Czy pręt ze stali węglowej jest odpowiednim materiałem do elementów zbiorników ciśnieniowych?

Wzmocnienie i wytrzymałość materiału są zgodne z normą ASME BPVC sekcja II część D.

W odniesieniu do zbiorników ciśnieniowych pręty ze stali węglowej muszą spełniać określone wymagania zawarte w normie ASME dotyczącej kotłów i zbiorników ciśnieniowych, w szczególności w rozdziale II, części D, który określa właściwości mechaniczne elementów przeznaczonych do zastosowań pod ciśnieniem. Zgodnie z wartościami granicy plastyczności minimalna wartość ta musi wynosić co najmniej 205 MPa, czyli około 30 000 psi. Natomiast wytrzymałość na rozciąganie jest mniej jednorodna i może się wahać w zakresie od 380 do 485 MPa, czyli około 55 000–70 000 psi, w zależności od gatunku stali oraz temperatury pracy. Pręt ze stali węglowej ASTM A36 jest wyraźnie wymieniony w normach do zastosowań, w których ciśnienie nie przekracza 300 psi. Pręty te spełniają obowiązujące normy oraz zapewniają korzystny stosunek wytrzymałości do masy. Inną ważną cechą jest wydłużenie. Jeśli jego wartość pozostaje powyżej 20%, materiał jest wystarczająco giętki, aby wytrzymać nagłe wzrosty ciśnienia bez uszkodzenia. Utrzymanie twardości poniżej 200 HB przyczynia się również do zapobiegania pękaniom spowodowanym utratą plastyczności – jest to kwestia bezpieczeństwa o istotnym znaczeniu.

Wytrzymałość odniesienia – specyfikacje: porównanie stali ASTM A516, gatunek 70 oraz wymagań dotyczących eksploatacji w niskich temperaturach

Biorąc pod uwagę charakter stali węglowej oraz jej temperaturę przejścia od plastyczności do kruchości, udarność staje się kluczowym czynnikiem. Przykładem może być stal ASTM A516 Grade 70 – materiał często stosowany na blachy zbiorników spawanych. Dla stali A515 Grade 70 wymagana jest tylko wartość udarności 20 J w teście Charpy V z karbem przy temperaturze ok. –30 °C. Wymaganie to jest wystarczające dla zastosowań w instalacjach chłodniczych, ale nie spełnia wymogów dla aplikacji, w których temperatura wynosi ok. –45 °C do –49 °C. Ciekawostką jest fakt, że analiza danych zawartych w sekcji VIII normy ASME oraz mechaniki pękania wykazuje, iż stal węglowa charakteryzuje się niższą odpornością na pękanie w porównaniu ze stalami austenitycznymi nierdzewnymi – o około 40–50%. W praktyce oznacza to, że rurociągi arktyczne oraz obiekty magazynowania LNG wymagają minimalnej wartości udarności na poziomie 40 J. W takich przypadkach inżynierowie zazwyczaj nie mają innego wyboru niż zastosowanie stopów niklu określonych w normie ASTM A352 LCB/LCC lub przeprowadzenie specjalnego procesu uwalniania naprężeń po zakończeniu budowy. Wynika to z faktu, że standardowe pręty ze stali węglowej nie posiadają wrodzonej zdolności do spełnienia tych wymagań.

Dotyczy zbiorników ciśnieniowych, ich wykonywania oraz gatunków prętów stalowych węglowych zatwierdzonych przez ASTM

Zbiorniki ciśnieniowe ze spawanego stali węglowej: elementy pomocnicze i zamocowania wykonane ze stali A516-70

Stal A516-70 posiada wszystkie odpowiednie właściwości, ponieważ jej granica plastyczności na początku wynosi około 260 MPa (38 ksi). Charakteryzuje się dobrą spawalnością oraz niezawodną odpornością połączeń spawanych w kierunku grubości materiału przy umiarkowanych temperaturach eksploatacyjnych, a także odpowiednim poziomem zawartości węgla (poniżej 0,27 %). Jest to pomocne w zapobieganiu powstawaniu pęknięć w strefie wpływu ciepła (HAZ). Należy jednak zauważyć, że norma ASTM A516 obejmuje wyłącznie blachy, a nie pręty. Zastąpienie prętów stalowych węglowych innymi materiałami byłoby niezgodne z wymaganiami, chyba że określono odpowiedni, równoważny gatunek pręta. W przypadku prętów stosowanych w zastosowaniach zapewniających utrzymanie ciśnienia obowiązują inne normy ASTM, które określają wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i składu chemicznego.

Kiedy należy unikać stosowania prętów ASTM A106 i A29 w zastosowaniach konstrukcyjnych i cylindrycznych

Chociaż bezszwowe rury ASTM A106 mogą być dość skuteczne w zastosowaniach wysokotemperaturowych, np. w elementach cylindrycznych dysz i podobnych wyrobów, to słaba i niestabilna struktura chemiczna tego produktu oraz brak wymaganych badań udarności oznaczają, że nie może on być stosowany jako zamiennik prętów konstrukcyjnych w głównych zastosowaniach związanych z utrzymywaniem ciśnienia. Rozważmy na przykład stal stopową A29 klasy 1045. Klasa ta jest przeznaczona do typowych zastosowań konstrukcyjnych, jednak nie określa minimalnej wytrzymałości na rozciąganie, a zatem jej rzeczywista wytrzymałość na rozciąganie w zakresie plastycznym może być bardzo niska, co potencjalnie prowadzi do awarii konstrukcyjnej w najmniej odpowiednim momencie. Oba te standardy nie spełniają również wymagań dotyczących składu chemicznego, badań udarności oraz dokumentacji wyników badań określonych w normie ASME BPVC, Sekcja VIII. Dlatego też w przypadku niemieszczących się w kategorii cylindrycznych elementów utrzymujących ciśnienie należy stosować pręty stalowe węglowe ASTM A696. Pręty te charakteryzują się surowszymi wymaganiami dotyczącymi składu chemicznego, potwierdzoną odpornością na uderzenie oraz wynikami badań dowodzącymi, że mogą być przetwarzane na niezbędne kształtki, które odgrywają tak istotną rolę w naszym świecie.

