Er kulstofstål-stang et passende materiale til trykbeholdere-komponenter?

Træk- og flydegrænsen for materialet opfylder ASME BPVC afsnit II del D.

Angående trykbeholdere har kulstålspindlerne visse krav, der skal overholdes i henhold til ASME-koden for kedler og trykbeholdere, især afsnit II, del D, som beskriver de mekaniske egenskaber for trykbærende dele. Ifølge værdierne for flydegrænsen kræves det en minimumsværdi på 205 MPa eller ca. 30.000 psi. Til gengæld er trækstyrken mindre konstant og kan ligge mellem 380 og 485 MPa (ca. 55.000–70.000 psi), afhængigt af stålkvaliteten og driftstemperaturen. ASTM A36-kulstålprofiler er eksplicit nævnt i standarderne til anvendelser, hvor trykket ikke overstiger 300 psi. Profilerne opfylder standarderne og sikrer også et godt styrke-til-vægt-forhold. En anden vigtig egenskab er forlængelsen. Hvis denne forbliver over 20 %, er materialet fleksibelt nok til at modstå trykstød uden at fejle. At holde hårdheden under 200 HB bidrager også til at forhindre duktile brud som følge af tabt duktilitet – en sikkerhedsmæssig problemstilling, der er af betydelig vigtighed.

Touchstone udfordringsbestandighedsspecifikationer: Sammenligning af ASTM A516, klasse 70, og krav til lavtemperaturdrift

I betragtning af kulstålens egenskaber og dets overgangstemperatur fra duktilt til sprødt forløb bliver slagsejhed en afgørende faktor. Tag f.eks. ASTM A516, klasse 70, som et eksempel. Det er et materiale, der ofte anvendes til svejste beholderplader. A515, klasse 70, kræver kun en slagsejhed på 20 J ved Charpy V-not-test ved ca. minus 30 grader Celsius. Denne kravspecifikation er tilstrækkelig til kølevandsanvendelser. Den er imidlertid utilstrækkelig til anvendelser ved temperaturer på ca. minus 45 grader Celsius –49 grader. Interessant nok viser en analyse af data fra ASME-sektion VIII samt relaterede brudmekaniske principper, at kulstål generelt opfører sig dårligere end austenitisk rustfrit stål – cirka 40–50 % dårligere. I den virkelige verden betyder dette, at arktiske rørledninger og LNG-lagerfaciliteter kræver en minimumsslagsejhed på 40 J. I sådanne tilfælde har ingeniører typisk ingen anden mulighed end at anvende nikkel-legeringer af den type, der specificeres i ASTM A352 LCB/LCC, eller at udføre en særlig spændingsaflastningsbehandling efter konstruktionen. Dette skyldes det faktum, at standard kulstålsstænger ikke besidder nogen indbygget evne hertil.

Om trykbeholdere, fremstilling og ASTM-godkendte kulstål-stangsorter

Svejste kulstål-trykbeholdere: Fastgørelser og tilbehør fremstillet af A516-70

A516-70 har alle de rigtige egenskaber, da udgangspunktets flydegrænse er omkring 260 MPa (38 ksi). Det har god svejseegenskab og pålidelig gennemtykkelsessvejsetoughhed ved moderate driftstemperaturer samt en passende kulstofindhold (under 0,27 %). Dette er nyttigt til at forhindre dannelse af revner i varmeindvirkningszonen (HAZ). Det skal dog bemærkes, at A516 kun dækker plader og ikke stænger. At erstatte kulstål-stænger ville være ikke-overensstemmende, medmindre den 'ækvivalente' stangsort er specificeret. Når det gælder stangformer til trykbærende anvendelser, findes der andre ASTM-standarder, som dækker kravene til mekaniske og kemiske egenskaber.

Hvornår man bør undgå brug af ASTM A106- og A29-stænger til strukturelle og cylindriske anvendelser

Selvom ASTM A106-rør uden svejsning kan være ret effektive til højtemperatur-cylindriske komponenter, som f.eks. dyser og lignende produkter, betyder produktets dårlige og inkonsistente kemiske sammensætning samt mangel på påkrævet stødbidragstest, at det simpelthen ikke kan anvendes til at erstatte konstruktionsstænger i primære trykbærende anvendelser. Overvej f.eks. A29-kvalitet 1045. Denne kvalitet er beregnet til almindelige konstruktionsanvendelser, men kvaliteten har ikke en defineret minimums flydegrænse, og som følge heraf kan den potentielt have en ret lav flydegrænse i det duktile område, hvilket kan føre til konstruktionsfejl på det mest ugunstige tidspunkt. Disse to specifikationer mangler også kravene til kemisk sammensætning, stødbidragstest og dokumentationskrav, som fremgår af ASME BPVC, afsnit VIII. Derfor skal ASTM A696-kulstål-stænger anvendes til ikke-cylindriske trykbærende komponenter. Disse stænger har forhøjede krav til kemisk sammensætning, dokumenteret stødbidragsevne og testresultater, der viser, at stængerne kan bearbejdes til de nødvendige armaturer, som er så afgørende i vores verden.

