Este bara din oțel carbon un material potrivit pentru componentele vaselor de presiune?

Rezistența la tractiune și limita de curgere a materialului respectă Secțiunea II, Partea D a Codului ASME BPVC.

În ceea ce privește vasele de presiune, barele din oțel carbon trebuie să îndeplinească anumite cerințe prevăzute în Codul ASME pentru cazane și vase de presiune, în special Secțiunea II, Partea D, care explică proprietățile mecanice ale componentelor care conțin presiune. În funcție de valorile rezistenței la curgere, aceasta trebuie să fie de cel puțin 205 MPa, adică aproximativ 30.000 psi. Pe de altă parte, rezistența la tractiune este mai puțin constantă, putând varia între 380 și 485 MPa, adică aproximativ 55.000–70.000 psi, în funcție de calitatea materialului și de temperatura de funcționare. Bara din oțel carbon ASTM A36 este menționată explicit în standarde pentru aplicații în care presiunea nu depășește 300 psi. Barele respectă standardele și oferă, de asemenea, un raport bun între rezistență și greutate. O altă proprietate importantă este alungirea. Dacă aceasta rămâne peste 20 %, atunci materialul este suficient de ductil pentru a rezista suprapresiunilor fără a ceda. Menținerea durității sub 200 HB contribuie, de asemenea, la prevenirea fisurărilor cauzate de pierderea ductilității, ceea ce reprezintă o problemă de siguranță de importanță semnificativă.

Rezistența de referință – Specificații: Comparația între ASTM A516 Gradul 70 și cerințele pentru servicii la temperaturi joase

Având în vedere natura oțelului carbon și temperatura sa de tranziție ductil–casnic, tenacitatea la impact devine un factor esențial de luat în considerare. Să luăm ca exemplu oțelul ASTM A516, gradul 70, un material frecvent utilizat pentru plăcile rezervoarelor sudate. Oțelul A515, gradul 70, necesită doar o valoare minimă de 20 J pentru încercarea Charpy V cu crestătură la aproximativ minus 30 de grade Celsius. Această cerință este adecvată pentru aplicații cu apă răcită, dar este insuficientă pentru aplicații care implică temperaturi de aproximativ minus 45 de grade Celsius (până la minus 49 de grade). Interesant este faptul că, analizând datele din Secțiunea VIII ASME și cele legate de mecanica ruperii, se constată că oțelul carbon are o comportare mai slabă comparativ cu oțelul inoxidabil austenitic — cu aproximativ 40–50% mai slab. În practică, aceasta înseamnă că conductele arctice și instalațiile de stocare a gazului natural lichefiat (LNG) impun o performanță minimă de 40 J. În acest caz, inginerii sunt, în general, nevoiți să recurgă fie la aliaje de nichel de tipul specificat în ASTM A352 LCB/LCC, fie să aplice o tratament special de reducere a tensiunilor după construcție. Acest lucru se datorează faptului că barele standard de oțel carbon nu posedă nicio capacitate intrinsecă în acest sens.

Despre vasele de presiune, fabricare și calitățile de bare din oțel carbon aprobate conform ASTM

Vase de presiune sudate din oțel carbon: Elemente de fixare și atașamente realizate din A516-70

A516-70 are toate proprietățile adecvate, deoarece rezistența la curgere inițială este de aproximativ 260 MPa (38 ksi). Are o bună sudabilitate și o tenacitate fiabilă în grosimea îmbinării sudate la temperaturi moderate de funcționare, în timp ce conținutul de carbon se află la nivelul potrivit (sub 0,27%). Aceasta este utilă pentru prevenirea formării fisurilor în zona afectată termic (HAZ). Se menționează, totuși, că standardul A516 acoperă doar plăcile, nu și barele. Înlocuirea cu bare din oțel carbon ar constitui o neconformitate, cu excepția cazului în care este specificată o calitate echivalentă de bară. În ceea ce privește barele utilizate în aplicații care rețin presiunea, există alte standarde ASTM, care reglementează cerințele privind proprietățile mecanice și compoziția chimică.

Când trebuie evitate utilizarea barelor ASTM A106 și A29 în aplicații structurale și cilindrice

Deși țevile fără sudură ASTM A106 pot fi destul de eficiente pentru componentele cilindrice la temperaturi înalte, cum ar fi cele din duze și produse similare, structura chimică slabă și nesigură a produsului, precum și lipsa încercărilor obligatorii de impact înseamnă că acestea nu pot fi utilizate, pur și simplu, în locul barelor structurale în aplicațiile primare de reținere a presiunii. Luați, de exemplu, oțelul structural A29, calitatea 1045. Această calitate este destinată aplicațiilor structurale obișnuite, dar nu are o rezistență la curgere minimă specificată; ca urmare, rezistența sa la curgere ar putea fi foarte scăzută în domeniul ductil, ceea ce ar conduce la eșec structural în cel mai nefavorabil moment. Aceste două specificații nu îndeplinesc, de asemenea, cerințele privind compoziția chimică, încercările de impact și păstrarea înregistrărilor prevăzute de ASME BPVC, Secțiunea VIII. Prin urmare, pentru componentele ne-cilindrice de reținere a presiunii, se vor utiliza bare de oțel carbon ASTM A696. Aceste bare au cerințe sporite privind compoziția chimică, rezistență la impact dovedită și rezultate ale încercărilor care demonstrează că barele pot fi prelucrate în racordurile necesare, atât de importante în lumea noastră.

