Ποια μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση εργασίας αντέχει ένας σωλήνας θέρμανσης 316 με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα πριν υποχωρήσει στο κλείσιμο του συγκολλημένου άκρου

Ο σύνδεσμος συγκόλλησης - Ο αδύναμος κρίκος στη σχεδίαση σωληνωτού θερμαντήρα υπό πίεση

Η μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση εργασίας (MAWP) των 316 ηλεκτρικών σωλήνων θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα που χρησιμοποιούνται σε συστήματα υπό πίεση όπως-θερμαντήρες επεξεργασίας γραμμής, αυτόκλειστα υψηλής πίεσης ή δοχεία παραγωγής ατμού σπάνια περιορίζεται από το ευθύ τοίχωμα του σωλήνα. Το εξάρτημα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσης και το χαμηλότερο περιθώριο διαρροής ή θραύσης, ωστόσο, είναι το συγκολλημένο ακραίο κλείσιμο που σφραγίζει το περίβλημα για να περιορίσει το σύρμα εσωτερικής αντίστασης και τη μόνωση οξειδίου του μαγνησίου. Η γεωμετρία συγκόλλησης, το βάθος διείσδυσης, η αποσκλήρυνση της ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα (HAZ) και τα πεδία υπολειπόμενης τάσης από τη συγκόλληση συνδυάζονται για να καθορίσουν την πίεση στην οποία το ακραίο καπάκι αποκολλάται ή το τοίχωμα του περιβλήματος κοντά στη συγκόλληση παραμορφώνεται. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια ποσοτικοποιήσιμη μέθοδο για τον προσδιορισμό της ασφαλούς πίεσης εργασίας 316 θερμαντικών με μανδύα με βάση κριτήρια σχεδιασμού συγκόλλησης, επιτρέποντας στον μηχανικό να προσδιορίσει θερμάστρες για λειτουργία υπό πίεση με υπολογίσιμους συντελεστές ασφαλείας.

Μηχανισμοί συγκέντρωσης τάσεων στη διασταύρωση συγκολλημένου ακραίου καλύμματος

Το σύνηθες κλείσιμο άκρου καπακιού θερμαντήρα 316 είναι ένας επίπεδος ή θολωτός δίσκος από ανοξείδωτο χάλυβα 316 συγκολλημένος περιφερειακά στο ευθύ θηκάρι του σωλήνα. Η συγκόλληση μπορεί να είναι μια συγκόλληση φιλέτου (που επικαλύπτει την εξωτερική διάμετρο του σωλήνα) ή μια συγκόλληση άκρου (που ταιριάζει στο πάχος του καλύμματος με το τοίχωμα του σωλήνα). Η κατανομή της τάσης στο τοίχωμα του σωλήνα υπό εσωτερική πίεση δίνεται από τον τύπο λεπτής-πίεσης- τάσης στεφάνης αγγείου: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t όπου P είναι η εσωτερική πίεση, D_{μέσος} είναι η μέση διάμετρος και t είναι το πάχος του τοιχώματος. Για ένα σωλήνα OD 10 mm με τοίχωμα 1,5 mm (μέση διάμετρος 8,5 mm, t {= 1.5 mm) η τάση στεφάνης στα 10 MPa (100 bar) είναι περίπου 28 MPa-πολύ κάτω από την αντοχή διαρροής 316 των 205 MPa, δίνοντας έναν συντελεστή ασφαλείας τριών στοιχείων σε μεγαλύτερη επιφάνεια από 7. Πρώτον, το δάκτυλο συγκόλλησης (η τομή μεταξύ του μετάλλου συγκόλλησης και της επιφάνειας του σωλήνα) σχηματίζει μια γεωμετρική εγκοπή με συντελεστή συγκέντρωσης τάσης (K t ) που συνήθως κυμαίνεται από 2,5 έως 4,0, ανάλογα με το προφίλ συγκόλλησης. Δεύτερον, η ζώνη που επηρεάζεται σχεδόν από τη θερμότητα συγκόλλησης (HAZ) έχει βρεθεί ότι έχει μειωμένη αντοχή διαρροής λόγω τραχύνσεως κόκκων και απώλειας ψυχρής εργασίας, από 205 MPa έως και 150-170 MPa σε κακώς ρυθμιζόμενες συγκολλήσεις. Τρίτον, οι υπολειμματικές τάσεις εφελκυσμού από την ψύξη της συγκόλλησης, συνήθως 100–200 MPa, προστίθενται στην εφαρμοζόμενη πίεση πίεσης και μπορεί να προκαλέσουν την τοπική συνολική τάση να υπερβεί την απόδοση ακόμη και σε πιέσεις πολύ κάτω από τη θεωρητική πίεση θραύσης του σωλήνα. Το αποτέλεσμα είναι ότι ο συγκολλημένος σύνδεσμος ακραίου καλύμματος καταρρέει με πίεση γενικά 30-50% της πίεσης που θα προκαλούσε υποχώρηση στο τμήμα του ευθύγραμμου σωλήνα.

