Áp suất làm việc tối đa cho phép mà ống gia nhiệt có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 chịu được trước khi mang lại hiệu quả khi đóng nắp đầu hàn

Mối hàn - Liên kết yếu trong thiết kế lò sưởi hình ống dưới áp lực

Áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) của ống gia nhiệt điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 được sử dụng trong các hệ thống điều áp chẳng hạn như-máy gia nhiệt trong dây chuyền, nồi hấp áp suất cao hoặc bình sản xuất hơi nước hiếm khi bị giới hạn bởi thành ống thẳng. Tuy nhiên, thành phần có nồng độ ứng suất lớn nhất và có giới hạn uốn hoặc đứt thấp nhất là nắp đầu được hàn để bịt kín vỏ bọc để giữ dây điện trở bên trong và lớp cách điện oxit magie. Hình dạng mối hàn, độ sâu thâm nhập, độ mềm của vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và trường ứng suất dư từ quá trình hàn kết hợp với nhau để xác định áp suất tại đó nắp cuối bị kéo ra hoặc thành vỏ bọc gần mối hàn bị biến dạng. Bài viết này trình bày một phương pháp định lượng để xác định áp suất làm việc an toàn của 316 lò sưởi có vỏ bọc dựa trên tiêu chí thiết kế mối hàn, cho phép người kỹ sư xác định các lò sưởi hoạt động có điều áp với hệ số an toàn có thể tính toán được.

Cơ chế tập trung ứng suất tại mối nối đầu hàn

Việc đóng nắp đầu cuối của lò sưởi được bọc 316 thông thường là một đĩa thép không gỉ 316 phẳng hoặc hình vòm được hàn theo chu vi vào vỏ ống thẳng. Mối hàn có thể là mối hàn góc (chồng lên đường kính ngoài của ống) hoặc mối hàn đối đầu (phù hợp với độ dày nắp với thành ống). Sự phân bố ứng suất trong thành ống dưới áp suất bên trong được xác định bằng công thức ứng suất vòng-áp suất-mỏng của bình: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t trong đó P là áp suất bên trong, D_{mean} là đường kính trung bình và t là độ dày của thành ống. Đối với ống OD 10 mm có thành 1,5 mm (đường kính trung bình 8,5 mm, t=1.5 mm), ứng suất vòng ở 10 MPa (100 bar) là khoảng 28 MPa-thấp hơn nhiều so với cường độ chảy 316 là 205 MPa, tạo ra hệ số an toàn trên 7. Nhưng tại khu vực hàn, ba yếu tố làm tăng độ căng. Đầu tiên, chân mối hàn (điểm giao nhau giữa kim loại mối hàn và bề mặt ống) tạo thành một rãnh hình học với hệ số tập trung ứng suất (K t ) thường dao động từ 2,5 đến 4,0, tùy thuộc vào hình dạng mối hàn. Thứ hai, vùng ảnh hưởng nhiệt gần mối hàn (HAZ) đã được phát hiện là có độ bền chảy giảm do hạt bị thô và mất khả năng gia công nguội, từ 205 MPa xuống mức thấp tới 150-170 MPa trong các mối hàn được điều chỉnh kém. Thứ ba, ứng suất kéo dư do làm mát mối hàn, thường là 100–200 MPa, làm tăng thêm ứng suất áp suất tác dụng và có thể làm cho ứng suất tổng cục bộ vượt quá giới hạn chảy ngay cả ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất vỡ ống lý thuyết. Kết quả là mối nối đầu hàn bị xẹp xuống ở áp suất thường bằng 30-50% áp suất, điều này có thể gây ra hiện tượng chảy xệ ở phần ống thẳng.

Đánh giá áp suất định lượng dựa trên hình dạng mối hàn và mức chất lượng

Bộ gia nhiệt bọc 316 có nắp đầu hàn và áp suất vận hành an toàn được xác định bởi hình dạng mối hàn và chất lượng xuyên thấu của mối hàn. Các mối hàn trong sản xuất lò sưởi thường được phân thành ba loại. Mối hàn phi lê tối thiểu (chiều dài chân mối hàn 0,7 x độ dày thành ống) với độ xuyên thấu không đủ sẽ tạo ra mức áp suất thấp nhất, thường giới hạn bộ gia nhiệt ở mức 2-3 MPa (20-30 bar), ngay cả khi bản thân ống có thể chịu được 15-20 MPa. Một mối hàn đối đầu ngấu hoàn toàn với đường viền mịn và không có đường cắt, sau đó là giảm ứng suất sau hàn có thể đạt mức áp suất lên tới 70-80% định mức ống thẳng. Tham số chính là hệ số hiệu suất của mối hàn được mô tả trong mã bình chịu áp lực (ví dụ: ASME Phần VIII, Phân khu 1) là tỷ lệ giữa cường độ mối hàn và cường độ kim loại cơ bản. Hiệu suất chung điển hình cho mối hàn ngấu hoàn toàn được chụp bằng tia X mà không phát hiện ra lỗi nào là 0,85 đến 1,00. Hiệu suất của mối hàn góc không kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ giảm xuống 0,50-0,65. Các hệ số này đã được chuyển thành áp suất làm việc tối đa cho phép đối với vỏ bọc tường 316 10 mm OD x 1,5 mm ở nhiệt độ phòng với hệ số an toàn là 3,0 dựa trên năng suất.

