Koliki najveći dopušteni radni tlak podnosi grijaća cijev obložena nehrđajućim čelikom 316 prije popuštanja na zavarenom zatvaraču čepa

Zavareni spoj - Slaba karika u dizajnu cjevastog grijača pod pritiskom

Maksimalni dopušteni radni tlak (MAWP) električnih grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom 316 koje se koriste u sustavima pod tlakom kao što su-linijski procesni grijači, visokotlačni autoklavi ili posude za proizvodnju pare rijetko je ograničen ravnom stijenkom cijevi. Međutim, komponenta s najvećom koncentracijom naprezanja i najnižom marginom popuštanja ili pucanja je zavareni završni poklopac koji brtvi plašt kako bi ograničio unutarnju otpornu žicu i izolaciju od magnezijevog oksida. Geometrija zavara, dubina prodiranja, omekšavanje zone utjecaja topline (HAZ) i polja zaostalog naprezanja od zavarivanja zajedno određuju pritisak pri kojem se završna kapa skida ili se stijenka plašta u blizini zavara deformira. Ovaj članak predstavlja mjerljivu metodu za određivanje sigurnog radnog tlaka 316 obloženih grijača na temelju kriterija dizajna zavara, omogućujući inženjeru da specificira grijače za rad pod tlakom s izračunljivim faktorima sigurnosti.

Mehanizmi koncentracije naprezanja na spoju zavarene završne kapice

Uobičajeni zatvarač završne kapice grijača 316 je ravni ili kupolasti disk od nehrđajućeg čelika 316 zavaren po obodu na plašt ravne cijevi. Zavar može biti kutni (preklapanje vanjskog promjera cijevi) ili sučeoni (usklađivanje debljine poklopca sa stijenkom cijevi). Raspodjela naprezanja u stijenci cijevi pod unutarnjim tlakom dana je formulom za tanki-tlak-obruč naprezanja posude: \\sigma_{obr}={\\rm P}D_{mean}/ 2t gdje je P unutarnji tlak, D_{mean} srednji promjer, a t debljina stijenke. Za cijev OD od 10 mm sa stijenkom od 1,5 mm (srednji promjer 8,5 mm, t=1.5 mm) obručno naprezanje pri 10 MPa (100 bara) je otprilike 28 MPa-znatno ispod granice razvlačenja 316 od 205 MPa, što daje faktor sigurnosti od preko 7. Ali na području zavara tri elementa povećavaju napetost. Prvo, vrh zavara (sjecište između metala zavara i površine cijevi) tvori geometrijski zarez s faktorom koncentracije naprezanja (Kt) koji se obično kreće od 2,5 do 4,0, ovisno o profilu zavara. Drugo, utvrđeno je da zona zahvaćena toplinom u blizini zavara (HAZ) ima smanjenu granicu tečenja zbog grubljanja zrna i gubitka hladnog obrada, od 205 MPa do čak 150-170 MPa u slabo reguliranim zavarima. Treće, zaostala vlačna naprezanja od hlađenja zavara, obično 100-200 MPa, dodaju se primijenjenom tlačnom naprezanju i mogu uzrokovati da lokalno ukupno naprezanje premaši popuštanje čak i pri pritiscima znatno ispod teorijskog tlaka pucanja cijevi. Ishod je da se zavareni spoj završne kapice skuplja pri tlaku koji je općenito 30-50% tlaka što bi uzrokovalo popuštanje u ravnom dijelu cijevi.

Kvantitativna ocjena tlaka na temelju geometrije zavara i razine kvalitete

316 grijač s kućištem ima zavarenu završnu kapu, a siguran radni tlak određen je geometrijom zavara i kvalitetom prodiranja zavara. Varovi u proizvodnji grijača općenito se klasificiraju u tri vrste. Minimalni kutni zavar (duljina kraka zavara 0,7 x debljina stijenke cijevi) s neadekvatnim prodiranjem daje najnižu ocjenu tlaka, 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 s glatkom konturom i bez udubljenja, nakon čega slijedi smanjenje naprezanja nakon zavarivanja, može doseći vrijednosti tlaka do 70-80% vrijednosti ravne cijevi. Ključni parametar je faktor učinkovitosti zavarenog spoja koji je opisan u kodovima tlačnih posuda (npr. ASME odjeljak VIII, odjeljak 1) kao omjer čvrstoće zavara i čvrstoće osnovnog metala. Tipična učinkovitost spoja za radiografski potpuno penetrirani zavar bez otkrivenih grešaka je 0,85 do 1,00. Učinkovitost kutnog zavara bez radiografske kontrole smanjena je na 0,50-0,65. Ovi faktori su prevedeni u maksimalne dopuštene radne tlakove za konvencionalni plašt od 10 mm OD x 1,5 mm sa stijenkom 316 na sobnoj temperaturi sa sigurnosnim faktorom od 3,0 na temelju prinosa.

