Quale pressione di esercizio massima consentita resiste un tubo riscaldante con guaina in acciaio inossidabile 316 prima di cedere alla chiusura del cappuccio saldato

Il giunto saldato - L'anello debole nella progettazione di riscaldatori tubolari sotto pressione

La pressione di esercizio massima consentita (MAWP) dei tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316 utilizzati in sistemi pressurizzati come riscaldatori di processo in-linea, autoclavi ad alta pressione o recipienti per la produzione di vapore è raramente limitata dalla parete diritta del tubo. Il componente con la maggiore concentrazione di sollecitazioni e il margine più basso di cedimento o rottura, tuttavia, è la chiusura saldata del cappuccio terminale che sigilla la guaina per confinare il filo di resistenza interno e l'isolamento in ossido di magnesio. La geometria della saldatura, la profondità di penetrazione, l'ammorbidimento della zona termicamente alterata (HAZ) e i campi di stress residui della saldatura si combinano per determinare la pressione alla quale il cappuccio terminale si stacca o la parete della guaina vicino alla saldatura si deforma. Questo articolo presenta un metodo quantificabile per determinare la pressione di esercizio sicura dei riscaldatori con guaina 316 in base a criteri di progettazione della saldatura, consentendo all'ingegnere di specificare i riscaldatori per il funzionamento pressurizzato con fattori di sicurezza calcolabili.

Meccanismi di concentrazione delle sollecitazioni nella giunzione saldata del cappuccio terminale

La consueta chiusura del cappuccio terminale del riscaldatore incassato 316 è un disco piatto o bombato in acciaio inossidabile 316 saldato circonferenzialmente alla guaina del tubo dritto. La saldatura potrebbe essere una saldatura d'angolo (sovrapposta al diametro esterno del tubo) o una saldatura di testa (che corrisponde allo spessore del cappuccio con la parete del tubo). La distribuzione dello stress nella parete del tubo sotto pressione interna è data dalla formula di stress del cerchio sottile-pressione-del vaso: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t dove P è la pressione interna, D_{mean} è il diametro medio e t è lo spessore della parete. Per un tubo con diametro esterno di 10 mm e parete di 1,5 mm (diametro medio 8,5 mm, t=1.5 mm) la sollecitazione circolare a 10 MPa (100 bar) è di circa 28 MPa- ben al di sotto del carico di snervamento 316 di 205 MPa, fornendo un fattore di sicurezza superiore a 7. Ma nell'area di saldatura tre elementi aumentano la tensione. Innanzitutto, il piede di saldatura (l'intersezione tra il metallo saldato e la superficie del tubo) forma un intaglio geometrico con un fattore di concentrazione delle sollecitazioni (K t ) solitamente compreso tra 2,5 e 4,0, a seconda del profilo di saldatura. In secondo luogo, è stato riscontrato che la zona interessata dal calore della saldatura (HAZ) ha una resistenza allo snervamento ridotta a causa dell'ingrossamento del grano e della perdita di lavorazione a freddo, da 205 MPa a un minimo di 150-170 MPa in saldature scarsamente regolate. In terzo luogo, le sollecitazioni di trazione residue derivanti dal raffreddamento della saldatura, solitamente 100–200 MPa, si aggiungono alla sollecitazione di pressione applicata e possono far sì che la sollecitazione totale locale superi lo snervamento anche a pressioni ben inferiori alla pressione teorica di rottura del tubo. Il risultato è che il giunto saldato del cappuccio terminale collassa ad una pressione generalmente pari al 30-50% della pressione che causerebbe cedimento nella porzione di tubo diritto.

Valutazione quantitativa della pressione basata sulla geometria della saldatura e sul livello di qualità

Il riscaldatore incassato 316 ha un cappuccio terminale saldato e la pressione operativa sicura è determinata dalla geometria della saldatura e dalla qualità della penetrazione della saldatura. Le saldature nella produzione di riscaldatori sono generalmente classificate in tre tipologie. Una saldatura d'angolo minima (lunghezza del tratto di saldatura 0,7 x spessore della parete del tubo) con penetrazione inadeguata fornisce la pressione nominale più bassa, normalmente limitando il riscaldatore a 2-3 MPa (20-30 bar), anche se il tubo stesso può essere in grado di resistere a 15-20 MPa. Una saldatura di testa a penetrazione completa con contorno liscio e senza sottosquadri, seguita da distensione post-saldatura, può raggiungere valori di pressione fino al 70-80% del valore nominale del tubo diritto. Il parametro chiave è il fattore di efficienza del giunto saldato che è descritto nei codici dei recipienti a pressione (ad esempio ASME Sezione VIII, Divisione 1) come il rapporto tra la resistenza della saldatura e la resistenza del metallo di base. L'efficienza tipica del giunto per una saldatura a piena penetrazione radiografata senza difetti rilevati è compresa tra 0,85 e 1,00. L'efficienza per una saldatura d'angolo senza ispezione radiografica è ridotta a 0,50-0,65. Questi fattori sono stati tradotti in pressioni di esercizio massime consentite per una guaina convenzionale in 316 con diametro esterno di 10 mm x parete di 1,5 mm a temperatura ambiente con un fattore di sicurezza di 3,0 in base alla resa.

