Är kolstålstång ett lämpligt material för tryckkärlskomponenter?

Draghållfasthet och sträckgräns för materialet uppfyller ASME BPVC avdelning II del D.

När det gäller tryckbehållare har kolstålspinnar vissa krav att uppfylla enligt ASME:s kessel- och tryckbehållarkod, särskilt avdelning II del D, som förklarar de mekaniska egenskaperna för tryckbärande delar. Enligt värdena för flytgränsen krävs det ett minimum på 205 MPa, eller cirka 30 000 psi. Draghållfastheten är däremot mindre konsekvent och kan variera mellan 380 och 485 MPa, eller cirka 55 000–70 000 psi, beroende på stålsort och driftstemperatur. ASTM A36-kolstålsstänger nämns uttryckligen i standarder för tillämpningar där trycket inte överstiger 300 psi. Stängerna uppfyller standarderna och ger även ett bra förhållande mellan hållfasthet och vikt. En annan viktig egenskap är töjningen. Om den förblir över 20 % är materialet tillräckligt elastiskt för att tåla tryckstötar utan att brista. Att hålla hårdheten under 200 HB bidrar också till att förhindra sprödbrott orsakade av förlust av duktilitet, vilket är ett säkerhetsproblem av betydande vikt.

Touchstone-tålighetsspecifikationer: Jämförelse av ASTM A516 Grad 70 och krav för lågtemperaturdrift

Med tanke på kolstålets egenskaper och dess övergångstemperatur från duktilt till sprödt beteende blir slagseghet en avgörande faktor. Ta till exempel ASTM A516, grad 70, ett material som ofta används för svetsade behållarplåtar. A515, grad 70, kräver endast en slagseghet på 20 J vid Charpy V-notprovning vid cirka minus 30 grader Celsius. Detta krav är tillräckligt för kylvattenapplikationer. Det är dock otillräckligt för applikationer där temperaturerna ligger kring minus 45 grader Celsius –49 grader. Intressant nog visar studier av data från ASME-del VIII och sambandet med brottmekanik att kolstål tenderar att prestera sämre jämfört med austenitisk rostfritt stål – ungefär 40–50 procent sämre. I verkligheten innebär detta att arktiska rörledningar och LNG-lagringsanläggningar kräver en minsta slagseghet på 40 J. I detta fall återstår ingen annan möjlighet för ingenjörer än att använda nickellegeringar av typen som specificeras i ASTM A352 LCB/LCC eller att tillämpa någon form av särskild spänningsavlastning efter konstruktionen. Detta beror på att standardkolstålsstänger inte har någon inbyggd förmåga att uppfylla dessa krav.

Av tryckkärl, tillverkning och ASTM-godkända kolstålsmärken för stänger

Svetsade kolstålstryckkärl: Fästpunkter och fästdelar tillverkade av A516-70

A516-70 har alla rätta egenskaper eftersom utgångsdrifthållfastheten är cirka 260 MPa (38 ksi). Det har god svetsbarhet och pålitlig svetsbarhetsseghet i genomtjocklek vid måttliga driftstemperaturer, samtidigt som det har rätt kolhalt (mindre än 0,27 %). Detta är till hjälp för att förhindra bildning av sprickor i värmeinflyttszonen (HAZ). Det bör dock noteras att A516 omfattar endast plåtar och inte stänger. Att ersätta kolstålsstänger skulle vara icke-konformt om inte den 'ekvivalenta' stålmärken anges. När det gäller stänger som används för tryckhållande applikationer finns det andra ASTM-standarder. Dessa omfattar kraven på mekaniska och kemiska egenskaper.

När man ska undvika användning av ASTM A106- och A29-stänger för strukturella och cylindriska applikationer

Även om ASTM A106-rör utan söm är ganska effektiva för cylindriska komponenter vid höga temperaturer, såsom munstycken och liknande produkter, innebär produktens dåliga och inkonsekventa kemiska sammansättning samt bristen på krävd slagprovning att den helt enkelt inte kan användas som ersättning för konstruktionsstänger i primära tryckhållande applikationer. Betrakta till exempel A29-kvalitet 1045. Denna kvalitet är avsedd för typiska konstruktionsapplikationer, men kvaliteten har ingen definierad minimi-sträckgräns, vilket innebär att sträckgränsen potentiellt kan vara mycket låg i det duktila området och därmed leda till konstruktionssvikt vid den värsta tänkbara tidpunkten. Dessa två specifikationer saknar även kraven på kemisk sammansättning, slagprovning och dokumentationsföring enligt ASME BPVC avdelning VIII. Därför ska ASTM A696-kolstål-stänger användas för icke-cylindriska tryckhållande komponenter. Dessa stänger har ökade krav på kemisk sammansättning, bevisad slagtålighet samt provresultat som visar att stängerna kan bearbetas till de nödvändiga rördelarna, vilka är av sådan stor betydelse i vår värld.

