Ar anglies plieno strypas yra tinkamas medžiaga slėgio indų komponentams?

Medžiagos tempimo ir takumo stiprumas atitinka ASME BPVC II dalies D priedą.

Kas liečia slėgio indus, anglies plieno strypai turi atitikti tam tikrus ASME katilų ir slėgio indų kodekso reikalavimus, ypač II skyriaus D dalį, kurioje paaiškinamos slėgio laikančių dalių mechaninės savybės. Pagal takos stiprio reikšmes, jis turi būti ne mažesnis kaip 205 MPa, arba apie 30 000 psi. Tuo tarpu tempimo stipris yra mažiau nuoseklus – jis gali svyruoti nuo 380 iki 485 MPa, arba apytikriai nuo 55 000 iki 70 000 psi, priklausomai nuo plieno rūšies ir eksploatacijos temperatūros. ASTM A36 anglies plieno strypai aiškiai nurodyti standartuose taikymams, kai slėgis neviršija 300 psi. Šie strypai atitinka standartus ir taip pat užtikrina gerą stiprio ir svorio santykį. Kitas svarbus parametras – ištįsimumas. Jei jis išlieka didesnis nei 20 %, medžiaga yra pakankamai lanksti, kad ištvertų slėgio šuolius be žlugimo. Taip pat svarbu palaikyti kietumą mažesnį nei 200 HB, kad būtų išvengta plastinės deformacijos lūžių, kurie kelia saugos pavojų ir yra ypač svarbūs.

Touchstone tvirtumo techninės charakteristikos: ASTM A516 70 klasės ir žemų temperatūrų eksploatavimo reikalavimų palyginimas

Atsižvelgiant į anglies plieno savybes ir jo tempimo–lūžimo perėjimo temperatūrą, smūginė stiprumo charakteristika tampa kritišku veiksniu. Pavyzdžiui, ASTM A516 70 klasės plienas dažnai naudojamas suvirintų talpyklų plokščių gamybai. A515 70 klasės plienas reikalauja tik 20 J smūginės energijos pagal Charpy V įpjovos bandymą maždaug minus 30 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Šis reikalavimas pakankamas šaldyto vandens sistemoms. Tačiau jis nepakankamas taikymams, kuriuose temperatūra siekia maždaug minus 45 laipsnių Celsijaus ar net minus 49 laipsnių. Įdomu tai, kad tiriant ASME VIII skyriaus duomenis ir susijusią lūžio mechaniką paaiškėja, jog anglies plienas veikia mažiau nei austenitinis nerūdijantis plienas – maždaug 40–50 procentų mažiau. Realioje praktikoje tai reiškia, kad Arkties naftotiekiams ir skystojo gamtinio dujų (LNG) saugyklos objektams reikalaujama ne mažiau kaip 40 J smūginės energijos. Šiuo atveju inžinieriams dažniausiai nelieka kitos išeities, kaip tik naudoti nikelio lydinius, nurodytus ASTM A352 LCB/LCC standarte, arba po statybos taikyti specialų įtempimų nušalinimo apdorojimą. Tai yra dėl to, kad įprastiniai anglies plieno strypai neturi įprastų galimybių šiam tikslui pasiekti.

Slėgio indų, gamybos ir ASTM patvirtintų anglies plieno strypų rūšių

Suvirinti anglies plieno slėgio indai: laikikliai ir prietaisai iš A516-70 plokščių

A516-70 turi visus reikiamus savybių, kadangi pradinė takumo riba yra apie 260 MPa (38 ksi). Ji puikiai suvirinama ir turi patikimą viršutinę viršutinės dalies stiprumą vidutinėse eksploatacijos temperatūrose, taip pat turi tinkamą anglies kiekį (mažiau nei 0,27 %). Tai padeda išvengti šilumos paveiktos zonos (HAZ) įtrūkimų. Tačiau reikia pažymėti, kad A516 standartas apima tik plokštes, o ne strypus. Anglies plieno strypų naudojimas vietoje plokščių būtų neatitikimas standartams, nebent būtų nurodyta „ekvivalenti“ strypų rūšis. Kai kalbama apie strypų formas, naudojamas slėgio išlaikymui, egzistuoja kiti ASTM standartai, kurie nustato mechanines ir cheminės sudėties reikalavimus.

Kada reikėtų vengti naudoti ASTM A106 ir A29 strypus konstrukcinėms ir cilindrinėms aplikacijoms

Nors ASTM A106 bešvarinės vamzdyno detalės gali būti gana veiksmingos aukštos temperatūros cilindrinėms detalėms, kurios naudojamos purkštuvuose ir panašiuose gaminiuose, šio produkto prasta ir nestabili cheminė sudėtis bei trūkstantis reikiamas smūgio bandymas reiškia, kad jis tiesiog negali būti naudojamas vietoje konstrukcinių strypų pirminėse slėgio laikančiose aplikacijose. Pavyzdžiui, apsvarstykite A29 1045 klasės medžiagą. Ši klasė skirta įprastoms konstrukcinėms aplikacijoms, tačiau šioje klasėje nenurodyta minimali takumo riba, todėl ji gali turėti labai žemą takumo ribą plastinėje deformacijos srityje, dėl ko gali įvykti konstrukcinis sugadinimas net labiausiai nepalankiu momentu. Šie du standartai taip pat neturi ASME BPVC VIII skyriuje nustatytų reikalavimų dėl cheminės sudėties, smūgio bandymų ir dokumentų saugojimo. Todėl neapvalioms slėgio laikančioms detalėms turi būti naudojami ASTM A696 anglies plieno strypai. Šie strypai turi griežtesnius reikalavimus dėl cheminės sudėties, patikrintą smūgio atsparumą ir bandymų rezultatus, kurie rodo, kad šie strypai gali būti perdirbti į būtinus jungiamuosius elementus, kurie mūsų pasaulyje yra tokie svarbūs.