Tipo di saldatura Metodo di ispezione dell'efficienza del giunto di saldatura Trattamento termico post saldatura MAWP a 20 gradi (MPa/bar) MAWP a 200 gradi (MPa/bar, declassato per perdita di resistenza)Applicazioni di servizio consigliate
0,35 Raccordo minimo, penetrazione parziale Solo visivo Nessuno 2,5 MPa (25 bar) 1,8 MPa (18 bar) Serbatoi aperti, riscaldatori a circolazione a bassa pressione
Filetto standard Lunghezza gamba Intero 0,50 Visivo + colorante penetrante Nessuno 3,5 MPa (35 bar) 2,5 MPa (25 bar)Sistemi acqua/glicole, media pressione
Saldatura di testa a penetrazione completa, rettificata liscia 0,70 Colorante penetrante + radiografia (spot) Distensione (400 gradi, 1 ora) 5,0 MPa (50 bar) 3,5 MPa (35 bar) Riscaldatori di processo ad alta pressione, sistemi idraulici
Saldatura di testa a penetrazione completa con anello di supporto 0.85 100 % radiografia Ricottura in soluzione completa (1040 gradi + tempra). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar). Autoclavi, acqua surriscaldata, vapore
Tappo terminale a cupola (integrale, senza saldature) 1,00 N/A (senza saldature) N/A (come-trafilato o ricotto) 7,5 MPa (75 bar) 5,2 MPa (52 bar) Pressione massima nominale Design speciale
Effetto della temperatura sulla MAWP e considerazioni sulla rottura da scorrimento

I valori di pressione nella tabella sopra si riferiscono al servizio a temperatura ambiente.. 316 L'acciaio inossidabile ha un carico di snervamento e una resistenza allo scorrimento viscoso molto inferiori a temperature elevate. Per 100 gradi il limite di snervamento è ridotto di circa il 5-10%, per 200 gradi di circa il 15-20%, per 300 gradi di circa il 30-35% e per 400 gradi di circa il 45-55%. Per i riscaldatori in servizio pressurizzato a temperature elevate, la MAWP deve essere declassata utilizzando il rapporto tra il carico di snervamento a temperatura e il carico di snervamento a temperatura normale. Ancora più importante, per il funzionamento continuo a temperature superiori a 450 gradi (insolito nei riscaldatori incassati ma concepibile nelle applicazioni di riscaldamento a gas), la rottura per scorrimento invece del cedimento diventa il problema limitante. La resistenza alla rottura per creep di 10.000 ore dell'acciaio inossidabile 316 a 500 gradi è compresa tra circa 100 e 120 MPa, rispetto a un limite di snervamento di circa 140 MPa. Per una tipica sollecitazione di progettazione per un riscaldatore (con un fattore di sicurezza di 3,0 sullo snervamento), la sollecitazione consentita a 500 gradi diventa 140/3=47 MPa, ma la sollecitazione da rottura per scorrimento viscoso per 10.000 ore a 500 gradi è di circa 100 MPa, quindi lo scorrimento viscoso non è dominante. Tuttavia, la resistenza alla rottura per creep di 10.000 ore a 550 gradi si abbassa a 60-70 MPa, che potrebbe essere inferiore allo stress di progettazione. Se un ingegnere richiede un servizio pressurizzato superiore a 400 gradi, deve richiedere i dati di rottura per scorrimento o declassare ulteriormente.

