PWHTと炭素鋼溶接

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圧力容器と配管の規格の違い（表1に詳述）は、合理化プロセスをしばしば複雑にするが、硬度要件規格を満たす炭素鋼、炭素マンガン鋼、低合金鋼は、一般的にPWHT処理を必要としない。

本稿の目的は、炭素および低合金材料に適用されるPWHT要件と適用除外について説明し、その概要を示すことである。

ストレス解消

溶接によって金属、特に低合金炭素鋼の内部には残留応力が残り、これが割れや弱点につながる可能性がある。これらの内部張力を緩和するため、材料は変態温度より低い温度を使用し、長時間浸漬した後、断面と表面積を均一に冷却するPWHT熱処理を受ける。

PWHTには、溶接による応力を緩和すると同時に、冶金的な相変化や焼戻し脆化を回避できる温度が必要であるため、その利点を最大限に引き出し、確実に実現するためには、加熱時間と保持時間を綿密に管理する必要がある。

圧力波熱処理は、一般的に圧力機器に使用されるが、橋や建物のような他の構造物にも行われる。この工程がいつ必要で、どのような利点があるのかを理解し、構造物に関して最大限の知識を持って意思決定することが肝要である。

機械的応力除去(MSR)は残留応力を緩和する方法の一つではあるが、PWHTのような冶金的な利点はない。MSRは、PWHTのために部品をオーブンに直接移動することが現実的でないか、不可能な場合に有用であることが証明されるかもしれませんが、代替処理オプションと見なすべきではないでしょう。

温度変化

採用された溶接手順によっては、残留応力が材 料の降伏強度を超え、溶接部の脆性破壊につながるこ とがある。PWHTは、再分布によってこれらの応力を低減し、PWHT溶接手順で溶接された炭素鋼構造物の破壊リスクを低減する。

PWHT溶接処理は、応力除去だけでなく、硬い溶接構造物を軟化・軟化させ、延性を高めると同時に、環境アシスト割れのリスクを低下させることができるため、サワー・サービス配管用途の溶接部に特に有効である。

PWHTによる変化は、炭素鋼の水素誘起 腐食を抑制し、疲労性能を向上させ、リスクを低 減するのに役立つ。しかし、PWHTは焼戻し、溶体化処理、時効処理とは異なることに留意すべきである（ただし、それらの効果の一部はPWHTによって達成される可能性がある）。

PWHT要件は様々な規格で定義されており、PWHTを必要とする圧力容器や配管用途の厚さ限界は通常32mmに設定されている。また、シャルピー・エネルギーや検査基準の違いや、対象としている炭素鋼やC-Mn鋼の化学組成の違いにより、規格間でばらつきがある場合もあり、合理化は困難である。

溶接の欠陥

残留応力は、不連続面、ポロシティ、スパッタ ーなど、目に見える溶接欠陥と目に見えない溶接 欠陥の両方を引き起こす可能性がある。目に見え る欠陥には、溶接の不連続面、ポロシティ、スパッタ ーなどがあり、目に見えない欠陥には、不完全な融合、 低延性、機械的性質の低下などがある。残留応力はまた、溶接部の耐応力腐食割れ性 を低下させると同時に、疲労破壊に対する感受性 を高める。

経験則として、溶接材料中の炭素と合金の含有 率が高く、構造物の断面厚さが厚いほど、 溶接後熱処理（PWHT）の必要性が高くなる可 能性がある。これは、溶接残留応力が焼戻しマルテンサイト 状態での破壊靭性を低下させるため、PWHTが必 要になるためである。

しかし、PWHT要件には例外もある。現行のファブリック標準規則によると、特別に設計された補修手順を用いて溶接され、破壊力学的アプローチを用いて計算されたエネルギー係数を用いて規定されている場合、特定の構造物はPWHT要件を免除される可能性がある。

溶接は能動的なプロセスであり、その結果 生成される溶接物は、冷却段階で大きなひず みを受ける可能性がある。このような溶接物を 重要な用途に使用するためには、応力を管理す る必要がある。これは、電極の移動速度を低下させ、溶接作業中の 電流使用を制限し、材料の種類と板厚に適した組成 のシールド・ガスを使用することで達成できる。

安全性

溶接は、石油、ガス、および化学処理資産の建設と維持に不可欠な要素です。しかし、不適切な溶接 性能は、材料に残留応力を誘発し、強度を低下させ ることによって、不注意にも機器を弱体化させるこ とがある。この影響を軽減するために、溶接後の熱処理 (PWHT) を定期的に実施する必要がある。これは、溶接材料の残留応力を最小化し、 溶接工程後の硬度レベルを制御し、場合によっては機械 的強度を高めるためである。

PWHTは、高温の抵抗ヒーターを使用し、鋼の種類や炭素含有量にもよるが、溶接部の温度を300℃F～1,125℃F程度まで上昇させる絶縁処理である。熱は、処理する溶接部の上端に適合するパイプ・サイズに合わせて設計された電気抵抗ヒーターを使って加えられる。設置に携わるすべての電気技師は、PWHT作業中の安全上の意味を理解する必要があります。すべての接続部は適切にコードで仕切られるべきであり、未知の人が高電圧の電気ケーブルに接触するのを防ぐため、そのエリアは危険区域としてコードで仕切られるべきです。

PWHT要件は製造規格によって異なる。例えば、BS1113[22]と2633[23]は、炭素含有量0.25%までの炭素マンガン鋼に対してPWHTを制限しているのに対し、PD5500とPr EN 13445は、確立された破壊力学的靭性要件を満たすことを条件に、厚さ140mmまでの溶接部に対してPWHTの使用を許可している。