Je jeklena palica iz ogljikovega jekla primerna za sestavne dele tlakovih posod?

Vzdrževalna moč in trdnost materiala so v skladu z ASME BPVC oddelka II del D.

Kar se tiče tlakovnih posod, morajo palice iz ogljikove jeklene zlitine izpolnjevati določene zahteve po ASME-kodi za kotle in tlakovne posode, zlasti v oddelku II, del D, ki opisuje mehanske lastnosti delov, ki zadržujejo tlak. Glede na vrednosti meje plastičnosti je zahtevana najmanjša vrednost 205 MPa oziroma približno 30.000 psi. Navorna trdnost pa je manj enotna in se lahko giblje med 380 in 485 MPa oziroma približno 55.000 do 70.000 psi, odvisno od razreda in obratovalne temperature. Ogljikovo jekleno palico po standardu ASTM A36 posebej navedejo v standardih za uporabe, pri katerih tlak ni večji od 300 psi. Palice izpolnjujejo standarde in hkrati zagotavljajo dober razmerje med trdnostjo in maso. Druga pomembna lastnost je raztezek. Če ostane nad 20 %, je material dovolj prožen, da prenese nenadne tlakove udare brez odpovedi. Ohranjanje trdote pod 200 HB prav tako pomaga preprečiti lomove zaradi izgube žilavosti, kar predstavlja varnostno težavo, ki je zelo pomembna.

Specifikacije trdnosti po preskusnem kamnu: Primerjava ASTM A516 razreda 70 in zahtev za obratovanje pri nizkih temperaturah

Glede na naravo ogljikove jeklene zlitine in njeno temperaturo prehoda od plastičnega v krhko obnašanje postane udarna žilavost ključna obravnava. Vzemimo za primer ASTM A516 razred 70, ki se pogosto uporablja za plošče za varjene posode. Za A515 razred 70 je zahtevana le udarna žilavost 20 J pri Charpyjevi V-žlebni preskusu pri približno minus 30 stopinjah Celzija. Ta zahteva je ustrezna za aplikacije s hladno vodo. Vendar pa ni ustrezna za aplikacije pri temperaturah približno minus 45 stopinj Celzija do minus 49 stopinj Celzija. Zanimivo je, da pri proučevanju podatkov iz ASME razdelka VIII in povezanih mehanik loma ugotovimo, da se ogljikova jeklena zlitina obnaša slabše kot avstenitna nerjaveča jeklena zlitina – približno za 40 do 50 odstotkov slabše. V praksi to pomeni, da arktične cevovodi in naprave za shranjevanje tekočega naravnega plina (LNG) zahtevajo minimalno udarno žilavost 40 J. V tem primeru inženirji običajno nimajo druge izbire kot uporaba nikljevih zlitin, določenih v standardu ASTM A352 LCB/LCC, ali izvedba posebne obdelave za sprostitev napetosti po gradnji. To je posledica dejstva, da standardne palice iz ogljikove jeklene zlitine niso vgrajene z nobeno notranjo sposobnostjo.

O tlakovih posodah, izdelavi in ASTM-odobrenih razredih jeklenih palic iz ogljikovega jekla

Zavarjene tlakovne posode iz ogljikovega jekla: privarjene opore in priključki iz jekla A516-70

Jeklo A516-70 ima vse ustrezne lastnosti, saj je začetna meja plastičnosti približno 260 MPa (38 ksi). Ima dobro zavarljivost ter zanesljivo žilasto žilavost zvarov pri umernih obratovalnih temperaturah, hkrati pa ima tudi ustrezno vsebnost ogljika (manj kot 0,27 %). To pomaga preprečiti nastanek razpok v toplotno vplivani coni (HAZ). Treba je opozoriti, da standard A516 zajema le plošče, ne pa tudi palic. Zamenjava z palicami iz ogljikovega jekla bi bila nepooblaščena, razen če je naveden »enakovreden« razred palic. Pri palicah, ki se uporabljajo za aplikacije, ki ohranjajo tlak, veljajo drugi standardi ASTM, ki določajo zahteve glede mehanskih in kemičnih lastnosti.

Kdaj se je treba izogibati uporabi palic ASTM A106 in A29 za konstrukcijske in cilindrične aplikacije

Čeprav lahko brezšivne cevi po standardu ASTM A106 zelo učinkovito uporabimo za visoko temperaturne cilindrične komponente, kot so šopki in podobni izdelki, njihova slaba in neenakomerna kemična sestava ter odsotnost zahtevanih udarnih preskusov pomenijo, da jih ni mogoče uporabiti kot nadomestek za strukturne palice v primarnih aplikacijah za zadrževanje tlaka. Razmislite na primer o jeklenih palicah razreda A29, razreda 1045. Ta razred je namenjen tipičnim strukturnim aplikacijam, vendar za njega ni določena minimalna meja tekočosti; kot posledica tega bi lahko imel v plastičnem območju precej nizko mejo tekočosti, kar bi lahko povzročilo strukturno odpoved v najslabšem možnem trenutku. Oba navedena standarda prav tako ne vsebujeta zahtev glede kemične sestave, udarnih preskusov in vodenja dokumentacije, ki jih določa ASME BPVC, razdelek VIII. Zato se za netcilindrične komponente za zadrževanje tlaka uporabljajo ogljikove jeklene palice po standardu ASTM A696. Te palice imajo strožje zahteve glede kemične sestave, dokazano odpornost proti udarcem ter rezultate preskusov, ki potrjujejo, da jih je mogoče obdelati v ustrezne priključke, ki so v našem svetu izjemno pomembni.

