API 602 Schieberventile, verschraubte Haube, steigende Spindel, Einsteckschweißung mit 100 mm langen, an beiden Enden verschweißten Nippeln mit glattem Ende, PWHT.
Haben Sie schon von PWHT gehört? Was ist PWHT?
Überblick über die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)
Schweißen ist ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs und der Wartung von Anlagen in der Erdöl- (Upstream, Midstream, Downstream) und chemischen Verarbeitungsindustrie. Obwohl es viele nützliche Anwendungen gibt, kann der Schweißprozess die Ausrüstung unbeabsichtigt schwächen, indem er einem Material Restspannungen verleiht, was zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften führt.
Um sicherzustellen, dass die Materialfestigkeit eines Teils nach dem Schweißen erhalten bleibt, wird regelmäßig ein Prozess namens Post Weld Heat Treatment (PWHT) durchgeführt. PWHT kann zur Reduzierung von Eigenspannungen, als Methode zur Härtekontrolle oder sogar zur Verbesserung der Materialfestigkeit eingesetzt werden.
Wenn PWHT falsch durchgeführt oder ganz vernachlässigt wird, können sich Restspannungen mit Lastspannungen verbinden und die Konstruktionsgrenzen eines Materials überschreiten. Dies kann zu Schweißfehlern, höherem Risspotenzial und erhöhter Anfälligkeit für Sprödbrüche führen.
PWHT umfasst viele verschiedene Arten potenzieller Behandlungen:
Zwei der häufigsten Arten sind Nachwärmen und Spannungsarmglühen:
Nacherwärmung:
Wasserstoffinduzierte Rissbildung (HIC) tritt häufig auf, wenn beim Schweißen hohe Mengen an Umgebungswasserstoff in ein Material eindringen. Durch Erhitzen des Materials nach dem Schweißen ist es möglich, Wasserstoff aus dem geschweißten Bereich zu diffundieren und so HIC zu verhindern. Dieser Vorgang wird als Nacherwärmung bezeichnet und sollte unmittelbar nach Abschluss des Schweißens beginnen. Anstatt das Material abkühlen zu lassen, muss es je nach Art und Dicke des Materials auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden. Es sollte je nach Dicke des Materials mehrere Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten werden.
Stressabbauend:
Nach Abschluss des Schweißvorgangs können in einem Material viele Restspannungen zurückbleiben, die zu einem erhöhten Risiko für Spannungskorrosion und wasserstoffbedingte Rissbildung führen können. PWHT kann verwendet werden, um diese Restspannungen freizusetzen und dieses Risiko zu reduzieren. Bei diesem Verfahren wird das Material auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann allmählich abgekühlt.
Ob ein Material einer PWHT unterzogen werden sollte oder nicht, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter beispielsweise seinem Legierungssystem oder davon, ob es zuvor einer Wärmebehandlung unterzogen wurde. Bestimmte Materialien können durch PWHT tatsächlich beschädigt werden, während es bei anderen fast immer erforderlich ist.
Im Allgemeinen gilt: Je höher der Kohlenstoffgehalt eines Materials, desto wahrscheinlicher ist es, dass es nach Schweißarbeiten eine PWHT benötigt. Ebenso gilt: Je höher der Legierungsgehalt und die Querschnittsdicke, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Material eine PWHT benötigt.
Wann ist PWHT für Kohlenstoffstahl erforderlich?
Nach jedem Schweißen muss eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen oder PWHT von Kohlenstoffstahl durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Materialfestigkeit des Teils erhalten bleibt. Die genauen Kriterien für die PWHT von Kohlenstoffstahl sind im ASME BPVC-Code aufgeführt. PWHT sorgt für die Reduzierung von Eigenspannungen, die Kontrolle der Materialhärte und die Verbesserung der mechanischen Festigkeit.
Vorteile der Wärmebehandlung nach dem Schweißen | Zweck der Wärmebehandlung nach dem Schweißen
Wenn PWHT vernachlässigt oder falsch durchgeführt wird, können sich die Restspannungen mit den Betriebslastspannungen verbinden. Der Wert kann die Konstruktionsgrenzen eines Materials überschreiten, was zu Schweißfehlern, höherem Risspotenzial und erhöhter Anfälligkeit für Sprödbruch führt. Weitere Vorteile von PWHT sind unten aufgeführt:
- Verbesserte metallurgische Struktur
- Verbesserte Duktilität des Materials
- Reduziertes Risiko eines Sprödbruchs durch zunehmende Duktilität
- Abbau thermischer Spannungen durch Umverteilung der Eigenspannungen.
