PWHT ja hiiliteräksen hitsaus

Hiili- ja hiilimangaaniteräkset sekä niukkaseosteiset teräkset, jotka täyttävät kovuusvaatimukset, eivät yleensä tarvitse PWHT-käsittelyä, vaikka paineastioiden ja putkistojen koodien väliset erot (kuten taulukossa 1 on esitetty) usein vaikeuttavat järkeistämisprosesseja.

Tämän artikkelin tarkoituksena on kuvata ja hahmotella PWHT-vaatimuksia ja vapautuksia, joita sovelletaan hiili- ja niukkaseosteisiin materiaaleihin.

Stressiä lievittävä

Koska hitsaus aiheuttaa jäännösjännityksiä, jotka jäävät metalleihin, erityisesti niukkaseosteisiin hiiliteräksiin, ne voivat johtaa halkeiluun ja heikkenemiseen. Näiden sisäisten jännitysten lieventämiseksi materiaalille tehdään PWHT-lämpökäsittely, jossa käytetään sen muuntolämpötilaa alhaisempia lämpötiloja ja se liotetaan pitkään ennen kuin se jäähtyy tasaisesti poikkileikkaukseltaan ja pinta-alaltaan.

PWHT vaatii lämpötiloja, jotka voivat lievittää hitsauksen aiheuttamia jännityksiä ja samalla välttää metallurgisia faasimuutoksia ja karkaisun haurastumista, joten lämmitys- ja pitoaikoja on hallittava tarkasti, jotta hyödyt voidaan maksimoida ja varmistaa niiden toteutuminen.

Paineaaltolämpökäsittelyä, jota käytetään yleisesti painelaitteissa mutta myös muissa rakenteissa, kuten silloissa ja rakennuksissa, on ymmärrettävä, jotta voit tehdä tietoon perustuvia päätöksiä rakennettavista tai kunnostettavista rakenteista. On tärkeää tietää, milloin tämä prosessi on välttämätön ja mitä hyötyä siitä on, jotta voit tehdä päätöksiä mahdollisimman hyvin tietäen niiden rakentamisesta.

Mekaaninen jännityksenpoisto (MSR) voi olla yksi menetelmä jäännösjännitysten poistamiseksi, mutta se ei tarjoa samoja metallurgisia etuja kuin PWHT, joten sitä ei pitäisi pitää vaihtoehtoisena ratkaisuna. MSR voi silti osoittautua hyödylliseksi, kun osien siirtäminen suoraan uuniin PWHT:tä varten ei ole käytännöllistä tai mahdollista, mutta sitä ei pitäisi pitää korvaavana käsittelyvaihtoehtona.

Lämpötilan muutos

Käytetyistä hitsausmenetelmistä riippuen jäännösjännitykset voivat ylittää materiaalin myötölujuuden ja johtaa haurastumiseen hitsausalueella. PWHT-hitsaus vähentää näitä jännityksiä jakamalla ne uudelleen ja vähentää siten vikaantumisriskiä hiiliteräsrakenteissa, jotka on hitsattu PWHT-hitsausmenetelmillä.

PWHT-hitsauskäsittelyt eivät ainoastaan vähennä jännityksenpoistoa, vaan niitä voidaan käyttää myös kovien hitsattujen rakenteiden pehmentämiseen ja pehmentämiseen - mikä lisää sitkeyttä ja vähentää samalla ympäristöstä johtuvaa halkeiluriskiä - mikä on erityisen hyödyllistä hitsattaessa hitsejä happamien putkistojen sovelluksissa.

PWHT-muutoksilla voidaan vähentää vetyperäistä korroosiota hiiliteräksissä ja parantaa niiden väsymiskestävyyttä sekä pienentää riskejä. On kuitenkin huomattava, että PWHT on eri asia kuin karkaisu, liuotuskäsittely tai vanhentamisprosessit (vaikka osa niiden vaikutuksista voidaan saavuttaa PWHT:n avulla).

PWHT-vaatimukset on määritelty eri säännöissä, ja paksuusrajat on yleensä asetettu 32 mm:iin paineastioissa ja putkistosovelluksissa, jotka edellyttävät PWHT:tä. Eri säännöstöjen välillä voi myös olla eroja, jotka johtuvat erilaisista Charpy-energioista tai tarkastusstandardeista sekä niiden kattamien hiiliterästen tai C-Mn-terästen kemiallisesta koostumuksesta, mikä tekee järkeistämisestä epätodennäköistä.

