ท่อทำความร้อนหุ้มด้วยสเตนเลสสตีล 316 ทนแรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาตได้ก่อนที่จะให้ผลผลิตที่การปิดฝาท้ายแบบเชื่อม

รอยเชื่อม - จุดอ่อนในการออกแบบเครื่องทำความร้อนแบบท่อภายใต้ความกดดัน

แรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาต (MAWP) ของท่อความร้อนไฟฟ้าหุ้มสแตนเลส 316 ที่ใช้ในระบบแรงดัน เช่น เครื่องทำความร้อนในกระบวนการผลิตในสาย- เครื่องนึ่งความดันสูง หรือถังผลิตไอน้ำ แทบจะไม่ถูกจำกัดด้วยผนังท่อตรง อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบที่มีความเข้มข้นของความเค้นมากที่สุดและระยะขอบต่ำสุดที่จะเกิดหรือแตกคือการปิดฝาท้ายแบบเชื่อมซึ่งจะผนึกปลอกเพื่อจำกัดลวดต้านทานภายในและฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์ รูปทรงของการเชื่อม ความลึกของการเจาะ การอ่อนตัวลงของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) และสนามความเค้นตกค้างจากการเชื่อม รวมกันเพื่อกำหนดความดันที่ฝาท้ายดึงออกหรือผนังของฝักใกล้กับรอยเชื่อมผิดรูป บทความนี้นำเสนอวิธีการเชิงปริมาณในการพิจารณาความดันในการทำงานที่ปลอดภัยของเครื่องทำความร้อนแบบมีเปลือก 316 เครื่องตามเกณฑ์การออกแบบการเชื่อม ช่วยให้วิศวกรสามารถระบุเครื่องทำความร้อนสำหรับการทำงานที่มีแรงดันพร้อมปัจจัยด้านความปลอดภัยที่คำนวณได้

กลไกความเข้มข้นของความเค้นที่รอยต่อฝาท้ายแบบเชื่อม

การปิดฝาท้ายเครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม 316 ตามปกตินั้นเป็นแผ่นสแตนเลส 316 แบบแบนหรือทรงโดมที่เชื่อมเป็นเส้นรอบวงกับปลอกท่อตรง การเชื่อมอาจเป็นการเชื่อมฟิเล (ทับเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ) หรือการเชื่อมแบบชน (จับคู่ความหนาของฝาครอบกับผนังท่อ) การกระจายตัวของความเค้นในผนังของท่อภายใต้ความดันภายในกำหนดโดยสูตรความเค้นของห่วง-ความดัน-: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t โดยที่ P คือความดันภายใน D_{mean} คือเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย และ t คือความหนาของผนัง สำหรับท่อ OD 10 มม. ที่มีผนัง 1.5 มม. (เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 8.5 มม., t=1.5 มม.) ความเค้นของห่วงที่ 10 MPa (100 บาร์) จะอยู่ที่ประมาณ 28 MPa-ต่ำกว่าความแข็งแรงของคราก 316 ที่ 205 MPa มาก ซึ่งให้ปัจจัยด้านความปลอดภัยมากกว่า 7 แต่ที่บริเวณรอยเชื่อม องค์ประกอบสามประการจะเพิ่มความตึงเครียด ขั้นแรก รอยเชื่อม (จุดตัดระหว่างโลหะเชื่อมและพื้นผิวท่อ) จะสร้างรอยบากทางเรขาคณิตโดยมีปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น (K t ) โดยปกติจะอยู่ในช่วง 2.5 ถึง 4.0 ขึ้นอยู่กับโปรไฟล์การเชื่อม ประการที่สอง พบว่าโซนรับผลกระทบความร้อนจากการเชื่อมใกล้ (HAZ) มีความแข็งแรงของผลผลิตลดลงเนื่องจากการทำให้เกรนหยาบและสูญเสียงานเย็น จาก 205 MPa เหลือเพียง 150-170 MPa ในรอยเชื่อมที่มีการควบคุมไม่ดี ประการที่สาม ความเค้นดึงที่ตกค้างจากการหล่อเย็นของรอยเชื่อม ซึ่งปกติอยู่ที่ 100–200 MPa จะเพิ่มความเครียดจากแรงดันที่ใช้ และอาจทำให้ความเค้นรวมในพื้นที่เกินกว่าผลผลิตได้ แม้จะอยู่ที่แรงกดดันที่ต่ำกว่าแรงดันการแตกของท่อตามทฤษฎีก็ตาม ผลที่ได้คือรอยต่อฝาท้ายที่เชื่อมจะพังทลายลงที่ความดันโดยทั่วไปประมาณ 30-50% ของความดัน ซึ่งจะทำให้เกิดการคลาดเคลื่อนในส่วนของท่อตรง

