Jakie maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze wytrzymuje osłonięta rura grzejna ze stali nierdzewnej 316 przed uplastycznieniem przy spawanym zamknięciu zaślepki

Złącze spawane - Słabe ogniwo w konstrukcji grzejnika rurowego pod ciśnieniem

Maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze (MAWP) elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 stosowanych w systemach ciśnieniowych, takich jak-nagrzewnice procesowe in-line, autoklawy wysokociśnieniowe lub zbiorniki wytwarzające parę, rzadko jest ograniczone przez prostą ściankę rury. Jednakże elementem o największej koncentracji naprężeń i najniższym marginesie plastyczności lub pęknięcia jest spawana zaślepka, która uszczelnia osłonę, ograniczając wewnętrzny drut oporowy i izolację z tlenku magnezu. Geometria spoiny, głębokość wtopienia, zmiękczenie strefy wpływu ciepła (HAZ) i pola naprężeń szczątkowych powstających podczas spawania łącznie określają ciśnienie, przy którym zaślepka zostaje oderwana lub ścianka osłony w pobliżu spoiny ulega odkształceniu. W artykule przedstawiono wymierną metodę określania bezpiecznego ciśnienia roboczego grzejników płaszczowych typu 316 w oparciu o kryteria konstrukcyjne spoiny, umożliwiającą inżynierowi określenie grzejników do pracy pod ciśnieniem z obliczalnymi współczynnikami bezpieczeństwa.

Mechanizmy koncentracji naprężeń na spawanym złączu zaślepki końcowej

Typowe zamknięcie zaślepki końcowej grzejnika 316 to płaska lub wypukła tarcza ze stali nierdzewnej 316 przyspawana obwodowo do osłony prostej rury. Spoina może być spoiną pachwinową (zachodzącą na zewnętrzną średnicę rury) lub spoiną czołową (dopasowującą grubość kołpaka do ścianki rury). Rozkład naprężeń w ściance rury pod ciśnieniem wewnętrznym jest określony przez wzór na naprężenie obręczy cienkiego-ciśnienia-naczynia: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{średnia}/ 2t gdzie P to ciśnienie wewnętrzne, D_{średnia} to średnia średnica, a t to grubość ścianki. W przypadku rury o średnicy zewnętrznej 10 mm i ściance 1,5 mm (średnia średnica 8,5 mm, t=1.5 mm) naprężenie obwodowe przy 10 MPa (100 barów) wynosi w przybliżeniu 28 MPa-znacznie poniżej granicy plastyczności 316 wynoszącej 205 MPa, co daje współczynnik bezpieczeństwa ponad 7. Jednak w obszarze spawania trzy elementy zwiększają napięcie. Po pierwsze, czoło spoiny (przecięcie metalu spoiny z powierzchnią rury) tworzy geometryczne karb o współczynniku koncentracji naprężeń (K t ) zwykle mieszczącym się w zakresie od 2,5 do 4,0, w zależności od profilu spoiny. Po drugie, stwierdzono, że strefa wpływu ciepła w pobliżu spoiny (HAZ) ma zmniejszoną granicę plastyczności z powodu gruboziarnistości ziaren i utraty pracy na zimno, od 205 MPa do zaledwie 150-170 MPa w słabo regulowanych spoinach. Po trzecie, resztkowe naprężenia rozciągające powstałe w wyniku chłodzenia spoiny, zwykle 100–200 MPa, dodają się do przyłożonego naprężenia ciśnieniowego i mogą spowodować, że lokalne naprężenie całkowite przekroczy granicę plastyczności nawet przy ciśnieniach znacznie niższych od teoretycznego ciśnienia rozerwania rury. W wyniku tego spawane złącze zaślepki zapada się pod ciśnieniem wynoszącym zazwyczaj 30–50% ciśnienia, które spowodowałoby ugięcie prostej części rury.

Ilościowa ocena ciśnienia na podstawie geometrii spoiny i poziomu jakości

Grzejnik w obudowie 316 ma przyspawaną zaślepkę, a bezpieczne ciśnienie robocze zależy od geometrii spoiny i jakości wtopienia spoiny. Spoiny stosowane w produkcji grzejników dzieli się ogólnie na trzy typy. Minimalna spoina pachwinowa (długość spoiny 0,7 x grubość ścianki rury) z niewystarczającą penetracją daje najniższe ciśnienie znamionowe, zwykle ograniczając grzejnik do 2-3 MPa (20–30 barów), nawet jeśli sama rura może wytrzymać 15–20 MPa. Spoina czołowa z pełną penetracją, o gładkim konturze i bez podcięć, po której następuje odprężanie po spawaniu, może osiągnąć ciśnienie znamionowe do 70-80% wartości znamionowej rury prostej. Kluczowym parametrem jest współczynnik wydajności złącza spawanego, który jest opisany w normach dotyczących zbiorników ciśnieniowych (np. ASME sekcja VIII, dział 1) jako stosunek wytrzymałości spoiny do wytrzymałości metalu nieszlachetnego. Typowa wydajność złącza dla spoiny z pełnym przetopem wykonanej radiogramem i bez wykrytych wad wynosi od 0,85 do 1,00. Wydajność spoiny pachwinowej bez kontroli radiograficznej zmniejsza się do 0,50-0,65. Współczynniki te przełożono na maksymalne dopuszczalne ciśnienia robocze dla konwencjonalnej osłony 316 o średnicy zewnętrznej 10 mm x 1,5 mm w temperaturze pokojowej ze współczynnikiem bezpieczeństwa 3,0 w oparciu o plastyczność.

