Θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) για ανθρακούχο χάλυβα

Η θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση ή PWHT είναι αναπόσπαστο στοιχείο της διαδικασίας συγκόλλησης και χρησιμεύει για την άμβλυνση των υπολειμματικών τάσεων που προκαλούνται από τη συγκόλληση, ενώ παράλληλα μετριάζει τις σκληρές ή δυνητικά εύθραυστες μικροδομικές περιοχές.

Η PWHT μπορεί να ολοκληρωθεί σε κλιβάνους που λειτουργούν με ηλεκτρική ενέργεια, φυσικό αέριο ή πετρέλαιο, ωστόσο, σε αυτό το άρθρο θα επικεντρωθούμε στη θερμοκρασία που πρέπει να επιτευχθεί για να επιτευχθούν βέλτιστα αποτελέσματα με την PWHT του ανθρακούχου χάλυβα.

Θερμοδυναμική

Η συγκόλληση είναι μια από τις πιο διαδεδομένες διεργασίες μηχανικής κατασκευής. Ωστόσο, μετά τη συγκόλληση μπορεί να δημιουργηθούν παραμένουσες τάσεις που οδηγούν σε λειτουργικές δυσκολίες. Για την ανακούφιση αυτών των εσωτερικών εντάσεων, η θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) μπορεί να συμβάλει στην ανακούφιση των υπολειμματικών τάσεων με την αποδυνάμωση των σκληρυμένων ζωνών, τη βελτίωση της μικροδομής και των χημικών χαρακτηριστικών, τη μείωση της περιεκτικότητας σε υδρογόνο στην περιοχή της συγκόλλησης και την ανακούφιση από τις υπολειμματικές τάσεις- ωστόσο, η υπερβολική ή ακατάλληλη θερμοκρασία ή οι χρόνοι παραμονής επηρεάζουν αρνητικά τις μηχανικές ιδιότητες [1].

Οι χάλυβες άνθρακα και οι χάλυβες με χαμηλό κράμα απαιτούν PWHT προκειμένου να μειωθούν οι παραμένουσες τάσεις, να ελεγχθεί η σκληρότητα του υλικού και να ενισχυθεί η μηχανική αντοχή. Οι απαιτήσεις κάθε συγκεκριμένου υλικού για τις θερμοκρασίες PWHT εξαρτώνται από τον κώδικα χρήσης του. Οι θερμοκρασίες PWHT για ορισμένες χημικές συνθέσεις ή περιοχές πάχους, όπως για χάλυβα ποιότητας σωληνώσεων και δοχείων πίεσης με περιεκτικότητα σε χρώμιο μικρότερη από 1,5%, απαιτούν συνήθως θερμοκρασίες υψηλότερες από 1050degC, όπως ορίζεται από τις απαιτήσεις του κώδικα. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται για σωλήνες και δοχεία πίεσης με τέτοιες απαιτήσεις όπως για παράδειγμα με περιεκτικότητα σε χρώμιο 1,5% ο χάλυβας απαιτεί θερμοκρασίες PWHT άνω των 1050degC για την ενίσχυση της μηχανικής αντοχής όπως ορίζεται από τις απαιτήσεις του κώδικα που επιβάλλονται από τους κώδικες που ρυθμίζουν τον τρόπο λειτουργίας της PWHT και την αποτελεσματική επίτευξη αυτών των στόχων.

Ωστόσο, οι γενικές δομικές ποιότητες, όπως το BS 5400 για γέφυρες, το BS 5958 για κτίρια και το EEMUA 158 για υπεράκτιες κατασκευές, επιτρέπουν σημαντικά παχύτερα όρια πάχους συγκόλλησης που συνδέονται με μεγαλύτερες απαιτήσεις ενέργειας Charpy. Αυτές οι διαφορές φαίνεται να σχετίζονται με παράγοντες όπως η θερμοκρασία προθέρμανσης, η περιεκτικότητα σε κράματα και ο σχηματισμός μαρτενσίτη - στόχος αυτού του άρθρου είναι να βοηθήσει τους αναγνώστες να κατανοήσουν καλύτερα αυτές τις επιρροές κατά τον καθορισμό της θερμοκρασίας PWHT για τον χάλυβα σας.

Μικροδομή

Ορισμένα υλικά απαιτούν θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT) προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή αντοχή και ολκιμότητα. Η PWHT περιλαμβάνει τη θέρμανση συγκολλημένων κατασκευών μεταξύ 580degC και 620degC για 1 ώρα ανά πάχος 25mm προκειμένου να χαλαρώσουν τυχόν υπολειπόμενες τάσεις που δημιουργήθηκαν κατά τη συγκόλληση- αυτό συμβάλλει στην εξασφάλιση επαρκούς εφελκυσμού, αντοχής σε κρούση Charpy καθώς και στη μείωση του κινδύνου θραύσης.

Η μικροσκοπία STEM χρησιμοποιήθηκε για να εξεταστεί η δομή των μετατοπίσεων και η αλλοίωση των ανθρακιτριδίων MX σε διάφορους χρόνους PWHT. Ένα δοκίμιο όπως συγκολλήθηκε παρουσίασε υψηλή πυκνότητα έντονα μπερδεμένων εξαρθρώσεων εντός της μπαινιτικής μήτρας του- σε αυτό το στάδιο δεν μπορούσαν να διακριθούν διατεταγμένες δομές, όπως δίκτυα εξαρθρώσεων ή όρια υποκόκκων. Με την αύξηση του χρόνου PWHT, η πυκνότητα των εξαρθρώσεων μειώθηκε σημαντικά- νέες διατεταγμένες δομές, όπως δίκτυα εξαρθρώσεων ή όρια υποκόκκων, έγιναν εμφανείς, όπως και τα καρβονιτρίδια ΜΧ, τα οποία μείωσαν την επίδρασή τους στην καρφίτωση των εξαρθρώσεων- τελικά οδήγησαν στο να γίνουν και πάλι ορατά τα όρια υποκόκκων.

