Hitsauksen jälkeisen lämpökäsittelyn (PWHT) paksuusvaatimus ASME VIII Div 1:ssä ja PD 5500:ssa.

P-4- ja P-5A-materiaaleja koskevissa nykyisissä valmistusmääräyksissä on huomattavia eroja paksuusvaatimuksissa, jotka koskevat PWHT-käsittelystä vapauttamista; myös muita eroja on olemassa.

Yleisesti ottaen siltojen ja rakennusten rakenneteräksille voidaan myöntää vapautus jälkilämpökäsittelystä (PWHT), edellyttäen että niiden paksuusrajoitukset täyttävät murtolujuusvaatimukset. Paineastioita ja putkistoja koskevissa standardeissa määritellään usein erilaiset vaatimukset PWHT-vapautuksen myöntämiselle.

Hitsausmenetelmät

Hitsausrakenteiden paksujen osien hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) riippuu niiden materiaalista ja käytetystä hitsausmenetelmästä. PWHT:n avulla poistetaan epätasaisesta jäähtymisnopeudesta johtuvia jäännösjännityksiä, jotka aiheuttavat hitsausrakenteissa vääntymiä ja halkeamia; PWHT vähentää nämä jännitykset tasolle, joka täyttää sitkeysvaatimukset, mikä parantaa sekä hitsausrakenteiden mittavakautta että niiden suorituskykyä.

Nykyisissä putkistoja ja paineastioita koskevissa suunnitteluohjeissa määrätään usein hitsausliitosten jälkilämmityksestä (PWHT), kun liitoksen paksuus ylittää tietyn rajan, joka liittyy usein Charpy-energianvaimennukseen perustuviin viitekestävyysarvoihin. Vaikka PWHT-vaatimuksia ei aina voida järkevästi lieventää, yksi lähestymistapa voisi olla varmistaa, että hitsausmenetelmäohjeet (WPS) ja hitsauspätevyysraportit (PQR) määrittelevät käytettävät hitsaustekniikat asianmukaisesti.

PWHT-prosessit vaihtelevat materiaalin ja hitsausrakenteen mukaan; yleisesti ottaen niissä hitsausrakenteet lämmitetään projektin eritelmissä tai hitsausmenetelmän parametreissa määritettyyn pito lämpötilaan, minkä jälkeen lämpötilaa pidetään tällä tasolla sovitun ajan (tyypillisesti yksi tunti hitsin paksuuden joka tuumaa kohti). Tarkka seuranta on avainasemassa, ja kaikki hitsauskappaleet on tarkastettava huolellisesti PWHT-käsittelyn jälkeen.

Esilämmitys

Esilämmityslämpötila on keskeinen tekijä, kun hallitaan vastasulatettuun hitsausmetalliin syötettävän vedyn määrää ja parannetaan kestävyyttä jäännösjännitysten aiheuttamaa halkeilua vastaan.

Sekä materiaaliin että hitsauskulutustarvikkeisiin liittyvät tekijät, kuten hiilipitoisuus, vaikuttavat esilämmitysvaatimuksiin. Hiilipitoisuudeltaan korkeammat hitsauskappaleet vaativat enemmän esilämmitystä kuin matalamman hiilipitoisuuden omaavat hitsauskappaleet; niiden lämpötilaa on myös seurattava tarkasti, jotta vältetään ylikuumeneminen, joka voisi aiheuttaa vääntymiä tai vikoja hitsausliitoksessa.

Sopivan esilämmityslämpötilan laskemiseksi on kehitetty erilaisia menetelmiä. Yksi tällainen lähestymistapa, joka tunnetaan nimellä vetyhallintatekniikka, käyttää hiiliekvivalenttikoostumusparametria ja lisämetallien diffuusiivisen vedyn pitoisuuksiin perustuvaa yhtälöä laskeakseen alttiusindeksiarvot, joiden avulla voidaan määrittää esilämmityksen vähimmäislämpötilavaatimukset. Valitettavasti nämä menetelmät eivät aina toimi käytännössä; esimerkiksi suurten profiilien päittäisliitosten hitsauksessa AWS D1.1-96 -standardin vaatimusten mukainen esilämmitys ei välttämättä riitä halkeilun estämiseen.

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely

Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT), joka tunnetaan yleisesti jännityksenpoistona, tarkoittaa hitsatun komponentin osien lämmittämistä sen myötölujuuden yläpuolelle pidemmäksi ajaksi. Tämä muuttaa komponentin mikrorakennetta ja vähentää samalla jäännösjännityksiä, jotka saattaisivat aiheuttaa vaurioita kuormituksen alaisena.

PWHT-käsittely ei vähennä jäännösjännityksiä tehokkaasti nollaan; jopa huolellisesti suoritetun lämpösyklityksen jälkeen jäännösjännitykset voivat silti ylittää käsiteltävän materiaalin 30%-myötölujuuden.

Vetojännitykset vaikuttavat edelleen väsymismurtuman kasvunopeuteen sekä murtuman muodostumisen reittiin ja muotoon. Niiden tarkka suuruus riippuu materiaalin ominaisuuksista, jälkilämpökäsittelyn lämpötilasta, pitoajan kestosta, hallitusta lämmityksestä sekä tukitelineistä, jotka on mitoitettu siten, että hitsattujen osien läpi muodostuu tasaiset lämpögradientit ja lämpöshokit vältetään.

Vapautukset

Voima- ja prosessiputkistoissa käytettävien terästen kannalta olisi edullista, jos ne vapautettaisiin PWHT-käsittelystä laajemmalla paksuusalueella, esimerkiksi yhdenmukaistamalla niitä koskevien eri standardien (kuten ASME VIII Div 1 ja PD 5500) paksuuden raja-arvovaatimukset. Valitettavasti tämä tehtävä voi olla haastava, koska eri teräslaatuilla on eroja kemiallisessa koostumuksessa ja sitkeyden tasoissa eikä Charpy-iskunenergian absorptiorajan paksuuksille ole määritelty absoluuttista arvoa.

Pakollisesta PWHT-käsittelystä myönnettävät nykyiset poikkeukset määräytyvät muun muassa hiilipitoisuuden, hitsattavuuden ja käyttölämpötilan perusteella. Ajan mittaan tehdyn tutkimuksen perusteella on käynyt selväksi, että nämä vaatimukset määritettiin alun perin hyvän insinööritavan mukaisesti, mutta ne eivät enää ole asianmukaisia. Ehdotetaan, että seinämän vähimmäispaksuudeksi asetetaan 0,625 tuumaa hiilipitoisuudesta tai hitsin halkaisijasta riippumatta – mikä tarjoaa sopivamman perustan murtolujuuden Master Curve -lähestymistavan soveltamiselle.