Vrsta zavara Metoda provjere učinkovitosti zavarenog spoja Toplinska obrada nakon zavarivanja MAWP @ 20 stupnjeva (MPa / bar) MAWP @ 200 stupnjeva (MPa / bar, smanjeno zbog gubitka čvrstoće) Servisne aplikacije Preporučene
0,35 Minimalni otvor, djelomična penetracija Samo vizualno Ništa 2,5 MPa (25 bara) 1,8 MPa (18 bara) Otvoreni spremnici, niskotlačni cirkulacijski grijači
Standardni file Duljina kraka Puna 0,50 Vizualno + penetrant boje Ništa 3,5 MPa (35 bara) 2,5 MPa (25 bara) Sustavi vode/glikola, srednji tlak
Sučeoni zavar s punim prodiranjem, brušeno glatko 0,70 Penetrant s bojom + radiografija (točkasto) Ublažavanje naprezanja (400 stupnjeva, 1h) 5,0 MPa (50 bara) 3,5 MPa (35 bara) Visokotlačni procesni grijači, hidraulički sustavi
Sučeoni zavar punim prodiranjem s potpornim prstenom 0.85 100 % radiografija Žarenje u punoj otopini (1040 stupnjeva + kaljenje). 6.0 MPa (60 bara). 4.2 MPa (42 bara). Autoklavi, pregrijana voda, para
Kupolasta završna kapa (integralna, bez zavara) 1,00 N/A (bešavne) N/A (kao -vučene ili žarene) 7,5 MPa (75 bara) 5,2 MPa (52 bara) Maksimalni nazivni tlak Specijalni dizajn
Učinak temperature na MAWP i razmatranja loma od puzanja

Ocjene tlaka u gornjoj tablici odnose se na rad na sobnoj temperaturi. 316 nehrđajući čelik ima mnogo nižu granicu tečenja i otpornost na puzanje na povišenoj temperaturi. Za 100 stupnjeva granica razvlačenja se smanjuje oko 5-10 %, za 200 stupnjeva oko 15-20 %, za 300 stupnjeva oko 30-35 % i za 400 stupnjeva oko 45-55 %. Za grijače koji rade pod tlakom na povišenim temperaturama, MAWP se mora smanjiti korištenjem omjera granice razvlačenja pri temperaturi i granice razvlačenja pri normalnoj temperaturi. Što je još važnije, za kontinuirani rad na temperaturama koje prelaze 450 stupnjeva (neuobičajeno u zatvorenim grijačima, ali zamislivo u primjenama grijanja plinom), pucanje zbog puzanja umjesto popuštanja postaje ograničavajući problem. Otpornost na pucanje puzanjem od 10 000 sati nehrđajućeg čelika 316 na 500 stupnjeva je oko 100 do 120 MPa, u usporedbi s granicom razvlačenja od oko 140 MPa. Za tipično projektirano naprezanje za grijač (sa sigurnosnim faktorom od 3,0 na popuštanje), dopušteno naprezanje na 500 stupnjeva postaje 140/3=47 MPa, ali naprezanje puzanjem loma za 10 000 sati na 500 stupnjeva je otprilike 100 MPa, tako da puzanje ne dominira. Međutim, lomna čvrstoća puzanja od 10 000 sati na 550 stupnjeva smanjuje se na 60-70 MPa, što bi moglo biti manje od proračunskog naprezanja. Ako inženjer specificira rad pod tlakom iznad 400 stupnjeva, tada mora zatražiti podatke o puzanju ili dodatno smanjiti snagu.

