Hegesztés utáni hőkezelés (PWHT) szénacélhoz

Számos gyártási szabályzat és szabvány előírja a hegesztés utáni hőkezelést (PWHT). A PWHT hőmérsékletei az egyes hegesztési eljárás-minősítési előírások – például a BS 1113, a BS 2633 vagy az EN 13445 – szerint eltérőek.

A PWHT csökkentheti és átoszthatja a maradékfeszültségeket, miközben egyidejűleg lágyítja a kemény vagy potenciálisan rideg mikroszerkezeti területeket. Khanzadeh és munkatársai [15] megállapították, hogy a Cu/rozsdamentes acél EXW kompozitokban a PWHT hőmérsékletének és időtartamának növekedésével a határfelületi diffúziós réteg vastagsága is nőtt, akárcsak annak vastagsága.

Hőmérséklet

Az acélt különböző okokból számos hőkezelésnek lehet alávetni, ideértve a temperálást, a hirtelen lehűtést és a PWHT-t. A PWHT hőmérséklet eléréséhez szükséges hőmérséklet az ötvözet összetételétől és a fém vastagságától függ: általában az 0,75 hüvelyk (20 mm) vastagságú, alacsony ötvözésű szénacélok esetében szükség van PWHT-re, míg a 0,5% krómtartalom alatti acélok esetében általában nincs rá szükség.

A PWHT-követelmények a különböző szabályzatok és szabványok szerint eltérőek, például a BS 2633 csak az 1,5% Cr-t és =0,5% Mo-t tartalmazó alacsony ötvözésű acélok esetében írja elő a PWHT-t, míg más szabványok, például a PD 5500, előírják, hogy 35 mm vastagságig a PWHT elhagyható.

Az SR során elengedhetetlenül fontos mind a hőmérséklet, mind az újramelegítés időtartamának figyelemmel kísérése, hogy elkerülhető legyen a kemény martenzit kialakulása a hegesztési területen, amely csökkenti a szilárdságot és repedésekhez vezethet. Ezenkívül az acél hosszan tartó melegítése érzékenyítéshez vezethet, amelynek során a hőhatás és a meglévő maradékfeszültségek együttes hatására az acél mikroszerkezete megváltozik, új feszültségek keletkeznek, ami csökkenti a korrózióállóságot, miközben növeli a feszültségi korróziós repedés kialakulásának kockázatát.

Idő

A hegesztés utáni hőkezelés (PWHT) a szénacél hegesztésének szerves része. Segít csökkenteni a maradékfeszültségeket, szabályozni az anyag keménységét és növelni a mechanikai szilárdságot. Helytelen elvégzés esetén a maradékfeszültségek az üzemeltetési terhelés feszültségszintjeivel együttesen meghaladhatják az anyagok tervezési határértékeit, ami repedésekhez, rideg töréshez és az anyag szilárdságának csökkenéséhez vezethet olyan hegesztési hibák esetén, amelyek PWHT-vel történő javítást igényelnek; a PWHT azonban enyhítést nyújt azáltal, hogy ezeket a feszültségeket csökkenti és újraelosztja.

A PWHT-kezeléshez az alkatrész egész területén egyenletes hőmérsékletet kell fenntartani. A szigetelőanyagok és a hőelemek segíthetnek ennek biztosításában azáltal, hogy rögzítik a felületen mért hőmérsékleti értékeket, majd ezeket a méréseket felhasználva kiszámítják a PWHT-kezeléshez szükséges hőmérsékletet.

Az állandó hőmérséklet fenntartása mellett ugyanolyan fontos, hogy az alkatrészek a PWHT-hőmérsékleten is képesek legyenek megtartani saját súlyukat. Ennek biztosítása érdekében az alkatrészeket olyan állványokon kell megtámasztani, amelyek az alkatrészekhez hasonló anyagból készültek, hogy hőtágulási együtthatójuk megegyezzen az alkatrészekével.

A csővezetékek és nyomástartó edények hőkezelési hőmérsékleteit gyakran táblázatos formában rögzítik a hegesztési eljárás-minősítési előírásokban, és minden változtatást a hegesztési eljárás-előírások minden egyes felülvizsgálatakor újra kell minősíteni. A hőkezelési követelmények könnyen meghatározhatók ezekből a táblázatokból, valamint a hőmérséklet és a keménységi szintek közötti összefüggéseket bemutató kalibrációs táblázatok alapján.

