Koji maksimalni dozvoljeni radni pritisak podnosi grijaća cijev od nehrđajućeg čelika 316 s plaštom prije nego što popusti na zavarenom zatvaranju poklopca

Zavareni spoj - Slaba karika u dizajnu cjevastog grijača pod pritiskom

Maksimalni dozvoljeni radni pritisak (MAWP) električnih grijaćih cijevi od nehrđajućeg čelika obloženih 316 koje se koriste u sistemima pod pritiskom kao što su in-procesni grijači, autoklavi pod visokim pritiskom ili posude za proizvodnju pare rijetko je ograničen ravnim zidom cijevi. Komponenta s najvećom koncentracijom naprezanja i najnižom marginom popuštanja ili pucanja, međutim, je zavareni zatvarač krajnjeg poklopca koji zatvara omotač kako bi se ograničila žica unutrašnjeg otpora i izolacija od magnezijum oksida. Geometrija zavara, dubina prodiranja, omekšavanje zone zahvaćene toplotom (HAZ) i polja zaostalih naprezanja od zavarivanja kombinuju se da bi se odredio pritisak pri kojem se krajnji poklopac povlači ili se zid omotača blizu šava deformiše. Ovaj članak predstavlja kvantifikativnu metodu za određivanje sigurnog radnog pritiska 316 grijača sa plaštom na osnovu kriterijuma dizajna zavara, omogućavajući inženjeru da specificira grejače za rad pod pritiskom sa izračunljivim faktorima sigurnosti.

Mehanizmi koncentracije napona na spoju zavarenog kraja

Uobičajeni zatvarač završnog poklopca grijača u kućištu 316 je ravan ili kupolasti disk od nehrđajućeg čelika 316 zavaren po obodu na plašt ravne cijevi. Zavar može biti kutni zavar (preklapajući vanjski prečnik cijevi) ili sučeoni zavar (koji odgovara debljini poklopca sa zidom cijevi). Raspodjela naprezanja u zidu cijevi pod unutrašnjim pritiskom je data formulom naprezanja tankog-pritiska-obruča posude: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t gdje je P unutrašnji pritisak, D_{srednji} je srednji prečnik, a t je debljina zida. Za cijev OD 10 mm sa 1,5 mm stijenkom (srednji promjer 8,5 mm, t=1.5 mm) naprezanje obruča na 10 MPa (100 bara) je otprilike 28 MPa-znatno ispod granice popuštanja od 316 od 205 MPa, dajući faktor sigurnosti za više od 7 elemenata. Prvo, vrh zavara (presek između metala šava i površine cevi) formira geometrijski zarez sa faktorom koncentracije napona (K t ) koji se obično kreće od 2,5 do 4,0, u zavisnosti od profila šava. Drugo, utvrđeno je da je zona utjecaja topline blizu zavara (HAZ) smanjena čvrstoća popuštanja uslijed grubosti zrna i gubitka hladnog rada, sa 205 MPa na čak 150-170 MPa u loše reguliranim zavarima. Treće, zaostala vlačna naprezanja od hlađenja šava, obično 100-200 MPa, doprinose primijenjenom naprezanju pritiska i mogu uzrokovati da lokalni ukupni napon premaši prinos čak i pri pritiscima znatno ispod teoretskog tlaka kidanja cijevi. Ishod je da se zavareni spoj završnog poklopca urušava pod pritiskom općenito 30-50% tlaka što bi izazvalo popuštanje u dijelu ravne cijevi.

Kvantitativna ocjena pritiska zasnovana na geometriji zavara i nivou kvaliteta

316 grijač u kućištu ima zavareni završni poklopac i siguran radni pritisak je određen geometrijom zavara i kvalitetom prodora zavara. Zavari u proizvodnji grijača općenito se dijele u tri tipa. Minimalni kutni zavar (dužina kraka šava 0,7 x debljina stijenke cijevi) s neadekvatnim prodorom daje najniži nazivni pritisak, obično ograničavajući grijač na 2-3 MPa (20-30 bara), čak i ako sama cijev može izdržati 15-20 MPa. Sučeoni zavar s punim prodiranjem sa glatkom konturom i bez podrezivanja, praćen smanjenjem naprezanja nakon zavarivanja može dostići ocjenu tlaka do 70-80% vrijednosti ravne cijevi. Ključni parametar je faktor efikasnosti zavarenog spoja koji je opisan u kodovima posuda pod pritiskom (npr. ASME odjeljak VIII, odjeljak 1) kao omjer čvrstoće zavara i čvrstoće osnovnog metala. Tipična efikasnost spoja za radiografski zavar sa punim prodorom bez otkrivenih grešaka je 0,85 do 1,00. Efikasnost za ugaoni zavar bez radiografske kontrole je smanjena na 0,50-0,65. Ovi faktori su prevedeni u maksimalne dozvoljene radne pritiske za konvencionalni omotač od 10 mm OD x 1,5 mm zid 316 na sobnoj temperaturi sa faktorom sigurnosti od 3,0 na osnovu prinosa.

