσεις για σωληνώσεις που χρησιμοποιούνται σε διυλιστήρια πετρελαίου, χημικά, φαρμακευτικά, υδρογονοποιεία, υφαντουργεία, εργοστάσια παραγωγής χαρτιού και χαρτοπολτού, πυρηνικούς αντιδραστήρες, εργοστάσια ημιαγωγών καθώς και εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, σταθμούς συμπίεσης φυσικού αερίου καθώς και εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας. Ασχολείται με υλικά και εξαρτήματα για τον σχεδιασμό κατασκευή συναρμολόγηση συναρμολόγηση ανέγερση επιθεώρηση επιθεώρηση δοκιμή των σωληνώσεων.

Όπως και στην περίπτωση των συγκολλήσεων, οι θερμοκρασίες προθέρμανσης πρέπει να προσαρμόζονται ανάλογα με το πάχος κάθε συγκόλλησης. Οι λεπτές συγκολλήσεις μπορεί να απαιτούν χαμηλότερες θερμοκρασίες προθέρμανσης από ό,τι οι παχύτερες συγκολλήσεις για τις αντίστοιχες συγκολλήσεις- ωστόσο, ο χρόνος που απαιτείται για κάθε στάδιο παραμένει σταθερός.

Πριν από την αναθεώρηση, τα υποχρεωτικά όρια πάχους συγκόλλησης PWHT καθορίζονταν με βάση την ορθή τεχνική πρακτική και την εμπειρία. Καθώς η μηχανική της θραύσης έχει προχωρήσει από τότε που έγινε αυτή η αρχική εφαρμογή αυτών των ορίων σύμφωνα με την ορθή μηχανική πρακτική και την εμπειρία, τα όρια αυτά έχουν έκτοτε αναθεωρηθεί υπό το πρίσμα των υπολογισμένων καμπυλών εξαίρεσης με βάση την ανθεκτικότητα που απαιτούν υψηλότερες απαιτήσεις ελάχιστου πάχους τοιχώματος σε ανθρακούχους χάλυβες από ό,τι οι παλαιότερες αντίστοιχες.

Η συγκόλληση PWHT στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτεί πλέον 19 mm ως μέγιστο πάχος συγκόλλησης - σημαντικά χαμηλότερο από τους γενικούς δομικούς κώδικες όπως ο BS 5400 για τις γέφυρες) ή άλλους εξειδικευμένους κώδικες όπως ο ASME B31.1 που διέπει τα δοχεία πίεσης, τις σωληνώσεις ενέργειας και ο API 650 που διέπει την κατασκευή μεγάλων δεξαμενών αποθήκευσης.