Είναι η ράβδος από άνθρακα κατάλληλο υλικό για εξαρτήματα δοχείων υπό πίεση;

Η εφελκυστική και η οριακή αντοχή του υλικού συμμορφώνονται με το ASME BPVC Τμήμα II, Μέρος D.

Όσον αφορά τις δεξαμενές υπό πίεση, οι ράβδοι από ανθρακούχο χάλυβα πρέπει να πληρούν ορισμένες απαιτήσεις του Κώδικα Λέβητων και Δεξαμενών Υπό Πίεση της ASME, και ειδικότερα την Ενότητα II, Μέρος D, η οποία περιγράφει τις μηχανικές ιδιότητες των εξαρτημάτων που περιέχουν πίεση. Σύμφωνα με τις τιμές της οριακής τάσης υπερβολής, απαιτείται ελάχιστη τιμή 205 MPa, ή περίπου 30.000 psi. Αντιθέτως, η εφελκυστική αντοχή είναι λιγότερο σταθερή και μπορεί να κυμαίνεται από 380 έως 485 MPa, ή περίπου 55.000 έως 70.000 psi, ανάλογα με την ποιότητα και τη θερμοκρασία λειτουργίας. Η ράβδος ανθρακούχου χάλυβα ASTM A36 αναφέρεται ρητώς στα πρότυπα για εφαρμογές όπου η πίεση δεν υπερβαίνει τα 300 psi. Οι ράβδοι αυτές πληρούν τα πρότυπα και προσφέρουν επίσης ένα καλό λόγο αντοχής προς βάρος. Μία άλλη σημαντική ιδιότητα είναι η επιμήκυνση. Εάν παραμείνει πάνω από 20%, τότε το υλικό είναι αρκετά εύκαμπτο για να αντέξει αιφνίδιες αυξήσεις πίεσης χωρίς να παρουσιάσει αστοχία. Η διατήρηση της σκληρότητας κάτω των 200 HB συμβάλλει επίσης στην πρόληψη θραύσεων λόγω απώλειας δυστρεψίας, πράγμα που αποτελεί σημαντικό ζήτημα ασφάλειας.

Προδιαγραφές ανθεκτικότητας του Touchstone: Σύγκριση του ASTM A516 Grade 70 και των απαιτήσεων χρήσης σε χαμηλές θερμοκρασίες

Λαμβάνοντας υπόψη τη φύση του ανθρακούχου χάλυβα και τη θερμοκρασία μετάβασής του από πλαστική σε εύθραυστη συμπεριφορά, η αντοχή σε κρούση αποτελεί κρίσιμο παράγοντα λήψης υπόψη. Για παράδειγμα, ο χάλυβας ASTM A516 Βαθμού 70 είναι ένα υλικό που χρησιμοποιείται συχνά για πλάκες δοχείων με συγκόλληση. Ο χάλυβας A515 Βαθμού 70 απαιτείται να παρουσιάζει μόνο 20 J στη δοκιμή Charpy V-εντομή σε θερμοκρασία περίπου -30 °C. Αυτή η απαίτηση είναι επαρκής για εφαρμογές ψυχρού νερού. Ωστόσο, είναι ανεπαρκής για εφαρμογές που περιλαμβάνουν θερμοκρασίες περίπου -45 °C έως -49 °C. Ενδιαφέροντος είναι το γεγονός ότι, κατά τη μελέτη των δεδομένων της ενότητας VIII του ASME και των σχετικών με τη μηχανική της ρήξης αρχών, διαπιστώνεται ότι ο ανθρακούχος χάλυβας παρουσιάζει χειρότερη απόδοση σε σύγκριση με τον αυστηνιτικό ανοξείδωτο χάλυβα — κατά προσέγγιση 40 έως 50 % χειρότερη. Στην πραγματικότητα, αυτό σημαίνει ότι οι αρκτικές αγωγοί και οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) απαιτούν ελάχιστη απόδοση 40 J. Σε αυτήν την περίπτωση, οι μηχανικοί συνήθως δεν έχουν άλλη επιλογή παρά να χρησιμοποιήσουν κράματα νικελίου του τύπου που καθορίζονται στο ASTM A352 LCB/LCC ή να εφαρμόσουν κάποια ειδική μετα-κατασκευαστική θερμική επεξεργασία ανακούφισης των τάσεων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι τυποποιημένες ράβδοι ανθρακούχου χάλυβα δεν διαθέτουν εγγενή ικανότητα για το σκοπό αυτό.

