Welke maximaal toegestane werkdruk kan een met roestvrij staal omhulde verwarmingsbuis van 316 weerstaan ​​voordat hij meegeeft bij de gelaste eindkapsluiting

De lasverbinding - De zwakke schakel in het ontwerp van buisverwarmers onder druk

De maximaal toegestane werkdruk (MAWP) van 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen die worden gebruikt in systemen onder druk, zoals in-inline procesverwarmers, hogedrukautoclaven of stoomproducerende vaten, wordt zelden beperkt door de rechte buiswand. Het onderdeel met de grootste spanningsconcentratie en de laagste marge om mee te geven of te scheuren is echter de gelaste eindkapsluiting die de mantel afdicht om de interne weerstandsdraad en de magnesiumoxide-isolatie op te sluiten. De lasgeometrie, penetratiediepte, verzachting van de door hitte beïnvloede zone (HAZ) en restspanningsvelden van het lassen bepalen samen de druk waarbij de eindkap loskomt of de mantelwand dicht bij de las vervormt. Dit artikel presenteert een kwantificeerbare methode voor het bepalen van de veilige werkdruk van 316 mantelverwarmers op basis van lasontwerpcriteria, waardoor de ingenieur verwarmers kan specificeren voor gebruik onder druk met berekenbare veiligheidsfactoren.

Spanningsconcentratiemechanismen bij de gelaste eindkapverbinding

De gebruikelijke 316 ingekapselde eindkapsluiting van de verwarmer is een platte of koepelvormige 316 roestvrijstalen schijf die langs de omtrek aan de rechte buismantel is gelast. De las kan een hoeklas zijn (die de buitendiameter van de buis overlapt) of een stuiklas (die overeenkomt met de dikte van de dop met de buiswand). De verdeling van de spanning in de wand van de buis onder interne druk wordt gegeven door de dunne-druk-formule voor de spanning van de vatring: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t, waarbij P de interne druk is, D_{mean} de gemiddelde diameter is en t de dikte van de wand is. Voor een buis met een buitendiameter van 10 mm en een wand van 1,5 mm (gemiddelde diameter 8,5 mm, t=1.5 mm) is de ringspanning bij 10 MPa (100 bar) ruwweg 28 MPa-ruim onder de 316-vloeigrens van 205 MPa, wat een veiligheidsfactor oplevert van meer dan 7. Maar in het lasgebied verhogen drie elementen de spanning. Ten eerste vormt de lasteen (de kruising tussen het lasmetaal en het buisoppervlak) een geometrische inkeping met een spanningsconcentratiefactor (Kt) die gewoonlijk varieert van 2,5 tot 4,0, afhankelijk van het lasprofiel. Ten tweede is gebleken dat de door hitte beïnvloede zone (HAZ) in de buurt van de las een verminderde rekgrens heeft als gevolg van korrelvergroving en verlies van koudvervorming, van 205 MPa tot wel 150-170 MPa bij slecht gereguleerde lassen. Ten derde dragen de resterende trekspanningen als gevolg van laskoeling, gewoonlijk 100-200 MPa, bij aan de uitgeoefende drukspanning en kunnen ervoor zorgen dat de lokale totale spanning de vloei overschrijdt, zelfs bij drukken ver onder de theoretische buisbreukdruk. Het resultaat is dat de gelaste eindkapverbinding bezwijkt bij een druk die in het algemeen 30-50% bedraagt ​​van de druk die zou leiden tot meegeven in het rechte buisgedeelte.

Kwantitatieve drukwaardering gebaseerd op lasgeometrie en kwaliteitsniveau

De 316 ingekapselde verwarmer heeft een gelaste eindkap en de veilige werkdruk wordt bepaald door de lasgeometrie en de kwaliteit van de laspenetratie. Lassen bij de productie van verwarmingstoestellen worden over het algemeen in drie typen ingedeeld. Een minimale hoeklas (lasbeenlengte 0,7 x buiswanddikte) met onvoldoende penetratie geeft de laagste drukwaarde, waarbij de verwarmer normaal gesproken wordt beperkt tot 2-3 MPa (20-30 bar), zelfs als de buis zelf in staat is om 15-20 MPa te weerstaan. Een stomplas met volledige penetratie met gladde contouren en zonder ondersnijding, gevolgd door spanningsverlichting na het lassen, kan drukwaarden bereiken tot 70-80% van de nominale buiswaarde. De belangrijkste parameter is de efficiëntiefactor van de lasverbinding, die in de drukvatcodes (bijvoorbeeld ASME Sectie VIII, Divisie 1) wordt beschreven als de verhouding tussen de lassterkte en de sterkte van het basismetaal. Typische verbindingsefficiëntie voor een geradigrafeerde las met volledige penetratie zonder dat er fouten worden ontdekt, is 0,85 tot 1,00. Het rendement voor een hoeklas zonder radiografische inspectie wordt teruggebracht tot 0,50-0,65. Deze factoren zijn vertaald in maximaal toegestane werkdrukken voor een conventionele 316-mantel met een buitendiameter van 10 mm x 1,5 mm wand bij kamertemperatuur met een veiligheidsfactor van 3,0 op basis van de opbrengst.