Környezet

A PWHT (hegesztés utáni hőkezelés) elengedhetetlen a szénacél hegesztése során. A PWHT segít csökkenteni a maradékfeszültségeket és megőrizni az anyag keménységét; ennek hiányában az üzemeltetési terhelésből származó feszültségek meghaladhatják az anyagra vonatkozó tervezési értékeket, és túlzott maradékfeszültségek alakulhatnak ki, amelyek összeadódva szintén meghaladhatják a tervezési értékeket. A PWHT-kezelés révén a maradékfeszültségek csökkentésével nő a hegesztett szerkezetek mechanikai szilárdsága és repedésállósága; a PWHT elengedhetetlen szerepet játszik minden szénacél-hegesztési projekt minőségbiztosítási folyamatában.

A hegesztési folyamat során gyakran jelentős hőmérsékleti gradiens alakul ki az alapfém és a hegesztési varrat között, ami maradékfeszültségeket eredményez; ezek – amennyiben elfogadhatatlan szintre emelkednek – végső soron a hegesztési varrat meghibásodásához vezethetnek. Ezen felül a mikroszerkezeti változások növelhetik a keménységet, miközben csökkenthetik a hegesztési varratok szívósságát és alakíthatóságát; a PWHT segít enyhíteni ezeket a maradékfeszültségeket, miközben egyidejűleg javítja a varrat szakítószilárdsági tulajdonságait.

A hegesztés utáni hőkezelés (PWHT) elengedhetetlen a hegesztett nyomástartó edények és csövek védelméhez a rideg törés ellen. Szükségessége azonban az utóbbi időben vita tárgyává vált, mivel a legújabb kutatások szerint a szénacélok esetében eltekinthetők ettől a követelménytől, ha vastagságuk az ASME VIII. szakasz, 1. rész, UCS 56. táblázatban szereplő küszöbérték határain belül marad [1].

A PWHT-kezelés során a fémet a szakítószilárdságát meghaladó hőmérsékletre hevítik, ami fázisátalakulásokat eredményez, amelyek a fém törékennyé válásához vezetnek. A megfelelő működés érdekében ezt követően gyors lehűtésre, azaz edzésre van szükség; az alacsony széntartalmú acélok keménységére és az SSC-re való hajlamra gyakorolt hatások megállapítására végzett két tanulmány kimutatta, hogy a PWHT alkalmazása után jelentősen megnőtt az ellenállás – mindkét kísérlet bizonyította, hogy az anyag ellenállása az SSC okozta repedésekkel szemben jelentősen megnőtt.

Biztonság

A szénacélokat a PWHT során szigorúan figyelemmel kell kísérni, hogy ne lépjék túl a kritikus határértéket; ehhez hőelemmel kell mérni a hőmérsékletet, és azt egy számítógéphez kell csatlakoztatni, amely másodpercenként rögzíti az értéket. A valós idejű figyelemmel kísérés lehetővé teszi a szükséges beállítások elvégzését a kritikus határérték fenntartása érdekében – ez egy rendkívül veszélyes feladat, amelyet kizárólag képzett személyzet végezhet el.

Bizonyos szénacélok esetében – az anyag jellegétől és az üzemeltetési körülményektől függően – szükség lehet hőkezelésre (PWHT) a szerkezeti integritás megőrzése érdekében, különösen a nagy szilárdságú és alacsony ötvözésű fajták esetében. A PWHT emellett hozzájárul a hegesztés során keletkező maradékfeszültségek csökkentéséhez, amelyek repedéseket és torzulásokat okozhatnak.

A PWHT-kezelés emellett elősegíti a szénacél korrózióállóságát azáltal, hogy korlátozza a korróziót elősegítő karbidok képződését – ez a jelenség „érzékenyítés” néven ismert.

A PWHT nem csupán megakadályozza a korróziót, hanem növelheti a szénacél nyomás alatt álló alkatrészek szilárdságát is – ez fontos tulajdonság annak biztosításához, hogy azok kibírják a víznyomás-próbát és az üzemeltetés során fellépő igénybevételeket.

A hegesztési szabványok eltérő követelményeket támasztanak a hegesztés előtti hőkezeléssel (PWHT) kapcsolatban, azonban az alapelvek változatlanok maradnak. Az előmelegítési hőmérsékletre vonatkozó követelmények a hegesztési varrat vastagságától és az anyag krómtartalmától függenek – például a 0,75 hüvelyk (20 mm) falvastagságú szénacélok esetében általában szükséges az előmelegítés a hegesztés előtt.