Какво максимално допустимо работно налягане издържа нагревателна тръба с обвивка от неръждаема стомана 316, преди да се поддаде на заварената крайна капачка

Заваръчната връзка - Слабото звено в конструкцията на тръбния нагревател под налягане

Максимално допустимото работно налягане (MAWP) на електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316, използвани в системи под налягане като-линейни нагреватели, автоклави с високо налягане или съдове за производство на пара рядко се ограничава от правата стена на тръбата. Компонентът с най-голяма концентрация на напрежение и най-ниска граница на провлачване или разкъсване обаче е завареното затваряне на крайната капачка, което запечатва обвивката, за да ограничи вътрешния съпротивителен проводник и изолацията от магнезиев оксид. Геометрията на заваръчния шев, дълбочината на проникване, омекването на засегнатата от топлина зона (HAZ) и остатъчните полета на напрежение от заваряването се комбинират, за да определят налягането, при което крайната капачка се издърпва или стената на обвивката близо до заваръчния шев се деформира. Тази статия представя количествено измерим метод за определяне на безопасното работно налягане на нагреватели с обшивка 316 въз основа на критерии за проектиране на заваръчния шев, което позволява на инженера да определи нагреватели за работа под налягане с изчислими коефициенти на безопасност.

Механизми за концентрация на напрежение при съединението на заварената крайна капачка

Обичайното затваряне на крайната капачка на нагревателя 316 е плосък или куполообразен диск от неръждаема стомана 316, заварен по периферията към обвивката на правата тръба. Заваръчният шев може да бъде ъглов шев (припокриващ външния диаметър на тръбата) или челен шев (съвпадащ с дебелината на капака със стената на тръбата). Разпределението на напрежението в стената на тръбата под вътрешно налягане се дава от формулата за тънко-налягане-напрежение в обръча на съда: \\sigma_{обръч}={\\rm P}D_{средно}/ 2t където P е вътрешното налягане, D_{средно} е средният диаметър и t е дебелината на стената. За тръба с OD 10 mm и стена от 1,5 mm (среден диаметър 8,5 mm, t=1.5 mm) обръчното напрежение при 10 MPa (100 бара) е приблизително 28 MPa-много под границата на провлачване 316 от 205 MPa, което дава коефициент на безопасност от над 7. Но в областта на заварката три елемента увеличават напрежението. Първо, върха на заваръчния шев (пресечната точка между заваръчния метал и повърхността на тръбата) образува геометричен прорез с коефициент на концентрация на напрежението (Kt), обикновено вариращ от 2,5 до 4,0, в зависимост от профила на заваръчния шев. Второ, установено е, че зоната, засегната от топлината в близост до заваръчния шев (HAZ), има намалена граница на провлачване поради загрубяване на зърното и загуба на студена работа, от 205 MPa до 150-170 MPa при лошо регулирани заварки. Трето, остатъчните напрежения на опън от охлаждането на заваръчния шев, обикновено 100–200 MPa, се добавят към приложеното напрежение под налягане и могат да причинят локалното общо напрежение да надвиши провлачването дори при налягания доста под теоретичното налягане на разкъсване на тръбата. Резултатът е, че завареното съединение на крайната капачка се срутва при налягане обикновено 30-50% от налягането, което би причинило поддаване в частта на правата тръба.

Количествена оценка на налягането въз основа на геометрията на заваръчния шев и нивото на качество

Нагревателят с обвивка 316 има заварена крайна капачка и безопасното работно налягане се определя от геометрията на заварката и качеството на проникване на заварката. Заваръчните шевове в производството на нагреватели обикновено се класифицират в три типа. Минимална ъглова заварка (дължина на крака на заваръчния шев 0,7 x дебелината на стената на тръбата) с неадекватно проникване дава най-ниското номинално налягане, обикновено ограничавайки нагревателя до 2-3 MPa (20-30 бара), дори ако самата тръба може да издържи 15-20 MPa. Челна заварка с пълно проникване с гладък контур и без подрязване, последвано от облекчаване на напрежението след заваряване, може да достигне стойности на налягането до 70-80% от оценката на правата тръба. Ключовият параметър е коефициентът на ефективност на заваръчните съединения, който е описан в кодовете за съдове под налягане (напр. ASME, раздел VIII, раздел 1) като съотношение на якостта на заваръчния шев към якостта на основния метал. Типичната ефективност на съединението за радиографирана заварка с пълно проникване без открити дефекти е 0,85 до 1,00. Коефициентът на полезно действие за ъглова заварка без радиографски контрол е намален до 0,50-0,65. Тези фактори са преведени в максимално допустими работни налягания за конвенционална обвивка 10 mm OD x 1,5 mm стена 316 при стайна температура с коефициент на безопасност 3,0 въз основа на добива.

