Kokį didžiausią leistiną darbinį slėgį atlaiko 316 nerūdijančio plieno apvalkalu aptrauktas šildymo vamzdis prieš suvirintą galinį dangtelį

Suvirinimo jungtis - Silpna vamzdinio šildytuvo konstrukcijos grandis esant slėgiui

Didžiausią leistiną 316 nerūdijančio plieno elektrinio šildymo vamzdžių su apvalkalu, naudojamų slėginėse sistemose, pvz., -linijinių procesų šildytuvuose, aukšto slėgio autoklavuose ar garą gaminančiuose induose, darbinį slėgį (MAWP) retai riboja tiesi vamzdžio sienelė. Tačiau komponentas, turintis didžiausią įtempių koncentraciją ir mažiausią ištekėjimo ar plyšimo ribą, yra suvirintas galinio dangtelio uždarymas, kuris užsandarina apvalkalą, kad apribotų vidinės varžos laidą ir magnio oksido izoliaciją. Suvirinimo geometrija, įsiskverbimo gylis, karščio paveiktos zonos (HAZ) suminkštėjimas ir suvirinimo liekamieji įtempių laukai kartu nustato slėgį, kuriam esant galinis dangtelis atsitraukia arba deformuojasi arti suvirinimo siūlės esanti apvalkalo sienelė. Šiame straipsnyje pateikiamas kiekybiškai įvertinamas 316 apvalkalų šildytuvų saugaus darbinio slėgio nustatymo metodas, pagrįstas suvirinimo projektavimo kriterijais, leidžiantis inžinieriui nurodyti šildytuvus, skirtus slėginiam darbui su apskaičiuojamais saugos koeficientais.

Įtempių koncentravimo mechanizmai suvirinto galo dangtelio sandūroje

Įprastas 316 gaubtas šildytuvo galinio dangtelio uždarymas yra plokščias arba kupolinis 316 nerūdijančio plieno diskas, perimetru suvirintas prie tiesaus vamzdžio apvalkalo. Suvirinimas gali būti suvirinimas (uždengiantis vamzdžio išorinį skersmenį) arba sandūrinis suvirinimas (dangtelio storis atitinkantis vamzdžio sienelę). Įtempių pasiskirstymas vamzdžio sienelėje, veikiant vidiniam slėgiui, apskaičiuojamas pagal ploną -slėgio-kraujagyslės lanko įtempių formulę: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{vidurkis}/ 2t, kur P yra vidinis slėgis, D_{vidurkis} yra vidutinis skersmuo ir t yra sienelės storis. 10 mm OD vamzdžio su 1,5 mm sienele (vidutinis skersmuo 8,5 mm, t=1.5 mm) lanko įtempis esant 10 MPa (100 barų) yra apytiksliai 28 MPa-gerokai mažesnis už 316 takumo ribą 205 MPa, todėl saugos koeficientas yra didesnis nei 7, kai suvirinamasis plotas padidėja trimis. Pirma, suvirinimo pirštas (suvirinimo metalo ir vamzdžio paviršiaus sankirta) sudaro geometrinę įpjovą, kurios įtempių koncentracijos koeficientas (K t ) paprastai svyruoja nuo 2,5 iki 4,0, priklausomai nuo suvirinimo profilio. Antra, nustatyta, kad artimos suvirinimo šilumos paveiktos zonos (HAZ) takumo riba dėl grūdelių grubėjimo ir šalto darbo praradimo sumažėjo nuo 205 MPa iki 150–170 MPa prastai reguliuojamose siūlėse. Trečia, liekamieji tempimo įtempiai, atsirandantys dėl suvirinimo siūlės aušinimo, paprastai 100–200 MPa, padidina taikomą slėgio įtempį ir gali sukelti vietinį bendrą įtempį, viršijantį išeigą net esant slėgiui, gerokai mažesniam už teorinį vamzdžio plyšimo slėgį. Rezultatas yra toks, kad suvirintos galinės dangtelio jungtis susitraukia esant slėgiui, kuris paprastai sudaro 30–50 % slėgio, dėl kurio tiesia vamzdžio dalis atsirastų.

Kiekybinis slėgio įvertinimas, pagrįstas suvirinimo geometrija ir kokybės lygiu

316 gaubtas šildytuvas turi suvirintą galinį dangtelį, o saugų darbinį slėgį lemia suvirinimo geometrija ir siūlės įsiskverbimo kokybė. Suvirinimo siūlės šildytuvų gamyboje paprastai skirstomos į tris tipus. Minimalus suvirinimas (suvirinimo kojelės ilgis 0,7 x vamzdžio sienelės storis) su nepakankamu įsiskverbimu suteikia žemiausią slėgio įvertinimą, paprastai apribodamas šildytuvą iki 2-3 MPa (20-30 barų), net jei pats vamzdis gali atlaikyti 15-20 MPa. Visiškai prasiskverbiantis sandūrinis suvirinimas, turintis lygų kontūrą ir be įpjovimų, o po to pašalinamas įtempis po suvirinimo, gali pasiekti iki 70–80 % tiesių vamzdžių slėgio. Pagrindinis parametras yra suvirinimo jungties efektyvumo koeficientas, kuris aprašytas slėginių indų kodeksuose (pvz., ASME VIII skyrius, 1 skyrius) kaip suvirinimo stiprio ir netauriųjų metalų stiprumo santykis. Įprastas jungties efektyvumas rentgenografiškai pilnai įsiskverbiamoms siūlėms be defektų yra nuo 0,85 iki 1,00. Filtrinio suvirinimo be radiografinio patikrinimo efektyvumas sumažinamas iki 0,50-0,65. Šie faktoriai buvo paversti didžiausiu leistinu darbiniu slėgiu įprastiniam 10 mm OD x 1,5 mm sieniniam 316 apvalkalui kambario temperatūroje, kai saugos koeficientas yra 3,0, atsižvelgiant į išeigą.

