Minkä suurimman sallitun käyttöpaineen ruostumattomasta teräksestä valmistettu 316-vaippainen lämmitysputki kestää ennen kuin se vuotaa hitsatun päätytulpan kohdalla

Hitsausliitos - Heikko lenkki putkimaisen lämmittimen suunnittelussa paineen alaisena

316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyn sähkölämmitysputken suurinta sallittua käyttöpainetta (MAWP), joita käytetään paineistetuissa järjestelmissä, kuten -linjassa tapahtuvissa prosessilämmittimissä, korkeapaineautoklaaveissa tai höyryä tuottavissa astioissa, rajoitetaan harvoin suoralla putken seinämällä. Komponentti, jolla on suurin jännityspitoisuus ja pienin myötö- tai repeytymismarginaali, on kuitenkin hitsattu päätykansi, joka tiivistää vaipan sisäisen vastuslangan ja magnesiumoksidieristeen rajoittamiseksi. Hitsauksen geometria, tunkeutumissyvyys, lämpövaikutusalueen (HAZ) pehmeneminen ja hitsauksesta aiheutuvat jäännösjännityskentät yhdessä määrittävät paineen, jossa päätykansi irtoaa tai hitsin lähellä oleva vaipan seinämä muotoutuu. Tässä artikkelissa esitellään kvantitatiivisesti ilmaistava menetelmä 316 päällystetyn lämmittimen turvallisen käyttöpaineen määrittämiseksi hitsin suunnittelukriteerien perusteella. Sen avulla insinööri voi määrittää lämmittimet paineistettua käyttöä varten laskettavilla turvallisuuskertoimilla.

Jännitysten keskittymismekanismit hitsatun päätykappaleen liitoksessa

Tavallinen 316-koteloitu lämmittimen päätysuljin on litteä tai kupumainen ruostumattomasta teräksestä valmistettu 316-levy, joka on hitsattu kehämäisesti suoraan putken vaippaan. Hitsaus voi olla viistosauma (joka menee päällekkäin putken ulkohalkaisijan kanssa) tai päittäishitsi (sovittaa kannen paksuuden putken seinämän kanssa). Jännitysjakauma putken seinämässä sisäisen paineen alaisena saadaan ohuen -paine-astian vanteen jännityskaavalla: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{keskiarvo}/ 2t jossa P on sisäinen paine, D_{keskiarvo} on keskihalkaisija ja t on seinämän paksuus. 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan 1,5 mm:n seinämäisellä putkella (keskihalkaisija 8,5 mm, t=1.5 mm) vanteen jännitys 10 MPa:ssa (100 bar) on noin 28 MPa-reilusti alle 205 MPa:n myötölujuuden 316, mikä antaa turvakertoimen yli 7. Mutta hitsausalue kasvaa kolmella. Ensin hitsin kärki (hitsausmetallin ja putken pinnan leikkauskohta) muodostaa geometrisen loven, jonka jännityskeskittymiskerroin (K t ) on yleensä 2,5 - 4,0, riippuen hitsausprofiilista. Toiseksi, lähellä hitsin lämpövaikutteista vyöhykettä (HAZ) on todettu alentunut myötöraja raekarkenemisen ja kylmätyöskentelyn häviämisen vuoksi, 205 MPa:sta niinkin alhaiseen kuin 150-170 MPa huonosti säädellyissä hitseissä. Kolmanneksi hitsin jäähtymisestä aiheutuvat jäännösvetolujunnot, tavallisesti 100–200 MPa, lisäävät kohdistettua painejännitystä ja voivat aiheuttaa paikallisen kokonaisjännityksen ylittämään myötön jopa paineissa, jotka ovat selvästi alle teoreettisen putken murtumispaineen. Tuloksena on, että hitsattu päätyliitos painuu kokoon paineessa, joka on yleensä 30-50 % paineesta, mikä aiheuttaisi myöten suorassa putken osassa.