Metodi per garantire l'integrità della saldatura e il mantenimento della pressione

Per la verifica delle testate saldate dei riscaldatori con progetto a pressione, vengono utilizzate quattro procedure per stabilire che la pressione nominale sia quella richiesta. Il primo e più definitivo è il test di prova idrostatica. Il riscaldatore viene pressurizzato a 1,5 volte la MAWP con acqua o olio e tenuto premuto per 10‑30 minuti, controllando eventuali cadute di pressione o perdite evidenti. Questo test è dannoso per il riscaldatore (l'MgO interno assorbirà l'umidità in caso di perdite, anche piccole) e viene solitamente eseguito su unità campione anziché su riscaldatori di produzione. Il secondo approccio è un test di tenuta dell'elio. Il riscaldatore è pressurizzato con elio e posto in una camera a vuoto collegata ad uno spettrometro di massa. Un tasso di perdita inferiore a 1×10⁻⁷ mbar·L/s indica una tenuta ermetica adeguata per il servizio ad alta pressione. Il terzo metodo prevede la valutazione radiografica della saldatura per penetrazione incompleta, porosità o fessure. La combinazione della radiografia al 100% e del test di tenuta dell'elio su ogni riscaldatore offre la massima affidabilità nelle applicazioni critiche. Il quarto metodo è la sezione trasversale metallurgica-di un campione di saldatura di ciascun lotto di produzione per misurare la profondità di penetrazione e verificare la presenza di crepe nella ZTA o l'assenza di fusione. Per i clienti che desiderano riscaldatori per sistemi pressurizzati, un certificato di conformità con una specifica qualifica della tecnica di saldatura (ad esempio, ASME Sezione IX) fornisce una garanzia di qualità applicabile.

Indicatori sul campo di pericolo di saldatura e modalità di guasto da sovrapressione

Un riscaldatore incassato 316 sottoposto a una pressione interna superiore alla MAWP si guasterà in tre modi, a seconda del design e della pressione della saldatura. Il primo è il cedimento graduale in corrispondenza della punta della saldatura, evidenziato da un rigonfiamento o deformazione permanente della guaina immediatamente prossimale alla saldatura, ma senza perdite. Questa condizione indica che il riscaldatore è stato sovrapressurizzato ma potrebbe essere ancora in servizio, tuttavia il materiale lavorato a freddo in corrispondenza del rigonfiamento è più suscettibile alla tensocorrosione. La seconda modalità è il distacco della saldatura, in cui la saldatura stessa si rompe e il cappuccio terminale si stacca dal tubo. Di solito si tratta di una frattura fragile attraverso il metallo saldato o la ZTA che si verifica rapidamente senza una precedente distorsione evidente. La terza modalità è la fuoriuscita di fori stenopeici da un difetto di porosità della saldatura. Di solito si tratta di un sottile flusso di gas o liquido quando il riscaldatore è pressurizzato. La comparsa di macchie color ruggine- attorno alla saldatura (per fluidi acquosi) o di depositi carboniosi (per fluidi organici) per i riscaldatori in-servizio può suggerire una storia di perdite modeste. Qualsiasi riscaldatore suscettibile a un noto incidente di sovrapressione, come un guasto della pompa o una valvola chiusa, deve essere ricertificato mediante test idrostatico o sostituito se non presenta danni evidenti.

Conclusione: designare la progettazione della saldatura come funzione di controllo-della pressione

Per i tubi riscaldanti rivestiti in acciaio inossidabile 316 utilizzati nei sistemi pressurizzati, la parete del tubo non è il fattore limitante per la pressione operativa massima consentita; piuttosto, è la chiusura del cappuccio terminale saldato. Il funzionamento sicuro di una saldatura d'angolo di piccole dimensioni con penetrazione parziale è limitato a 2–3 MPa (20–30 bar), ma una saldatura di testa a-penetrazione completa, ispezionata radiograficamente e sottoposta a distensione, raggiunge 5–6 MPa (50–60 bar). Per le applicazioni che richiedono pressioni superiori a 6 MPa (60 bar) a temperature elevate, dovrebbero essere specificati modelli di tappi senza saldatura (formati dal tubo stesso, estremità a cupola senza saldatura separata), ma sono più costosi e hanno una disponibilità di produzione limitata. Al momento dell'acquisto dei riscaldatori, gli ingegneri dovrebbero richiedere la documentazione sul tipo di saldatura, sulla procedura di ispezione e sul trattamento termico post-saldatura per il servizio pressurizzato. Il presente approccio consente agli acquirenti di selezionare 316 riscaldatori inguainati che possono sopportare in modo sicuro la pressione interna richiesta senza cedere alla saldatura associando la geometria della saldatura e il livello di qualità a valori di pressione quantificabili che vanno dalla perdita alla separazione esplosiva delle estremità, ovvero modalità di guasto catastrofico.