Σε χρόνους PWHT 8 και 16 ωρών, η μορφολογία του μετάλλου συγκόλλησης βελτιώνεται με χαμηλότερες πυκνότητες εξάρθρωσης- ωστόσο, η πυκνότητα εξάρθρωσης παραμένει πολύ υψηλότερη από τον αποσβησμένο χάλυβα. Επιπλέον, τα ιζήματα στα όρια κόκκων και υποκόκκων έχουν χονδροποιηθεί σημαντικά λόγω της ωρίμανσης Ostwald των ανθρακιτριδίων MX, οδηγώντας σε μεγαλύτερα σωματίδια στα όρια κόκκων/υποκόκκων από ό,τι μέσα στους ίδιους τους κόκκους.

Ανακούφιση από το άγχος

Η PWHT των ανθρακούχων και ανθρακούχων-μαγγανιούχων χαλύβων είναι ένα ουσιαστικό βήμα μετά τη συγκόλληση για την ελαχιστοποίηση της εύθραυστης θραύσης. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει θέρμανση της περιοχής συγκόλλησης σε υψηλές θερμοκρασίες για παρατεταμένο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια ψύξη. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η κατανομή των τάσεων γίνεται πιο ομοιόμορφη, μειώνοντας έτσι τις παραμένουσες τάσεις, ενώ η σκλήρυνση μαλακώνει τις σκληρές μικροδομικές περιοχές του βασικού υλικού που διαφορετικά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ρωγμές.

Η συγκόλληση εισάγει υψηλά επίπεδα παραμενουσών τάσεων στα μέταλλα, ιδίως στις συγκολλήσεις μεγαλύτερου πάχους. Όταν συνδυάζονται με τάσεις φορτίου λειτουργίας, αυτές οι παραμένουσες τάσεις μπορούν να οδηγήσουν σε μειωμένη ανθεκτικότητα σε θραύση και ευαισθησία σε ρηγμάτωση λόγω διάβρωσης υπό τάση (SCC). Η PWHT χρησιμεύει για την άμβλυνση αυτών των υπολειμματικών τάσεων και τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων της συγκολλούμενης ένωσης.

Η PWHT απαιτεί την υποβολή των δομών σε υψηλές θερμοκρασίες για μεγάλο χρονικό διάστημα, το οποίο μπορεί να είναι δύσκολο και δαπανηρό για μεγαλύτερες δομικές κατασκευές. Για να διασφαλιστεί η σωστή μόνωση και θέρμανση στην περιοχή συγκόλλησης, με ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας από ψηφιακό καταγραφικό/ελεγκτή.

Μια ακατάλληλη PWHT μπορεί να μειώσει την αντοχή του υλικού. Επιπλέον, ένας αναποτελεσματικός ρυθμός ψύξης κατά τη διάρκεια της PWHT μπορεί να οδηγήσει σε παραμορφώσεις και να μειώσει την τελική αντοχή σε εφελκυσμό.

Δύναμη

Όπως προαναφέρθηκε, τα όρια εφελκυσμού και διαρροής του ανθρακούχου χάλυβα τείνουν να μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας- ωστόσο, η ολκιμότητά του (KJc) αυξάνεται λόγω της σκλήρυνσης που παράγει μεγαλύτερα συστατικά μαρτενσίτη-ωστενίτη που ενισχύουν την αντοχή σε κρούση.

Ως εκ τούτου, είναι ζωτικής σημασίας οι συνθήκες PWHT να προσαρμόζονται όχι μόνο στις ιδιότητες του χάλυβα που παραδίδεται όπως παραδίδεται, αλλά και στις αναμενόμενες συνθήκες λειτουργίας του συγκολλούμενου εξαρτήματος. Ως εκ τούτου, οι χαλυβουργοί πρέπει να το λαμβάνουν αυτό υπόψη τους όταν καθορίζουν τη θερμοκρασία σκλήρυνσης για τα προϊόντα τους.

Οι κατασκευαστικοί κώδικες και τα πρότυπα (όπως το BS 1113 και το ASME VIII ) συχνά ορίζουν ένα κατώτερο όριο για το πάχος PWHT. Τα όρια αυτά καθορίζονται με βάση την υπόθεση ότι τόσο η αντοχή σε εφελκυσμό όσο και το όριο διαρροής παραμένουν εντός αποδεκτών παραμέτρων μετά την πραγματοποίηση της PWHT.

Φυσικά, αυτό δεν είναι πάντα εφικτό και γι' αυτό κάθε σωλήνας ή δοχείο που έχει σχεδιαστεί για χρήση υδρογόνου πρέπει να υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT). Τόσο η θερμοκρασία όσο και η διάρκειά της πρέπει να επιλέγονται προσεκτικά ώστε να επιφέρουν τις επιθυμητές μεταλλουργικές αλλαγές, ενώ παράλληλα να πληρούνται όλες οι σχετικές προδιαγραφές κώδικα/πρότυπου/συμβολαίου- πρέπει επίσης να ζητείται η συμβουλή εμπειρογνωμόνων σχετικά με τους χρόνους και τις θερμοκρασίες που αφορούν ειδικά τους τύπους ανθρακούχου χάλυβα.