การจัดอันดับความดันเชิงปริมาณขึ้นอยู่กับรูปทรงของการเชื่อมและระดับคุณภาพ

เครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม 316 มีฝาปิดแบบเชื่อม และแรงดันในการทำงานที่ปลอดภัยจะถูกกำหนดโดยรูปทรงของการเชื่อมและคุณภาพของการเจาะทะลุของรอยเชื่อม การเชื่อมในการผลิตเครื่องทำความร้อนโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามประเภท การเชื่อมฟิลเลน้อยที่สุด (ความยาวขาเชื่อม 0.7 x ความหนาของผนังท่อ) โดยมีการเจาะที่ไม่เพียงพอจะทำให้ได้พิกัดแรงดันต่ำสุด โดยปกติแล้วเครื่องทำความร้อนจะจำกัดอยู่ที่ 2-3 MPa (20-30 บาร์) แม้ว่าตัวท่อเองอาจจะสามารถทนต่อ 15-20 MPa ก็ตาม การเชื่อมชนแบบเต็มที่มีรูปทรงเรียบและไม่มีการตัดด้านล่าง ตามด้วยการลดความเค้นหลังการเชื่อม สามารถรับแรงดันได้สูงถึง 70-80% ของพิกัดท่อตรง พารามิเตอร์หลักคือปัจจัยประสิทธิภาพของรอยเชื่อมซึ่งอธิบายไว้ในรหัสภาชนะรับความดัน (เช่น ASME มาตรา VIII ส่วนที่ 1) ว่าเป็นอัตราส่วนของความแข็งแรงในการเชื่อมต่อความแข็งแรงของโลหะฐาน ประสิทธิภาพข้อต่อโดยทั่วไปสำหรับการเชื่อมแบบเจาะเต็มด้วยภาพรังสีโดยไม่มีการค้นพบข้อบกพร่องคือ 0.85 ถึง 1.00 ประสิทธิภาพการเชื่อมเนื้อโดยไม่ต้องตรวจสอบด้วยรังสีจะลดลงเหลือ 0.50-0.65 ปัจจัยเหล่านี้ได้รับการแปลงเป็นแรงกดดันในการทำงานสูงสุดที่อนุญาตสำหรับปลอกผนัง 316 แบบธรรมดาขนาด 10 มม. OD x 1.5 มม. ที่อุณหภูมิห้อง โดยมีปัจจัยด้านความปลอดภัย 3.0 ขึ้นอยู่กับผลผลิต

ประเภทการเชื่อม วิธีการตรวจสอบประสิทธิภาพรอยเชื่อม การเชื่อมด้วยความร้อนหลังการเชื่อม MAWP @ 20 องศา (MPa / bar) MAWP @ 200 องศา (MPa / bar, ลดค่าการสูญเสียความแข็งแรง) การใช้งานบริการ แนะนำ
0.35 เนื้อปลาน้อยที่สุด การเจาะบางส่วน มองเห็นเท่านั้น ไม่มี 2.5 MPa (25 bar) 1.8 MPa (18 bar) ถังเปิด เครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนแรงดันต่ำ
เนื้อมาตรฐาน ความยาวขา เต็ม 0.50 ภาพ + สารแทรกซึมสี ไม่มี 3.5 MPa (35 บาร์) 2.5 MPa (25 บาร์) ระบบน้ำ/ไกลคอล ความดันปานกลาง
การเชื่อมชนแบบเจาะเต็ม พื้นเรียบ 0.70 สารแทรกซึมของสี + การถ่ายภาพรังสี (เฉพาะจุด) การบรรเทาความเครียด (400 องศา , 1 ชม.) 5.0 MPa (50 บาร์) 3.5 MPa (35 บาร์) เครื่องทำความร้อนกระบวนการแรงดันสูง ระบบไฮดรอลิก
การเชื่อมชนแบบเจาะเต็มด้วยวงแหวนสำรอง 0.85 100 % การอบอ่อนด้วยสารละลายเต็มรูปแบบ (1040 องศา + การดับ). 6.0 MPa (60 บาร์). 4.2 MPa (42 บาร์) เครื่องนึ่งความดัน น้ำร้อนยวดยิ่ง ไอน้ำ
ฝาปิดปลายโดม (เป็นชิ้นเดียวกัน ไม่มีรอยเชื่อม) 1.00 N/A (ไร้รอยต่อ) N/A (เมื่อ-ดึงหรืออบอ่อน) 7.5 MPa (75 บาร์) 5.2 MPa (52 บาร์) อัตราแรงดันสูงสุด การออกแบบพิเศษเฉพาะ
ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการพิจารณา MAWP และการแตกของคืบ