Tip zavarenog spoja Metoda inspekcije efikasnosti zavarenog spoja Termička obrada nakon zavarivanja MAWP @ 20 stepeni (MPa / bar) MAWP @ 200 stepeni (MPa / bar, smanjen za gubitak čvrstoće) Servisne aplikacije Preporučene
0,35 Minimalni filet, djelomična penetracija Samo vizualno Nema 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar) Otvoreni rezervoari, niskotlačni cirkulacijski grijači
Standardni file Dužina noge Puna 0,50 Vizuelno + penetrant boje Nema 3,5 MPa (35 bara) 2,5 MPa (25 bar) Sistemi voda/glikol, srednji pritisak
Sučeoni zavar s punim prodiranjem, glatko brušen 0,70 Prodor boje + radiografija (spot) Rasterećenje napona (400 stepeni, 1h) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Procesni grijači visokog pritiska, hidraulični sistemi
Čeoni zavar sa punim prodiranjem sa potpornim prstenom 0.85 100 % radiografija Žarenje punim rastvorom (1040 stepeni + gašenje). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar).Autoklavi, pregrijana voda, para
Završni poklopac sa kupolom (integralni, bez zavarivanja) 1,00 N/A (bešavni) N/A (-izvučeni ili žareni) 7,5 MPa (75 bara) 5,2 MPa (52 bar) Maksimalni nazivni pritisak Specijalni dizajn
Utjecaj temperature na MAWP i razmatranja rupture puzanja

Ocjene tlaka u gornjoj tabeli su za rad na sobnoj temperaturi. 316 nehrđajući čelik ima mnogo nižu granicu tečenja i otpornost na puzanje na povišenoj temperaturi. Za 100 stepeni granica tečenja je smanjena za oko 5-10 %, za 200 stepeni oko 15-20 %, za 300 stepeni oko 30-35 % i za 400 stepeni oko 45-55 %. Za grijače u radu pod pritiskom na povišenim temperaturama, MAWP će se smanjiti korištenjem omjera granice popuštanja na temperaturi prema granici tečenja na normalnoj temperaturi. Što je još važnije, za kontinuirani rad na temperaturama većim od 450 stepeni (neuobičajeno za grijače u kućištu, ali moguće u aplikacijama za grijanje na plin), pucanje prije nego popuštanje postaje ograničavajući problem. Čvrstoća puzanja od 10.000 sati nerđajućeg čelika 316 na 500 stepeni je oko 100 do 120 MPa, u poređenju sa granom tečenja od oko 140 MPa. Za tipično projektovano naprezanje za grijač (sa sigurnosnim faktorom od 3,0 na tečnost), dozvoljeni napon na 500 stepeni postaje 140/3=47 MPa, ali napon puzanja za 10.000 sati na 500 stepeni je otprilike 100 MPa, tako da puzanje ne dominira. Međutim, lomna čvrstoća puzanja od 10.000 sati na 550 stepeni smanjuje se na 60-70 MPa, što bi moglo biti manje od projektovanog naprezanja. Ako inženjer specificira za rad pod pritiskom iznad 400 stepeni, onda mora zatražiti podatke o pucanju pri puzanju ili dalje smanjiti.