Hitsauksen geometriaan ja laatutasoon perustuva kvantitatiivinen paineluokitus

316 koteloidussa lämmittimessä on hitsattu päätykansi ja turvallisen käyttöpaineen määrää hitsin geometria ja hitsin tunkeutumisen laatu. Lämmittimen valmistuksessa käytettävät hitsit luokitellaan yleensä kolmeen tyyppiin. Minimaalinen saumaus (hitsauksen jalan pituus 0,7 x putken seinämän paksuus) riittämättömällä tunkeutumisella antaa alhaisimman paineluokituksen, rajoittaen normaalisti lämmittimen 2-3 MPa:iin (20-30 bar), vaikka itse putki voisi kestää 15-20 MPa. Täysi läpitunkeuma päittäishitsi, jossa on sileä ääriviiva ja ilman alileikkausta, jota seuraa hitsauksen jälkeinen jännityksenpoisto, voi saavuttaa jopa 70-80 % suoran putken arvosta. Keskeinen parametri on hitsiliitoksen tehokkuuskerroin, joka on kuvattu paineastiakoodeissa (esim. ASME Section VIII, Division 1) hitsauslujuuden ja perusmetallin lujuuden suhteena. Tyypillinen liitoksen tehokkuus röntgenkuvatussa täysläpihitsauksessa ilman vikoja on 0,85-1,00. Pielahitsauksen hyötysuhde ilman radiografista tarkastusta laskee arvoon 0,50-0,65. Nämä tekijät on muunnettu suurimmaksi sallituiksi työpaineiksi tavanomaiselle ulkohalkaisijaltaan 10 mm x 1,5 mm:n seinämäiselle 316-vaippalle huoneenlämpötilassa turvakertoimella 3,0 perustuen saantoon.

Hitsaustyyppi Hitsausliitoksen tehokkuuden tarkastusmenetelmä Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely MAWP @ 20 astetta (MPa / bar) MAWP @ 200 astetta (MPa / bar, vähennetty lujuuden menetyksen vuoksi) Huoltosovellukset Suositeltavat
0,35 Minimaalinen filee, osittainen tunkeutuminen Vain visuaalinen Ei mitään 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar)Avoimet säiliöt, matalapaineiset kiertolämmittimet
Vakiofilee Jalan pituus Täysi 0,50 Visual + väriaineen tunkeutumisaine Ei mitään 3,5 MPa (35 bar) 2,5 MPa (25 bar) Vesi/glykolijärjestelmät, keskipaine
Täysi läpitunkeuma päittäishitsi, hiottu sileä 0,70 Väriaineen tunkeutumisaine + röntgenkuvaus (piste) Stressinpoisto (400 astetta, 1h) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Korkeapaineprosessilämmittimet, hydraulijärjestelmät
Täysi läpitunkeuma päittäishitsi taustarenkaalla 0.85 100 % röntgenkuvaus Täysi liuoshehkutus (1040 astetta + sammutus). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar). Autoklaavit, tulistettu vesi, höyry
Kupumainen päätykansi (integroitu, ei hitsausta) 1,00 N/A (saumaton) N/A (vedettynä tai hehkutettuna) 7,5 MPa (75 bar) 5,2 MPa (52 bar) Maksimipaineluokitus Erikoismuotoilu
Lämpötilan vaikutus MAWP- ja virumisrepeämisnäkökohtiin

Yllä olevan taulukon paineluokitukset koskevat huoltoa huoneenlämpötilassa. 316 ruostumattomalla teräksellä on paljon pienempi myötöraja ja virumisvastus korotetussa lämpötilassa. 100 asteessa myötölujuus pienenee noin 5-10 %, 200 asteessa noin 15-20 %, 300 asteessa noin 30-35 % ja 400 asteessa noin 45-55 %. Korkeammissa lämpötiloissa paineistetussa käytössä olevien lämmittimien suurin sallittu käyttöarvo on vähennettävä käyttämällä myötörajan suhdetta lämpötilassa myötörajaan normaalilämpötilassa. Vielä tärkeämpää on, että jatkuvassa käytössä yli 450 asteen lämpötiloissa (epätavallista koteloituissa lämmittimissä, mutta ajateltavissa kaasulämmityssovelluksissa) rajoittavaksi ongelmaksi tulee viruminen repeämisen sijaan. Ruostumattoman 316-teräksen 10 000 tunnin virumismurtolujuus 500 asteessa on noin 100-120 MPa verrattuna myötörajaan noin 140 MPa. Tyypilliselle lämmittimen suunnittelujännitykselle (turvakerroin 3,0 myönnössä) sallituksi jännitykseksi 500 asteessa tulee 140/3=47 MPa, mutta virumismurtojännitys 10 000 h 500 asteessa on noin 100 MPa, joten viruminen ei hallitse. Kuitenkin 10 000 tunnin virumismurtolujuus 550 asteessa laskee 60-70 MPa:iin, mikä voi olla pienempi kuin suunnittelujännitys. Jos insinööri määrittelee yli 400 asteen paineistetun palvelun, hänen on pyydettävä ryömintämurtumia tai vähennettävä edelleen.