Ποσοτική βαθμολογία πίεσης με βάση τη γεωμετρία συγκόλλησης και το επίπεδο ποιότητας

Ο θερμαντήρας 316 έχει ένα συγκολλημένο άκρο και η ασφαλής πίεση λειτουργίας καθορίζεται από τη γεωμετρία της συγκόλλησης και την ποιότητα της διείσδυσης της συγκόλλησης. Οι συγκολλήσεις στην παραγωγή θερμαντήρων ταξινομούνται γενικά σε τρεις τύπους. Μια ελάχιστη συγκόλληση φιλέτου (μήκος ποδιού συγκόλλησης 0,7 x πάχος τοιχώματος σωλήνα) με ανεπαρκή διείσδυση δίνει τη χαμηλότερη βαθμολογία πίεσης, περιορίζοντας κανονικά τη θερμάστρα στα 2-3 MPa (20-30 bar), ακόμα κι αν ο ίδιος ο σωλήνας μπορεί να αντέξει 15-20 MPa. Μια συγκόλληση πλήρους διείσδυσης με λείο περίγραμμα και χωρίς υποκοπή, ακολουθούμενη από ανακούφιση από την τάση μετά τη συγκόλληση μπορεί να φτάσει σε τιμές πίεσης έως και 70-80% της τιμής ευθύγραμμου σωλήνα. Η βασική παράμετρος είναι ο συντελεστής απόδοσης της άρθρωσης συγκόλλησης που περιγράφεται στους κωδικούς των δοχείων πίεσης (π.χ. ASME Τμήμα VIII, Τμήμα 1) ως ο λόγος της αντοχής συγκόλλησης προς την αντοχή του βασικού μετάλλου. Η τυπική απόδοση της άρθρωσης για μια ακτινογραφημένη συγκόλληση πλήρους διείσδυσης χωρίς να ανακαλυφθούν σφάλματα είναι 0,85 έως 1,00. Η απόδοση για μια συγκόλληση φιλέτου χωρίς ακτινογραφικό έλεγχο μειώνεται σε 0,50-0,65. Αυτοί οι παράγοντες έχουν μεταφραστεί σε μέγιστες επιτρεπόμενες πιέσεις εργασίας για μια συμβατική θήκη τοίχου 316 10 mm OD x 1,5 mm σε θερμοκρασία δωματίου με συντελεστή ασφαλείας 3,0 με βάση την απόδοση.

Τύπος συγκόλλησης Μέθοδος επιθεώρησης αποτελεσματικότητας συνδέσμου συγκόλλησης μετά τη θερμική επεξεργασία συγκόλλησης MAWP @ 20 μοίρες (MPa / bar) MAWP @ 200 μοίρες (MPa / bar, μειωμένη για απώλεια αντοχής) Συνιστώμενες εφαρμογές σέρβις
0,35 Ελάχιστο φιλέτο, μερική διείσδυση Οπτικά μόνο Κανένα 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar) Ανοιχτές δεξαμενές, θερμαντήρες κυκλοφορίας χαμηλής πίεσης
Τυπικό φιλέτο Μήκος ποδιού Πλήρες 0,50 Visual + διεισδυτικό βαφής Κανένα 3,5 MPa (35 bar) 2,5 MPa (25 bar) Συστήματα νερού/γλυκόλης, μέσης πίεσης
Πλήρης διείσδυση άκρο συγκόλλησης, λεία εδάφους 0,70 Διεισδυτικό χρωστικής + ακτινογραφία (κηλίδα) Ανακούφιση καταπόνησης (400 μοίρες, 1 ώρα) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Θερμαντήρες διεργασίας υψηλής πίεσης, υδραυλικά συστήματα
Πλήρης διείσδυση οπίσθιας συγκόλλησης με δακτύλιο στήριξης 0.85 100 % ακτινογραφία Ανόπτηση πλήρους διαλύματος (1040 μοίρες + σβήσιμο). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar). Αυτόκλεβοι, υπερθερμασμένο νερό, ατμός
Τελικό καπάκι με θόλο (ενσωματωμένο, χωρίς συγκόλληση) 1,00 N/A (άνευ ραφής) N/A (όπως-τράβηξε ή ανόπτησε) 7,5 MPa (75 bar) 5,2 MPa (52 bar) Μέγιστη βαθμολογία πίεσης Ειδικός σχεδιασμός
Επίδραση της θερμοκρασίας στις εκτιμήσεις MAWP και ρήξης ερπυσμού