Suvirinimo tipas Suvirinimo jungties efektyvumo tikrinimo metodas Apdorojimas po suvirinimo terminis MWP @ 20 laipsnių (MPa / bar) MAWP @ 200 laipsnių (MPa / baras, sumažintas dėl stiprumo praradimo) Rekomenduojamos paslaugos
0,35 Minimalus užpildas, dalinis įsiskverbimas Tik vizualiai Nėra 2,5 MPa (25 barai) 1,8 MPa (18 bar) Atviros talpyklos, žemo slėgio cirkuliaciniai šildytuvai
Standartinė filė Kojos ilgis Visas 0,50 Vizualinis + dažų skvarba Jokio 3,5 MPa (35 barai) 2,5 MPa (25 barai) Vandens / glikolio sistemos, vidutinio slėgio
Visiškai įsiskverbiantis sandūrinis suvirinimas, lygus šlifavimas 0,70 Dažų įsiskverbimo medžiaga + rentgenografija (taškinė) Įtempių mažinimas (400 laipsnių, 1 val.) 5,0 MPa (50 barų) 3,5 MPa (35 barų) Aukšto slėgio proceso šildytuvai, hidraulinės sistemos
Visiškai prasiskverbiantis sandūrinis suvirinimas su atraminiu žiedu 0.85 100 % rentgenografija Pilnas tirpalo atkaitinimas (1040 laipsnių + gesinimas). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar). Autoklavai, perkaitintas vanduo, garai
Kupolo formos dangtelis (integruotas, be suvirinimo) 1,00 N/A (besiūlis) N/A (-temptas arba atkaitintas) 7,5 MPa (75 barai) 5,2 MPa (52 barai) Maksimalus slėgio įvertinimas Specialus dizainas
Temperatūros įtaka DMD ir valkšnumo plyšimo svarstymams

Aukščiau pateiktoje lentelėje pateikti slėgio rodikliai skirti eksploatuoti kambario temperatūroje. 316. Nerūdijančio plieno takumo riba ir atsparumas valkšnumui aukštesnėje temperatūroje yra daug mažesnis. 100 laipsnių takumo riba sumažinama apie 5-10%, 200 laipsnių - apie 15-20%, 300 laipsnių - apie 30-35%, o 400 laipsnių - apie 45-55%. Šildytuvų, naudojamų esant slėgiui aukštesnėje temperatūroje, DSD sumažinamas naudojant takumo ribą esant temperatūrai ir takumo ribą normalioje temperatūroje. Dar svarbiau, kad nepertraukiamai veikiant aukštesnėje nei 450 laipsnių temperatūroje (neįprasta šildytuvuose su korpusu, bet įmanoma dujinio šildymo įrenginiuose), ribojančia problema tampa šliaužimo plyšimas, o ne pasileidimas. 316 nerūdijančio plieno 10 000 valandų valkšnumo plyšimo stipris 500 laipsnių kampu yra apie 100–120 MPa, palyginti su maždaug 140 MPa takumo riba. Esant tipiniam šildytuvo projektiniam įtempiui (kai išeigos saugos koeficientas yra 3,0), leistinas įtempis 500 laipsnių kampu tampa 140/3=47 MPa, tačiau valkšnumo plyšimo įtempis 10 000 val. esant 500 laipsnių yra maždaug 100 MPa, todėl valkšnumas nedominuoja. Tačiau 10 000 valandų valkšnumo plyšimo stiprumas esant 550 laipsnių sumažėja iki 60–70 MPa, o tai gali būti mažesnis nei projektinis įtempis. Jei inžinierius nurodo aukštesnio nei 400 laipsnių slėgio aptarnavimą, jis turi paprašyti slinkimo plyšimo duomenų arba toliau mažinti.