Тип заваръчен шев Метод на проверка на ефективността на заваръчното съединение Топлинна обработка след заваряване MAWP @ 20 градуса (MPa / bar) MAWP @ 200 градуса (MPa / bar, понижено за загуба на якост) Сервизни приложения Препоръчителни
0,35 Минимално запълване, частично проникване Само визуално Няма 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar) Отворени резервоари, циркулационни нагреватели с ниско налягане
Стандартно филе Дължина на крака Пълна 0,50 Визуално + пенетрант за багрило Няма 3,5 MPa (35 бара) 2,5 MPa (25 бара) Системи вода/гликол, средно налягане
Челна заварка с пълно проникване, шлифована гладка 0,70 Пенетрант с багрило + радиография (точкова) Освобождаване на напрежението (400 градуса, 1 час) 5,0 MPa (50 бара) 3,5 MPa (35 бара) Процесни нагреватели с високо налягане, хидравлични системи
Челна заварка с пълно проникване с опорен пръстен 0.85 100 % радиография Отгряване с пълен разтвор (1040 градуса + закаляване). 6.0 MPa (60 бара). 4.2 MPa (42 бара). Автоклави, прегрята вода, пара
Куполообразна крайна капачка (интегрална, без заварка) 1,00 N/A (безшевна) N/A (как-изтеглена или темперирана) 7,5 MPa (75 bar) 5,2 MPa (52 bar) Максимално номинално налягане Специален дизайн
Ефект на температурата върху MAWP и съображения за разкъсване при пълзене

Стойностите за налягане в таблицата по-горе са за работа при стайна температура. 316 неръждаемата стомана има много по-ниска граница на провлачване и устойчивост на пълзене при повишена температура. За 100 градуса границата на провлачане се намалява с около 5-10%, за 200 градуса около 15-20%, за 300 градуса около 30-35% и за 400 градуса около 45-55%. За нагреватели, работещи под налягане при повишени температури, MAWP трябва да се намали, като се използва съотношението на границата на провлачване при температура към границата на провлачане при нормална температура. По-важното е, че за непрекъсната работа при температури, надвишаващи 450 градуса (необичайно за нагреватели с обвивка, но възможно при приложения за отопление с газ), разкъсването при пълзене, а не провлачването, се превръща в ограничаващ проблем. 10 000-часовата якост на разрушаване при пълзене на неръждаема стомана 316 при 500 градуса е около 100 до 120 MPa, в сравнение с граница на провлачване от около 140 MPa. За типично проектно напрежение за нагревател (с коефициент на безопасност от 3,0 на провлачване), разрешеното напрежение при 500 градуса става 140/3=47 MPa, но напрежението на разкъсване при пълзене за 10 000 часа при 500 градуса е приблизително 100 MPa, така че пълзенето не доминира. Въпреки това, якостта на разрушаване при пълзене при 10 000 часа при 550 градуса се понижава до 60-70 MPa, което може да бъде по-малко от проектното напрежение. Ако инженер посочва работа под налягане над 400 градуса, тогава той трябва да поиска данни за разкъсване при пълзене или да намали допълнително.

