溶接後の熱処理要件

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溶接後熱処理(PWHT)は、溶接残留応力を低減し、硬くて脆い可能性のある組織領域を和らげるために、特定の構造物の製造規格で義務付けられているが、高価なプロセスである。

以下の表1は、様々な圧力容器および配管規格において、PWHTを利用しなければならない最小厚さ要件を示しており、本稿では、これらの要件の合理化の可能性を示唆するとともに、これらの要件について検討する。

1.脆性破壊のリスクを低減

脆性破壊は、容器、タンク、その他の部品にとって致命的な破壊モードであり、しばしば人命や財産の重大な損失につながる。脆性破壊は、材料の最小シャルピー・エネルギーの指定、高応力を避ける設計、厚い部分の溶接後の熱処理による応力除去、欠陥を最小限に抑えながら欠陥発見の可能性を高める製造・検査方法の採用、定期的な保守作業の一環としてのプルーフテストの実施など、適切な設計、製造、検査の実施によって回避することができる。

機器や配管をその設計限界内で運転することは、特に運転温度がその設計下限温度（ASME規格によるLDTまたはMDMT）を下回る場合に極めて重要である。既存の炭素鋼機器は、API RP 579 Fitness for Service Part-3: Assessment of Existing Equipment for Brittle Fractureに詳述されているように、脆性破壊アセスメントを受けるべきである。

この評価は、機器の温度と圧力条件に対する安全な作業限界を定義するために破壊力学を使用し、仮定ではなく、健全な技術的正当性に基づかなければならない。リスクベースのアプローチは、工学的な正当性の代わりに主観的な経験に頼ることの多い、規格で定められた最小厚さ基準を単に遵守するよりもはるかに優れています。

2.歪みのリスクを軽減

多くの規格や仕様が、溶接継手の応力を低減するためにPWHTを要求しており、それによって破壊リスクを低減する一方で、圧力機器の歪みや反りを増大させ、ひいては寸法精度や構造的完全性を損ない、漏れのリスクを増大させます。

Esは、加工中に材料を適切に支持し冷却することで、熱処理中の歪みを軽減することが可能です。一般的には、部品に適合するよう特別に成形され、直径の周囲に一定の間隔で配置された架台を使用します。必要な架台の数は、部品のサイズ、形状、厚さによって異なります。

歪みに対する更なる安全策として、PWHT温度が鋼の焼戻し用に元々指定されている温度を超えないようにしてください。温度が高くなると、焼戻し脆化や過軟化を引き起こし、その結果、強度が規定の最低レベル以下に低下し、歪みが生じて強度が規定の最低値以下になる可能性があります。したがって、PWHT装置処理後に機械的試験を実施し、強度保持を確認することが望ましい。

3.反りのリスクを軽減

PWHTは、溶接された材料を高温に加熱した後、再びゆっくりと冷却するもので、その結果、圧力機器に反りや歪みが生じ、構造的完全性の低下、漏れや故障につながる可能性がある。さらに、大量のエネルギーを使用する必要があるため、温室効果ガスの排出やその他の環境問題の原因となる。

PWHT処理は従来、応力除去、溶接組織の改 質、耐食性および耐酸化性損傷のための水素 拡散のために利用されてきた。しかし、同様の利点は、通常採用される温度 よりも低い温度でも達成できることが、研 究により明らかになっている。

PWHTは多くの利点をもたらすが、現行の規 格ではPWHTの適用除外要件が大きく異なって いる。このばらつきは、特定の冶金学的または構造的な考察からではなく、異なる業界内の工学的慣行や経験に起因することが多い。そのため、P-4およびP-5A材を使用したパイプ溶接部のPWHT免除に関する規格要件が、異なる規格間で混乱したり、矛盾したりすることがある。

4.漏れのリスクを低減

PWHTでは、材料が過度に歪むのを防ぐため に、高温にさらされている間、その形状、サイズ、 厚さに合わせた形状の架台を使った支持装置が必 要になる。このプロセスの一環として、材料は高温に加熱された後、その周囲で一定の間隔で徐々に冷却されます。これは、材料内の応力を再分配し、溶接部の強度を低下させたり、構造内の漏れにつながる可能性のある弱点を形成させるためです。

規格によってPWHTの要件は異なり、厚さなどの 要因でPWHTを完全に免除する材料や溶接 部材もある。このような要求事項の相違は、技術データ の解釈や実験の相違というよりも、工学的 慣行や適用経験の相違の結果であると考えられる。

5.腐食のリスクを低減

腐食は機器を損傷し、土壌や水源を汚染し、有害な毒素を大気中に放出し、タンクやパイプのような構造物を弱体化させ、故障しやすくし、機器や作業員へのリスクを増大させます。腐食に対する積極的な対策を講じることで、機器や人員に対するこうしたリスクを軽減することができます。

大気腐食は、金属が酸素と湿気にさらされたときに発生し、腐食が全体的に進行することから均一腐食または一般腐食とも呼ばれる。孔食、隙間腐食、応力腐食などの他の腐食形態は、金属物体の特定の場所に形成されるため、より予測不可能な場合がある。

腐食からの保護は、金属組成と使用される保護方法の両方に依存する。カソード保護は、亜鉛のような活性の高い元素で金属をコーティングすることで、周囲と反応して腐食・酸化し、下地の金属組成を錆から守る。その他の予防方法としては、空気中や水源中の化学物質の濃度を管理したり、防食コーティングや塗料など耐摩耗性の高い素材を使用したりすることが挙げられる。