Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) ASME B31 3:n mukaisesti.

Nykyisissä painesäiliöiden ja putkistojen suunnittelusäännöissä on määritelty paksuusraja, jossa hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) tulee pakolliseksi, ja se on yleensä sidottu teräsmateriaalin Charpy-testin ominaisuuksiin.

Suurten hiiliteräskokoonpanojen PWHT on kallis prosessi pitkien pitoaikojen ja hitaan lämmitys-/jäähdytysnopeuden vuoksi, ja siksi olisi edullista, jos PWHT-vaatimuksista voitaisiin poiketa aina kun se on mahdollista.

Rajoittava paksuus

Putkisto- ja paineastia-alan nykyiset suunnittelusäännöt määräävät, että PWHT on suoritettava aina, kun hitsattujen osien paksuus ylittää tietyn arvon, joka yleensä määräytyy materiaalin Charpy-testin parametrien ja vähimmäiskäyttölämpötilavaatimusten mukaan. Vaikka tämä lähestymistapa tarjoaa helpon ja suoraviivaisen keinon arvioida, onko PWHT välttämätöntä, sen tulkinta voi joskus olla liian konservatiivinen; eri säännöstöjen välillä on eroja niiden paksuusvaatimusten raja-arvojen suhteen.

Epäjohdonmukaiset vaatimukset ja poikkeukset eri säännöstöjen välillä johtuvat usein pikemminkin teollisuudenalakohtaisista käytännöistä kuin erityisistä metallurgisista tai rakenteellisista näkökohdista. Tätä hanketta varten tehdyssä tutkimuksessa selvitettiin, olisiko murtumismekaanisten menetelmien avulla mahdollista saavuttaa suurempi johdonmukaisuus.

Murtumismekaniikan teorian avulla voimme perustella PWHT-rajan alentamisen vaarantamatta hitsin valmistuksen eheyttä. Tutkimukset ovat osoittaneet tämän vaikutuksen; esimerkiksi vähähiilipitoisten putkien ympärysmuotohitsattujen putkimateriaalien muhvihitsit voivat täyttää alennetut paksuusvaatimukset, kunhan vähimmäisliotusaika ja erityiset korjaushitsaustekniikkavaatimukset täyttyvät.

Charpy-testi

Charpy-testi on välttämätön tapa mitata eri materiaalien iskunkestävyyttä ja sitkeyttä, ja se antaa insinööreille ja hitsausalan ammattilaisille korvaamatonta tietoa siitä, miten materiaalit käyttäytyvät rasittavissa olosuhteissa, mikä auttaa heitä tekemään tietoon perustuvia päätöksiä ja ryhtymään asianmukaisiin toimiin.

Vakiokoekappale koostuu 10 mm:n neliöprofiilipalkista, jonka mitat ovat 10 mm x 10 mm x 55 mm ja jonka toisella pinnalla on V-muotoinen lovi, joka on työstetty 45 asteen kulmassa, tyypillisesti 0,25 mm:n kärkisäteellä ja tyypillisesti 45 asteen kulmassa toisesta pinnasta. Kokeet suoritetaan iskemällä heiluripalkilla ja mittaamalla absorboitunut energia Cv.

Nykyisissä paineastioita ja putkistoja koskevissa säännöissä määrätään, että PWHT-testi on suoritettava, kun hitsin paksuus ylittää Charpy-testin tuloksista johdetun ennalta määritellyn arvon, mutta säännöstöjen välillä on huomattavia eroja, joista osa johtuu konservatiivisuudesta tai eroista suunnittelukäytännöissä. Tässä artikkelissa selvitetään, miksi vaatimusten välillä voi olla eroja eri säännöstöjen välillä, ja esitetään menetelmiä, joiden avulla PWHT-testin vapauttamista voitaisiin lähestyä johdonmukaisemmin.

Vapautukset

Eri säännöstöjen välillä on vähäisiä eroja vaatimusten ja poikkeusten osalta; nämä erot voivat johtua erilaisista suunnittelukäytännöistä tai teknisten tietojen tulkinnasta. Tämän seurauksena ne voivat aiheuttaa tarpeetonta PMHT:tä, mikä johtaa tarpeettomiin huoltokustannuksiin ja seisokkien kestoon.

Nykyisten putkistosäännösten mukaan P-4- ja P-5A-materiaaleja käyttäville muhvihitseille ei tarvitse tehdä pakollista PWHT-hitsausta, jos niiden kaulan paksuus ei ole alle 1/2 tuumaa. Tämä poikkeus kehitettiin petrokemianteollisuuden menestyksekkäiden käytäntöjen perusteella, jotka ovat peräisin 1920- ja 1930-luvuilta.

Poikkeusta olisi myös muutettava siten, että siinä otetaan huomioon hitsin kaulan paksuus sekä B31.3:ssa säädetty paksuusvaatimus. Tämän vaatimuksen lieventäminen voisi tuoda merkittäviä kustannussäästöjä voimantuotantoalalle vähentämällä tarpeettomia PWHT-käsittelyjä ja lyhentämällä seisokkien kestoa. Lisäksi näiden terästen yhdenmukaisempi käsittely eri säännöstöissä vähentäisi väsymisjännityksiä ja pidentäisi laitteiden käyttöikää; nykyisiä poikkeuksia olisi muutettava niin, että niissä otetaan huomioon sekä hitsin kurkun paksuus että B31.3:n paksuusvaatimukset.

Vaatimukset

Koska hitsausliitoksiin voi vaikuttaa mikä tahansa määrä muuttujia, jotka heikentävät niiden lujuutta, on mahdotonta määrittää tarkkaa päivämäärää ja aikaa, jolloin PWHT on tarpeen. Käyttötarpeisiin ja materiaalikoostumukseen perustuvat paksuusrajoitukset voidaan kuitenkin saavuttaa riittävillä esilämmityslämpötiloilla, liotusajoilla ja kontrolloiduilla jäähdytysjärjestelmillä.

Esilämmityslämpötila- ja liotusaikavaatimukset vaihtelevat hitsaustekniikan mukaan; yleisenä ohjeena voidaan pitää, että 25 mm:n hitsauspaksuutta kohti on pidettävä esilämmityksen huippuarvoa yksi tunti.

Esilämmityssovelluksia koskevat vaatimukset vaihtelevat eri säännöstöissä. Esimerkiksi ASME B31.3 -standardissa vaatimukset perustuvat putkimateriaaleihin, kun taas standardissa BS EN 13445 [25] ehdotetaan varovaisempaa lähestymistapaa. PWHT-vaatimusten täyttämiseksi onnistuneesti riippumatta siitä, mitä standardia tai säännöstöä noudatetaan, on osoitettava tyydyttävä hitsausmenetelmän pätevyys, joka täyttää ASME Section IX:n asettamat vähimmäissärönkasvun kestävyyskriteerit, ja on osoitettava myös muiden sovellettavien kriteerien, kuten näiden, täyttyminen.