Kādu maksimālo pieļaujamo darba spiedienu iztur 316 nerūsējošā tērauda apvalka apkures caurule, pirms metinātā gala vāciņa slēgšana

Metinātais savienojums - Vājais posms cauruļveida sildītāja konstrukcijā zem spiediena

Maksimālo pieļaujamo darba spiedienu (MAWP) 316 nerūsējošā tērauda apvalkotām elektriskās sildīšanas caurulēm, ko izmanto spiediena sistēmās, piemēram, -līnijas procesa sildītājos, augstspiediena autoklāvos vai tvaika ražošanas traukos, reti ierobežo caurules taisna siena. Tomēr komponents ar vislielāko sprieguma koncentrāciju un zemāko robežu, kas var rasties vai plīst, ir metinātā gala vāciņa aizdare, kas noslēdz apvalku, lai norobežotu iekšējās pretestības stiepli un magnija oksīda izolāciju. Metināšanas šuves ģeometrija, iespiešanās dziļums, karstuma ietekmes zonas (HAZ) mīkstināšana un metināšanas atlikušie sprieguma lauki kopā nosaka spiedienu, pie kura noraujas gala vāciņš vai deformējas apvalka siena, kas atrodas tuvu metinājumam. Šajā rakstā ir sniegta kvantitatīvi nosakāma metode droša darba spiediena noteikšanai 316 apvalkotiem sildītājiem, pamatojoties uz metinājuma projektēšanas kritērijiem, ļaujot inženierim norādīt sildītājus darbam zem spiediena ar aprēķināmiem drošības koeficientiem.

Sprieguma koncentrēšanas mehānismi metinātā gala vāciņa savienojumā

Parastais 316 apvalkotais sildītāja gala vāciņš ir plakans vai kupolveida 316 nerūsējošā tērauda disks, kas ir metināts pa taisnu caurules apvalku. Metinātā šuve var būt šuve (pārklājas caurules ārējais diametrs) vai sadurmetinājums (saskaņojot vāciņa biezumu ar caurules sieniņu). Sprieguma sadalījumu caurules sieniņā zem iekšējā spiediena nosaka ar plānās-spiediena-trauka loka sprieguma formulu: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{vidējais}/ 2t, kur P ir iekšējais spiediens, D_{vidējais} ir vidējais diametrs un t ir sienas biezums. 10 mm OD caurulei ar 1,5 mm sieniņu (vidējais diametrs 8,5 mm, t=1.5 mm) stīpas spriegums pie 10 MPa (100 bar) ir aptuveni 28 MPa-, kas ir krietni zem 316 tecēšanas robežas 205 MPa, nodrošinot drošības koeficientu, kas pārsniedz metināto laukumu par 7. Taču pie metināšanas laukuma palielinās trīs. Pirmkārt, metinātās šuves uzgalis (metinātā metāla un caurules virsmas krustojums) veido ģeometrisku iegriezumu ar sprieguma koncentrācijas koeficientu (K t ), kas parasti svārstās no 2,5 līdz 4,0 atkarībā no metinājuma profila. Otrkārt, ir konstatēts, ka tuvu metinājuma karstuma ietekmes zonai (HAZ) ir samazināta tecēšanas robeža graudu rupjības un aukstā darba zuduma dēļ, no 205 MPa līdz 150–170 MPa slikti regulētās metinātās šuvēs. Treškārt, atlikušie stiepes spriegumi no metinājuma dzesēšanas, parasti 100–200 MPa, palielina pielietoto spiediena spriegumu un var izraisīt vietējā kopējā sprieguma pārsniegšanu pat pie spiediena, kas ir krietni zemāks par teorētisko caurules plīsuma spiedienu. Rezultāts ir tāds, ka metinātā gala vāciņa savienojums sabrūk pie spiediena, kas parasti ir 30–50% no spiediena, kas izraisītu taisnās caurules daļas izlaidi.

Kvantitatīvs spiediena novērtējums, pamatojoties uz metinājuma ģeometriju un kvalitātes līmeni

316 apvalkotajam sildītājam ir metināts gala vāciņš, un drošu darba spiedienu nosaka metināšanas šuves ģeometrija un metināšanas caurlaidības kvalitāte. Metinātās šuves sildītāja ražošanā parasti iedala trīs veidos. Minimāla šuve (metināšanas kājas garums ir 0,7 x caurules sieniņas biezums) ar nepietiekamu iespiešanos nodrošina zemāko spiedienu, parasti ierobežojot sildītāju līdz 2-3 MPa (20–30 bar), pat ja pati caurule var izturēt 15–20 MPa. Pilnīga iespiešanās sadurmetināšana ar gludu kontūru un bez griezuma, kam seko pēcmetināšanas spriedzes samazināšana, var sasniegt spiediena rādītājus līdz pat 70-80% no taisnās caurules novērtējuma. Galvenais parametrs ir metināto savienojumu efektivitātes koeficients, kas aprakstīts spiedtvertņu kodos (piemēram, ASME VIII sadaļa, 1. nodaļa) kā metinājuma stiprības attiecība pret parastā metāla stiprību. Tipiskā savienojuma efektivitāte rentgenogrammai veiktai pilnas iespiešanās metināšanai bez defektiem ir no 0,85 līdz 1,00. Filtrmetinājuma efektivitāte bez radiogrāfiskās pārbaudes tiek samazināta līdz 0,50-0,65. Šie faktori ir pārvērsti maksimāli pieļaujamajos darba spiedienos parastajam 10 mm OD x 1,5 mm sienas 316 apvalkam istabas temperatūrā ar drošības koeficientu 3,0, pamatojoties uz ražīgumu.