Metode za osiguravanje cjelovitosti zavara i držanja tlaka

Za provjeru zavarenih završnih kapa grijača s tlačnom konstrukcijom koriste se četiri postupka za utvrđivanje je li nazivni tlak potreban. Prvo i najodređenije je hidrostatičko ispitivanje. Grijač je pod tlakom od 1,5 × MAWP vodom ili uljem i drži se 10-30 minuta, pazeći na pad tlaka ili očito curenje. Ovo ispitivanje šteti grijaču (unutarnji MgO će apsorbirati vlagu ako uopće dođe do curenja, čak i malog), i obično se provodi na jedinicama uzorka, a ne na proizvodnim grijačima. Drugi pristup je ispitivanje curenja helija. Grijač je pod pritiskom helija i smješten u vakuumsku komoru spojenu na maseni spektrometar. Brzina curenja manja od 1×10⁻⁷ mbar·L/s ukazuje na hermetičko brtvljenje prikladno za visokotlačne usluge. Treća metoda uključuje radiografsku procjenu zavara na nepotpuno prodiranje, poroznost ili pukotine. Kombinacija 100 % radiografije i ispitivanja curenja helijem na svakom grijaču pruža maksimalno povjerenje u kritičnim primjenama. Četvrta metoda je metalurški poprečni-presjek uzorka zavara iz svake proizvodne serije kako bi se izmjerila dubina prodiranja i provjerilo ima li HAZ pukotina ili odsutnosti fuzije. Za kupce koji žele grijače za sustave pod tlakom, potvrda o sukladnosti s određenom kvalifikacijom tehnike zavarivanja (npr. ASME odjeljak IX) pruža provedivo osiguranje kvalitete.

Indikatori polja oštećenja zavara i načini kvara zbog pretlaka

316 grijač u kućištu podvrgnut unutarnjem tlaku većem od MAWP pokvarit će na jedan od tri načina, ovisno o dizajnu zavara i tlaku. Prvi je postupno popuštanje vrha zavara, što se očituje trajnim ispupčenjem ili deformacijom plašta neposredno uz zavar, ali bez curenja. Ovo stanje ukazuje na to da je grijač bio pod pretjeranim tlakom, ali možda još uvijek radi, međutim hladni radni materijal na izbočini je osjetljiviji na pucanje od korozije pod naponom. Drugi način je odvajanje zavara, gdje sam zavar puca i završna kapica se skida s cijevi. To je obično krti lom kroz metal zavara ili ZUT koji se javlja brzo bez prethodnog vidljivog izobličenja. Treći način je curenje rupice iz defekta poroznosti zavara. Obično je to fini mlaz plina ili tekućine kada je grijač pod tlakom. Pojava mrlja -u boji hrđe oko zavara (za vodene tekućine) ili naslaga ugljika (za organske tekućine) za-grijače u radu može ukazivati ​​na povijest skromnog curenja. Svaki grijač koji je podložan poznatom incidentu prekomjernog tlaka, kao što je mrtva glava pumpe ili zatvoreni ventil, mora se ponovno certificirati hidrostatskim ispitivanjem ili zamijeniti ako nema očitih oštećenja.

Zaključak: Određivanje dizajna zavara kao značajke-kontrole tlaka

Za grijaće cijevi obložene nehrđajućim čelikom 316 koje se koriste u sustavima pod tlakom, stijenka cijevi nije ograničavajući faktor za maksimalni dopušteni radni tlak; radije, to je zavareni završni poklopac. Sigurno funkcioniranje malog kutnog zavara s djelomičnim prodiranjem ograničeno je na 2–3 MPa (20–30 bara), ali sučeoni zavar s punim -prodiranjem, radiografski pregledan i oslobođen naprezanja, doseže 5–6 MPa (50–60 bara). Za primjene koje zahtijevaju tlakove veće od 6 MPa (60 bara) na povišenim temperaturama, trebaju se specificirati dizajni bešavnih poklopaca (formirani od same cijevi, kupolasti krajevi bez zasebnog zavara), ali oni su skuplji i ograničene u proizvodnoj dostupnosti. Prilikom kupnje grijača, inženjeri bi trebali zahtijevati dokumentaciju o vrsti zavara, postupku inspekcije i toplinskoj obradi nakon -zavarivanja za rad pod tlakom. Sadašnji pristup omogućuje kupcima da odaberu 316 obloženih grijača koji se mogu sigurno prilagoditi potrebnom unutarnjem tlaku bez popuštanja na zavaru povezivanjem geometrije zavara i razine kvalitete s mjerljivim ocjenama tlaka koje se kreću od curenja do eksplozivnog odvajanja završne kapice, tj. katastrofalnih načina kvara.