Suvirinimo vientisumo ir slėgio išlaikymo užtikrinimo metodai

Slėgio konstrukcijos šildytuvų suvirintų galinių dangtelių patikrinimui taikomos keturios procedūros, siekiant nustatyti, ar slėgio vertė atitinka reikalavimus. Pirmasis ir tiksliausias yra hidrostatinio atsparumo bandymas. Vandeniu arba aliejumi šildytuve suspaudžiamas slėgis iki 1,5 karto didesnio kaip DDL ir laikomas 10–30 minučių, stebint, ar slėgis nenukrenta arba ar nėra akivaizdaus nuotėkio. Šis bandymas kenkia šildytuvui (vidinis MgO sugers drėgmę, jei įvyktų bet koks, net ir nedidelis, nuotėkis) ir paprastai atliekamas bandinių vienetams, o ne gamybos šildytuvams. Antrasis metodas yra helio nuotėkio bandymas. Šildytuvas yra suslėgtas heliu ir dedamas į vakuuminę kamerą, pritvirtintą prie masės spektrometro. Jei nuotėkio greitis mažesnis nei 1 × 10⁻⁷ mbar·L/s, tai rodo, kad hermetiškas sandariklis tinka aukšto slėgio eksploatacijai. Trečiasis metodas apima radiografinį suvirinimo siūlės įvertinimą, ar nėra visiško įsiskverbimo, poringumo ar įtrūkimų. 100 % rentgenografijos ir helio nuotėkio bandymų derinys kiekviename šildytuve užtikrina maksimalų pasitikėjimą kritiniais atvejais. Ketvirtasis metodas yra metalurginis kiekvienos gamybos partijos mėginio suvirinimo{15}}pjūvis, siekiant išmatuoti įsiskverbimo gylį ir patikrinti, ar nėra HAZ įtrūkimų ar susiliejimo. Klientams, norintiems šildytuvų slėginėms sistemoms, atitikties sertifikatas, atitinkantis nurodytą suvirinimo technikos kvalifikaciją (pvz., ASME IX skyrius), užtikrina būtiną kokybės užtikrinimą.

Suvirinimo streso lauko indikatoriai ir viršslėgio gedimo režimai

316 gaubtas šildytuvas, kurio vidinis slėgis didesnis nei MAWP, suges vienu iš trijų būdų, priklausomai nuo suvirinimo konstrukcijos ir slėgio. Pirmoji – laipsniškas lenkimas ties suvirinimo siūle, kurį liudija nuolatinis apvalkalo išsipūtimas arba deformacija iškart arti suvirinimo siūlės, bet be nuotėkio. Ši sąlyga rodo, kad šildytuve buvo per didelis slėgis, tačiau jis vis dar gali būti naudojamas, tačiau šaltai apdirbama medžiaga ties iškilimu yra jautresnė įtempių korozijos įtrūkimams. Antrasis režimas yra suvirinimo siūlės atskyrimas, kai pati suvirinimo siūlė nutrūksta ir galinis dangtelis nuimamas nuo vamzdžio. Paprastai tai yra trapus suvirinimo metalo lūžis arba HAZ, greitai atsirandantis be akivaizdžių iškraipymų. Trečiasis režimas yra skylės nutekėjimas iš suvirinimo akytumo defekto. Paprastai tai yra smulkus dujų ar skysčio srautas, kai šildytuve yra slėgis. Rūdžių spalvos dėmių atsiradimas aplink suvirinimo siūlę (vandeniniams skysčiams) arba anglies nuosėdos (organiniams skysčiams) eksploatuojamų šildytuvų Bet koks šildytuvas, kuriam būdingas žinomas perteklinio slėgio incidentas, pvz., siurblio uždarymas arba uždarytas vožtuvas, turi būti pakartotinai sertifikuotas atliekant hidrostatinį bandymą arba pakeistas, jei nėra akivaizdžių pažeidimų.

Išvada: suvirinimo konstrukcijos nustatymas kaip slėgio{0}}valdymo funkcija

316 nerūdijančio plieno aptrauktų šildymo vamzdžių, naudojamų slėginėse sistemose, vamzdžio sienelė nėra didžiausią leistiną darbinį slėgį ribojantis veiksnys; veikiau tai yra suvirintas galinio dangtelio uždarymas. Saugus mažo dalinio suvirinimo siūlės veikimas ribojamas iki 2–3 MPa (20–30 barų), tačiau pilnai įsiskverbiantis sandūrinis suvirinimas, patikrintas radiografiškai ir pašalintas įtempis, pasiekia 5–6 MPa (50–60 barų). Tais atvejais, kai reikalingas slėgis, viršijantis 6 MPa (60 barų) esant aukštesnei temperatūrai, turėtų būti nurodytos besiūlių dangtelių konstrukcijos (suformuotos iš paties vamzdžio, kupoliniai galai be atskiro suvirinimo), tačiau jie yra brangesni ir ribotas gamybos prieinamumas. Įsigydami šildytuvus, inžinieriai turėtų reikalauti dokumentų apie suvirinimo tipą, tikrinimo procedūrą ir po{15}}suvirinimo terminį apdorojimą, kad būtų atliktas slėgis. Taikant dabartinį metodą pirkėjai gali pasirinkti 316 apvalkalų šildytuvų, kurie gali saugiai pritaikyti reikiamą vidinį slėgį, nesukeldami suvirinimo siūlės, susiejant suvirinimo geometriją ir kokybės lygį su kiekybiškai įvertinamomis slėgio vertėmis, kurios svyruoja nuo nuotėkio iki sprogstamojo galinių dangtelių atskyrimo, ty katastrofiškų gedimų režimų.