Методи за осигуряване на целостта на заваръчния шев и задържане на налягането

За проверка на заварени крайни капачки на нагреватели с конструкция за налягане се използват четири процедури, за да се установи, че номиналното налягане отговаря на изискванията. Първият и най-категоричен е хидростатичното изпитване. Нагревателят се поставя под налягане до 1,5 × MAWP с вода или масло и се държи за 10-30 минути, като се следи за спад на налягането или очевидно изтичане. Този тест е вреден за нагревателя (вътрешният MgO ще абсорбира влагата, ако изобщо се случи изтичане, дори и съвсем малко) и обикновено се извършва върху образци, а не върху производствени нагреватели. Вторият подход е тест за теч на хелий. Нагревателят се поставя под налягане с хелий и се поставя във вакуумна камера, прикрепена към масспектрометър. Скорост на изтичане по-малка от 1×10⁻⁷ mbar·L/s показва херметично уплътнение, подходящо за обслужване под високо налягане. Третият метод включва радиографска оценка на заваръчния шев за непълно проникване, порьозност или пукнатини. Комбинацията от 100% радиография и тест за течове с хелий на всеки нагревател осигурява максимално доверие в критични приложения. Четвъртият метод е металургично напречно-разрязване на проба от заваръчен шев от всяка производствена партида за измерване на дълбочината на проникване и проверка за пукнатини в ЗТВ или липса на стопяване. За клиенти, които искат нагреватели за системи под налягане, сертификатът за съответствие с определена квалификация за техника на заваряване (напр. ASME, раздел IX) осигурява изпълнима гаранция за качество.

Индикатори за полеви дистрес на заваръчния шев и режими на повреда при свръхналягане

Нагревател с обвивка 316, подложен на вътрешно налягане, по-голямо от MAWP, ще се повреди по един от трите начина, в зависимост от дизайна на заваръчния шев и налягането. Първият е постепенното огъване на върха на заваръчния шев, доказано от постоянно издуване или деформация на обвивката непосредствено близо до заваръчния шев, но без изтичане. Това състояние показва, че нагревателят е бил под свръхналягане, но може все още да работи, но студеният работен материал при издутината е по-податлив на корозионно напукване под напрежение. Вторият режим е отделяне на заварка, при което самата заварка се счупва и крайната капачка се отделя от тръбата. Обикновено това е крехко счупване през заваръчния метал или ЗТВ, възникващо бързо без предварително очевидно изкривяване. Третият режим е изтичане на дупка от дефект на порьозността на заваръчния шев. Обикновено това е фин поток от газ или течност, когато нагревателят е под налягане. Появата на ръждиво-цветно петно ​​около заваръчния шев (за водни течности) или въглеродни отлагания (за органични течности) за-експлоатационните нагреватели може да подскаже история на леки течове. Всеки нагревател, податлив на известен инцидент със свръхналягане, като спиране на помпата или затворен клапан, трябва да бъде повторно сертифициран чрез хидростатично изпитване или заменен, ако няма очевидна повреда.

Заключение: Определяне на дизайна на заваръчния шев като функция за-контрол на налягането

За нагревателни тръби с обшивка от неръждаема стомана 316, използвани в системи под налягане, стената на тръбата не е ограничаващият фактор за максимално допустимото работно налягане; по-скоро това е завареното затваряне на крайната капачка. Безопасното функциониране на малка ъглова заварка с частично проникване е ограничено до 2–3 MPa (20–30 бара), но челна заварка с пълно -проникване, радиографски проверена и облекчена от напрежението, достига 5–6 MPa (50–60 бара). За приложения, изискващи налягане над 6 MPa (60 бара) при повишени температури, трябва да се специфицират безшевни конструкции на капачки (формирани от самата тръба, куполообразни краища без отделна заварка), но те са по-скъпи и ограничени в производствената наличност. Когато купуват нагреватели, инженерите трябва да изискват документация за типа на заваръчния шев, процедурата за проверка и термичната обработка след заваряване за обслужване под налягане. Настоящият подход позволява на купувачите да изберат 316 облицовани нагреватели, които могат безопасно да поемат необходимото вътрешно налягане без провлачване на заваръчния шев чрез свързване на геометрията на заваръчния шев и нивото на качество с количествено измерими стойности на налягането, които варират от изтичане до експлозивно отделяне на крайната капачка, т.е. катастрофални режими на повреда.