Чи є пруток із вуглецевої сталі підхожим матеріалом для компонентів тискового судна?

Межа міцності на розтяг і межа текучості матеріалу відповідають розділу II, частина D стандарту ASME BPVC.

Щодо посудин, що працюють під тиском, вуглецеві стальні стрижні повинні відповідати певним вимогам Кодексу котлів і посудин, що працюють під тиском, Американського товариства інженерів-механіків (ASME), зокрема Розділу II, Частина D, де наведено механічні властивості деталей, що містять тиск. Згідно з показниками границі текучості, вона має становити щонайменше 205 МПа, або приблизно 30 000 psi. Натомість межа міцності на розтяг є менш постійною й може варіюватися в межах від 380 до 485 МПа (приблизно від 55 000 до 70 000 psi) залежно від марки сталі та робочої температури. Вуглецева сталь ASTM A36 у вигляді прутків прямо зазначена в стандартах для застосування в умовах, коли тиск не перевищує 300 psi. Такі прутки відповідають стандартам і також забезпечують добре співвідношення міцності до маси. Ще однією важливою властивістю є відносне подовження. Якщо воно залишається понад 20 %, матеріал є достатньо гнучким, щоб витримувати стрибки тиску без руйнування. Підтримання твердості на рівні < 200 HB також сприяє запобіганню втраті пластичності та утворенню тріщин — це питання безпеки, яке має особливо велике значення.

Стійкість за методом Touchstone: специфікації — порівняння сталі ASTM A516, клас 70, та вимог до експлуатації при низьких температурах

З урахуванням природи вуглецевої сталі та її температури переходу від пластичного до крихкого стану, ударна в’язкість стає критичним фактором. Розглянемо, наприклад, сталь ASTM A516 класу 70 — матеріал, який часто використовують для зварних плит корпусів резервуарів. Вимога до сталі A515 класу 70 передбачає лише 20 Дж за результатами випробування на ударну в’язкість за Шарпі з V-подібним надрізом при температурі близько мінус 30 °C. Ця вимога є достатньою для систем охолодженої води. Однак вона є недостатньою для застосувань, що передбачають роботу при температурах близько мінус 45 °C (до мінус 49 °C). Цікаво, що аналіз даних із розділу VIII ASME та пов’язаних із механікою руйнування положень показує: вуглецева сталь має меншу стійкість до руйнування порівняно з аустенітною нержавіючою сталлю — приблизно на 40–50 % нижчу. На практиці це означає, що арктичні трубопроводи та установки для зберігання рідкого природного газу (LNG) вимагають мінімальної ударної в’язкості 40 Дж. У такому випадку інженери, як правило, не мають іншого вибору, крім використання нікелевих сплавів, визначених у стандарті ASTM A352 (LCB/LCC), або застосування спеціального термічного знімання напружень після будівництва. Це пов’язано з тим, що стандартні прутки з вуглецевої сталі не мають вбудованої здатності забезпечувати таку в’язкість.

Щодо тискостійких посудин, виготовлення та марок вуглецевої сталі, схвалених ASTM

Зварні тискостійкі посудини з вуглецевої сталі: тимчасові з’єднання та приєднувальні елементи зі сталі марки A516-70

Марка A516-70 має всі необхідні властивості, оскільки межа текучості у вихідному стані становить близько 260 МПа (38 ksi). Вона характеризується доброю зварюваністю та надійною ударною в’язкістю у поперечному перерізі зварного з’єднання при помірних експлуатаційних температурах, а також оптимальним вмістом вуглецю (менше 0,27 %). Це сприяє запобіганню утворенню тріщин у зоні термічного впливу (ЗТВ). Проте слід зазначити, що стандарт ASTM A516 стосується лише листів, а не прутків. Заміна вуглецевих стальних прутків є некомпліантною, якщо не вказано «еквівалентну» марку прутків. Щодо прутків, що застосовуються в тискостійких конструкціях, існують інші стандарти ASTM, які встановлюють вимоги до механічних та хімічних властивостей.

Коли слід уникати використання прутків ASTM A106 та A29 у конструкційних та циліндричних застосуваннях

Хоча безшовні труби за стандартом ASTM A106 можуть бути досить ефективними для високотемпературних циліндричних компонентів, що використовуються в соплах та подібних виробах, погана й непостійна хімічна структура цього матеріалу, а також відсутність обов’язкових випробувань на ударну в’язкість означають, що його взагалі не можна використовувати замість конструкційних стрижнів у первинних застосуваннях, пов’язаних із утриманням тиску. Розгляньмо, наприклад, сталь марки A29, клас 1045. Цей клас призначений для типових конструкційних застосувань, проте він не має визначеної мінімальної границі текучості, а отже, у пластичній області вона потенційно може бути дуже низькою, що призведе до конструкційного руйнування в найгірший можливий момент. Ці два стандарти також не передбачають вимог щодо хімічного складу, випробувань на ударну в’язкість та ведення документації, які встановлені в розділі VIII ASME BPVC. Тому щодо нециліндричних компонентів, що утримують тиск, слід використовувати вуглецеві сталеві стрижні за стандартом ASTM A696. Ці стрижні мають підвищені вимоги до хімічного складу, доведену ударну в’язкість, а також результати випробувань, що підтверджують здатність цих стрижнів до виготовлення необхідних фітингів — що є надзвичайно важливим у нашому світі.

