Kop van roestvrij staal als component voor drukvaten
Een kop van roestvrij staal is een gevormde eindafsluiting voor drukvaten, warmtewisselaars, reactoren, kolommen en opslagtanks. Roestvrijstalen kwaliteiten bieden corrosiebestendigheid voor een breed scala aan procesmedia, waaronder zuren, logen, chloriden (binnen de grenzen van de kwaliteit), organische verbindingen en vloeistoffen van hoge zuiverheid.
De kop wordt gevormd uit plaat of plaat van roestvrij staal door heet of koud persen, walsen of vormen. Dit product is ontworpen en vervaardigd volgens ASME Section VIII Division 1 of Division 2, en GB/T 25198 (Drukvatkoppen). Koppen kunnen worden geleverd als gevormde blanks, met randvoorbereiding voor lassen, of volledig gefabriceerd met gelaste flenzen, spuitmonden en inspectieopeningen.
Koptypen – Geometrische classificatie
2:1 Elliptische kop (semi-ellipsoïdaal)
Meest voorkomende type drukvatkop
Binnendiepte (h) = ID / 4
Knikradius (r) ≈ 0,17 × ID
Kroonradius (R) ≈ 0,90 × ID
Toepassing: Algemene drukvaten, warmtewisselaarkanalen, reactorbodems, opslagtanks
Voordelen: Efficiënte drukverdeling; lage vormkosten voor standaarddiameters
Beperking: Hogere vormspanning in het knikgebied; niet geschikt voor zeer hoge druk zonder verhoogde dikte
Torisferische kop (geflenst en gedished)
Kroonradius (R): 0,80 × ID tot 1,00 × ID (typisch R = ID)
Knikradius (r): 6% tot 10% van ID (minimaal 3% per ASME VIII-1)
Toepassing: Vaten met lagere druk, atmosferische tanks, mangatdeksels
Voordelen: Ondiepe diepte (verminderde kophoogte); lagere vormkosten dan elliptische koppen
Beperking: Hogere spanning in de knik; vereist dikker materiaal voor dezelfde druk vergeleken met elliptische
Hemisferische kop
Radius = ID / 2 (echte bol)
Binnendiepte (h) = ID / 2
Toepassing: Vaten met hoge druk (boven 10 MPa), cryogene opslag, nucleaire vaten
Voordelen: Minimale dikte voor gegeven druk en diameter; beste drukbehoudsefficiëntie
Beperking: Vereist tweedelige vorming (twee helften aan elkaar gelast) voor grote diameters > 1.500 mm; hogere productiekosten
Conische kop
Kegelhoek: 30° tot 120° (typisch 60° voor drukvaten)
Toepassing: Hopperbodems, slurrytanks, bezinkvaten, katalysatoruitnamezones
Voordelen: Zorgt voor een soepele stroomovergang voor vaste stoffen of slurries
Beperking: Hogere spanning bij de overgang van kegel naar cilinder; vereist een verstevigingsring of knikovergang
Platte kop (cirkelvormige plaat)
Dikte berekend volgens ASME VIII-1 UG-34
Toepassing: Vaten met lage druk, inspectiedeksels, mangatdeksels, warmtewisselaarkanaaldeksels
Voordelen: Eenvoudige fabricage; laagste kosten voor kleine diameters
Beperking: Vereist dikker materiaal voor druk; hoge spanningsconcentratie aan de rand
Materiaalkwaliteiten van roestvrij staal – Selectie per toepassing
Austenitische roestvrij staalsoorten
| Kwaliteit | UNS | Temp. Bereik | Chloride limiet | Toepassing |
|---|---|---|---|---|
| 304L | S30403 | -196°C tot +425°C | ≤ 200 ppm | Licht corrosief, schone procesvloeistoffen, voedingsmiddelen en dranken, farmaceutisch |
| 304 | S30400 | -196°C tot +600°C (gederated boven 425°C) | ≤ 200 ppm | Vergelijkbaar met 304L maar hoger koolstofgehalte (niet aanbevolen voor gelaste toepassingen zonder NDT) |
| 316L | S31603 | -196°C tot +425°C | ≤ 200 ppm (toepassing) / ≤ 250 ppm (iets hoger met hogere temperatuur derating) | Organische zuren, zoutoplossingen, koolwaterstoffen met chloriden (matig), farmaceutisch |
| 316 | S31600 | -196°C tot +600°C (gederated boven 425°C) | ≤ 200 ppm | Vergelijkbaar met 316L; niet aanbevolen voor gelaste diktes > 16 mm zonder laag koolstofgehalte |