Menetelmät hitsin eheyden ja paineen kestävyyden varmistamiseksi

Painesuunnittelulla varustettujen lämmittimien hitsattujen päätykansien varmentamiseen käytetään neljää menettelyä sen varmistamiseksi, että paineluokitus on vaadittu. Ensimmäinen ja tarkin on hydrostaattinen kestävyystestaus. Lämmitin paineistetaan 1,5-kertaiseen MAWP-arvoon vedellä tai öljyllä ja pidetään 10–30 minuuttia tarkkailemalla paineen laskua tai ilmeistä vuotoa. Tämä testi on vaurioittava lämmittimelle (sisäinen MgO imee kosteutta, jos vuotoa tapahtuu, jopa pientä), ja se tehdään yleensä näyteyksiköille tuotantolämmittimien sijaan. Toinen lähestymistapa on heliumvuototesti. Lämmitin paineistetaan heliumilla ja asetetaan tyhjiökammioon, joka on kiinnitetty massaspektrometriin. Vuotonopeus alle 1 × 10-7 mbar·L/s osoittaa ilmatiiviin tiivisteen, joka on sopiva korkeapainekäyttöön. Kolmas menetelmä sisältää hitsin radiografisen arvioinnin epätäydellisen tunkeutumisen, huokoisuuden tai halkeamien varalta. Jokaisen lämmittimen 100 % radiografian ja heliumvuototestauksen yhdistelmä tarjoaa maksimaalisen luottamuksen kriittisissä sovelluksissa. Neljäs menetelmä on metallurginen poikkileikkaus näytehitsauksesta kustakin tuotantoerästä tunkeutumissyvyyden mittaamiseksi ja HAZ-halkeamien tai sulamisen puuttumisen tarkistamiseksi. Asiakkaille, jotka haluavat lämmittimiä paineistettuihin järjestelmiin, tietyn hitsaustekniikan pätevyyden (esim. ASME Section IX) mukainen vaatimustenmukaisuustodistus tarjoaa täytäntöönpanokelpoisen laadunvarmistuksen.

Hitsaushäiriökentän ilmaisimet ja ylipaineen vikatilat

316-koteloitu lämmitin, johon kohdistuu suurempi sisäinen paine kuin MAWP, epäonnistuu jollakin kolmesta tavasta riippuen hitsin rakenteesta ja paineesta. Ensimmäinen on asteittainen taipuminen hitsin kärjessä, mikä ilmenee vaipan pysyvänä pullistumana tai muodonmuutoksena välittömästi hitsin lähellä, mutta ilman vuotoa. Tämä tila osoittaa, että lämmitin on ylipaineistettu, mutta saattaa silti olla käytössä, mutta pullistuman kylmätyöstömateriaali on herkempi jännityskorroosiohalkeilulle. Toinen tapa on hitsin irrotus, jossa itse hitsi katkeaa ja päätykansi irtoaa putkesta. Se on yleensä hauras murtuma hitsimetallin läpi tai HAZ, joka tapahtuu nopeasti ilman ilmeistä vääristymistä. Kolmas tila on neulanreikä, joka vuotaa ulos hitsin huokoisuusvirheestä. Se on yleensä hieno kaasu- tai nestevirta, kun lämmitin on paineistettu. Ruosteenväriset tahrat (vesipitoiset nesteet) tai hiilipitoiset saostumat (orgaaniset nesteet) käyttölämmittimissä voivat viitata vähäiseen vuotoon. Kaikki lämmittimet, jotka ovat alttiita tunnetulle ylipainetapahtumalle, kuten pumpun kuollut pää tai suljettu venttiili, on sertifioitava uudelleen hydrostaattisella testillä tai vaihdettava, jos ilmeisiä vaurioita ei ole.

Johtopäätös: hitsaussuunnittelun määrittäminen painetta-ohjaavaksi ominaisuudeksi

Painejärjestelmissä käytettävien ruostumattomasta teräksestä valmistettujen 316 lämmitysputkien seinämä ei ole suurin sallittu käyttöpaine rajoittava tekijä. pikemminkin se on hitsattu päätykannen suljin. Pienen, osittain tunkeutuvan pielahitsauksen turvallinen toiminta on rajoitettu 2–3 MPa:iin (20–30 bar), mutta täysläpivienti-päittäishitsaus, radiografisesti tarkastettu ja jännitysvapautettu, saavuttaa 5–6 MPa (50–60 bar). Sovelluksiin, joissa vaaditaan yli 6 MPa (60 bar) painetta korotetuissa lämpötiloissa, tulisi määrittää saumattomat kansimallit (muodostettu itse putkesta, kupulliset päät ilman erillistä hitsausta), mutta ne ovat kalliimpia ja tuotannon saatavuus on rajoitettua. Lämmittimiä ostaessaan insinöörien tulee vaatia dokumentaatiota hitsin tyypistä, tarkastusmenettelystä ja hitsin jälkeisestä lämpökäsittelystä paineistettua palvelua varten. Nykyisen lähestymistavan avulla ostajat voivat valita 316 vaipallista lämmitintä, jotka voivat turvallisesti omaksua vaaditun sisäisen paineen ilman myötöä hitsauksessa yhdistämällä hitsin geometrian ja laatutason mitattavissa oleviin painearvoihin, jotka vaihtelevat vuodosta räjähdysmäiseen päätykannen erotukseen, eli katastrofaalisiin vikatiloihin.