Hitsausvirheet

Jäännösjännitykset voivat aiheuttaa sekä näkyviä että näkymättömiä hitsausvirheitä, kuten epäjatkuvuuskohtia, huokoisuutta ja roiskeita; näkyviä vikoja ovat hitsin epäjatkuvuuskohtia, huokoisuutta ja roiskeita; näkymättömästi havaittavia vikoja ovat esimerkiksi epätäydellinen sulaminen, heikko sitkeys ja huonot mekaaniset ominaisuudet. Jäännösjännitykset heikentävät myös hitsien kestävyyttä jännityskorroosiohalkeilua vastaan ja lisäävät samalla niiden alttiutta väsymisvikaantumiselle - erityisesti monimutkaisissa rakenteissa tai pitkäaikaisissa käyttösovelluksissa.

Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että mitä suurempi on hitsiaineiden hiili- ja seospitoisuus ja rakenteiden poikkileikkauspaksuus, sitä suurempi on mahdollinen tarve hitsauksen jälkeiseen lämpökäsittelyyn (PWHT). Tämä johtuu siitä, että hitsauksen jäännösjännitykset heikentävät murtumissitkeyttä karkaistussa martensiittitilassa ja edellyttävät siten PWHT:tä.

PWHT-vaatimuksissa on kuitenkin joitakin poikkeuksia. Nykyisten kangastandardisääntöjen mukaan tietyt rakenteet voidaan vapauttaa PWHT-vaatimuksista, jos ne on hitsattu käyttäen erityisesti suunniteltuja korjausmenetelmiä ja jos ne on määritetty murtumismekaniikan menetelmin lasketulla energiakertoimella.

Hitsaus on aktiivinen prosessi, ja siinä syntyviin hitsisaumoihin voi kohdistua huomattavia rasituksia jäähtymisvaiheessa, jolloin syntyy jännityksiä, jotka on hallittava, jotta näitä hitsisaumoja voidaan käyttää kriittisissä sovelluksissa. Tämä voidaan saavuttaa vähentämällä elektrodin liikenopeutta, rajoittamalla virrankäyttöä hitsauksen aikana ja käyttämällä suojakaasuja, joiden koostumus on sopiva materiaalityypin ja -paksuuden kannalta.

Turvallisuus

Hitsaus on olennainen osa öljyn-, kaasun- ja kemikaalienkäsittelylaitteistojen rakentamista ja ylläpitoa. Vääränlainen hitsaustulos voi kuitenkin tahattomasti heikentää laitteita aiheuttamalla jäännösjännityksiä materiaaleihin ja heikentämällä lujuutta. Tämän vaikutuksen lieventämiseksi hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) olisi suoritettava säännöllisesti hitsauksen jälkeen, jotta voidaan minimoida jäännösjännitykset hitsatussa materiaalissa, hallita kovuustasoja hitsausprosessien jälkeen ja joissakin tapauksissa lisätä mekaanista lujuutta.

PWHT on eristysmenetelmä, jossa käytetään korkean lämpötilan vastuslämmittimiä nostamaan hitsauslämpötiloja noin 300-1 125 celsiusasteeseen terästyypistä ja sen hiilipitoisuudesta riippuen. Lämpö levitetään käyttämällä sähköistä vastuslämmitintä, joka on suunniteltu putkikoolle, joka sopii käsiteltävään hitsiin. Kaikkien asennukseen osallistuvien sähköasentajien on ymmärrettävä sen turvallisuusvaikutukset PWHT-toimien aikana; kaikki liitännät on eristettävä asianmukaisesti, ja alue on eristettävä vaaravyöhykkeeksi tuntemattomien henkilöiden suojelemiseksi, jotka joutuvat kosketuksiin korkeajännitteisten sähkökaapeleiden kanssa.

PWHT-vaatimukset vaihtelevat valmistuskoodien välillä. Esimerkiksi BS 1113 [22] ja 2633 [23] rajoittavat PWHT:n käyttöä hiilimangaaniteräksille, joiden hiilipitoisuus on enintään 0,25%, kun taas PD 5500 ja Pr EN 13445 sallivat sen käytön enintään 140 mm:n paksuisiin hitsisaumoihin, jos ne täyttävät murtumismekaniikan sitkeysvaatimukset.