Is koolstofstaalstaaf een geschikt materiaal voor onderdelen van drukvaten?

De trek- en vloeigrens van het materiaal voldoen aan ASME BPVC Deel II, Deel D.

Wat betreft de drukvaten gelden voor de koolstofstaalstaven bepaalde eisen volgens de ASME-boiler- en drukvatcode, met name Deel II, Afdeling D, waarin de mechanische eigenschappen van onder druk staande onderdelen worden uitgelegd. Volgens de waarden voor de vloeigrens moet deze minimaal 205 MPa bedragen, oftewel ongeveer 30.000 psi. De treksterkte daarentegen is minder constant en kan variëren van 380 tot 485 MPa (ongeveer 55.000 tot 70.000 psi), afhankelijk van de kwaliteit en de bedrijfstemperatuur. De ASTM A36-koolstofstaalstaaf wordt uitdrukkelijk genoemd in normen voor toepassingen waarbij de druk niet hoger is dan 300 psi. De staven voldoen aan de normen en bieden bovendien een goede verhouding tussen sterkte en gewicht. Een andere belangrijke eigenschap is de rek. Indien deze meer dan 20% bedraagt, is het materiaal flexibel genoeg om drukpieken te weerstaan zonder te bezwijken. Het handhaven van een hardheid van minder dan 200 HB draagt ook bij aan het voorkomen van brosse breuk door verlies van taaiheid, wat een veiligheidskwestie is van aanzienlijk belang.

Touchstone sterkte specificaties: Vergelijking van ASTM A516 Klasse 70 en eisen voor laagtemperatuurgebruik

Gezien de aard van koolstofstaal en zijn overgangstemperatuur van ductiel naar bros, in graden, wordt slagtaaiheid een cruciale overweging. Neem als voorbeeld ASTM A516 Grade 70: een materiaal dat vaak wordt gebruikt voor gelaste vatplaten. Voor A515 Grade 70 is slechts een slagenergievereiste van 20 J vastgesteld bij Charpy-V-groefproeven bij ongeveer min 30 graden Celsius. Deze vereiste is voldoende voor toepassingen met gekoeld water. Voor toepassingen bij temperaturen van ongeveer min 45 graden Celsius — of zelfs min 49 graden — is deze echter ontoereikend. Interessant genoeg blijkt, bij bestudering van de gegevens uit ASME Section VIII en gerelateerd aan de breukmechanica, dat koolstofstaal minder goed presteert dan austenitisch roestvast staal; dit verschil bedraagt ongeveer 40 tot 50 procent. In de praktijk betekent dit dat Arctische pijpleidingen en LNG-opslagfaciliteiten een minimumprestatie van 40 J eisen. In dergelijke gevallen blijft ingenieurs vaak geen andere keuze dan nikkellegeringen te gebruiken van het type gespecificeerd in ASTM A352 LCB/LCC, of na afbouw een speciale spanningsverlichtingsbehandeling toe te passen. Dit is het gevolg van het feit dat standaard koolstofstaalstaven geen inherente capaciteit bezitten.

Van drukvaten, fabricage en ASTM-goedgekeurde koolstofstaalstaafkwaliteiten

Gelaste koolstofstaal-drukvaten: Tack-verbindingen en bevestigingen vervaardigd uit A516-70

A516-70 heeft alle juiste eigenschappen, aangezien de beginvloeigrens ongeveer 260 MPa (38 ksi) bedraagt. Het heeft een goede lasbaarheid en betrouwbare wanddikte-toughness van lasverbindingen bij matige bedrijfstemperaturen, terwijl het ook het juiste koolstofgehalte heeft (minder dan 0,27 %). Dit is nuttig om de vorming van scheuren in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) te voorkomen. Het dient echter opgemerkt te worden dat A516 alleen platen omvat en geen staven. Het vervangen van koolstofstaalstaven zou niet conform zijn, tenzij de 'equivalente' staafkwaliteit is gespecificeerd. Voor staven die worden gebruikt in toepassingen waarbij druk wordt opgeslagen, bestaan er andere ASTM-normen. Deze normen behandelen de mechanische en chemische evenwichtseisen.

Wanneer ASTM A106- en A29-staven moeten worden vermeden voor structurele en cilindrische toepassingen

Hoewel ASTM A106-naadloze buizen zeer effectief kunnen zijn voor de cilindrische onderdelen bij hoge temperatuur die worden gebruikt in mondstukken en soortgelijke producten, betekent de slechte, ongelijkmatige chemische samenstelling van het product en het ontbreken van vereiste slagproeven dat deze buizen eenvoudigweg niet kunnen worden gebruikt als vervanging voor constructiestaven in primaire drukopsluitende toepassingen. Neem bijvoorbeeld A29-kwaliteit 1045. Deze kwaliteit is bedoeld voor typische constructietoepassingen, maar de kwaliteit heeft geen gedefinieerde minimale vloeigrens; als gevolg daarvan kan de vloeigrens in het ductiele gebied potentieel zeer laag zijn, wat op het meest ongunstige moment tot constructiefailures kan leiden. Deze twee specificaties voldoen ook niet aan de eisen van ASME BPVC Section VIII met betrekking tot chemische samenstelling, slagproeven en documentatie. Daarom moeten voor niet-cilindrische drukopsluitende onderdelen ASTM A696-koolstofstaafproducten worden gebruikt. Deze staven voldoen aan strengere eisen ten aanzien van chemische samenstelling, hebben een bewezen slagweerstand en zijn getest om te bevestigen dat ze geschikt zijn voor fabricage tot de benodigde fittingen, die in onze wereld van essentieel belang zijn.