Obnašanje pri koroziji in okoljski omejitve za jekleno palico iz ogljikovega jekla

Občutljivost na razpoke v mokrem H₂S, kloridno lupinjenje in strategije za zmanjševanje tveganja

Tlačne posode, ki vsebujejo mokri vodikov sulfid (H₂S) in kloride, so izjemno škodljive za jeklene palice iz ogljikovega jekla in povzročajo hitro razgradnjo kovine. Med obratovanjem se jeklo nagnje pojavu, imenovanemu sulfidna napetostna razpoka. Pri sulfidni napetostni razpoki se vodik (H) absorbira v kovino in jekleno strukturo. Ta težava se še bolj poudari z naraščanjem trdote jekla (več kot 22 HRC po Rockwellovi lestvici trdote). Prisotnost kloridov povzroča elektrokemijske celice (ali majhne točkaste korozije) na površini ter točke koncentracije napetosti, kar znatno poveča hitrost širjenja razpok. Zato morajo inženirji izbrati materiale z vrednostmi trdote, nižjimi od vrednosti 22 HRC, določene v standardih NACE MR0175 in ISO 15156. Prav tako je treba nanesti zaščitna premazanja (npr. termično pršeno aluminij in epoksid). Treba je prav tako upoštevati katodne zaščitne sisteme. Sistemi za nadzor, ki so zasnovani za odstranjevanje H₂S, zniževanje pH-vrednosti in uporabo materialov za zaviranje korozije, so vse sredstva za nadzor okolja. Z vidika načrtovanja je odprava »mrtvih vej« in prostorov, v katerih se lahko zadrži voda, ključna za preprečevanje odpovedi zaradi korozije.

Zmanjševanje vsebine ogljika v jeklenih palicah in njegov vpliv na zavarljivost, obdelavo ter toplotno obdelavo po zavarovanju

Kako vpliva zmanjševanje ogljika in njegov vpliv na območje toplotnega vpliva (HAZ) ter zahteve za toplotno obdelavo po zavarovanju (PWHT)?

Pri integraciji jekla z visoko vsebino ogljika z drugimi elementi za izdelavo tlakovnih posod je vsebnost ogljika (C) ključnega pomena za določanje lahkote varjenja. Pri vsebnosti C nad 0,25 % se poveča tveganje, da se v območju, vplivnem na toploto (HAZ), razvijejo neželene lastnosti, kar naredi to območje dovzetno za hladne razpoke po varjenju. Ohranjanje vsebnosti ogljika pod 0,25 % je splošno ugodno za varjenje, saj omogoča boljšo stabilnost loka, zmanjšanje zahtev za predgrevanje ter večjo fleksibilnost glede kvalifikacije postopkov varjenja. Glede na ASME BPVC, razdelek VIII, del 1, je za vsak del, katerega debelina znaša 38 mm ali več, obvezno izvesti toplotno obdelavo po varjenju (PWHT). To je postopek odstranjevanja ostankov napetosti, ki jih povzroči varilni proces, ter obnovitve določene ravni žilavosti, ki je potrebna pri komponentah, ki so izpostavljene cikličnim obremenitvam, ali pri komponentah, ki delujejo v pogojih visoke zahtevnosti. Tipična toplotna obdelava po varjenju se izvede z segrevanjem do ciljne temperature 600–700 °C za vsakih 25 mm debeline vzorca v časovnem obdobju ene ure; pred toplotno obdelavo po varjenju je obvezno predsegrevanje, da se prepreči termični šok.

Pravilno sledenje tem korakom zagotavlja, da vse ostane dimenzionalno stabilno in da struktura ostane zanesljiva skozi čas brez velikega vpliva na hitrost proizvodnje.

Kakšna je najmanjša meja plastičnosti za jeklene palice iz ogljikovega jekla, uporabljene v tlakovnih posodah?

Zahtevana najmanjša meja plastičnosti je 205 MPa oziroma 30.000 PSI.

Zakaj je ASTM A516 razred 70 material izbire za varjene dele posod iz ogljikovega jekla?

Zaradi uravnoteženega nabora lastnosti, vključno z najmanjšo mejo plastičnosti približno 260 MPa, dobro varljivostjo in dobro žilavostjo.

Kakšen je vpliv temperature na udarno odpornost ogljikovega jekla?

Nizke temperature zmanjšajo udarno odpornost ogljikovega jekla, zaradi česar se obnaša slabše kot avstenitna nerjavna jekla.

Kakšne so možnosti nadzora korozije pri jeklenih palicah iz ogljikovega jekla?

Uporaba materialov z trdoto manj kot 22 HRC, zaščitna prevleka, katodna zaščita in nadzorovano okolje.

Kakšna je pomembnost vsebine ogljika pri varjenju jeklenih palic iz ogljikovega jekla?

Če ostane vsebina ogljika pod 0,25 %, bo to spodbujalo stabilno lokovno napetost med varjenjem, zmanjšalo potrebo po predogrevanju in jeklo bo manj nagnjeno k hladnim razpokam.