- Gehärtetes Metall
- Entfernung von diffusiblem Wasserstoff, was zur Verhinderung von wasserstoffinduzierter Rissbildung (HIC) beiträgt
PWHT-Methode und -Ausrüstung
Die lokale Wärmebehandlung der Schweißverbindungen an den Rohren nach dem Schweißen muss nach Abschluss aller Schweiß- oder Reparaturvorgänge mit der elektrischen Widerstandsmethode durchgeführt werden.
- Die Widerstandsheizung ist elektrisch und thermisch selbstisoliert und wird maßgenau für jedes einzelne Rohr gefertigt.
- Die an den Spulen angelegten Spannungen betragen je nach Leistungsbedarf entweder 220 oder 380 Volt Wechselspannung.
- Das Leistungssteuerfeld der Wärmebehandlung nach dem Schweißen besteht aus:
- Ein digitaler Temperaturregler-Indikator und -Rekorder.
- Ein Potentiometer, das den Prozentsatz der Leistungseingabe an die Spulen steuert.
- Ein Ein- und Ausschalter mit Kontrollleuchten sowie Eingangs- und Ausgangsklemmen für die Stromversorgung und den Thermoelementanschluss.
- Elektrische Leistungsschütze mit der richtigen Nennleistung.
- Jedes Panel versorgt eine einzelne Heizstation, daher wird für jeden Heizvorgang ein Panel benötigt. Die Heiz- und Kühlraten werden durch manuelle Auswahl des Prozentsatzes der Leistungsaufnahme mithilfe von Potentiometern eingestellt.
Anforderungen für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)
Vor der Beantragung der ausführlichen PWHT-Anforderungen und der Ausnahmeregelung in diesen Absätzen müssen zufriedenstellende Schweißverfahrensqualifikationen der anzuwendenden Schweißverfahrensspezifikation in Übereinstimmung mit allen wesentlichen Variablen von ASME ABSCHNITT IX, einschließlich der Bedingungen der Wärmebehandlung nach dem Schweißen und anderer unten aufgeführter Einschränkungen, durchgeführt werden.
Bei der lokalen Wärmebehandlung nach dem Schweißen muss die Wärmeanwendungstechnik sicherstellen, dass an allen Stellen des wärmebehandelten Teils eine gleichmäßige Temperatur erreicht wird. Es muss darauf geachtet werden, dass die Breite des erhitzten Bandes auf beiden Seiten der Schweißkante nicht weniger als das Vierfache (4) der Rohrdicke oder 2 Zoll beträgt, je nachdem, welcher Wert größer ist.
Während des gesamten Zyklus der Wärmebehandlung nach dem Schweißen muss der Teil außerhalb des erhitzten Bandes entsprechend isoliert werden, um schädliche Temperaturgradienten an der freiliegenden Oberfläche des Rohrs zu vermeiden. Aus diesem Grund darf die Temperatur an der freiliegenden Oberfläche des Rohrs 400 °C nicht überschreiten.
Ventile, Instrumente und andere Spezialteile mit Schweißenden müssen geschützt werden, da bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen die Gefahr einer Beschädigung besteht.
Nach dem PWHT dürfen keine Schweißarbeiten durchgeführt werden.
Es müssen geeignete, automatische Temperaturschreiber verwendet werden. Die Kalibrierungstabelle jedes Schreibers muss dem Eigentümer vor Beginn der Wärmebehandlungsvorgänge vorgelegt und seine Zustimmung eingeholt werden. Die Aufzeichnungsgeräte müssen mindestens alle 12 Monate kalibriert werden. Außerdem muss die zur Kalibrierung der Schreiber verwendete Instrumentenausrüstung (Potentiometer) durch ein entsprechendes Zertifikat unterstützt werden.
Vorbereitung und Anbringung eines Thermoelements für PWHT
Nach der Sichtprüfung und dem Entfernen von Oberflächenfehlern und temporären Heftschweißungen (sofern vorhanden) muss eine ausreichende Anzahl von Thermoelementen (basierend auf dem Rohrdurchmesser) direkt und in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs der Rohrverbindung an das Rohr angebracht werden. Die Mindestanzahl der anzubringenden Thermoelemente pro Verbindung beträgt 1 für Durchmesser bis zu 3 Zoll, 2 für Durchmesser bis zu 6 Zoll, 3 für Durchmesser bis zu 10 Zoll und 4 für Durchmesser bis zu 12 Zoll und mehr. Die erforderliche Mindestanzahl der anzubringenden Thermoelemente kann jedoch erhöht werden, falls dies für notwendig erachtet wird.