| 321 | S32100 | -196°C tot +540°C | ≤ 200 ppm | Toepassingen bij verhoogde temperatuur (425°C – 540°C); titanium-gestabiliseerd om carbidenneerslag te voorkomen |
| 347H | S34709 | -196°C tot +600°C | ≤ 200 ppm | Toepassingen bij hoge temperatuur (tot 600°C); niobium-gestabiliseerd voor kruipweerstand |
| 310S | S31008 | -196°C tot +700°C | ≤ 200 ppm | Toepassingen in ovens bij hoge temperatuur; oxidatieweerstand > 600°C |
Duplex roestvrij staalsoorten
| Kwaliteit | UNS | Temp. Bereik | Chloride limiet | Toepassing |
|---|---|---|---|---|
| 2205 (S32205) | S32205 | -40°C tot +280°C | ≤ 300 ppm bij 80°C | Offshore, zeewater, chloriden, CO₂/H₂S toepassingen |
| 2507 (Super Duplex) | S32750 | -40°C tot +250°C | ≤ 500 ppm bij 60°C | Ernstige chloride toepassingen, hoge sterkte vereist |
Precipitation-Hardening Roestvrij Staal
| Kwaliteit | UNS | Temp. Bereik | Toepassing |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | S17400 | -40°C tot +315°C | Deksel, flenzen en afsluitingen met hoge sterkte die een hoge vloeigrens vereisen |
Vormmethoden – Processelectie
Koudvormen
Temperatuur: Omgeving (20°C – 40°C)
Apparatuur: Kantbank, vormpers of hydraulische pers met bijpassende matrijzen
Typische dikte: 2 mm – 20 mm (koud vervormbaar)
Compensatie voor terugvering: Matrijzenafmetingen aangepast met 0,5% – 2,0% van de kroonradius per materiaal vloeigrens
Maximale vormspanning: ≤ 15% voor austenitisch SS; ≤ 10% voor duplex SS (om scheurvorming te voorkomen)
Ferrietmeting (duplex na koudvormen): Ferrietgehalte moet tussen 35% en 65% blijven volgens ASTM E562. Koudvormen kan ferriet verhogen tot > 65% – vereist oplossingsgloeien.
Na koudvormen: Oplossingsgloeien (verwarmen tot 1.040°C – 1.100°C, waterkoeling) voor austenitisch SS als de vormspanning > 10% is of als de toepassing maximale corrosiebestendigheid vereist (volgens ASME VIII-1 UG-79)
Warmvormen
Temperatuur: 900°C – 1.100°C (austenitisch SS); 1.000°C – 1.150°C (duplex SS)
Verwarmingssnelheid: ≤ 150°C/uur (om korrelgroei te voorkomen)
Vormatmosfeer: Inert gas spoelen of beschermende coating om oxidatie en schilfering te voorkomen
Na warmvormen:
Austenitisch SS: Oplossingsgloeien bij 1.040°C – 1.060°C, koelen of snel luchtkoelen
Duplex SS: Oplossingsgloeien bij 1.040°C – 1.080°C, waterkoeling (om de balans tussen ferrriet en austeniet te herstellen)
Voor diktes > 20 mm: Koelen vereist om carbidenneerslag en sigmafasevorming (duplex) te voorkomen
Walsen (Flow Forming)
Proces: Plaat wordt geroteerd en over een doorn gedrukt om het kopcontour te vormen
Temperatuur: Koud of warm (warm walsen bij 200°C – 400°C voor duplex)
Typische dikte: 2 mm – 12 mm
Toepassing: Dunne wandige koppen voor opslagtanks, vaten met lage druk, grote diameters
Voordelen: Lage matrijskosten; geschikt voor diameters > 2.000 mm
Beperking: Diktevermindering in het kroongebied (typisch 5% – 10% wandverdunning); dikte moet worden gemeten en gecompenseerd in het ontwerp van de blank
Dikteontwerp – Minimale vereiste dikte
De minimale vereiste dikte voor elk koptype wordt berekend volgens ASME VIII-1:
2:1 Elliptische kop (volgens UG-32(d))
Formule: t = (P × D) / (2 × S × E – 0,2 × P) × correctiefactor
Waar: P = ontwerpdruk, D = binnendiameter, S = toelaatbare spanning, E = lasfactor
Correctiefactor voor 2:1 elliptisch: 1,0 (standaardfactor toegepast voor D/2h = 2,0)
Voor D/2h ≠ 2,0: Pas de spanningsindexberekening toe volgens Bijlage 1-4
Torisferische kop (volgens UG-32(e))
Formule: t = (0,885 × P × L) / (S × E – 0,1 × P)
Waar L = kroonradius (typisch L = D voor standaard torisferische koppen)
Knikradius moet ≥ 6% van D zijn (minimaal 3% volgens ASME VIII-1)