Lastype Efficiëntie van de lasverbinding Inspectiemethode Warmtebehandeling na het lassen MAWP @ 20 graden (MPa / bar) MAWP @ 200 graden (MPa / bar, verminderd vanwege sterkteverlies) Servicetoepassingen aanbevolen
0,35 Minimale filet, gedeeltelijke penetratieAlleen visueel Geen 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar)Open tanks, lagedrukcirculatieverwarmers
Standaardfilet Pootlengte Volledig 0,50 Visueel + kleurpenetrerendGeen 3,5 MPa (35 bar) 2,5 MPa (25 bar)Water/glycolsystemen, gemiddelde druk
Volledige penetratie stomplas, glad geslepen 0,70 Kleurpenetratie + radiografie (punt) Spanningsverlichting (400 graden, 1 uur) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Hogedruk procesverwarmers, hydraulische systemen
Stomplas met volledige penetratie en steunring 0.85 100 % radiografie Uitgloeien met volledige oplossing (1040 graden + afschrikken). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar). Autoclaven, oververhit water, stoom
Koepelvormige eindkap (integraal, geen las) 1,00 N.v.t. (naadloos) N.v.t. (zoals-getrokken of uitgegloeid) 7,5 MPa (75 bar) 5,2 MPa (52 bar) Maximale drukwaarde Speciaal ontwerp
Effect van temperatuur op MAWP- en kruipbreukoverwegingen

De drukwaarden in de bovenstaande tabel gelden voor gebruik bij kamertemperatuur.. 316 roestvrij staal heeft een veel lagere vloeigrens en kruipweerstand bij hogere temperaturen. Voor 100 graden wordt de vloeigrens met ongeveer 5-10% verlaagd, voor 200 graden met ongeveer 15-20%, voor 300 graden met ongeveer 30-35% en voor 400 graden met ongeveer 45-55%. Voor verwarmingstoestellen die bij hoge temperaturen onder druk staan, wordt de MAWP verlaagd op basis van de verhouding tussen de vloeigrens bij temperatuur en de vloeigrens bij normale temperatuur. Belangrijker is dat bij continu gebruik bij temperaturen boven de 450 graden (ongebruikelijk bij omhulde verwarmingstoestellen maar denkbaar bij gasverwarmingstoepassingen) kruipbreuk in plaats van meegeven het beperkende probleem wordt. De kruipbreeksterkte na 10.000 uur van roestvrij staal 316 bij 500 graden bedraagt ​​ongeveer 100 tot 120 MPa, vergeleken met een vloeigrens van ongeveer 140 MPa. Voor een typische ontwerpspanning voor een verwarming (met een veiligheidsfactor van 3,0 op opbrengst), wordt de toegestane spanning bij 500 graden 140/3=47 MPa, maar de kruipbreukspanning gedurende 10.000 uur bij 500 graden is ongeveer 100 MPa, dus kruip domineert niet. De kruip-breeksterkte na 10.000 uur bij 550 graden daalt echter tot 60-70 MPa, wat minder zou kunnen zijn dan de ontwerpspanning. Als een ingenieur een drukbedrijf boven 400 graden specificeert, moet hij gegevens over kruipbreuken opvragen of verder verlagen.