Σχετικά με τις δεξαμενές υπό πίεση, την κατασκευή και τους εγκεκριμένους από το ASTM βαθμούς ανθρακούχου χάλυβα σε μορφή ράβδων

Συγκολλητές δεξαμενές υπό πίεση από ανθρακούχο χάλυβα: Προσωρινές συνδέσεις και εξαρτήματα κατασκευασμένα από A516-70

Ο βαθμός A516-70 διαθέτει όλες τις κατάλληλες ιδιότητες, καθώς η αρχική αντοχή σε υπερβολική τάση είναι περίπου 260 MPa (38 ksi). Διαθέτει καλή συγκολλησιμότητα και αξιόπιστη ταμιευτική αντοχή της συγκόλλησης σε όλο το πάχος, σε μέτριες θερμοκρασίες λειτουργίας, ενώ ταυτόχρονα έχει το κατάλληλο επίπεδο άνθρακα (λιγότερο από 0,27%). Αυτό συμβάλλει στην πρόληψη του σχηματισμού ρωγμών στη ζώνη επηρεασμένη από τη θερμότητα (HAZ). Πρέπει ωστόσο να σημειωθεί ότι η προδιαγραφή A516 καλύπτει μόνο επίπεδες πλάκες και όχι ράβδους. Η αντικατάσταση με ράβδους ανθρακούχου χάλυβα θα ήταν μη συμμορφούμενη, εκτός εάν καθοριστεί ο «ισοδύναμος» βαθμός ράβδων. Όσον αφορά τις ράβδους που χρησιμοποιούνται για εφαρμογές κράτησης πίεσης, υπάρχουν άλλες προδιαγραφές του ASTM, οι οποίες καλύπτουν τις απαιτήσεις για τη μηχανική και χημική ισορροπία.

Πότε πρέπει να αποφεύγεται η χρήση ράβδων ASTM A106 και A29 για δομικές και κυλινδρικές εφαρμογές

Ενώ οι ασφαλείς χωρίς αρμούς σωλήνες ASTM A106 μπορούν να είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί για τα κυλινδρικά εξαρτήματα υψηλής θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται σε ακροφύσια και παρόμοια προϊόντα, η κακή και ασυνεπής χημική σύνθεση του προϊόντος, καθώς και η έλλειψη απαιτούμενων δοκιμών κρούσης, σημαίνει ότι δεν μπορεί απλώς να χρησιμοποιηθεί για την αντικατάσταση των δομικών ράβδων σε εφαρμογές κράτησης πίεσης πρωτεύουσας σημασίας. Ας εξετάσουμε, για παράδειγμα, τη βαθμίδα A29 1045. Αυτή η βαθμίδα προορίζεται για τυπικές δομικές εφαρμογές, ωστόσο δεν ορίζει ελάχιστη τιμή ορίου υπερροής· ως αποτέλεσμα, η τιμή του ορίου υπερροής μπορεί δυνητικά να είναι πολύ χαμηλή στην ελαστική περιοχή, με αποτέλεσμα δομική αστοχία στη χειρότερη δυνατή στιγμή. Οι δύο αυτές προδιαγραφές δεν πληρούν επίσης τις απαιτήσεις του ASME BPVC Τμήμα VIII όσον αφορά τη χημική σύνθεση, τις δοκιμές κρούσης και την τήρηση αρχείων. Ως εκ τούτου, όσον αφορά τα μη κυλινδρικά εξαρτήματα κράτησης πίεσης, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται οι άνθρακος χάλυβες ράβδοι ASTM A696. Αυτές οι ράβδοι πληρούν αυστηρότερες απαιτήσεις χημικής σύνθεσης, έχουν αποδεδειγμένη αντοχή σε κρούση και τα αποτελέσματα των δοκιμών επιβεβαιώνουν ότι οι ράβδοι μπορούν να κατασκευαστούν στα απαραίτητα εξαρτήματα, τα οποία είναι εξαιρετικά σημαντικά στον κόσμο μας.