Hemisferische kop (volgens UG-32(f))
Formule: t = (P × R) / (2 × S × E – 0,2 × P)
Waar R = binnenradius (D/2)
Platte kop (volgens UG-34)
Formule: t = d × sqrt(C × P / S × E)
Waar: d = diameter, C = randbeperkingsfactor (0,33 – 0,50)
C-waarde is afhankelijk van de bevestigingsmethode van de rand (gelast, bouten of integraal)
Diktetolerantie (uitgevoerde kop)
Minimale gevormde dikte na vorming: ≥ 90% van nominale dikte volgens ASME VIII-1 UG-79
Verdunningsmarge moet worden opgenomen in de selectie van de dikte van de blanke plaat
Diktmeting: 10% van het oppervlak (minimaal 5 punten) – ultrasone diktemeter
Maattoleranties (Volgens ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Parameter | 2:1 Elliptisch | Torisferisch | Hemisferisch | Meetmethode |
|---|---|---|---|---|
| Kroonradius (R) | ±1,5% | ±1,5% | ±1,0% | Mal / 3D-scan |
| Knikradius (r) | ±5% | ±5% | N.v.t. | Mal / 3D-scan |
| Binnendiepte (h) | ±1,0% | ±1,0% | ±1,0% | Dieptemeter |
| Uit-rondheid bij tangentlijn | ≤ 1,0% van ID | ≤ 1,0% van ID | ≤ 0,5% van ID | Diameterband |
| Rechte flenslengte | ±2 mm | ±2 mm | ±2 mm (indien van toepassing) | Schuifmaat / bandmaat |
| Uit-rondheid rechte flens | ≤ 0,5% van ID | ≤ 0,5% van ID | ≤ 0,5% van ID | Diameterband |
Lassen en fabricage – Lasvoorbereiding
Kop-naar-mantel lasnaad
Afschuiningshoek: 30° – 37,5° (enkele V of dubbele V)
Wortelopening: 2 mm – 4 mm
Wortelrand: 1 mm – 2 mm
Vulmetaal:
304L – ER308L
316L – ER316L
321 – ER321
347H – ER347
Duplex 2205 – ER2209
Lasproces: GTAW (TIG) of SMAW (elektrode) of SAW (ondergedompeld booglassen) – volgens ASME Section IX
Achtergrondgas: Argon spoelen voor de worteldoorloop op austenitisch en duplex SS
Spuitmondbevestigingen en verstevigingsplaten
Spuitmonden: Gelast aan de kopkroon of knikgebied – verstevigingsplaat vereist volgens ASME VIII-1 UG-37 als de opening de toelaatbare grootte overschrijdt
Minimale afstand tussen spuitmondcentrum en kop tangentlijn: ≥ 0,5 × spuitmond OD (om overlappend lassen van het knikgebied te voorkomen)
Alle bevestigingen: 100% PT op het oppervlak van de eindlas
NTH voor roestvrijstalen koppen
Austenitisch SS (304L/316L): NTH doorgaans niet vereist; echter, oplossingsgloeien bij 1.040°C – 1.100°C met waterkoeling wordt aanbevolen na warmvormen of na het lassen van dikke secties (> 20 mm) om de corrosiebestendigheid te herstellen
Duplex SS: Oplossingsgloeien bij 1.040°C – 1.080°C met waterkoeling na elke warmvorming of lassen van dikke secties om de balans tussen ferrriet en austeniet te herstellen en sigmafase te voorkomen
321/347H: Oplossingsgloeien bij 1.040°C – 1.060°C na warmvormen of lassen als sensibilisatie een probleem is
Spanningsontlasting (400°C – 450°C) voor 17-4PH na lassen – volgens aanbeveling van de fabrikant
Oppervlakteafwerking en passivering
Interne en externe oppervlakte
Molenafwerking (zoals gevormd): Standaard vormoppervlak, Ra 3,2 μm – 6,3 μm
Beitsafwerking: Zuurbad (HF/HNO₃) om schaal en oxide laag te verwijderen – herstelt corrosiebestendigheid
Gepassiveerde afwerking: Salpeterzuur of citroenzuurbehandeling om ijzercontaminatie te verwijderen en passieve laag opnieuw te vormen – vereist voor farmaceutische, voedingsmiddelen en corrosieve toepassingen
Elektrolytisch gepolijste afwerking: Ra ≤ 0,4 μm – voor farmaceutische, biotech, ultra-zuiver water toepassingen
Mechanisch gepolijste afwerking: Ra 0,8 μm – 1,6 μm (korrel 180 – 320) – voor voedingsmiddelen, zuivel, cosmetische toepassingen
Beits- en passiveringsprocedure
Beitsoplossing (voor austenitisch SS): 10% – 20% HNO₃ + 1% – 3% HF, temperatuur 20°C – 50°C, onderdompeltijd 10 – 60 minuten