Methoden om lasintegriteit en drukbehoud te garanderen

Voor de verificatie van gelaste eindkappen van verwarmingstoestellen met een drukontwerp worden vier procedures gebruikt om vast te stellen dat de drukwaarde naar wens is. De eerste en meest definitieve is het hydrostatisch testen. De verwarmer wordt met water of olie op druk gebracht tot 1,5× de MAWP en gedurende 10-30 minuten vastgehouden, waarbij wordt gelet op drukval of duidelijke lekkage. Deze test is schadelijk voor de verwarmer (het interne MgO zal vocht absorberen als er überhaupt een lekkage optreedt, hoe klein ook) en wordt meestal uitgevoerd op monstereenheden in plaats van op productieverwarmers. De tweede benadering is een heliumlektest. De verwarmer wordt met helium onder druk gezet en in een vacuümkamer geplaatst die aan een massaspectrometer is bevestigd. Een leksnelheid van minder dan 1×10⁻⁷ mbar·L/s duidt op een hermetische afdichting die geschikt is voor hogedrukgebruik. De derde methode omvat radiografische evaluatie van de las op onvolledige penetratie, porositeit of scheuren. De combinatie van 100% radiografie en heliumlektesten op elke verwarmer zorgt voor maximaal vertrouwen in kritische toepassingen. De vierde methode is de metallurgische dwarsdoorsnede-van een lasmonster van elke productiepartij om de penetratiediepte te meten en te controleren op HAZ-scheuren of de afwezigheid van versmelting. Voor klanten die verwarmingstoestellen voor systemen onder druk willen, biedt een conformiteitscertificaat met een gespecificeerde lastechniekkwalificatie (bijv. ASME Sectie IX) een afdwingbare kwaliteitsborging.

Lasnoodveldindicatoren en modi voor overdrukstoringen

Een 316-verwarmer met behuizing die wordt blootgesteld aan een interne druk groter dan MAWP zal op drie manieren falen, afhankelijk van het lasontwerp en de druk. De eerste is het geleidelijk meegeven bij de lasnaad, wat blijkt uit een permanente uitstulping of vervorming van de mantel direct proximaal van de las, maar zonder lekkage. Deze toestand geeft aan dat de verwarmer onder overdruk staat, maar mogelijk nog steeds in gebruik is. Het koud werkende materiaal bij de uitstulping is echter gevoeliger voor spanningscorrosie. De tweede modus is het losmaken van de las, waarbij de las zelf breekt en de eindkap van de buis komt. Het is meestal een brosse breuk door het lasmetaal of HAZ die snel optreedt zonder voorafgaande duidelijke vervorming. De derde modus is het lekken van gaatjes uit een lasporositeitsdefect. Het is meestal een fijne stroom gas of vloeistof wanneer de verwarmer onder druk staat. Het verschijnen van roest-gekleurde vlekken rondom de las (voor waterige vloeistoffen) of koolstofhoudende afzettingen (voor organische vloeistoffen) bij- verwarmingstoestellen kan duiden op een geschiedenis van bescheiden lekkages. Elke verwarming die gevoelig is voor een bekend overdrukincident, zoals een dode pomp of een gesloten klep, moet opnieuw worden gecertificeerd door middel van hydrostatische tests of worden vervangen als er geen duidelijke schade is.

Conclusie: lasontwerp aanwijzen als druk-regelend kenmerk

Voor verwarmingsbuizen met roestvrijstalen mantel 316 die worden gebruikt in systemen onder druk, is de buiswand niet de beperkende factor voor de maximaal toegestane werkdruk; het is eerder de gelaste eindkapsluiting. De veilige werking van een kleine hoeklas met gedeeltelijke penetratie is beperkt tot 2–3 MPa (20–30 bar), maar een volledige- stomplas, radiografisch geïnspecteerd en spanningsvrij, bereikt 5–6 MPa (50–60 bar). Voor toepassingen waarbij drukken nodig zijn die hoger zijn dan 6 MPa (60 bar) bij verhoogde temperaturen, moeten naadloze dopontwerpen (gevormd uit de buis zelf, koepelvormige uiteinden zonder afzonderlijke las) worden gespecificeerd, maar deze zijn duurder en beperkt in productiebeschikbaarheid. Bij de aanschaf van verwarmingstoestellen moeten technici documentatie nodig hebben over het lastype, de inspectieprocedure en de warmtebehandeling na-het lassen voor onderhoud onder druk. Met de huidige aanpak kunnen kopers 316 verwarmingselementen met mantel selecteren die veilig de vereiste interne druk kunnen opvangen zonder vloei bij de las, door de lasgeometrie en het kwaliteitsniveau te associëren met kwantificeerbare drukwaarden die variëren van lekkage tot explosieve scheiding van de eindkap, dat wil zeggen catastrofale faalwijzen.