Zachowanie korozyjne i ograniczenia środowiskowe dla prętów ze stali węglowej

Podatność na pękanie w obecności wilgotnego H₂S, korozję punktową wywołaną chlorkami oraz strategie zapobiegawcze

Zbiorniki ciśnieniowe zawierające wilgotny siarkowodór (H₂S) oraz chlorki są skrajnie szkodliwe dla prętów stalowych węglowych i powodują szybki ubytek metalu. W trakcie eksploatacji stal staje się podatna na zjawisko tzw. pękania napięciowego wywołanego siarkowodorami. Podczas pękania napięciowego wywołanego siarkowodorami wodór (H) jest wchłaniany do metalu i struktury stalowej. Problem ten nasila się jeszcze bardziej wraz ze wzrostem twardości stali (powyżej 22 HRC na skali twardości Rockwella). Obecność chlorków powoduje powstawanie ognisk elektrochemicznych (lub małych miejsc korozji punktowej) na powierzchni oraz punktów koncentracji naprężeń, co znacznie przyspiesza propagację pęknięć. Dlatego też inżynierowie powinni dobierać materiały o twardości niższej niż wartość 22 HRC określona w normach NACE MR0175 oraz ISO 15156. Należy również stosować powłoki ochronne (np. aluminium nanoszone metodą natrysku cieplnego oraz epoksydowe). Należy także rozważyć zastosowanie systemów ochrony katodowej. Systemy sterowania zaprojektowane w celu usuwania H₂S, obniżenia wartości pH oraz stosowania inhibitorów korozji stanowią środki kontroli środowiska. Z punktu widzenia projektowania kluczowe znaczenie ma eliminacja tzw. „martwych odcinków” oraz przestrzeni, w których może gromadzić się woda, ponieważ pozwala to zapobiegać awariom spowodowanym korozją.

Zmniejszanie zawartości węgla w prętach ze stali węglowej oraz jego wpływ na spawalność, obróbkę i obróbkę cieplną po spawaniu

W jaki sposób redukcja zawartości węgla oraz jej wpływ na strefę wpływu ciepła (HAZ) i wymagania dotyczące obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT)?

Podczas łączenia stali węglowej z innymi elementami w celu budowy zbiorników ciśnieniowych poziom zawartości węgla (C) ma kluczowe znaczenie dla określenia łatwości spawania. Przy zawartości węgla powyżej 0,25% wzrasta ryzyko wystąpienia niepożądanych właściwości w strefie wpływu ciepła (HAZ), co czyni tę strefę podatną na pęknięcia zimne po spawaniu. Zachowanie zawartości węgla na poziomie poniżej 0,25% jest zazwyczaj korzystne dla procesu spawania, ponieważ zapewnia lepszą stabilność łuku, zmniejsza wymagania dotyczące nagrzewania wstępnego oraz zapewnia większą elastyczność w zakresie kwalifikacji procedur spawalniczych. Zgodnie z normą ASME BPVC Section VIII Division 1, jeśli grubość dowolnego elementu wynosi 38 mm lub więcej, konieczne jest przeprowadzenie obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT). Jest to procedura mająca na celu usunięcie naprężeń resztkowych wywołanych procesem spawania oraz przywrócenie odpowiedniego poziomu plastyczności niezbędnego w elementach poddawanych obciążeniom cyklicznym lub w elementach przeznaczonych do pracy w warunkach wymagających wysokiej niezawodności. Typowa obróbka cieplna po spawaniu polega na nagrzaniu materiału do temperatury docelowej 600–700 °C przez 1 godzinę na każde 25 mm grubości próbki; ponadto przed przystąpieniem do obróbki cieplnej po spawaniu wymagane jest nagrzewanie wstępne w celu zapobieżenia szokowi termicznemu.

Poprawne wykonywanie tych kroków zapewnia stałość wymiarową wszystkich elementów oraz niezawodność konstrukcji w czasie, bez znacznego wpływu na tempo produkcji.

Jaka jest minimalna wytrzymałość na rozciąganie dla prętów ze stali węglowej stosowanych w zbiornikach ciśnieniowych?

Wymagana minimalna wytrzymałość na rozciąganie wynosi 205 MPa lub 30 000 PSI.

Dlaczego stal ASTM A516 Grade 70 jest materiałem preferowanym do części zbiorników ciśnieniowych ze spawaną stalą węglową?

Ze względu na zrównoważony zestaw właściwości, w tym minimalną wytrzymałość na rozciąganie około 260 MPa, dobrą spawalność oraz dobrą odporność udarową.

Jakie są skutki temperatury na odporność udarową stali węglowej?

Niskie temperatury obniżają odporność udarową stali węglowej, powodując jej gorsze działanie niż stali austenitycznych nierdzewnych.

Jakie są metody zapobiegania korozji prętów ze stali węglowej?

Stosowanie materiałów o twardości mniejszej niż 22 HRC, powłok ochronnych, ochrony katodowej oraz kontrolowanego środowiska.

Jakie jest znaczenie zawartości węgla w spawaniu prętów ze stali węglowej?

Jeśli zawartość węgla pozostanie poniżej 0,25 %, będzie to sprzyjać stabilności łuku podczas spawania, zmniejszy konieczność nagrzewania wstępnego, a stal będzie mniej podatna na pęknięcia zimne.