Korrosionsadfærd og miljømæssige begrænsninger for kulstofstål-stang

Følsomhed over for våd H₂S-sprækning, kloridpitting og afhjælpsstrategier

Trykbeholdere, der indeholder fugtig svovlbrint (H₂S) og chlorider, er yderst skadelige for kulstål og forårsager hurtig forringelse af metallet. Mens stålet er i brug, bliver det udsat for et fænomen kaldet sulfidspændingsrevner. Under sulfidspændingsrevner absorberes brint (H) i metallet og stålstrukturen. Dette problem forværres yderligere ved stigende stålthardhed (over 22 HRC på Rockwell-hardhedsskalaen). Tilstedeværelsen af chlorider skaber elektrokemiske celler (eller små pittingkorrosionsområder) på overfladen samt spændingskoncentrationspunkter, hvilket betydeligt øger revneudviklingshastigheden. Af denne grund bør ingeniører vælge materialer med en hardhed lavere end den angivne grænseværdi på 22 HRC i henhold til standarderne NACE MR0175 og ISO 15156. Der bør også anvendes beskyttelsesbelægninger (f.eks. termisk sprayed aluminium og epoxy). Der bør ligeledes overvejes katodisk beskyttelse. Styringssystemer, der er designet til at eliminere H₂S, nedsætte pH-niveauet og anvende korrosionsinhiberende materialer, er alle midler til kontrol af miljøet. Fra et konstruktionsmæssigt synspunkt er eliminering af «døde ben» og rum, hvor vand kan opsamles, afgørende for at forhindre fejl som følge af korrosion.

Reduceret kulstofindhold i kulstålspæle og dets virkning på svejsbarhed, fremstilling og efter-svejse-varmebehandling

Hvordan påvirker kulstofreduktionen og dens effekt på den varmepåvirkede zone (HAZ) samt kravene til efter-svejse-varmebehandling (PWHT)?

Når kulstål integreres med andre elementer til konstruktion af trykbærende beholdere, er kulstofindholdet (C) afgørende for svejsebarheden. Ved kulstofindhold over 0,25 % øges risikoen for, at den varme-påvirkede zone (HAZ) udvikler uønskede egenskaber, hvilket gør zonen modtagelig for koldrevner efter svejsning. Et kulstofindhold under 0,25 % er generelt fordelagtigt for svejsning, da det muliggør bedre buestabilitet, reduktion af forvarmningskrav og større fleksibilitet i forbindelse med kvalificering af svejseprocedurer. Ifølge ASME BPVC Section VIII Division 1 kræves der Post Weld Heat Treatment (PWHT), hvis en hvilken som helst sektion er lig med eller overstiger 38 mm i tykkelse. Dette er en procedure til fjernelse af restspændinger, der er indført ved svejsningsprocessen, samt til genopretning af en duktilitet, der er nødvendig for komponenter, der udsættes for cyklisk belastning, eller for komponenter, der opererer under betingelser med høj integritet. Typisk udføres PWHT ved opvarmning til en måltemperatur på 600–700 °C i én time pr. 25 mm prøvetykkelse; forvarmning for at undgå termisk chok er obligatorisk før PWHT for at undgå uønskede effekter af termisk chok.

Korrekt udførelse af disse trin sikrer, at alt forbliver dimensionelt stabilt, og at konstruktionen forbliver pålidelig over tid uden en stor indvirkning på produktionshastigheden.

Hvad er den mindste flydegrænse for kulstål-stængerne, der anvendes i trykbeholdere?

Den krævede minimale flydegrænse er 205 MPa eller 30.000 PSI.

Hvorfor er ASTM A516 Grade 70 det foretrukne materiale til svejste kulstål-beholderdele?

På grund af dets afbalancerede egenskabssæt, herunder en minimal flydegrænse på ca. 260 MPa, god svejseegenskab og god slagstyrke.

Hvad er virkningerne af temperatur på støddæmpningsevnen for kulstål?

Lav temperatur vil reducere støddæmpningsevnen for kulstål og gøre det dårligere end austenitiske rustfrie stålsorter.

Hvordan kan korrosion i kulstål-stænger kontrolleres?

Ved brug af materialer med en hårdhed under 22 HRC, beskyttende belægninger, katodisk beskyttelse og en kontrolleret miljøbetinget omgivelse.

Hvad er betydningen af kulstofindholdet ved svejsning af kulstofstål-stænger?

Hvis kulstofindholdet forbliver under 0,25 %, fremmer det en stabil lysbue under svejsning, reducerer behovet for forvarmning, og stålet bliver mindre udsat for koldrevner.