Loại mối hàn Phương pháp kiểm tra hiệu quả mối hàn Mối hàn Xử lý nhiệt sau hàn MAWP @ 20 độ (MPa / bar) MAWP @ 200 độ (MPa / bar, giảm giá trị do mất độ bền) Ứng dụng dịch vụ được khuyến nghị
0,35 Phi lê tối thiểu, thâm nhập một phần Chỉ nhìn thấy Không có 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar) Bể hở, lò sưởi tuần hoàn áp suất thấp
Phi lê tiêu chuẩn Chiều dài chân Đầy đủ 0,50 Chất thẩm thấu trực quan + thuốc nhuộm Không 3,5 MPa (35 bar) 2,5 MPa (25 bar)Hệ thống nước/glycol, áp suất trung bình
Mối hàn giáp mép ngấu hoàn toàn, mài mịn 0,70 Chất thẩm thấu thuốc nhuộm + chụp X quang (điểm)Giảm ứng suất (400 độ, 1h) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Bộ gia nhiệt quy trình áp suất cao, hệ thống thủy lực
Mối hàn giáp mép ngấu hoàn toàn với vòng đệm 0.85 100 % chụp X quang Ủ toàn bộ dung dịch (1040 độ + làm nguội). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar).Nồi hấp, nước quá nhiệt, hơi nước
Nắp đầu dạng vòm (tích hợp, không hàn) 1,00 N/A (liền mạch) N/A (như-được kéo hoặc ủ) 7,5 MPa (75 bar) 5,2 MPa (52 bar) Định mức áp suất tối đa Thiết kế đặc biệt
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các cân nhắc về MAWP và sự đứt gãy từ biến

Xếp hạng áp suất trong bảng trên dành cho sử dụng ở nhiệt độ phòng.. 316 thép không gỉ có cường độ chảy thấp hơn nhiều và khả năng chống rão ở nhiệt độ cao. Đối với 100 độ, cường độ chảy giảm khoảng 5-10 %, đối với 200 độ là khoảng 15-20 %, đối với 300 độ là khoảng 30-35 % và đối với 400 độ là khoảng 45-55 %. Đối với các thiết bị sưởi làm việc có áp suất ở nhiệt độ cao, MAWP phải được giảm đi bằng cách sử dụng tỷ số giữa giới hạn chảy ở nhiệt độ và giới hạn chảy ở nhiệt độ bình thường. Quan trọng hơn, đối với hoạt động liên tục ở nhiệt độ vượt quá 450 độ (không bình thường ở các lò sưởi có vỏ bọc nhưng có thể hình dung được trong các ứng dụng sưởi ấm bằng khí), đứt gãy thay vì chảy xệ trở thành vấn đề hạn chế. Cường độ đứt gãy 10.000 giờ của thép không gỉ 316 ở 500 độ là khoảng 100 đến 120 MPa, so với cường độ năng suất khoảng 140 MPa. Đối với ứng suất thiết kế điển hình của lò sưởi (có hệ số an toàn là 3,0 trên hiệu suất), ứng suất cho phép ở 500 độ trở thành 140/{25}} MPa, nhưng ứng suất đứt rã rão trong 10.000 giờ ở 500 độ là khoảng 100 MPa - do đó, từ biến không chiếm ưu thế. Tuy nhiên, cường độ đứt gãy từ biến trong 10.000 giờ ở 550 độ sẽ giảm xuống còn 60-70 MPa, có thể nhỏ hơn ứng suất thiết kế. Nếu một kỹ sư đang chỉ định sử dụng dịch vụ có áp suất trên 400 độ thì anh ta phải yêu cầu dữ liệu về đứt gãy từ biến hoặc giảm tốc độ hơn nữa.

Các phương pháp đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn và giữ áp suất

