Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) ja esilämpökäsittely (PWHT)

PWHT-testaus on olennainen osa laadunvarmistusta esimerkiksi öljy- ja kaasuteollisuudessa sekä energiantuotannossa, sillä se parantaa lämpöväsymiskestävyyttä ja luotettavuutta.

Kustannukset ja asiantuntemus ovat kaksi suurinta estettä taulukossa 1 esitettyjen kaltaisten paineastioiden ja putkistojärjestelmien valmistuksessa. Paineastioiden ja putkistojen valmistusstandardien väliset erot voivat tehdä järkeistämisyrityksistä hyvin haastavia.

Hitsauksen lämpökäsittely

Hitsauksen jälkeisellä lämpökäsittelyllä, jota kutsutaan yleisesti jännityksenpoistoksi, pyritään sekä vähentämään että jakamaan uudelleen hitsauksen aiheuttamia jäännösjännityksiä. Prosessissa hitsauskappale kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan ja jäähdytetään sitten hitaasti, jotta vältetään uusien jännitysten uudelleen syntyminen; tarkka lämpötila ja kesto määräytyvät sovellettavien sääntöjen mukaan.

PWHT:ssä käytetään myös korkeampia lämpötiloja, jotka aiheuttavat metallurgisia muutoksia, kuten karkaisua, saostumista ja vanhenemista, jotka auttavat lisäämään hitsin lujuutta aiheuttamalla karkaisu-, saostumis- ja vanhenemisprosesseja, jotka auttavat alentamaan kovuutta, parantamaan sitkeyttä ja minimoimaan haurasmurtumariskin joissakin materiaaleissa. Tämä prosessi auttaa alentamaan kovuutta ja parantamaan samalla sitkeyttä sekä pienentämään murtumisriskiä näissä materiaaleissa.

PWHT-testaus on välttämätöntä monilla teollisuudenaloilla ja monissa sovelluksissa, kuten ydinvoimaloissa, öljy- ja kaasuputkissa ja paineastioissa. PWHT-testi on olennainen osa kunnossapitoa, jolla varmistetaan, että näiden kriittisten laitteiden hitsit kestävät korkeita lämpötiloja, paineita ja korroosiota sisältäviä ympäristöjä, joissa ne toimivat.

Tarkkojen ja toistettavien tulosten tuottaminen edellyttää, että käytetään hallittavia vastuslämmitysjärjestelmiä, jotka on yhdistetty termopareihin hitsauslämpötilojen tarkka ja johdonmukainen seurantaan. Liotusaikaa olisi myös hallinnoitava siten, että minimoidaan hitsauskappaleen lämpögradientit, jotta olemassa olevat jäännösjännitykset eivät yksinkertaisesti siirry. Esilämmitys olisi myös säädettävä käsiteltävän materiaalin tyypin ja paksuuden mukaan, jotta se olisi mahdollisimman tehokasta.

Esilämmityskäsittely

Lämpökäsittely on kallis ja aikaa vievä toimenpide, jolla parannetaan hitsattujen komponenttien lujuutta, sitkeyttä, korroosionkestävyyttä ja jäännösjännityksiä. Lämpökäsittely on osa monia hitsaussovelluskoodeja ja -standardeja, ja esilämmityskäsittely on toinen olennainen toimenpide, joka vähentää halkeiluriskiä hitsausprosessien aikana.

Hitsauksen esilämmitin, joka on tyypillisesti valmistettu keraamisista mattolämmittimistä tai sähköisistä nauhalämmittimistä, voidaan sijoittaa joko hitsausalueelle tai sen viereen ja lämmittää tietyn lämpötilaprofiilin mukaisesti. Esilämmityslämpötiloja ohjataan elektronisesti elektronisella ohjaimella, jossa on termoparit ja tietojen tallennusmahdollisuus.

Ihanteellisen esilämmityslämpötilan määrittämiseksi on otettava huomioon monia tekijöitä, kuten säännöstön vaatimukset, perusmetallien kemia, poikkileikkauksen paksuus, rajoitustaso, ympäristön lämpötila ja täyteaineen diffuusion mahdollistava vetypitoisuus. Hitsaussaumojen halkeilun välttämiseksi hitsausprosessien ja poikkileikkauksen paksuusyhdistelmien aikana. Optimaalisesti vähimmäisarvo olisi kuitenkin ylitettävä, jotta tiettyjen perusmetallien hitsausprosessien ja poikkileikkauspaksuusyhdistelmien turvallisuusvaatimukset eivät täyty.