Metode za osiguranje integriteta zavara i držanja pritiska

Za provjeru zavarenih završnih kapa grijača s tlačnom konstrukcijom, koriste se četiri postupka kako bi se utvrdilo da je ocjena tlaka potrebna. Prvi i najodređeniji je hidrostatičko ispitivanje. Grijač se stavlja pod tlak do 1,5× MAWP vodom ili uljem i drži 10-30 minuta, gledajući da li postoji pad tlaka ili očito curenje. Ovaj test je štetan za grijač (unutrašnji MgO će apsorbirati vlagu ako se uopće dogodi bilo kakvo curenje, čak i malo) i obično se radi na jedinicama uzorka, a ne na proizvodnim grijačima. Drugi pristup je test curenja helijuma. Grejač se stavlja pod pritisak helijumom i stavlja u vakuumsku komoru priključenu na maseni spektrometar. Brzina curenja manja od 1×10⁻⁷ mbar·L/s ukazuje na hermetičku zaptivku prikladnu za rad pod visokim pritiskom. Treća metoda uključuje radiografsku procjenu zavara na nepotpunu penetraciju, poroznost ili pukotine. Kombinacija 100% radiografije i ispitivanja curenja helijuma na svakom grijaču pruža maksimalno povjerenje u kritičnim aplikacijama. Četvrta metoda je metalurški poprečni{15}}presjek uzorka šava iz svake proizvodne serije kako bi se izmjerila dubina prodiranja i provjerila ima li HAZ pukotina ili odsustva fuzije. Za kupce koji žele grejače za sisteme pod pritiskom, sertifikat o usklađenosti sa specificiranom kvalifikacijom tehnike zavarivanja (npr. ASME odeljak IX) pruža primenljivo osiguranje kvaliteta.

Indikatori polja zavarenog zavarivanja i načini kvara prekomjernog pritiska

Grijač u kućištu 316 podvrgnut unutrašnjem pritisku većem od MAWP-a će otkazati na jedan od tri načina, ovisno o dizajnu zavara i tlaku. Prvi je postepeno popuštanje na vrhu zavara, o čemu svjedoči trajno ispupčenje ili deformacija omotača neposredno proksimalno od vara, ali bez curenja. Ovo stanje ukazuje na to da je grijač bio pod prevelikim tlakom, ali je možda još uvijek u funkciji, međutim materijal za hladnu obradu na ispupčenju je podložniji pucanju od korozije pod naprezanjem. Drugi način je odvajanje vara, gdje se sam šav lomi i završni poklopac se skida sa cijevi. Obično je to krhki lom kroz metal šava ili HAZ koji se javlja brzo bez prethodnog evidentnog izobličenja. Treći način je rupica koja curi iz defekta poroznosti zavara. Obično je to fini mlaz gasa ili tečnosti kada je grejač pod pritiskom. Pojava mrlja-boje rđe oko šava (za vodene tekućine) ili naslaga ugljenika (za organske tekućine) za-upotrebljive grijače može ukazivati ​​na istoriju umjerenog curenja. Svaki grijač podložan poznatom incidentu nadpritiska, kao što je mrtva glava pumpe ili zatvoreni ventil, mora biti ponovo certificiran hidrostatičkim ispitivanjem ili zamijenjen ako nema očiglednih oštećenja.

Zaključak: Određivanje dizajna zavarenog spoja kao karakteristike{0}}kontrole pritiska

Za grijaće cijevi od nehrđajućeg čelika 316 koje se koriste u sistemima pod pritiskom, zid cijevi nije ograničavajući faktor za maksimalni dozvoljeni radni tlak; radije, to je zavareni završni poklopac. Sigurno funkcioniranje malog kutnog vara s djelomičnim prodiranjem ograničeno je na 2–3 MPa (20–30 bara), ali sučeoni zavar s punim-probojom, radiografski pregledan i oslobođen naprezanja, dostiže 5–6 MPa (50–60 bara). Za aplikacije kojima su potrebni pritisci veći od 6 MPa (60 bara) na povišenim temperaturama, treba specificirati dizajne bešavnih kapa (formiranih od same cijevi, kupolastih krajeva bez posebnog zavara), ali su skuplji i ograničeni u proizvodnoj dostupnosti. Prilikom kupovine grijača, inženjeri bi trebali zahtijevati dokumentaciju o vrsti zavara, postupku inspekcije i termičkoj obradi nakon{15}zavarivanja za rad pod pritiskom. Sadašnji pristup omogućava kupcima da odaberu 316 grijača sa plaštom koji mogu bezbedno da prilagode zahtevani unutrašnji pritisak bez popuštanja u zavaru povezujući geometriju zavara i nivo kvaliteta sa merljivim ocenama pritiska koji se kreću od curenja do eksplozivnog odvajanja krajnjeg poklopca, tj. katastrofalnih režima kvara.