Comportamentul la coroziune și constrângerile de mediu pentru barele din oțel carbon

Vulnerabilitatea la fisurarea în H₂S umed, la pittingul cauzat de cloruri și strategiile de atenuare

Recipientele sub presiune care conțin hidrogen sulfurat umed (H₂S) și cloruri sunt extrem de dăunătoare barelor din oțel carbon și provoacă o deteriorare rapidă a metalului. În timpul exploatării, oțelul devine predispus la un fenomen numit fisurare sub tensiune cauzată de sulfuri. În timpul acestei fisurări, hidrogenul (H) este absorbit în metal și în structura oțelului. Această problemă este accentuată și mai mult prin creșterea durității oțelului (mai mare de 22 HRC pe scara de duritate Rockwell). Prezența clorurilor creează celule electrochimice (sau mică coroziune localizată) pe suprafață și puncte de concentrare a tensiunilor, ceea ce mărește semnificativ viteza de propagare a fisurilor. Din acest motiv, inginerii ar trebui să aleagă materiale cu niveluri de duritate mai mici decât valoarea de 22 HRC prevăzută în standardele NACE MR0175 și ISO 15156. De asemenea, trebuie aplicate straturi protectoare (de exemplu, aluminiu pulverizat termic și epoxidic). Trebuie luat în considerare și utilizarea sistemelor de protecție catodică. Sistemele de control concepute pentru eliminarea H₂S, reducerea nivelurilor de pH și utilizarea de substanțe inhibitoare ale coroziunii reprezintă toate mijloace de control al mediilor. Din punct de vedere al proiectării, eliminarea „picioarelor moarte” și a spațiilor în care apa poate fi reținută este esențială pentru prevenirea defectelor cauzate de coroziune.

Reducerea conținutului de carbon din barele de oțel carbon și efectul acesteia asupra sudabilității, fabricării și tratamentului termic post-sudură

Cum influențează reducerea conținutului de carbon zona afectată termic (HAZ) și necesitățile de tratament termic post-sudură (PWHT)?

La integrarea oțelului carbon cu alte elemente pentru construcția vaselor de presiune, nivelul de carbon (C) este esențial în definirea ușurinței sudării. La niveluri de C superioare lui 0,25 % există un risc crescut ca zona afectată termic (HAZ) să dezvolte proprietăți nedorite, făcând această zonă susceptibilă la fisurare rece după sudare. Menținerea conținutului de carbon sub 0,25 % este, în general, favorabilă sudării, deoarece permite o stabilitate mai bună a arcului electric, reducerea necesității de încălzire preliminară și o flexibilitate mai mare în ceea ce privește calificarea procedurilor de sudare. Conform ASME BPVC Secțiunea VIII, Divizia 1, dacă orice secțiune are o grosime egală sau superioară lui 38 mm, este obligatorie efectuarea Tratamentului Termic Post-Sudură (PWHT). Acesta este un procedeu destinat eliminării tensiunilor reziduale induse de procesul de sudare și regăsirii unui anumit nivel de ductilitate, necesar în componentele supuse încărcărilor ciclice sau în componentele care funcționează în condiții de înaltă integritate. Tratamentul termic post-sudură tipic constă în încălzirea până la o temperatură țintă de 600–700 °C, timp de o oră pentru fiecare 25 mm grosime a eșantionului; în plus, încălzirea preliminară, necesară pentru a preveni șocul termic, este obligatorie înainte de aplicarea PWHT, pentru a evita orice efect nedorit al încălzirii preliminare.

Urmărirea corectă a acestor pași asigură menținerea stabilității dimensionale a întregului ansamblu și a fiabilității structurii pe termen lung, fără a afecta în mod semnificativ ritmul de producție.

Care este rezistența minimă la curgere pentru barele din oțel carbon utilizate în vasele sub presiune?

Rezistența minimă la curgere necesară este de 205 MPa sau 30.000 PSI.

De ce este ASTM A516 Gradul 70 materialul de referință pentru piesele din oțel carbon sudat destinate vaselor?

Datorită combinației echilibrate de caracteristici, inclusiv rezistență minimă la curgere de aproximativ 260 MPa, sudabilitate bună și tenacitate ridicată.

Care sunt efectele temperaturii asupra rezistenței la impact a oțelului carbon?

Temperaturile scăzute reduc rezistența la impact a oțelului carbon, determinând o performanță inferioară față de oțelurile inoxidabile austenitice.

Care sunt metodele de control al coroziunii pentru barele din oțel carbon?

Utilizarea unor materiale cu duritate sub 22 HRC, aplicarea de învelișuri protectoare, protecția catodică și menținerea unui mediu controlat.

Care este importanța conținutului de carbon în sudarea barelor din oțel carbon?

Dacă conținutul de carbon rămâne sub 0,25 %, acesta va promova un arc stabil în timpul sudării, va reduce necesitatea încălzirii preliminare și oțelul va fi mai puțin predispus la fisurarea la rece.