Die Thermoelemente müssen auf der Verbindung platziert werden und so nah wie möglich am Schweißbereich festen Kontakt mit dem Rohr haben. Thermoelemente müssen direkt an der Verbindung oder der Heizbandverbindung angeheftet werden, vorausgesetzt, dass sie ein Ende aus dem gleichen Material haben und für das Heftschweißen ein zugelassener Fülldraht oder eine zugelassene Elektrode mit einem Durchmesser von nicht mehr als 2,5 mm verwendet wird.
Um falsche Temperaturmessungen durch direkte Strahlung auf Thermoelemente zu vermeiden, müssen diese durch eine Keramikfaserisolierung oder ein anderes geeignetes Isoliermaterial geschützt werden.
Heizwiderstandselemente müssen über die angeschlossenen Thermoelemente im gesamten Heizband gelegt und wie in Abb. 1 unten gezeigt isoliert werden.
Als Isoliermaterial wird Mineralwolle/Glaswolle verwendet, die den eingesetzten Temperaturen standhält. Die Mindestdicke der Isolierung beträgt 50 mm. Um das Isoliermaterial in Position zu halten, muss es mit Drahtgeflecht umwickelt und festgebunden oder mit anderen geeigneten Mitteln festgebunden werden.
PWHT Temperatur, Zeitaufzeichnung
Die Wärmebehandlungstemperatur und -zeit nach dem Schweißen sowie die Heiz- und Abkühlraten müssen automatisch aufgezeichnet werden und die tatsächliche Temperatur des Schweißbereichs darstellen. Jedes Thermoelement muss an das Kontroll- und Aufzeichnungsgerät für jede behandelte Verbindung angeschlossen sein.
Heizen, Halten und Kühlen in PWHT
Die Heiztemperatur über 300 °C muss aufgezeichnet werden und die Heiz- und Kühlrate darf nicht höher sein als die in den entsprechenden WPS und Normen angegebene, jedoch in keinem Fall mehr als 200 °C/h betragen. Der Unterschied zwischen den von verschiedenen Thermoelementen gemessenen Temperaturen muss innerhalb des angegebenen Bereichs liegen.
Die Wärmebehandlungstemperatur und Haltezeit müssen den entsprechenden Schweißverfahrensspezifikationen entsprechen. Zur leichteren Bezugnahme sind die Werte für verschiedene Stahlsorten in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Die Abkühlung auf 300°C soll kontrolliert erfolgen. Darunter soll die Abkühlung auf Raumtemperatur unkontrolliert unter Isolierbeschichtung erfolgen.
Einige wichtige Hinweise zu PWHT
Der Betrieb des PWHT darf nur von geschultem Personal mit entsprechender Erfahrung und Genehmigung des Eigentümers durchgeführt werden.
Während des PWHT müssen die Fugen durch geeignete Regenabdeckungen und Windschutzscheiben vor Regen und Wind geschützt werden.
Nach der PWHT müssen Härteprüfungen durchgeführt werden, um festzustellen, ob die Wärmebehandlung wirksam war. Normalerweise beträgt die maximale Brinnelhärte für Kohlenstoffstahl 200 HB.
Sicherheitsvorkehrungen während des PWHT
Während des PWHT müssen die folgenden Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden:
Geräte und Schalttafeln müssen ordnungsgemäß geerdet sein.
Elektrotechniker müssen bei der Arbeit geeignete Sicherheitskleidung wie Gummihandschuhe, -schuhe usw. tragen.
Die Arbeiten dürfen nur von einem zertifizierten Elektriker durchgeführt werden.
Fugen unter Hochspannungsleitungen müssen mit rotem Klebeband/rotem Licht und Gefahrenanzeigen gut abgesperrt werden, um zu verhindern, dass unbekannte Personen mit Hochspannungsanschlüssen in Berührung kommen.
Für die in situ verlegten Fugen muss eine geeignete Plattform geschaffen werden, um Stürze von Personen zu verhindern.
Basierend auf dem oben Gesagten ist PWHT die kritischer Prozess für geschweißtes Material, dem genügend Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte während der Produktion.
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