Korozijos elgesys ir aplinkos apribojimai anglies plieno strypams

Jautrumas drėgnam H₂S skilimui, chloridų duobutėms ir šių reiškinių mažinimo strategijos

Slėgio indai, kuriuose yra drėgno vandenilio sulfido (H₂S) ir chloridų, labai žalingi anglies plieno strypams ir sukelia metalo greitą susilpnėjimą. Eksploatacijos metu plienas tampa linkęs į reiškinį, vadinamą sieros vandenilio sukeltu įtempimo skilimu. Šio proceso metu į metalą ir plieno struktūrą įsiskverbia vandenilis (H). Ši problema dar labiau pasireiškia didėjant plieno kietumui (daugiau nei 22 HRC pagal Rokvelo kietumo skalę). Chloridų buvimas paviršiuje sukuria elektrochemines ląsteles (arba mažus vietinius korozijos įbrėžimus) bei įtempimo koncentracijos taškus, kurie žymiai padidina įtrūkių plitimą. Dėl šios priežasties inžinieriai turėtų pasirinkti medžiagas, kurių kietumas būtų žemesnis nei 22 HRC vertė, nustatyta NACE MR0175 ir ISO 15156 standartuose. Taip pat reikėtų taikyti apsauginius dengiamuosius sluoksnius (pvz., šiluminio purškimo būdu nanekstą aliuminį arba epoksidinį dengiamąjį sluoksnį). Reikėtų taip pat apsvarstyti katodinės apsaugos sistemas. Valdymo sistemos, skirtos pašalinti H₂S, sumažinti pH lygį bei naudoti korozijos inhibitorius, visos yra aplinkos kontrolės priemonės. Projektavimo požiūriu ypatingą dėmesį reikėtų skirti „numirusiųjų šakų“ ir erdvių, kuriose gali kauptis vanduo, pašalinimui – tai yra viena iš pagrindinių priemonių, užkertančių kelią korozijos sukeltoms gedimams.

Anglies kiekio mažinimas anglies plieno strypuose ir jo poveikis suvirinamumui, gamybai bei po suvirinimo šiluminiam apdorojimui

Kaip anglies kiekio mažinimas ir jo poveikis šilumos paveiktojo ploto (HAZ) bei po suvirinimo šiluminio apdorojimo (PWHT) reikalavimams?

Integruojant anglies plieną su kitomis medžiagomis slėgio indų gamybai, anglies (C) kiekis yra lemiamas, nustatant suvirinamumą. Kai anglies kiekis viršija 0,25 %, padidėja pavojus, kad šilumos paveiktoje zonoje (HAZ) susiformuotų nepageidaujamos savybės, dėl ko ši zona tampa jautri šaltajam įtrūkimui po suvirinimo. Anglies kiekis mažesnis nei 0,25 % paprastai yra palankus suvirinimui, nes tai leidžia pasiekti geresnę lanko stabilumą, sumažinti reikalavimus dėl išankstinio įkaitinimo ir suteikti didesnės lankstumo suvirinimo procedūrų kvalifikavime. Pagal ASME BPVC skyrių VIII, dalį 1, jei bet kurio elemento storis yra lygus arba viršija 38 mm, būtina atlikti po suvirinimo šiluminę apdorojimą (PWHT). Tai yra procedūra, skirta pašalinti suvirinimo metu susidariusius likutinius įtempimus ir atkurti tam tikrą plastinės deformacijos lygį, kuris būtinas komponentams, veikiamiems ciklinių apkrovų, arba komponentams, veikiamiems aukštos patikimumo eksploatacijos sąlygomis. Tipiškas po suvirinimo šiluminis apdorojimas atliekamas įkaitinant iki tikslinės temperatūros 600–700 °C, laikant po 1 valandą už kiekvienų 25 mm bandinio storio; be to, prieš po suvirinimo šiluminį apdorojimą būtina atlikti išankstinį įkaitinimą, kad būtų išvengta šiluminio smūgio.

Teisingai laikantis šių žingsnių užtikrinama, kad viskas išliktų matmeniškai stabilu ir kad konstrukcija liktų patikima ilgą laiką be didelio poveikio gamybos našumui.

Koks yra minimalus takumo stipris anglies plieno strypams, naudojamiems slėgio indams?

Reikalaujamas minimalus takumo stipris yra 205 MPa arba 30 000 PSI.

Kodėl ASTM A516 70 klasės medžiaga yra pasirinkta kaip pagrindinė suvirintų anglies plieno indo detalių medžiaga?

Dėl subalansuotų savybių rinkinio, įskaitant apytiksliai 260 MPa minimalų takumo stiprį, gerą suvirinamumą ir gerą smūginę atsparumą.

Koks temperatūros poveikis anglies plieno smūginiam atsparumui?

Žemos temperatūros sumažina anglies plieno smūginį atsparumą, todėl jo veikimas yra prastesnis nei austenitinio nerūdijančiojo plieno.

Kokie yra būdai kontroliuoti koroziją anglies plieno strypuose?

Naudojant medžiagas, kurių kietumas mažesnis nei 22 HRC, apsauginius dengalus, katodinę apsaugą ir kontroliuojamą aplinką.

Kokia yra anglies kiekio reikšmė suvirinant anglies plieno strypus?

Jei anglies kiekis lieka žemesnis nei 0,25 %, tai skatins stabilią lanką virinant, sumažins būtinybę šildyti prieš virinant ir plienas bus mažiau linkęs į šaltąją skilimą.