Metināšanas veids Metināšanas šuves efektivitātes pārbaudes metode Pēc metināšanas termiskā apstrāde MAWP @ 20 grādi (MPa / bar) MAWP @ 200 grādi (MPa / bar, samazināts izturības zuduma dēļ) Ieteicamie servisa pielietojumi
0,35 Minimāla fileja, daļēja iespiešanās Tikai vizuāli Nav 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar) Atvērtas tvertnes, zema spiediena cirkulācijas sildītāji
Standarta fileja Kājas garums Pilns 0,50 Vizuāls + krāsvielu caurlaidējs Nav 3,5 MPa (35 bāri) 2,5 MPa (25 bāri) Ūdens/glikola sistēmas, vidējs spiediens
Pilna iespiešanās sadurmetināšana, gluda slīpēšana 0,70 Krāsas caurlaide + radiogrāfija (punkts) Sprieguma samazināšana (400 grādi, 1 h) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Augstspiediena procesa sildītāji, hidrauliskās sistēmas
Pilnas caurlaidības sadurmetināšana ar atbalsta gredzenu 0.85 100 % radiogrāfija Pilna šķīduma atkausēšana (1040 grādi + dzēšana). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar). Autoklāvi, pārkarsēts ūdens, tvaiks
Kupolveida gala vāciņš (integrēts, bez metināšanas) 1,00 N/A (bezšuvju) N/A (izvilkts vai atkvēlināts) 7,5 MPa (75 bāri) 5,2 MPa (52 bāri) Maksimālais spiediena novērtējums Īpašs dizains
Temperatūras ietekme uz MAWP un šļūdes pārrāvuma apsvērumiem

Iepriekš tabulā norādītie spiediena rādītāji attiecas uz apkalpošanu istabas temperatūrā. 316. Nerūsējošajam tēraudam ir daudz zemāka tecēšanas robeža un šļūdes pretestība paaugstinātā temperatūrā. 100 grādiem tecēšanas robeža tiek samazināta par aptuveni 5-10%, 200 grādiem apmēram 15-20%, 300 grādiem apmēram 30-35% un 400 grādiem apmēram 45-55%. Sildītājiem, kas darbojas zem spiediena paaugstinātā temperatūrā, MAWP samazina, izmantojot tecēšanas robežas attiecību temperatūrā pret tecēšanas robežu normālā temperatūrā. Vēl svarīgāk ir tas, ka nepārtrauktai darbībai temperatūrā, kas pārsniedz 450 grādus (neparasti apvalkotajos sildītājos, bet ir iedomājama gāzes apkures lietojumos), ierobežojošā problēma kļūst par šļūdes plīsumu, nevis padevi. 316 nerūsējošā tērauda 10 000 stundu šļūdes pārrāvuma izturība pie 500 grādiem ir aptuveni 100 līdz 120 MPa, salīdzinot ar tecēšanas robežu aptuveni 140 MPa. Tipiskam sildītāja konstrukcijas spriegumam (ar drošības koeficientu 3,0 pie atdeves) pieļaujamais spriegums pie 500 grādiem kļūst par 140/3=47 MPa, bet šļūdes pārrāvuma spriegums 10 000 stundās pie 500 grādiem ir aptuveni 100 MPa, tāpēc šļūde nedominē. Tomēr 10 000 h šļūdes pārrāvuma izturība pie 550 grādiem samazinās līdz 60–70 MPa, kas varētu būt mazāka par projektēto spriegumu. Ja inženieris nosaka spiediena apkalpošanu virs 400 grādiem, viņam ir jāpieprasa dati par šļūdes pārrāvumu vai jāturpina samazinājums.