Поведінка в умовах корозії та екологічні обмеження для сталевого стрижня з вуглецевої сталі

Схильність до утворення тріщин у присутності вологого H₂S, піттінгової корозії хлоридами та стратегії її запобігання

Резервуари під тиском, що містять вологий сірководень (H₂S) і хлориди, надзвичайно шкідливі для сталевих стрижнів і призводять до швидкого руйнування металу. Під час експлуатації сталь стає схильною до явища, відомого як сульфідне корозійне розтріскування під напруженням. Під час сульфідного корозійного розтріскування під напруженням водень (H) поглинається в метал і кристалічну структуру сталі. Ця проблема ще більше посилюється зі зростанням твердості сталі (понад 22 HRC за шкалою твердості Роквелла). Наявність хлоридів спричиняє утворення електрохімічних елементів (або мікропітингової корозії) на поверхні та точок концентрації напружень, що значно прискорює розповсюдження тріщин. Тому інженери повинні вибирати матеріали з твердістю нижче за значення 22 HRC, встановлене стандартами NACE MR0175 та ISO 15156. Також слід застосовувати захисні покриття (наприклад, алюмінієве термопокриття та епоксидні покриття). Необхідно також враховувати системи катодного захисту. Системи керування, призначені для видалення H₂S, зниження рівня pH та використання інгібіторів корозії, є засобами контролю середовища. З точки зору проектування, усунення «мертвих ділянок» та порожнин, у яких може затримуватися вода, є поширеною практикою запобігання відмовам через корозію.

Зниження вмісту вуглецю в прутку з вуглецевої сталі та його вплив на зварювальність, обробку та термічну обробку після зварювання

Як зниження вмісту вуглецю та його вплив на зону термічного впливу (HAZ) і вимоги до термічної обробки після зварювання (PWHT)?

Під час інтеграції вуглецевої сталі з іншими елементами для виготовлення посудин, що працюють під тиском, рівень вуглецю (C) є критичним фактором, що визначає легкість зварювання. При вмісті вуглецю понад 0,25 % зростає ризик утворення небажаних властивостей у зоні термічного впливу (ЗТВ), що робить цю зону схильною до холодних тріщин після зварювання. Збереження вмісту вуглецю на рівні менше 0,25 % загалом сприятливо впливає на процес зварювання, оскільки забезпечує кращу стабільність дуги, зменшує необхідність попереднього підігріву та надає більшої гнучкості щодо кваліфікації зварювальних процедур. Згідно з ASME BPVC, Розділ VIII, Частина 1, якщо будь-яка частина має товщину 38 мм або більше, обов’язковим є проведення термообробки після зварювання (ТОПЗ). Це процедура, призначена для зняття залишкових напружень, викликаних процесом зварювання, а також для відновлення рівня пластичності, необхідного для компонентів, що піддаються циклічним навантаженням, або для компонентів, що експлуатуються в умовах високої вимоги до надійності. Типова ТОПЗ проводиться шляхом нагрівання до заданої температури 600–700 °C протягом 1 години на кожні 25 мм товщини зразка; перед ТОПЗ обов’язковий попередній підігрів для запобігання тепловому удару, щоб уникнути небажаних наслідків, пов’язаних із тепловим ударом.

Правильне виконання цих кроків забезпечує збереження розмірної стабільності всього виробу та надійності його конструкції протягом тривалого часу без істотного впливу на темпи виробництва.

Яка мінімальна границя текучості для сталевих прутків із вуглецевої сталі, що використовуються у посудинах під тиском?

Необхідна мінімальна границя текучості становить 205 МПа або 30 000 PSI.

Чому сталь ASTM A516 класу 70 є матеріалом вибору для зварювальних деталей посудин із вуглецевої сталі?

Через збалансований набір характеристик, у тому числі мінімальну границю текучості близько 260 МПа, хорошу зварювальність та високу ударну в’язкість.

Який вплив має температура на ударну в’язкість вуглецевої сталі?

Низькі температури знижують ударну в’язкість вуглецевої сталі, через що її експлуатаційні характеристики стають гіршими порівняно з аустенітними нержавіючими сталями.

Які існують способи запобігання корозії сталевих прутків із вуглецевої сталі?

Використання матеріалів із твердістю менше 22 HRC, захисні покриття, катодний захист та контрольована середовищна умова.

Яке значення має вміст вуглецю при зварюванні прутків із вуглецевої сталі?

Якщо вміст вуглецю залишається нижчим за 0,25 %, це сприятиме стабільній дузі під час зварювання, зменшить необхідність попереднього нагріву, а сталь буде менш схильною до холодних тріщин.