Typ spoiny Metoda kontroli wydajności złącza spawanego Obróbka cieplna po spawaniu MAWP przy 20 stopniach (MPa/bar) MAWP przy 200 stopniach (MPa/bar, obniżona ze względu na utratę wytrzymałości) Zalecane zastosowania serwisowe
0,35 Minimalne zaokrąglenie, częściowa penetracja Tylko wizualna Brak 2,5 MPa (25 barów) 1,8 MPa (18 barów) Zbiorniki otwarte, niskociśnieniowe podgrzewacze obiegowe
Filet standardowy Długość nogi Pełny 0,50 Wizualny + penetrant Brak 3,5 MPa (35 bar) 2,5 MPa (25 bar) Instalacje wodno-glikolowe, średnie ciśnienie
Spoina czołowa z pełną penetracją, szlifowana gładka 0,70 Penetrant + radiografia (punktowa) Odprężanie (400 stopni, 1h) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Wysokociśnieniowe podgrzewacze procesowe, układy hydrauliczne
Spoina czołowa z pełnym przetopem z pierścieniem podkładowym 0.85 100 % radiografii Wyżarzanie z pełnym przesyceniem (1040 stopni + hartowanie). 6.0 MPa (60 barów). 4.2 MPa (42 barów).Autoklawy, woda przegrzana, para
Kopułowa zaślepka końcowa (zintegrowana, bez spawu) 1,00 N/A (bez szwu) N/A (ciągniona lub wyżarzana-) 7,5 MPa (75 barów) 5,2 MPa (52 barów) Maksymalne ciśnienie znamionowe Konstrukcja specjalna
Wpływ temperatury na kwestie dotyczące MAWP i pełzania

Wartości ciśnienia podane w powyższej tabeli dotyczą pracy w temperaturze pokojowej.. 316 stal nierdzewna ma znacznie niższą granicę plastyczności i odporność na pełzanie w podwyższonej temperaturze. Dla 100 stopni granica plastyczności jest zmniejszona o około 5-10%, dla 200 stopni o około 15-20%, dla 300 stopni o około 30-35% i dla 400 stopni o około 45-55%. W przypadku grzejników pracujących pod ciśnieniem w podwyższonych temperaturach MAWP należy obniżyć stosując stosunek granicy plastyczności w temperaturze do granicy plastyczności w normalnej temperaturze. Co ważniejsze, w przypadku ciągłej pracy w temperaturach przekraczających 450 stopni (niezwykłe w przypadku grzejników osłonowych, ale możliwe w zastosowaniach z ogrzewaniem gazowym), problemem ograniczającym jest raczej pękanie pełzające niż ustępowanie. Wytrzymałość na zerwanie przy pełzaniu po 10 000 godzin stali nierdzewnej 316 w temperaturze 500 stopni wynosi około 100 do 120 MPa, w porównaniu z granicą plastyczności około 140 MPa. W przypadku typowego naprężenia projektowego grzejnika (ze współczynnikiem bezpieczeństwa 3,0 w zakresie plastyczności) dopuszczalne naprężenie przy 500 stopniach wynosi 140/3=47 MPa, ale naprężenie rozrywające podczas pełzania przez 10 000 godzin w 500 stopniach wynosi w przybliżeniu 100 MPa, zatem pełzanie nie dominuje. Jednakże wytrzymałość na zerwanie przy pełzaniu po 10 000 godzin w temperaturze 550 stopni spada do 60–70 MPa, co może być mniejsze niż naprężenie projektowe. Jeżeli inżynier wymaga pracy pod ciśnieniem powyżej 400 stopni, musi zażądać danych dotyczących pęknięcia pełzającego lub dalszego obniżenia wartości znamionowych.