Corrosiegedrag en milieu-eisen voor koolstofstaalstaaf

Gevoeligheid voor nat H₂S-scheuren, chloridepitting en mitigatiestrategieën

Drukvaatconstructies die natte waterstofsulfide (H₂S) en chloride bevatten, zijn uiterst schadelijk voor koolstofstaal en veroorzaken een snelle verslechtering van het metaal. Tijdens gebruik wordt staal gevoelig voor een verschijnsel dat sulfide-stressscheuren wordt genoemd. Bij sulfide-stressscheuren wordt waterstof (H) opgenomen in het metaal en de staalstructuur. Dit probleem wordt nog versterkt bij een toename van de stalen hardheid (meer dan 22 HRC op de Rockwell-hardheidsschaal). De aanwezigheid van chloriden veroorzaakt elektrochemische cellen (of kleine putcorrosie) op het oppervlak en spanningsconcentratiepunten, wat de scheurvoortplantingssnelheid aanzienlijk verhoogt. Om deze reden moeten ingenieurs materialen selecteren met een hardheid lager dan de waarde van 22 HRC, zoals voorgeschreven in de normen NACE MR0175 en ISO 15156. Beschermende coatings (bijv. thermisch gespoten aluminium en epoxy) dienen eveneens te worden aangebracht. Ook dient rekening te worden gehouden met kathodische beschermingssystemen. Regel- en besturingssystemen die zijn ontworpen om H₂S te elimineren, de pH-waarde te verlagen en corrosieremmende materialen toe te passen, zijn allemaal middelen om de omgeving te beheersen. Vanuit een constructieperspectief is het elimineren van ‘dode ledematen’ en ruimtes waarin water kan blijven staan, veelvoorkomend bij het voorkomen van mislukkingen door corrosie.

Vermindering van het koolstofgehalte in koolstofstaalstaaf en de invloed daarvan op lasbaarheid, bewerkbaarheid en nabehandeling na lassen

Hoe beïnvloedt koolstofvermindering en wat is het effect op de door de warmte beïnvloede zone (HAZ) en de vereisten voor nabehandeling na lassen (PWHT)?

Bij het integreren van koolstofstaal met andere elementen voor de constructie van drukvaten is het koolstofgehalte (C) van cruciaal belang voor de lasbaarheid. Bij een C-gehalte boven de 0,25% neemt het risico toe dat de door de warmte beïnvloede zone (HAZ) ongewenste eigenschappen ontwikkelt, waardoor deze zone gevoelig wordt voor koud scheuren na het lassen. Een koolstofgehalte onder de 0,25% is over het algemeen gunstig voor het lassen, omdat dit betere boogstabiliteit mogelijk maakt, de vereisten voor voorverwarming verlaagt en meer flexibiliteit biedt ten aanzien van de kwalificatie van de lasprocedure. Volgens ASME BPVC Section VIII Division 1 is post-weld warmtebehandeling (PWHT) verplicht wanneer de dikte van een onderdeel gelijk is aan of groter dan 38 mm. Dit is een procedure om restspanningen, die zijn opgetreden tijdens het lassen, te verwijderen en om een mate van taaiheid te herstellen die noodzakelijk is voor onderdelen die cyclische belasting ondergaan of voor onderdelen die in een toestand van hoge integriteit moeten functioneren. Typische PWHT wordt uitgevoerd door op te warmen tot een doeltemperatuur van 600 tot 700 °C gedurende één uur per 25 mm wanddikte; voorverwarming om thermische schok te voorkomen is verplicht vóór de PWHT, om ongewenste effecten door te snelle opwarming te vermijden.

Het correct volgen van deze stappen zorgt ervoor dat alles dimensioneel stabiel blijft en dat de constructie betrouwbaar blijft over tijd, zonder grote invloed op de productiesnelheid.

Wat is de minimale sterkte bij vloeien voor de koolstofstaalstaven die worden gebruikt in drukvaten?

De vereiste minimale sterkte bij vloeien is 205 MPa of 30.000 PSI.

Waarom is ASTM A516 Grade 70 het materiaal van keuze voor gelaste onderdelen van koolstofstaalvaten?

Vanwege zijn evenwichtige eigenschappen, waaronder een minimale sterkte bij vloeien van ongeveer 260 MPa, goede lasbaarheid en goede taaiheid.

Wat zijn de effecten van temperatuur op de slagvastheid van koolstofstaal?

Lage temperaturen verlagen de slagvastheid van koolstofstaal, waardoor het slechter presteert dan austenitisch roestvast staal.

Wat zijn de manieren om corrosie in koolstofstaalstaven te beheersen?

Gebruik van materialen met een hardheid lager dan 22 HRC, beschermende coatings, kathodische bescherming en een gecontroleerde omgeving.

Wat is het belang van het koolstofgehalte bij het lassen van koolstofstaalstaven?

Als het koolstofgehalte onder de 0,25% blijft, bevordert dit een stabiele boog tijdens het lassen, vermindert de noodzaak van voorverwarming en is het staal minder gevoelig voor koud scheuren.