พิกัดแรงดันในตารางด้านบนมีไว้สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิห้อง. 316 เหล็กกล้าไร้สนิมมีความแข็งแรงของผลผลิตต่ำกว่ามากและต้านทานการคืบที่อุณหภูมิสูงขึ้น สำหรับ 100 องศา ความแรงของผลผลิตจะลดลงประมาณ 5-10 % สำหรับ 200 องศาประมาณ 15-20 % สำหรับ 300 องศาประมาณ 30-35 % และสำหรับ 400 องศาประมาณ 45-55 % สำหรับเครื่องทำความร้อนที่ทำงานด้วยแรงดันที่อุณหภูมิสูงขึ้น MAWP จะต้องถูกลดค่าโดยใช้อัตราส่วนของความต้านทางครากที่อุณหภูมิต่อความต้านทางครากที่อุณหภูมิปกติ ที่สำคัญกว่านั้น สำหรับการทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิเกิน 450 องศา (ซึ่งไม่ปกติในเครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม แต่สามารถเกิดขึ้นได้ในการทำความร้อนด้วยแก๊ส) การแตกของการคืบคลานแทนที่จะเป็นการยอมให้กลายเป็นปัญหาที่จำกัด ความต้านทานการแตกร้าวจากการคืบที่ 10,000 ชั่วโมงของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ที่ 500 องศาอยู่ที่ประมาณ 100 ถึง 120 MPa เมื่อเทียบกับความแข็งแรงของผลผลิตประมาณ 140 MPa สำหรับความเค้นการออกแบบทั่วไปสำหรับเครื่องทำความร้อน (ด้วยปัจจัยด้านความปลอดภัยที่ 3.0 ต่อผลผลิต) ความเค้นที่อนุญาตที่ 500 องศาจะกลายเป็น 140/3=47 MPa แต่ความเครียดจากการแตกของครีปเป็นเวลา 10,000 ชั่วโมงที่ 500 องศาจะอยู่ที่ประมาณ 100 MPa ดังนั้นการคืบจึงไม่มีอิทธิพลเหนือ อย่างไรก็ตาม ความต้านทานการแตกของครีป 10,000 ชม. ที่ 550 องศา จะลดลงเหลือ 60-70 MPa ซึ่งอาจน้อยกว่าความเครียดที่ออกแบบ หากวิศวกรกำหนดไว้สำหรับบริการที่มีแรงดันสูงกว่า 400 องศา เขาจะต้องขอข้อมูลการแตกของครีพหรือลดค่าลงเพิ่มเติม

วิธีการประกันความสมบูรณ์ของการเชื่อมและการยึดแรงดัน

สำหรับการตรวจสอบฝาปิดปลายแบบเชื่อมของเครื่องทำความร้อนที่มีการออกแบบแรงดัน จะใช้ขั้นตอนสี่ขั้นตอนเพื่อกำหนดระดับแรงดันตามที่ต้องการ สิ่งแรกและชัดเจนที่สุดคือการทดสอบการพิสูจน์อุทกสถิต เครื่องทำความร้อนได้รับแรงดันถึง 1.5× MAWP ด้วยน้ำหรือน้ำมัน และคงไว้เป็นเวลา 10-30 นาที เพื่อดูแรงดันตกหรือการรั่วไหลที่ชัดเจน การทดสอบนี้สร้างความเสียหายให้กับเครื่องทำความร้อน (MgO ภายในจะดูดซับความชื้นหากมีการรั่วซึมใดๆ เลย แม้จะเพียงเล็กน้อยก็ตาม) และโดยปกติจะทำกับหน่วยตัวอย่างมากกว่าเครื่องทำความร้อนที่ใช้ในการผลิต วิธีที่สองคือการทดสอบการรั่วของฮีเลียม เครื่องทำความร้อนได้รับแรงดันด้วยฮีเลียมและวางไว้ในห้องสุญญากาศที่ติดอยู่กับแมสสเปกโตรมิเตอร์ อัตราการรั่วไหลที่น้อยกว่า 1×10⁻7 mbar·L/s บ่งชี้ถึงซีลสุญญากาศที่เหมาะสมสำหรับการบริการแรงดันสูง วิธีที่สามเกี่ยวข้องกับการประเมินด้วยภาพรังสีของรอยเชื่อมเพื่อหาการเจาะทะลุ ความพรุน หรือรอยแยกที่ไม่สมบูรณ์ การผสมผสานระหว่างการถ่ายภาพรังสี 100 % และการทดสอบการรั่วของฮีเลียมบนเครื่องทำความร้อนทุกเครื่องทำให้ได้รับความไว้วางใจสูงสุดในการใช้งานที่สำคัญ วิธีที่สี่คือการตัดขวาง-ทางโลหะวิทยาของรอยเชื่อมตัวอย่างจากล็อตการผลิตแต่ละล็อตเพื่อวัดความลึกของการเจาะและตรวจสอบรอยแตกร้าวของ HAZ หรือการไม่มีฟิวชัน สำหรับลูกค้าที่ต้องการเครื่องทำความร้อนสำหรับระบบแรงดัน ใบรับรองความสอดคล้องกับคุณสมบัติเทคนิคการเชื่อมที่ระบุ (เช่น ASME มาตรา IX) จะให้การรับประกันคุณภาพที่บังคับใช้ได้