Οι ονομασίες πίεσης στον παραπάνω πίνακα είναι για σέρβις σε θερμοκρασία δωματίου. 316 ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει πολύ χαμηλότερη αντοχή διαρροής και αντοχή σε ερπυσμό σε υψηλή θερμοκρασία. Για 100 βαθμούς η αντοχή διαρροής μειώνεται περίπου 5-10 %, για 200 μοίρες περίπου 15-20 %, για 300 μοίρες περίπου 30-35 % και για 400 μοίρες περίπου 45-55 %. Για θερμαντήρες σε λειτουργία υπό πίεση σε υψηλές θερμοκρασίες, το MAWP πρέπει να μειώνεται χρησιμοποιώντας τον λόγο της αντοχής διαρροής σε θερμοκρασία προς την αντοχή διαρροής σε κανονική θερμοκρασία. Το πιο σημαντικό είναι ότι για συνεχή λειτουργία σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 450 βαθμούς (ασυνήθιστο σε θερμαντήρες με έγκλειστο, αλλά είναι δυνατό σε εφαρμογές θέρμανσης αερίου), η ρήξη ερπυσμού και όχι η υποχώρηση γίνεται το περιοριστικό ζήτημα. Η αντοχή θραύσης ερπυσμού 10.000 ωρών του ανοξείδωτου χάλυβα 316 στις 500 μοίρες είναι περίπου 100 έως 120 MPa, σε σύγκριση με μια αντοχή διαρροής περίπου 140 MPa. Για μια τυπική τάση σχεδιασμού για έναν θερμαντήρα (με συντελεστή ασφαλείας 3,0 στην απόδοση), η επιτρεπόμενη τάση στις 500 μοίρες γίνεται 140/3=47 MPa, αλλά η τάση θραύσης ερπυσμού για 10.000 ώρες σε 500 μοίρες είναι περίπου 100 MPa - επομένως ο ερπυσμός δεν κυριαρχεί. Ωστόσο, η αντοχή θραύσης ερπυσμού 10.000 ωρών στις 550 μοίρες μειώνεται στα 60-70 MPa, η οποία θα μπορούσε να είναι μικρότερη από την τάση σχεδιασμού. Εάν ένας μηχανικός ορίζει για σέρβις υπό πίεση άνω των 400 μοιρών, τότε πρέπει να ζητήσει δεδομένα ρήξης ερπυσμού ή περαιτέρω μείωση.

Μέθοδοι για τη διασφάλιση της ακεραιότητας της συγκόλλησης και της διατήρησης της πίεσης

Για την επαλήθευση των συγκολλημένων ακραίων καλυμμάτων θερμαντήρων με σχεδιασμό πίεσης, χρησιμοποιούνται τέσσερις διαδικασίες για να διαπιστωθεί ότι η ονομαστική πίεση είναι η απαιτούμενη. Η πρώτη και πιο σαφής είναι η δοκιμή υδροστατικής απόδειξης. Ο θερμαντήρας είναι υπό πίεση 1,5× του MAWP με νερό ή λάδι και διατηρείται για 10-30 λεπτά, παρακολουθώντας την πτώση πίεσης ή την εμφανή διαρροή. Αυτή η δοκιμή είναι επιβλαβής για τον θερμαντήρα (το εσωτερικό MgO θα απορροφήσει την υγρασία εάν συμβεί κάποια διαρροή, έστω και μικροσκοπική) και συνήθως γίνεται σε μονάδες δειγμάτων και όχι σε θερμαντήρες παραγωγής. Η δεύτερη προσέγγιση είναι μια δοκιμή διαρροής ηλίου. Ο θερμαντήρας συμπιέζεται με ήλιο και τοποθετείται σε θάλαμο κενού συνδεδεμένο με φασματόμετρο μάζας. Ένας ρυθμός διαρροής μικρότερος από 1×10-7 mbar·L/s υποδηλώνει ερμητική σφράγιση κατάλληλη για σέρβις υψηλής πίεσης. Η τρίτη μέθοδος περιλαμβάνει ακτινογραφική αξιολόγηση της συγκόλλησης για ατελή διείσδυση, πορώδες ή ρωγμές. Ο συνδυασμός 100% ακτινογραφίας και δοκιμής διαρροής ηλίου σε κάθε θερμαντήρα παρέχει τη μέγιστη εμπιστοσύνη σε κρίσιμες εφαρμογές. Η τέταρτη μέθοδος είναι η μεταλλουργική διατομή-μιας συγκόλλησης δείγματος από κάθε παρτίδα παραγωγής για τη μέτρηση του βάθους διείσδυσης και τον έλεγχο για ρωγμές HAZ ή απουσία σύντηξης. Για πελάτες που επιθυμούν θερμαντήρες για συστήματα υπό πίεση, ένα πιστοποιητικό συμμόρφωσης με μια καθορισμένη πιστοποίηση τεχνικής συγκόλλησης (π.χ., Ενότητα IX ASME) παρέχει εκτελεστή διασφάλιση ποιότητας.