Korrosionsbeteende och miljömässiga begränsningar för kolstålstång

Känslighet för våt H₂S-sprickning, kloridpitting och åtgärder för att minska risken

Tryckbehållare som innehåller fuktig väte-sulfid (H₂S) och klorider är extremt skadliga för kolstål och orsakar snabb försämring av metallen. Under drift blir stålet benäget för en fenomen kallat sulfidspänningsbrott. Vid sulfidspänningsbrott absorberas vätgen (H) i metallen och stålkonstruktionen. Detta problem förstärks ytterligare vid ökningar i stålets hårdhet (över 22 HRC enligt Rockwell-hårdhetsskalan). Närvaron av klorider skapar elektrokemiska celler (eller små punktkorrosionsområden) på ytan samt spänningskoncentrationspunkter, vilket avsevärt ökar spridningshastigheten för sprickor. På grund av detta bör ingenjörer välja material med hårdhetsnivåer lägre än den angivna gränsen på 22 HRC i standarderna NACE MR0175 och ISO 15156. Skyddande beläggningar (t.ex. termiskt sprutad aluminium och epoxi) bör också appliceras. Man bör även överväga katodisk skyddssystem. Reglersystem som är utformade för att eliminera H₂S, sänka pH-nivån och använda korrosionsinhiberande material är alla metoder för att kontrollera miljön. Från ett konstruktionsperspektiv är eliminering av ”döda ben” och utrymmen där vatten kan ackumuleras avgörande för att förhindra fel orsakade av korrosion.

Minskning av kolhalten i kolstålbar och dess effekt på svetsbarhet, tillverkning och värmebehandling efter svetsning

Hur är kraven på koldioxidminskning och dess inverkan på värmebelastade zoner (HAZ) och värmebehandling efter svetsning (PWHT)?

När kolstål integreras med andra element för tillverkning av tryckbehållare är kolhalten (C) avgörande för att definiera hur lätt materialet kan svetsas. Vid kolhalter över 0,25 % ökar risken för att den värmpåverkade zonen (HAZ) utvecklar oönskade egenskaper, vilket gör zonen mottaglig för kallsprickning efter svetsning. Att hålla kolhalten under 0,25 % är i allmänhet fördelaktigt för svetsning, eftersom det möjliggör bättre bågstabilitet, minskade krav på förvärmning samt större flexibilitet när det gäller kvalificering av svetsprocedurer. Enligt ASME BPVC Section VIII Division 1 krävs det att utföra eftervärmebehandling (PWHT) om någon del är lika med eller över 38 mm tjock. Detta är en procedur för att ta bort restspänningar som uppstått vid svetsningen och återställa en nivå av seghet som är nödvändig för komponenter som utsätts för cyklisk belastning eller för komponenter som används i drift med hög integritet. Typisk PWHT utförs genom uppvärmning till en måltemperatur mellan 600 och 700 °C i en timme per 25 mm provtjocklek, och förvärmning för att förhindra termisk chock är obligatorisk innan PWHT för att undvika oönskad termisk chock.

Att följa dessa steg korrekt säkerställer att allt förblir dimensionellt stabilt och att konstruktionen förblir pålitlig över tid utan större inverkan på produktionshastigheten.

Vad är den minsta sträckgränsen för kolstålsstänger som används i tryckkärl?

Den krävda minsta sträckgränsen är 205 MPa eller 30 000 PSI.

Varför är ASTM A516, klass 70, det material som föredras för svetsade kolstålspartsdelar till kärl?

På grund av dess balanserade egenskaper, inklusive en minsta sträckgräns på cirka 260 MPa, god svetsbarhet och god seghet.

Vilka effekter har temperatur på slagfastheten hos kolstål?

Låga temperaturer minskar slagfastheten hos kolstål, vilket gör att det presterar sämre än austenitiska rostfria stål.

Vilka metoder finns för att kontrollera korrosion i kolstålsstänger?

Användning av material med hårdhet lägre än 22 HRC, skyddande beläggningar, katodisk skydd, samt kontrollerad miljö.

Vad är vikten av kolhalten vid svetsning av kolstålspålar?

Om kolhalten förblir under 0,25 % främjar detta en stabil lysbåge vid svetsning, minskar behovet av förvärmning och stålet blir mindre benäget att kallspricka.