Metody zapewnienia integralności spoiny i utrzymania ciśnienia

Do weryfikacji spawanych zaślepek grzejników w wersji ciśnieniowej stosuje się cztery procedury w celu ustalenia, czy ciśnienie znamionowe jest wymagane. Pierwszym i najbardziej ostatecznym jest test hydrostatyczny. W podgrzewaczu podaje się ciśnienie 1,5 x MAWP za pomocą wody lub oleju i trzyma się przez 10–30 minut, obserwując spadek ciśnienia lub widoczne wycieki. Test ten jest szkodliwy dla grzejnika (wewnętrzny MgO pochłonie wilgoć, jeśli zdarzy się jakikolwiek, nawet niewielki wyciek) i zwykle przeprowadza się go na jednostkach próbnych, a nie na grzejnikach produkcyjnych. Drugie podejście to test szczelności helu. Grzejnik jest pod ciśnieniem helu i umieszczany w komorze próżniowej podłączonej do spektrometru mas. Szybkość wycieku mniejsza niż 1×10⁻⁷ mbar·L/s wskazuje na hermetyczne uszczelnienie odpowiednie do pracy pod wysokim ciśnieniem. Trzecia metoda polega na radiograficznej ocenie spoiny pod kątem niepełnej penetracji, porowatości lub pęknięć. Połączenie 100% radiografii i testów szczelności helem na każdym grzejniku zapewnia maksymalne zaufanie w krytycznych zastosowaniach. Czwartą metodą jest metalurgiczny przekrój poprzeczny-próbki spoiny z każdej partii produkcyjnej w celu zmierzenia głębokości wtopienia i sprawdzenia, czy nie ma pęknięć w strefie HAZ lub braku przetopu. Klientom poszukującym grzejników do systemów ciśnieniowych certyfikat zgodności z określoną kwalifikacją techniki spawania (np. ASME sekcja IX) zapewnia wykonalną gwarancję jakości.

Wskaźniki pola naprężenia spawalniczego i tryby awarii związanej z nadciśnieniem

Grzejnik w obudowie 316 poddany działaniu ciśnienia wewnętrznego większego niż MAWP ulegnie awarii na jeden z trzech sposobów, w zależności od konstrukcji spoiny i ciśnienia. Pierwszym z nich jest stopniowe uplastycznienie na czubku spoiny, objawiające się trwałym wybrzuszeniem lub odkształceniem osłony bezpośrednio w pobliżu spoiny, ale bez wycieków. Ten stan wskazuje, że w grzejniku panuje nadciśnienie, ale może ono nadal działać, jednakże materiał obrabiany na zimno w wybrzuszeniu jest bardziej podatny na pękanie korozyjne naprężeniowe. Drugi tryb to odrywanie spoiny, podczas której sama spoina pęka i zaślepka odpada z rury. Zwykle jest to kruche pęknięcie metalu spoiny lub SWC, które następuje szybko, bez wcześniejszego widocznego odkształcenia. Trzeci tryb to wyciek otworkowy wynikający z wady porowatości spoiny. Zwykle jest to drobny strumień gazu lub cieczy, gdy grzejnik znajduje się pod ciśnieniem. Pojawienie się rdzawych plam- wokół spoiny (w przypadku płynów wodnych) lub osadów węglowych (w przypadku płynów organicznych) w-pracujących grzejnikach może sugerować historię niewielkich wycieków. Każdy grzejnik podatny na znane zdarzenia związane z nadciśnieniem, taki jak głowica pompy lub zamknięty zawór, musi zostać poddany ponownej certyfikacji w drodze testów hydrostatycznych lub wymieniony, jeśli nie ma widocznych uszkodzeń.

Wniosek: wyznaczenie projektu spoiny jako elementu-kontrolującego ciśnienie

W przypadku rur grzewczych z płaszczem ze stali nierdzewnej 316 stosowanych w układach ciśnieniowych ściana rury nie jest czynnikiem ograniczającym maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze; jest to raczej spawane zamknięcie zaślepki. Bezpieczne funkcjonowanie małej spoiny pachwinowej z częściowym przetopem jest ograniczone do 2–3 MPa (20–30 barów), ale spoina czołowa z pełną{{6} penetracją, sprawdzona radiologicznie i odprężona, osiąga 5–6 MPa (50–60 barów). W przypadku zastosowań wymagających ciśnień przekraczających 6 MPa (60 barów) w podwyższonych temperaturach należy wybrać konstrukcje bez szwu (uformowane z samej rury, z kopułowymi końcami bez oddzielnej spoiny), ale są one droższe i mają ograniczoną dostępność produkcyjną. Kupując grzejniki, inżynierowie powinni wymagać dokumentacji dotyczącej rodzaju spoiny, procedury kontroli i obróbki cieplnej po{15}spawaniu w celu zastosowania pod ciśnieniem. Obecne podejście umożliwia kupującym wybór 316 grzejników płaszczowych, które mogą bezpiecznie wytrzymać wymagane ciśnienie wewnętrzne bez plastyczności na spoinie, poprzez powiązanie geometrii spoiny i poziomu jakości z wymiernymi wartościami ciśnienia, które wahają się od wycieku po wybuchowe oddzielenie zaślepek końcowych, tj. katastrofalne tryby awarii.