Ενδείξεις πεδίου κινδύνου συγκόλλησης και τρόποι αστοχίας υπερπίεσης

Ένας θερμαντήρας 316 κλειστού τύπου που υπόκειται σε εσωτερική πίεση μεγαλύτερη από MAWP θα αποτύχει με έναν από τους τρεις τρόπους, ανάλογα με τον σχεδιασμό και την πίεση συγκόλλησης. Το πρώτο είναι η σταδιακή υποχώρηση στο δάκτυλο της συγκόλλησης, που αποδεικνύεται από μόνιμη διόγκωση ή παραμόρφωση του περιβλήματος αμέσως κοντά στη συγκόλληση, αλλά χωρίς διαρροή. Αυτή η κατάσταση υποδηλώνει ότι ο θερμαντήρας έχει υπερπίεση αλλά μπορεί να είναι ακόμα σε λειτουργία, ωστόσο το υλικό ψυχρής εργασίας στο εξόγκωμα είναι πιο ευαίσθητο σε ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης. Ο δεύτερος τρόπος είναι η αποκόλληση συγκόλλησης, όπου η ίδια η συγκόλληση σπάει και το ακραίο καπάκι βγαίνει από τον σωλήνα. Είναι συνήθως ένα εύθραυστο κάταγμα μέσω του μετάλλου συγκόλλησης ή του HAZ που συμβαίνει γρήγορα χωρίς προηγούμενη εμφανή παραμόρφωση. Ο τρίτος τρόπος είναι η διαρροή οπής από ένα ελάττωμα πορώδους συγκόλλησης. Είναι συνήθως μια λεπτή ροή αερίου ή υγρού όταν ο θερμαντήρας είναι υπό πίεση. Η εμφάνιση σκουριάς-έγχρωμης χρώσης γύρω από τη συγκόλληση (για υδατικά υγρά) ή ανθρακούχων εναποθέσεων (για οργανικά υγρά) για-συσκευές θέρμανσης μπορεί να υποδηλώνει ιστορικό μέτριας διαρροής. Οποιοσδήποτε θερμαντήρας επιρρεπής σε ένα γνωστό συμβάν υπερπίεσης, όπως ένα νεκρό κεφάλι αντλίας ή κλειστή βαλβίδα, πρέπει να πιστοποιηθεί εκ νέου με υδροστατική δοκιμή ή να αντικατασταθεί εάν δεν υπάρχει εμφανής ζημιά.

Συμπέρασμα: Προσδιορισμός σχεδίασης συγκόλλησης ως χαρακτηριστικό ελέγχου πίεσης-

Για σωλήνες θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα 316 που χρησιμοποιούνται σε συστήματα υπό πίεση, το τοίχωμα του σωλήνα δεν είναι ο περιοριστικός παράγοντας για τη μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση λειτουργίας. Μάλλον, είναι το συγκολλημένο καπάκι του άκρου. Η ασφαλής λειτουργία μιας μικρής συγκόλλησης φιλέτου με μερική διείσδυση περιορίζεται στα 2–3 MPa (20–30 bar), αλλά μια συγκόλληση πλήρους διείσδυσης, ακτινογραφικά επιθεωρημένη και ανακουφισμένη από τάσεις, φτάνει τα 5–6 MPa (50–60 bar). Για εφαρμογές που χρειάζονται πιέσεις άνω των 6 MPa (60 bar) σε υψηλές θερμοκρασίες, θα πρέπει να προσδιορίζονται σχέδια καλύμματος χωρίς ραφή (που σχηματίζονται από τον ίδιο τον σωλήνα, άκρα με θόλο χωρίς ξεχωριστή συγκόλληση), αλλά είναι πιο ακριβά και περιορισμένης διαθεσιμότητας παραγωγής. Όταν αγοράζουν θερμαντήρες, οι μηχανικοί θα πρέπει να απαιτούν τεκμηρίωση σχετικά με τον τύπο συγκόλλησης, τη διαδικασία επιθεώρησης και τη θερμική επεξεργασία μετά την{15}}συγκόλληση για σέρβις υπό πίεση. Η παρούσα προσέγγιση επιτρέπει στους αγοραστές να επιλέξουν 316 θερμαντήρες με μανδύα που μπορούν να προσαρμόσουν με ασφάλεια την απαιτούμενη εσωτερική πίεση χωρίς υποχώρηση στη συγκόλληση, συσχετίζοντας τη γεωμετρία και το επίπεδο ποιότητας της συγκόλλησης με μετρήσιμες τιμές πίεσης που κυμαίνονται από διαρροή έως διαχωρισμό εκρηκτικών ακραίων πωμάτων, π.χ. καταστάσεις καταστροφικής αστοχίας.