Συμπεριφορά Διάβρωσης και Περιβαλλοντικοί Περιορισμοί για Ράβδο Ανθρακούχου Χάλυβα

Ευαισθησία σε ρωγμές από υγρό H₂S, πιτινγκ από χλωριόντα και στρατηγικές αντιμετώπισης

Οι δεξαμενές υψηλής πίεσης που περιέχουν υγρό υδρόθειο (H₂S) και χλωριόντα είναι εξαιρετικά επιζήμιες για τις ράβδους από άνθρακα και προκαλούν γρήγορη φθορά του μετάλλου. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας, ο χάλυβας γίνεται ευάλωτος σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται «ρηγμάτωση λόγω θειούχου τάσης». Κατά τη ρηγμάτωση λόγω θειούχου τάσης, το υδρογόνο (H) απορροφάται στο μέταλλο και στη δομή του χάλυβα. Αυτό το πρόβλημα εντείνεται ακόμη περισσότερο με την αύξηση της σκληρότητας του χάλυβα (πάνω από 22 HRC στην κλίμακα σκληρότητας Rockwell). Η παρουσία χλωριόντων δημιουργεί ηλεκτροχημικά κύτταρα (ή μικρές περιοχές πιτινγκ διάβρωσης) στην επιφάνεια και σημεία συγκέντρωσης τάσεων, γεγονός που αυξάνει σημαντικά το ρυθμό διάδοσης των ρωγμών. Για τον λόγο αυτό, οι μηχανικοί θα πρέπει να επιλέγουν υλικά με τιμές σκληρότητας χαμηλότερες από την τιμή 22 HRC που καθορίζεται στα πρότυπα NACE MR0175 και ISO 15156. Θα πρέπει επίσης να εφαρμόζονται προστατευτικά επιχαλκώματα (π.χ. θερμικά ψεκασμένο αλουμίνιο και εποξειδικά). Θα πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη συστήματα καθοδικής προστασίας. Τα συστήματα ελέγχου που σχεδιάστηκαν για την εξάλειψη του H₂S, τη μείωση του pH και τη χρήση υλικών που καθυστερούν τη διάβρωση αποτελούν όλα μέσα ελέγχου του περιβάλλοντος. Από σκοπιάς σχεδιασμού, η εξάλειψη «νεκρών ποδιών» και χώρων στους οποίους μπορεί να συγκρατηθεί νερό είναι καθοριστική για την πρόληψη αστοχιών λόγω διάβρωσης.

Μείωση του περιεχομένου άνθρακα σε ράβδους από άνθρακα και η επίδρασή της στη συγκολλησιμότητα, την κατασκευή και τη θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση

Πώς επηρεάζει η μείωση του άνθρακα και η επίδρασή της τη ζώνη επηρεαζόμενη από τη θερμότητα (HAZ) και τις απαιτήσεις για θερμική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση (PWHT);