Để kiểm tra các nắp đầu được hàn của thiết bị sưởi có thiết kế áp suất, bốn quy trình được sử dụng để xác định rằng thông số áp suất là như yêu cầu. Đầu tiên và rõ ràng nhất là thử nghiệm bằng chứng thủy tĩnh. Bộ gia nhiệt được điều áp đến 1,5× MAWP bằng nước hoặc dầu và giữ trong 10‑30 phút, theo dõi tình trạng giảm áp suất hoặc rò rỉ rõ ràng. Thử nghiệm này có hại cho bộ gia nhiệt (MgO bên trong sẽ hấp thụ độ ẩm nếu xảy ra bất kỳ sự rò rỉ nào, thậm chí rất nhỏ) và thường được thực hiện trên các bộ phận mẫu thay vì bộ gia nhiệt sản xuất. Cách tiếp cận thứ hai là kiểm tra rò rỉ khí heli. Lò sưởi được điều áp bằng khí heli và được đặt trong buồng chân không gắn với máy quang phổ khối. Tốc độ rò rỉ nhỏ hơn 1×10⁻⁷ mbar·L/s cho thấy phốt kín thích hợp cho dịch vụ áp suất cao. Phương pháp thứ ba liên quan đến việc đánh giá bằng tia X của mối hàn xem có sự xuyên thấu không hoàn toàn, độ xốp hoặc vết nứt hay không. Sự kết hợp giữa chụp X quang 100 % và kiểm tra rò rỉ khí heli trên mọi lò sưởi mang lại sự tin cậy tối đa trong các ứng dụng quan trọng. Phương pháp thứ tư là mặt cắt ngang luyện kim của mối hàn mẫu từ mỗi lô sản xuất để đo độ sâu thâm nhập và kiểm tra các vết nứt HAZ hoặc sự vắng mặt của phản ứng tổng hợp. Đối với những khách hàng muốn có máy sưởi cho hệ thống điều áp, chứng chỉ phù hợp với trình độ kỹ thuật hàn được chỉ định (ví dụ: ASME Phần IX) sẽ cung cấp sự đảm bảo chất lượng có thể thực thi được.

Các chỉ báo trường sự cố mối hàn và các chế độ lỗi quá áp

Bộ gia nhiệt bọc 316 chịu áp suất bên trong lớn hơn MAWP sẽ bị hỏng theo một trong ba cách, tùy thuộc vào thiết kế mối hàn và áp suất. Đầu tiên là hiện tượng chảy xệ dần dần ở chân mối hàn, được chứng minh bằng sự phồng lên hoặc biến dạng vĩnh viễn của vỏ bọc ngay gần mối hàn nhưng không bị rò rỉ. Tình trạng này cho thấy thiết bị sưởi đã bị tăng áp suất quá mức nhưng có thể vẫn đang được sử dụng, tuy nhiên vật liệu gia công nguội ở chỗ phình ra dễ bị nứt ăn mòn do ứng suất hơn. Chế độ thứ hai là tách mối hàn, trong đó mối hàn tự vỡ và nắp cuối rơi ra khỏi ống. Nó thường là vết nứt giòn xuyên qua kim loại mối hàn hoặc HAZ xảy ra nhanh chóng mà không có biến dạng rõ ràng trước đó. Chế độ thứ ba là lỗ kim rò rỉ ra khỏi khuyết tật về độ xốp của mối hàn. Nó thường là một dòng khí hoặc chất lỏng mịn khi lò sưởi được điều áp. Sự xuất hiện của vết gỉ-có màu xung quanh mối hàn (đối với chất lỏng chứa nước) hoặc cặn cacbon (đối với chất lỏng hữu cơ) đối với-máy sưởi đang sử dụng có thể gợi ý tiền sử rò rỉ ở mức độ nhẹ. Bất kỳ thiết bị sưởi nào dễ xảy ra sự cố quá áp đã biết chẳng hạn như đầu chết của máy bơm hoặc van đóng phải được chứng nhận lại bằng thử nghiệm thủy tĩnh hoặc thay thế nếu không có hư hỏng rõ ràng.

Kết luận: Chỉ định thiết kế mối hàn làm tính năng kiểm soát áp suất{0}}

Đối với các ống gia nhiệt có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 được sử dụng trong hệ thống điều áp, thành ống không phải là hệ số giới hạn áp suất vận hành tối đa cho phép; đúng hơn, đó là phần đóng nắp cuối được hàn. Hoạt động an toàn của mối hàn góc nhỏ có độ ngấu một phần bị giới hạn ở 2–3 MPa (20–30 bar), nhưng mối hàn giáp mép có độ xuyên thấu hoàn toàn-, được kiểm tra bằng tia X và giảm ứng suất, đạt tới 5–6 MPa (50–60 bar). Đối với các ứng dụng cần áp suất vượt quá 6 MPa (60 bar) ở nhiệt độ cao, nên chỉ định thiết kế nắp liền mạch (được tạo thành từ chính ống, đầu dạng vòm không có mối hàn riêng), nhưng chúng đắt hơn và hạn chế về khả năng sản xuất. Khi mua máy sưởi, các kỹ sư phải yêu cầu tài liệu về loại mối hàn, quy trình kiểm tra và{15}}xử lý nhiệt sau hàn cho dịch vụ chịu áp lực. Cách tiếp cận hiện tại cho phép người mua lựa chọn 316 bộ gia nhiệt có vỏ bọc có thể đáp ứng an toàn áp suất bên trong cần thiết mà không gây ra sự biến dạng tại mối hàn bằng cách liên kết hình dạng mối hàn và mức chất lượng với mức áp suất có thể định lượng được, từ rò rỉ đến tách nắp đầu nổ, tức là các chế độ hư hỏng nghiêm trọng.