Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) on laajalti käytössä oleva prosessi kenttätuotannossa ja korjaustöissä, ja sitä käytetään jäännösjännityksen vähentämiseen hitsausmateriaalin kovuuden pehmentämiseksi ja lujuuden lisäämiseksi.

PWHT-vaatimukset riippuvat sekä putkimateriaalista että ASME-koodin vaatimuksista; taulukossa 331.1.1 on esitetty eri materiaaleihin sovellettavat PWHT-pitolämpötila-alueet kohdassa 331.1.1.

Vahvuus

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (Post Weld Heat Treatment, PWHT) on kontrolloitu lämmitys- ja jäähdytysprosessi, jota sovelletaan hitsattuihin komponentteihin niiden mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi ja jäännösjännitysten poistamiseksi. PWHT lisää hitsattujen materiaalien lujuutta ja kovuutta, vähentää hitsausvirheitä ja suojaa ympäristöstä aiheutuvalta halkeilulta. PWHT edistää myös dislokaatioiden liikkumista hitsattujen materiaalien kiderakenteissa, mikä auttaa lievittämään jäännösjännityksiä ja pienentämään jännityskeskittymiä. Putkistot, joihin kohdistuu ympäristörasituksia, vaativat tyypillisesti PWHT:tä; yksityiskohtainen keskustelu eri putkimateriaaleja koskevista vaatimuksista on ASME B31.3:n kohdassa 331.1.1 sekä taulukoissa 331.1.1, 331.1.2 ja 331.1.3.

Tämä SEM-kuva kuvaa murtumapintojen eroja lämpökäsiteltyjen ja lämpökäsittelemättömien näytteiden välillä. Lämpökäsitellyissä näytteissä on sileämpiä murtumispintoja, kun taas käsittelemättömissä näytteissä on haurasmurtumismuoto, jossa on jokakuvioita.

Sitkeys

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (Post Weld Heat Treatment, PWHT) on uudelleenlämmitys- ja jäähdytysprosessi, jota käytetään hitsattujen materiaalien sitkeyden parantamiseen, jäännösjännitysten lieventämiseen ja hitsausvirheiden, kuten halkeilun, riskin vähentämiseen. PWHT on erityisen tärkeää silloin, kun putket altistuvat ympäristön aiheuttamalle rasitukselle tai rasitukselle, kuten öljy- ja kaasuputkistoissa tai ydinvoimaloissa. Erityisstandardeissa, kuten ASME Section VIII:ssa, määrätään usein hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä koskevista vaatimuksista tällaisissa putkistosovelluksissa.

PWHT-prosesseissa käytetään tyypillisesti kontrolloitua ramppi-liotusprofiilia lämpötiloissa, jotka ovat alhaisemmat kuin materiaalin alkuperäinen muuntumislämpötila, jotta minimoidaan mahdolliset negatiiviset sivuvaikutukset, kuten uudelleenlämmityshalkeilut, vääristymät ja sitkeyden heikkeneminen. On ratkaisevan tärkeää, että ramppi-/liotusnopeuksia ja säilytyslämpötilaa hallitaan tehokkaasti, jotta käsittelytulokset olisivat onnistuneita.

Alla olevissa SEM-kuvissa verrataan hitsattuja NiTi-langanäytteitä ilman PWHT-käsittelyä ja PWHT-käsittelyn kanssa, joista jälkimmäinen tuottaa tasaisemmat murtopinnat ilman jokikuvioita murtopinnoilla. PWHT-käsittelyjen on todettu vähentävän merkittävästi materiaalien ympäristöstä johtuvaa halkeiluherkkyyttä ja lisäävän samalla käyttöikää.

Korroosionkestävyys

Korroosio-olosuhteissa hitsausliitokset voivat haurastua ja pettää. PWHT auttaa pienentämään tätä riskiä alentamalla jännitystasoja hitsin alueella; lisäksi se parantaa kestävyyttä vetyvaurioita ja muita korroosiomuotoja vastaan.

PWHT on vakiintunut tekniikka, jolla parannetaan hitsattujen rakenteiden kestävyyttä kemiantehtaissa, öljynjalostamoissa ja muissa teollisuuslaitoksissa. Prosessi auttaa minimoimaan hitsin vikaantumisriskin ja samalla lisäämään materiaalin lujuutta sekä vetolujuuden että myötölujuuden kasvun kautta. Lisäksi PWHT auttaa ehkäisemään jännityskorroosiohalkeilua ja muita korroosion muotoja materiaaleissa.

Useat hitsausprosessit synnyttävät hitsausvyöhykkeeseen jäännösjännityksiä, jotka ylittävät materiaalin suunnittelurajat ja johtavat väsymissäröjen kasvuun. PWHT-menetelmällä voidaan merkittävästi alentaa näitä jäännösjännityksiä ja muuttaa särön etenemisreittejä ja -nopeuksia.

Monet putkistohitsit vaativat plasmahitsin lämpökäsittelyä (PWHT). PWHT-hitsauksella voidaan vähentää hitsaussaumojen alttiutta metallurgiselle hajoamiselle, lisätä lujuutta ja sitkeyttä sekä parantaa korroosionkestävyyttä aggressiivisissa korroosio-olosuhteissa. Valitettavasti PWHT-käsittelyllä voi olla kielteisiä vaikutuksia hitsattavuuteen ja käyttöominaisuuksiin, minkä vuoksi on ratkaisevan tärkeää, että sen hyödyt ja kustannukset arvioidaan perusteellisesti ennen käsittelyyn ryhtymistä. Tässä raportissa tarkastellaan PWHT:n alkuperää ja perusteita sekä PWHT:n nykyisiä vaatimuksia ja poikkeuksia ydinlaitosten käyttöympäristöissä.

Kestävyys

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (jota kutsutaan myös jännityksenpoistoksi) on lämpöprosessi, jonka tarkoituksena on pienentää hitsausprosessien aikana syntyneiden jäännösjännitysten aiheuttaman hauraan vikaantumisen riskiä. Jäännösjännitykset hitsausalueilla voivat yhdistyä materiaalin suunnittelurajat ylittäviin kuormitusjännityksiin ja johtaa halkeiluun, väsymiseen ja lopulta hauraan vikaantumiseen, jos niitä ei valvota; PWHT edistää dislokaatioiden liikkumista kiderakenteissa näiden jännitysten purkamiseksi, ja se on tarpeen aina, kun hitsausliitoksissa voi esiintyä ympäristöstä johtuvaa halkeilua.

PWHT-vaatimukset on asetettu eri säännöstöissä, ja ehdot vaihtelevat putken materiaalin ja ryhmänumeron mukaan. ASME B31.3 sisältää pakollisia PWHT-määräyksiä putkiston materiaalikoostumuksesta riippuen; pakollisesta testauksesta on kuitenkin olemassa poikkeuksia, jos hitsit on tehty paksummista putkista, jotka on valmistettu tietyistä hitsausmateriaaleista.

Voimalaitosputkistojen PWHT-vaatimukset vähenevät putken halkaisijan kasvaessa ja seinämänpaksuuden pysyessä vakiona, koska pitkittäisen jännitysvektorin ja hitsin suunnan välisen kulman tangentin (theta "th") arvot pienenevät. Näin ollen hitsauksen aikana syntyvät jäännösjännitykset ovat vielä suurempi huolenaihe paksuseinäisissä putkissa kuin ohutseinäisissä putkissa.