Metināšanas šuvju integritātes un spiediena noturības nodrošināšanas metodes

Lai pārbaudītu sildītāju ar spiediena konstrukciju metināto gala vāciņu, tiek izmantotas četras procedūras, lai noteiktu, vai spiediena vērtība atbilst prasībām. Pirmā un visprecīzākā ir hidrostatiskā pārbaude. Sildītājs tiek pakļauts spiedienam līdz 1,5 reizes MAWP ar ūdeni vai eļļu un tiek turēts 10–30 minūtes, vērojot spiediena kritumu vai acīmredzamu noplūdi. Šis tests bojā sildītāju (iekšējais MgO absorbēs mitrumu, ja notiek vispār, pat niecīga, noplūde), un to parasti veic paraugu vienībām, nevis ražošanas sildītājiem. Otrā pieeja ir hēlija noplūdes pārbaude. Sildītājs tiek pakļauts spiedienam ar hēliju un ievietots vakuuma kamerā, kas pievienota masas spektrometram. Noplūdes ātrums, kas mazāks par 1 × 10⁻⁷ mbar·L/s, norāda uz hermētisku blīvējumu, kas piemērots augsta spiediena apkalpošanai. Trešā metode ietver metināšanas šuves radiogrāfisko novērtēšanu, lai noteiktu nepilnīgu iespiešanos, porainību vai plaisas. Katra sildītāja 100 % radiogrāfijas un hēlija noplūdes pārbaudes kombinācija nodrošina maksimālu uzticēšanos kritiskos lietojumos. Ceturtā metode ir metalurģiskā šķērsgriezuma{15}}metinājuma paraugs no katras ražošanas partijas, lai izmērītu iespiešanās dziļumu un pārbaudītu HAZ plaisas vai saplūšanas neesamību. Klientiem, kuri vēlas sildītājus zem spiediena sistēmām, atbilstības sertifikāts noteiktai metināšanas tehnikas kvalifikācijai (piemēram, ASME IX sadaļa) nodrošina izpildāmu kvalitātes nodrošināšanu.

Metināšanas avārijas lauka indikatori un pārspiediena atteices režīmi

316 apvalkotais sildītājs, kas pakļauts iekšējam spiedienam, kas ir lielāks par MAWP, sabojāsies vienā no trim veidiem atkarībā no metinājuma konstrukcijas un spiediena. Pirmā ir pakāpeniska piekāpšanās pie metinājuma šuves, par ko liecina paliekoša apvalka izliekšanās vai deformācija tieši metinājuma vietā, bet bez noplūdes. Šis stāvoklis norāda, ka sildītājā ir bijis pārmērīgs spiediens, taču tas joprojām var darboties, tomēr aukstā apstrādes materiāls izliekumā ir vairāk pakļauts sprieguma korozijas plaisāšanai. Otrais režīms ir metināšanas šuves atdalīšana, kad pati metinātā šuve saplīst un gala vāciņš atdalās no caurules. Parasti tas ir trausls lūzums caur metināto metālu vai HAZ, kas notiek ātri bez iepriekšējiem acīmredzamiem kropļojumiem. Trešais režīms ir cauruma noplūde no metināšanas porainības defekta. Kad sildītājs ir zem spiediena, tā parasti ir smalka gāzes vai šķidruma plūsma. Rūsas krāsas traipu parādīšanās ap metināšanas vietu (ūdens šķidrumiem) vai oglekli saturošiem nosēdumiem (organiskajiem šķidrumiem) ekspluatācijas sildītājiem var liecināt par nelielu noplūdi. Jebkurš sildītājs, kas ir pakļauts zināmam pārspiediena incidentam, piemēram, sūkņa bloķēšanai vai aizvērtam vārstam, ir atkārtoti jāsertificē, veicot hidrostatisko testu, vai jānomaina, ja nav acīmredzamu bojājumu.

Secinājums: metināšanas konstrukcijas noteikšana kā spiediena{0}}kontroles funkcija

316 nerūsējošā tērauda apkures caurulēm ar apvalku, ko izmanto spiediena sistēmās, caurules siena nav ierobežojošais faktors maksimālajam pieļaujamajam darba spiedienam; drīzāk tā ir metināta gala vāciņa aizdare. Nelielas šķembas šuves ar daļēju iespiešanos droša darbība ir ierobežota līdz 2–3 MPa (20–30 bāri), bet pilnīgas iespiešanās sadurmetinājuma šuve, kas tiek pārbaudīta rentgenoloģiski un atbrīvota no spriedzes, sasniedz 5–6 MPa (50–60 bārus). Lietojumiem, kam nepieciešams spiediens, kas pārsniedz 6 MPa (60 bāri) paaugstinātā temperatūrā, ir jānorāda bezšuvju vāciņu konstrukcijas (veidotas no pašas caurules, kupolveida gali bez atsevišķas metināšanas), taču tie ir dārgāki un ierobežota ražošanas pieejamība. Iegādājoties sildītājus, inženieriem ir jāpieprasa dokumentācija par metināšanas šuves veidu, pārbaudes procedūru un pēc{15}}metināšanas termisko apstrādi spiediena apkalpošanai. Pašreizējā pieeja ļauj pircējiem izvēlēties 316 apvalkotus sildītājus, kas var droši pielāgot nepieciešamo iekšējo spiedienu, nesasniedzot metinājuma šuves atdevi, saistot metinājuma ģeometriju un kvalitātes līmeni ar kvantitatīvi nosakāmiem spiediena rādītājiem, kas svārstās no noplūdes līdz sprādzienbīstamam gala vāciņa atdalīšanai, ti, katastrofālas atteices režīmiem.