溶接後熱処理は、ボギーハース炉にとって最も要求の厳しい用途の一つであり、失敗した場合のコストは、圧力容器の故障、熱交換器の不良、数十万ドル相当の重厚な構造物の廃棄といった形で現れる。
MONTE INTELLIGENCE社は、中国、東南アジア、中東の製造業者向けに、溶接後熱処理（PWHT）用途のボギー式炉床炉を供給してきました。これらの炉は、5トンの圧力容器シェルから80トンの原子炉カラムまで、幅広い溶接構造物に対応しています。本稿では、PWHT炉の成功と失敗を分ける、炉の設計要件、手順の厳守、および規格遵守に関する文書について解説します。
PWHT（溶接後熱処理）は、母材の厚さが規定の限度を超える場合、使用環境に水素腐食や応力腐食が発生する場合、または設計仕様で規定の要件に関わらず要求される場合に、建設規格（圧力容器についてはASME Section VIII、プロセス配管についてはASME B31.3、構造溶接についてはAWS D1.1）で義務付けられています。PWHTの目的は、溶接による残留応力を低減し、熱影響部の微細構造を焼き戻し、場合によっては水素誘起割れのリスクを低減することです。
PWHTの熱サイクルは、炉が正確に実行しなければならない3つのフェーズから構成されます。まず、加熱フェーズでは、炉はワークピースの温度を周囲温度から保持温度まで制御された速度で上昇させる必要があります。ASME Section VIIIでは、最大加熱速度を1時間あたり222℃とし、それを厚さ（インチ）で割った値とし、315℃を超える場合は最大222℃/時までと規定しています。厚さ50mm（2インチ）の溶接部の場合、これは315℃を超える場合の最大加熱速度が1時間あたり111℃であることを意味します。
次に、保持工程です。ワークピースは、指定された保持温度で最低時間保持する必要があります。ASME Section VIIIでは、厚さ25 mm (1インチ) あたり最低1時間、最低30分の保持時間を規定しています。保持温度は、母材によって異なります。P-No. 1炭素鋼の場合、最低保持温度は593℃ (1100°F) です。P-No. 4 Cr-Mo鋼の場合、クロム含有量に応じて675～730℃の範囲になります。
第三に、冷却段階です。ワークピースは、保持温度から315℃以下まで、制御された速度で冷却する必要があります。最大冷却速度は、315℃を超える場合、1時間あたり278℃を厚さ（インチ）で割った値で、最大278℃/時です。315℃未満では、ワークピースは静止空気中で冷却できます。
こうした加熱・冷却速度の要件こそが、PWHT炉の設計を困難にしている要因です。前述の80トン級反応炉カラムの場合、溶接厚さ100mmでは、315℃を超える最大加熱速度はわずか毎時56℃です。PWHTの全サイクル（室温から620℃まで加熱、4時間保持、315℃まで冷却）は28～32時間かかります。炉は、このサイクル全体を通して、ワークピースの全長と断面全体にわたって温度の均一性を維持する必要があります。
温度均一性は、PWHT（溶接後熱処理）の品質を決定する炉の性能パラメータです。ASME Section VIIIでは、ほとんどの材料において、保持期間中のワークピース上の任意の2点間の温度差が65℃（150°F）を超えてはならないと規定されています。ボギーハース炉の12メートル長の反応塔でこの均一性を実現するには、バーナーの配置、循環ファンの設計、および制御ゾーンの分割を慎重に行う必要があります。
通常、大型のPWHTボギーハース炉は、4～8個の独立制御可能な温度ゾーンに分割されます。各ゾーンには、独自のバーナーまたは発熱体、独自の熱電対入力、および独自のPIDコントローラーが備えられています。ゾーンコントローラーは中央監視コントローラーと通信し、ゾーン間の温度差を許容範囲内に抑えながら、設定された加熱および冷却速度を維持するように設定値のランプアップを調整します。
熱電対の配置と取り付けは、制御チェーンにおける測定リンクです。規格では、熱電対は炉内の雰囲気中に浮かせるのではなく、ワークピースに取り付けることが義務付けられています。厚肉部の場合、温度が最も重要となる溶接箇所に熱電対を取り付ける必要があります。取り付け方法としては、容量放電溶接（永久的な熱電対に推奨）、ホースクランプ（小型部品の一時的な熱電対用）、ワイヤタイ（複雑な形状の場合）などがあります。
必要な熱電対の数は、ワークピースのサイズと規格要件によって異なります。ASME Section VIIIでは、ワークピースの最初の3メートルに対して最低1個の熱電対が必要であり、その後3メートルごとに1個ずつ追加され、合計で最低3個が必要です。10メートルの容器には4個の熱電対が必要です。各熱電対は、サイクル全体を通して温度を印刷または記録する校正済みの記録計に接続する必要があります。
校正は、PWHT品質保証の文書上の基盤です。PWHTに使用されるすべての熱電対は、過去12か月以内にトレーサブルな標準器に対して校正されている必要があります。温度記録計は、過去6か月以内に校正されている必要があります。炉自体は、AMS 2750または同等の規格に従って、負荷条件下で必要な均一性を達成していることを確認するために、毎年温度均一性調査（TUS）を受ける必要があります。
負荷構成は、炉の設計と同様に温度均一性に大きな影響を与えます。炉壁に近い位置に置かれたワークピースは、中央に置かれたワークピースとは異なる温度になる可能性があります。再循環空気の流れを遮るワークピースは、下流側に低温部を生じさせる可能性があります。PWHT仕様書には、これらの懸念事項に対処する負荷図を含める必要があり、ボギー台車には、サイクルごとに一貫した負荷を確保するために、ワークピース支持位置を示すマークを付ける必要があります。
MONTE INTELLIGENCE社のボギーハース式PWHT炉は、これらの規格要件を念頭に置いて設計されています。標準設計には、マルチゾーン温度制御、大容量循環ファン（通常、毎分3～6回の循環）、校正済み熱電対入力、および必要な規格文書を自動的に生成するデータロギングシステムが含まれています。
お客様の製造要件に特化したPWHT炉の提案については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