Esimerkiksi ASTM A572-Gr50 -standardin mukaisissa puskuhitseissä, jotka edellyttävät paikallista jälkilämpökäsittelyä vähintään 2 tuuman matkalla hitsin ympärillä, paikallinen jälkilämpökäsittely on tarpeen sen varmistamiseksi, että esilämmityslämpötilat ovat riittävät estämään halkeilun hitsauksen aikana ja vähentämään vetyyn liittyvää halkeilua karkottamalla hitsauksessa jäljellä oleva vety välittömästi hitsauksen jälkeen.

Lämpökäsittelyn jälkeinen käsittely

Lämpökäsittely on valmistusprosessi, jossa metalleja ja metalliseoksia kuumennetaan ja jäähdytetään huolellisesti niiden mikrorakenteen muuttamiseksi, mikä vaikuttaa suoraan niiden mekaanisiin ominaisuuksiin - joskus lujuus ja sitkeys kasvavat merkittävästi.

Vaikka jälkilämmitys voidaan sisällyttää hitsausmenettelyyn, sen tarkoitus on yleensä asiakkaan määrittelemä, ja sitä voidaan määrätä tai olla määrittelemättä säännöissä. Asiakkaan vaatimukset sanelevat yleensä liotuslämpötilan ja -ajan. Jos se on määrätty säännöissä, sen on katettava sekä hitsiaine että perusmetalli molemmin puolin; lämpötilan on pysyttävä alemman kriittisen lämpötilan alapuolella, ja sen jälkeen on suoritettava hallittu jäähdytys.

Jotkin niukkaseosteiset teräkset, kuten HAZ-ympäristöissä esiintyvät sammutuskarkaistut materiaalit, vaativat hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä, jotta saavutetaan lujuuden ja sitkeyden kannalta sopiva mikrorakenne. Tätä ei vaadita ainoastaan säännöissä, vaan se on myös tärkeä turvallisuuskäytäntö vetyhalkeamien välttämiseksi tulevaisuudessa.

Lämpökäsittelijät, jotka käsittelevät tällaisia materiaaleja, suosivat tyypillisesti liuoksen hehkutusta sammutuksen hehkutuksen sijaan, koska se mahdollistaa korkeammat lämpötilat, joiden avulla vältetään vahingollisten faasien tai hiukkasten muodostuminen, joita muuten muodostuisi sammutuksen hehkutuksessa.

Vapautukset

Koska PWHT voi olla kallista, vapautus sen vaatimuksesta valmistuksessa on tärkeä huolenaihe. PWHT-käsittelyä edellyttävän paksuusrajan määrittäminen voi olla haastavaa suurissa teräskokoonpanoissa, joissa käytetään kovia materiaaleja; joissakin valmistusstandardeissa ja tarkastuskoodeissa määrätään nykyään PWHT-käsittelystä, joka on pakollinen tämän paksuusrajan ylittäville hitsisaumoille.

Tässä artikkelissa arvioidaan ja vertaillaan eri valmistuskoodeja (pääasiassa putkisto- ja paineastianormeja) PWHT-vaatimusten osalta tietyn paksuuden ylittyessä, sitkeyskokeiden (Charpy-testin) vaatimusten osalta sekä BS 2633 [25], ASME VIII ja ASME B31.1- ja B31.3 -standardien mahdollisten järkeistämismahdollisuuksien osalta.

Tulokset osoittavat, että vaikka tarkasteltavina olevilla eri valmistuskoodeilla on joitakin yhtäläisyyksiä, materiaaliryhmittäin tapahtuva yhdenmukaistaminen ei vaikuta sopivalta lähestymistavalta jonkinasteisen järkeistämisen saavuttamiseksi. Lisäksi on toteutettava testausohjelmia, jotta voidaan poistaa joitakin poikkeavuuksia, joita on havaittu tällä valmistusmääräysten vaatimusten alalla, mitä käsitellään tarkemmin tämän artikkelin 2 osassa.