ตัวบ่งชี้สนามความเค้นเชื่อมและโหมดความล้มเหลวของแรงดันเกิน

เครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม 316 ที่มีแรงดันภายในมากกว่า MAWP จะล้มเหลวด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสามวิธี ขึ้นอยู่กับการออกแบบการเชื่อมและแรงดัน ประการแรกคือการค่อยๆ คลี่คลายที่ปลายเชื่อม ซึ่งเห็นได้จากการโป่งนูนอย่างถาวรหรือการเสียรูปของฝักซึ่งอยู่ใกล้กับแนวเชื่อมทันที แต่ไม่มีการรั่วไหล สภาวะนี้บ่งชี้ว่าเครื่องทำความร้อนได้รับแรงดันมากเกินไปแต่อาจยังใช้งานได้อยู่ อย่างไรก็ตาม วัสดุการทำงานเย็นที่ส่วนนูนจะไวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นมากกว่า โหมดที่สองคือการปลดการเชื่อม โดยที่ตัวเชื่อมจะขาดและฝาท้ายจะหลุดออกจากท่อ โดยปกติแล้วจะเป็นการแตกหักแบบเปราะผ่านโลหะเชื่อมหรือ HAZ ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการบิดเบือนที่เห็นได้ชัดมาก่อน โหมดที่สามคือรูเข็มรั่วจากข้อบกพร่องที่มีรูพรุนในการเชื่อม โดยปกติจะเป็นกระแสก๊าซหรือของเหลวละเอียดเมื่อมีแรงดันเครื่องทำความร้อน การปรากฏตัวของสนิม-การย้อมสีรอบๆ รอยเชื่อม (สำหรับของเหลวที่เป็นน้ำ) หรือคราบคาร์บอน (สำหรับของเหลวอินทรีย์) สำหรับ-เครื่องทำความร้อนในบริการสามารถบ่งบอกถึงประวัติของการรั่วไหลเล็กน้อย เครื่องทำความร้อนใดๆ ที่ไวต่อเหตุการณ์แรงดันเกินที่ทราบ เช่น เดดเฮดของปั๊มหรือวาล์วปิด จะต้องได้รับการรับรองซ้ำโดยการทดสอบอุทกสถิตหรือเปลี่ยนใหม่ หากไม่มีความเสียหายที่ชัดเจน

สรุป: การกำหนดการออกแบบการเชื่อมให้เป็นคุณลักษณะการควบคุมความดัน-

สำหรับท่อความร้อนหุ้มด้วยสเตนเลสสตีล 316 ที่ใช้ในระบบแรงดัน ผนังท่อไม่ใช่ปัจจัยจำกัดสำหรับแรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาต แต่เป็นการปิดฝาท้ายแบบเชื่อม การทำงานที่ปลอดภัยของการเชื่อมฟิลเล็ตขนาดเล็กที่มีการเจาะบางส่วนถูกจำกัดอยู่ที่ 2–3 MPa (20–30 บาร์) แต่การเชื่อมชนแบบทะลุทะลวงเต็ม- ได้รับการตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์และคลายความเครียดได้ถึง 5–6 MPa (50–60 บาร์) สำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงดันเกิน 6 MPa (60 บาร์) ที่อุณหภูมิสูง ควรระบุการออกแบบฝาครอบไร้รอยต่อ (ที่สร้างจากตัวท่อ ปลายทรงโดมโดยไม่มีการเชื่อมแยกต่างหาก) แต่มีราคาแพงกว่าและจำกัดความพร้อมในการผลิต เมื่อซื้อเครื่องทำความร้อน วิศวกรควรขอเอกสารเกี่ยวกับประเภทการเชื่อม ขั้นตอนการตรวจสอบ และ-การบำบัดความร้อนหลังการเชื่อมสำหรับบริการที่มีแรงดัน วิธีการปัจจุบันช่วยให้ผู้ซื้อสามารถเลือกเครื่องทำความร้อนแบบมีเปลือก 316 เครื่องที่สามารถรองรับแรงดันภายในที่ต้องการได้อย่างปลอดภัยโดยไม่มีผลผลิตที่รอยเชื่อม โดยการเชื่อมโยงรูปทรงการเชื่อมและระดับคุณภาพเข้ากับพิกัดแรงดันเชิงปริมาณที่มีตั้งแต่การรั่วไหลไปจนถึงการแยกฝาท้ายที่ระเบิด เช่น โหมดความล้มเหลวที่รุนแรง