ASME B31.3 炭素鋼管の溶接後熱処理要件

2014年版のASME B31.3以降、厚肉炭素鋼管については、溶接後熱処理（PWHT）の要件が免除され、多層溶接のみが求められ、予熱の要件は不要となっている。こうした免除措置は安全性に問題があるのではないかという懸念が示されている。.

EPRIの支援を受け、RRACチームメンバーが執筆した本論文は、B31.1およびB31.3規格におけるPWHTの最低温度要件の変更、ならびに他の規格における同様の変更を後押しすることを目的としている。.

最低予熱温度

ASME B31.3における予熱の最低温度に関する要件は、規格や基準によって大きく異なっており、これは各規格や基準が対象とする使用条件の違いを反映している可能性がある。ある規格や基準の要件が技術的な観点から見て過度であると思われる場合、深刻な懸念が生じる。その一例として、炭素鋼材料に対する溶接後熱処理（PWHT）の要件が挙げられる。.

規格で定められているPWHTの温度要件は、炭素鋼の下限臨界温度に近い値となっており、これにより溶接部の再加熱割れが生じ、強度が著しく低下するおそれがあります。しかし、研究によれば、現行の規格要件で規定されている温度よりも低い温度でP No 4溶接部に対してPWHTを施した場合でも、その硬度と靭性は維持される可能性があることが明らかになっている。.

懸念はあるものの、P No 4 に関する現在の予熱およびPWHT要件を維持することには強い支持がある。 EPRIが後援した研究によると、PWHTは、B31.1およびB31.3規格で現在要求されている温度よりも低い温度で実施しても、許容可能な材料特性を確保できることが判明した。これにより、設計の柔軟性が高まり、異種材料接合部における安全余裕が増大し、P No 4材料の溶接部で発生しやすい割れが解消される。.

最大予熱温度

ASME B31.3では、材料が溶接後熱処理（PWHT）を開始できる最低予熱温度を満たすことが求められています。 PWHTは、溶接によって生じた残留応力や微細組織の変化を低減するために、溶接部を下臨界変態温度未満まで加熱し、所定の時間保持する制御されたプロセスである。さらに、PWHT処理中に硬化プロセスを促進することで、硬度の向上に寄与する場合もある。.

2014年版のASME B31.3では、プロセス配管に関するPWHT要件にいくつかの重要な改訂が加えられました。特に、ASMEセクションVIII第1部（Section VIII Div 1）の要件を満たす炭素鋼溶接構造物については、従来は溶接後焼鈍（PWA）が必要とされていましたが、今回の改訂により要件が変更されました。.

この変更は、RRACからの要請を受けて実施されたものである。RRACは、ASME B31.1およびB31.3で規定されているPWHT温度が、各材料の低臨界相変態温度に近いため、過熱による硬化能力の不必要な損失が生じていることを指摘していた。この問題に対処するため、報告書ではPWHTの要件を1200～1300 degFに変更することを推奨した。さらに、BS 2633の要件により沿う形で、PWHT後の最高温度を150度と設定すべきである。.

最低保有期間

炭素鋼配管の溶接後熱処理（PWHT）。これは、炭素鋼配管の接合部における環境誘発亀裂を防止するとともに、溶接によって生じた残留応力を低減し、溶接金属の靭性を高めることを目的としています。さらに、PWHTは環境による劣化を軽減し、腐食から保護する役割も果たします。.

PWHTの要件は、規格や材料グループによって異なります。例えば、B31.3では、各グループ内で許容される最大炭素含有量および溶接厚さに基づき、低合金鋼については15分、2.25%Cr-1%Mo鋼については20分を、それぞれ最低保持時間として規定しています。この最低保持時間の要件は、単層溶接と多層溶接のいずれにも等しく適用されます。.

PWHTが必ずしも必要とは限りません。例えば、石油貯蔵タンクなどの溶接鋼製容器の場合が挙げられます。最大5,000 psiの圧力に耐えるよう設計されていますが、溶接継手部における極端な温度勾配や応力により、脆性破壊のリスクが残っています。.

PWHT処理はコストがかかり、手間もかかる場合があります。このため、一部の管轄区域では、炭素鋼製配管に対して免除措置を設けています。さらに、B31.3規格シリーズの要件は、PWHTに関する要件について、安全性と効率性の間で適切なバランスを図ることを目的としています。.

最大保持時間

ASME B31.3は、石油精製所、化学・製薬・水素・繊維・製紙・パルプ工場、原子炉、半導体工場、発電施設、天然ガス圧縮ステーション、および発電所などで使用される配管に関する要件を規定した米国国家規格です。本規格は、配管の設計、製造、組立、据付、検査、試験に用いられる材料および構成部品について規定している。.

溶接の場合と同様に、予熱温度は各溶接部の厚さに応じて調整する必要があります。薄い溶接部は、厚い溶接部に比べて低い予熱温度で済む場合がありますが、各段階に必要な時間は変わりません。.

改訂以前は、溶接部の熱処理（PWHT）に関する必須の肉厚制限は、適切な工学上の慣行と経験に基づいて定められていました。これらの限界値が最初に導入された当時は、破壊力学の知見が現在ほど進んでいなかったため、適切な工学上の慣行と経験に基づいて設定されましたが、その後、計算による靭性に基づく免除曲線を踏まえて改訂が行われ、従来の基準に比べて炭素鋼の最小肉厚要件が引き上げられました。.

現在、PWHT溶接では、ほとんどの場合、最大溶接厚さが19mmと定められています。これは、橋梁に関するBS 5400などの一般的な構造物規格や、圧力容器や動力配管を規定するASME B31.1、大型貯蔵タンクの建設を規定するAPI 650といったその他の専門規格に比べて、かなり低い値です。.