PWHT – Post welded heat treatment การรักษาความร้อนหลังการเชื่อม
PWHT การรักษาความร้อนหลังการเชื่อม (Post Weld Heat Treatment หรือ PWHT) เป็นกระบวนการที่มีความสำคัญและถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมหลายประเภท เช่น อุตสาหกรรมน้ำมัน ก๊าซ โรงงานปิโตรเคมี หม้อน้ำแรงดัน โรงกลั่น เป็นต้น เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและทางโลหะวิทยาของวัสดุที่ผ่านการเชื่อม กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการทำให้วัสดุที่ผ่านการเชื่อมร้อนขึ้นไปยังอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างระดับต่ำสุด จากนั้นจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมินั้นเป็นระยะเวลาที่กำหนด ซึ่งการทำ PWHT นี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อลด ความเค้นตกค้าง (Stress) และปรับปรุงโครงสร้างระดับจุลภาคของวัสดุเพื่อให้มั่นใจได้ว่าชิ้นงานมีความแข็งแรง ทนทาน และปลอดภัยในการใช้งานตามที่ออกแบบไว้
| เลือกอ่านตามหัวข้อ |
กรรมวิธีทางความร้อนหลังการเชื่อม
ในกระบวนการเชื่อม มักจะเกิดความชันของอุณหภูมิสูงระหว่างโลหะเชื่อมและวัสดุแม่ ซึ่งนำไปสู่การเกิด ความเค้นตกค้าง (Stress) และการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างระดับจุลภาคที่อาจทำให้วัสดุมีความแข็งและเปราะมากขึ้น การใช้ PWHT ช่วยลดความเค้นตกค้างได้เป็นอย่างดี การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถเพิ่มความแข็งของวัสดุและลดความเหนียวและความยืดหยุ่นของแนวเชื่อม โดยวิธีการใช้แถบทำความร้อนพันรอบแนวเชื่อม (Heating Band) เพื่อให้ความร้อนเฉพาะจุด (Local Heat Treatment) ให้ถึงระดับที่ยอมรับได้สำหรับการออกแบบ ทำให้ชิ้นงานที่ผ่านการเชื่อมมีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีระดับ ความเครียด (Strain) ที่สูงและมีความเสี่ยงต่อการเกิดการกัดกร่อนจากความเค้น
การทำเช่นนี้ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของผิวที่ถูกตัดหรือแนวเชื่อม อย่างไรก็ตาม ยังมีประโยชน์อื่นๆ อีกหลายประการ จากการใช้วิธีนี้ ซึ่งได้แก่
- ปรับปรุงความเหนียวของวัสดุ
- ลดโอกาสการเกิดการแตกหักเปราะ
- ทำให้โลหะที่ผ่านการอบอ่อนมีความเหนียวขึ้น
- ปรับปรุงและในบางกรณีลดความแข็งของโลหะลง
- ปรับปรุงคุณสมบัติทางโลหะวิทยา
- ป้องกันการเกิดรอยแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจนโดยการกำจัดไฮโดรเจนในเนื้อโลหะออก
การเชื่อมเหล็กที่หนามากๆ ถ้าปล่อยให้มันเย็นตัวโดยธรรมชาติ บางครั้งมันเย็นตัวเร็วเกินไปในบางส่วนไม่ทั่วถึง ทำให้อุณหภูมิมันแตกต่างกันจนเกิดหน่วยแรงขึ้นเป็น residual stress ขึ้นทำให้เหล็กมันเปราะและไม่มีความเหนียวเพียงพอ (toughness)
ในปัจจุบันเลยต้องทำการปรับปรุงรอยเชื่อมเพื่อลด Residual Stress เรียกว่า Post Welded Heat Treatment (PWHT)
โดยอาจจะทำหลังจากเชื่อมเสร็จทันทีหรือเว้นเป็นระยะเวลาหนึ่งก็ได้ ด้วยการให้ความร้อนบริเวณที่มีผลจากรอยเชื่อม แล้วค้างไว้ระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นค่อยๆ ปล่อยให้ลดลงในอัตราที่ควบคุม
ขอบเขตการทำ PWHT ของท่อตามมาตรฐาน ASME B31.3
- การให้ความร้อนเฉพาะจุด (Local Heat Treatment) โดยการให้ความร้อนเป็นแถบรอบรอยเชื่อมที่อุณหภูมิการทำ PWHT (Soak Band) ต้องมีความกว้างอย่างน้อย 3 เท่าของความหนาผนังท่อที่รอยเชื่อม โดยมีรอยเชื่อมอยู่ตรงกลาง
- สำหรับรอยเชื่อมหัวจ่ายและอุปกรณ์ประกอบ (Nozzle & Attachment Welds) พื้นที่ Soak Band ต้องมีความกว้างอย่างน้อย 2 เท่าของความหนาท่อหลักในแต่ละด้านของรอยเชื่อม และขยายครอบคลุมรอบท่อหลัก
ขอบเขตการทำ PWHT สำหรับการให้ความร้อนเฉพาะจุด
หรือที่เรียกว่า (Local Heat Treatment)
- รอยเชื่อมวงรอบ (Circumferential Weld) พื้นที่อบอ่อนต้องมีความกว้างมากกว่า 3 เท่าของความหนาส่วนที่หนาที่สุด โดยที่รอยเชื่อมอยู่ตรงกลาง
- รอยเชื่อมหัวจ่ายและอุปกรณ์ประกอบ (Nozzle & Attachment Weld) พื้นที่อบอ่อนต้องมีความกว้างมากกว่า 2 เท่าของความหนาท่อหลักในแต่ละด้านของรอยเชื่อม และขยายครอบคลุมรอบท่อหลัก
ในงาน Offshore Fabrication ปกติเหล็กสำหรับโครงสร้างหลักที่หนาเกิน 50 mm โดยประมาณ (แต่ละมาตรฐานก็ไม่เหมือนกัน ส่วนใหญ่จะอยู่ระหว่าง 40-60 mm) จะต้องทำ PWHT
ซึ่งอาจจะขึ้นกับเกรดเหล็กด้วย
เหล็กที่กำลังต่ำ เช่น Fy < 500 MPa อาจจะต้องเริ่มทำ PWHT ที่ความหนา 50 มม ขึ้นไป
เหล็กกำลังสูง เช่น Fy > 500 MPa หนากว่า 20 มม ก็อาจจะต้องทำ PWHT แล้ว
ในบางมาตรฐานก็ใช้ Stress Concentration Factor มาใช้ในการกำหนดว่าต้องทำ PWHT หรือไม่ด้วย
การจะยกเว้นการทำ PWHT นั้นจะต้องพิสูจน์ทางวิศวกรรมด้วยการทำ Fracture Mechanic Analysis เพื่อพิสูจน์ว่ารอยเชื่อมมีความเหนียวเพียงพอ
ปกติจะดูที่ค่า CTOD (Crack Tip Opening Displacement) ซึ่งต้องต่ำกว่าค่ามาตรฐาน จึงจะยกเว้น PWHT requirement ได้
ข้อกำหนดที่ระบุไว้ในโค้ดหม้อน้ำแรงดันและท่อต่างๆ
ด้วยเหตุนี้ โค้ดและมาตรฐานอุตสาหกรรมหลายประเภท เช่น ASME Section VIII และ ASME B31.3 จึงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับการทำ PWHT สำหรับวัสดุบางชนิดและความหนาที่กำหนด เพื่อให้มั่นใจว่าการออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนต่าง ๆ มีความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้งาน