Κατά την ενσωμάτωση ανθρακούχου χάλυβα με άλλα στοιχεία για την κατασκευή δοχείων υπό πίεση, το επίπεδο άνθρακα (C) είναι κρίσιμο για τον καθορισμό της ευκολίας συγκόλλησης. Σε περιεκτικότητες C ανώτερες του 0,25 % αυξάνεται ο κίνδυνος η ζώνη επηρεασμένη από τη θερμότητα (HAZ) να αναπτύξει ανεπιθύμητες ιδιότητες, καθιστώντας τη ζώνη ευάλωτη σε ψυχρή ρωγμάτωση μετά τη συγκόλληση. Η διατήρηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα κάτω του 0,25 % είναι γενικά ευνοϊκή για τη συγκόλληση, καθώς επιτρέπει καλύτερη σταθερότητα της τόξου, μείωση των απαιτήσεων προθέρμανσης και μεγαλύτερη ευελιξία όσον αφορά την πιστοποίηση των διαδικασιών συγκόλλησης. Σύμφωνα με το ASME BPVC Section VIII Division 1, εάν οποιοδήποτε τμήμα έχει πάχος ίσο ή μεγαλύτερο των 38 mm, απαιτείται η εφαρμογή Θερμικής Μετα-Συγκολλητικής Επεξεργασίας (PWHT). Πρόκειται για μια διαδικασία που στοχεύει στην απομάκρυνση των υπολειμματικών τάσεων που προκαλούνται από τη διαδικασία συγκόλλησης και στην αποκατάσταση ενός επιπέδου ελαστικότητας που είναι απαραίτητο για εξαρτήματα που υφίστανται κυκλικά φορτία ή για εξαρτήματα που λειτουργούν σε συνθήκες υψηλής αξιοπιστίας. Η τυπική PWHT πραγματοποιείται με θέρμανση σε στόχο θερμοκρασία 600 έως 700 °C για 1 ώρα για κάθε 25 mm πάχους δείγματος, ενώ η προθέρμανση για πρόληψη θερμικού σοκ αποτελεί υποχρέωση πριν από την PWHT, προκειμένου να αποφευχθεί οποιαδήποτε ανεπιθύμητη θερμική καταπόνηση.

Η ακριβής ακολούθηση αυτών των βημάτων διασφαλίζει ότι όλα παραμένουν διαστασιακά σταθερά και ότι η δομή παραμένει αξιόπιστη με την πάροδο του χρόνου, χωρίς σημαντική επίδραση στον ρυθμό παραγωγής.

Ποια είναι η ελάχιστη αντοχή σε υπερπλαστικότητα για τις ράβδους ανθρακούχου χάλυβα που χρησιμοποιούνται σε δοχεία υπό πίεση;

Η απαιτούμενη ελάχιστη αντοχή σε υπερπλαστικότητα είναι 205 MPa ή 30.000 PSI.

Γιατί το υλικό ASTM A516 Grade 70 είναι η προτιμώμενη επιλογή για τα συγκολλημένα εξαρτήματα δοχείων ανθρακούχου χάλυβα;

Λόγω του ισορροπημένου συνόλου χαρακτηριστικών του, συμπεριλαμβανομένης της ελάχιστης αντοχής σε υπερπλαστικότητα περίπου 260 MPa, της καλής συγκολλησιμότητας και της καλής ταυτότητας.

Ποιες είναι οι επιδράσεις της θερμοκρασίας στην αντοχή σε κρούση του ανθρακούχου χάλυβα;

Οι χαμηλές θερμοκρασίες μειώνουν την αντοχή σε κρούση του ανθρακούχου χάλυβα, καθιστώντας τον λιγότερο αποτελεσματικό σε σύγκριση με τους αυστηνιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες.

Ποιοι είναι οι τρόποι ελέγχου της διάβρωσης στις ράβδους ανθρακούχου χάλυβα;

Χρήση υλικών με σκληρότητα μικρότερη των 22 HRC, προστατευτικά επιχαλκώματα, καθοδική προστασία και έλεγχος του περιβάλλοντος.

Ποια είναι η σημασία του περιεχομένου άνθρακα στη συγκόλληση ράβδων από ανθρακούχο χάλυβα;

Εάν το περιεχόμενο άνθρακα παραμείνει κάτω του 0,25 %, θα προωθήσει μια σταθερή τόξου συγκόλλησης, θα μειώσει την ανάγκη προθέρμανσης και ο χάλυβας θα είναι λιγότερο ευαίσθητος σε ψυχρή ραγδαία θραύση.