Passiveringsoplossing (voor austenitisch SS): 20% – 40% HNO₃, temperatuur 40°C – 50°C, onderdompeltijd 30 – 60 minuten
Na behandeling: Spoelen met gedemineraliseerd water, drogen met olievrije lucht
Passiveringsverificatie: Ferroxyl test volgens ASTM A380 – geen blauwe verkleuring (duidt op verwijdering van vrij ijzer)
Inspectie en testen per kop
Dimensionale inspectie
Kroonradius: Mal of 3D-scanning – tolerantie volgens ASME VIII-1 UG-81
Binnendiepte: Dieptemeter – tolerantie ±1,0%
Dikte: Ultrasone diktemeter op 10% van het oppervlak – min. dikte ≥ 90% nominaal
Uit-rondheid: Diameterband bij tangentlijn – ≤ 1,0% van ID
Rechte flenslengte en rondheid: Schuifmaat en diameterband – toleranties volgens tekening
Niet-destructief onderzoek (NDE)
| Onderzoek | Methode | Omvang | Acceptatie (Volgens ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Oppervlaktescheuren | PT (vloeibare penetranten) | 100% van gevormd oppervlak + lasgebieden | Geen scheuren, geen porositeit > 0,8 mm, geen geclusterde porositeit |
| Laminaties | UT (rechte straal) | 100% van plaat blank | Laminaties ≤ 20 mm² per 100 cm² |
| Lasnaden (indien gelast) | RT of UT (afschuifgolf) | 100% (volgens UW-51) of steekproef (volgens UW-52) | Volgens ASME VIII-1 UW-51 of UW-52 |
| Dikteverificatie | UT (ultrasoon) | 10% van oppervlak | ≥ 90% nominaal |
Druktesten (indien aan vat gelast of als zelfstandige afsluiting getest)
Hydrostatische test volgens ASME VIII-1 UG-99: Testdruk = 1,3 × ontwerpdruk × (S bij testtemp / S bij ontwerptemp)
Testmedium: Schoon water of gedemineraliseerd water (om chloride spanningscorrosie op SS te voorkomen)
Chloride limiet in testwater: ≤ 50 ppm (voor austenitisch SS) om SCC te voorkomen; ≤ 200 ppm voor duplex
Houdtijd: Minimaal 30 minuten
Acceptatie: Geen drukval; geen zichtbare lekkage bij lasnaden
Documentatie per zending
Materiaaltestertificaten (EN 10204 3.1 of 3.2) – plaat materiaal en vulmaterialen
ASME U-stempel gegevensrapport (indien van toepassing)
GB/T 25198 gegevensblad (indien binnenlandse norm)
Dimensionaal inspectierapport (kroonradius, diepte, dikte, uit-rondheid, rechte flens)
NDE rapporten – PT oppervlaktescan, UT laminatiescan, RT/UT las scan (indien gelast)
Vormingsprocedure specificatie (FPS) en vormingsrecords (temperatuur, verwarmingssnelheid, koelsnelheid)
Diktmetingsrapport (ultrasone diktemeter records)
Beits-/passiveringscertificaat (indien uitgevoerd) – inclusief badconcentratie, temperatuur en duur
Passiveringsverificatietest (Ferroxyl test) – indien vereist
Warmtebehandelingsgrafiek (opnametijd-temperatuur van oplossingsgloeien) – indien uitgevoerd
Selectiechecklist – Roestvrijstalen kop
Koptype – 2:1 Elliptisch / Torisferisch / Hemisferisch / Conisch / Plat
Mantel ID (binnendiameter) – bepaalt kopmaat en diepte
Ontwerpdruk – bepaalt minimale dikte volgens ASME VIII-1 UG-32
Ontwerptemperatuur – bepaalt toelaatbare spanning (S) volgens ASME II-D en materiaalkwaliteit
Procesvloeistof – bepaalt roestvrijstalen kwaliteit (304L / 316L / 321 / 347H / Duplex)
Chlorideconcentratie – indien > 200 ppm, selecteer 316L (≤250 ppm), Duplex 2205 (≤300 ppm), of Super Duplex 2507 (>300 ppm)
Voorkeur voor vormmethode – Warmvormen (dik > 20 mm) of Koudvormen (dun ≤ 20 mm)
Vereiste oppervlakteafwerking – Molen / Beits / Gepassiveerd / Elektrolytisch gepolijst / Mechanisch gepolijst
Vereiste spuitmondbevestigingen – geef spuitmondschema (maat, classificatie, oriëntatie, projectie)
Vereiste NTH – Volgens ASME VIII-1 of volgens project specificatie
Lasvoorbereiding – Type randafschuining (enkele V / dubbele V) en afschuiningshoek (indien geleverd met lasvoorbereiding)
Testdruk – Voor hydrotest volgens UG-99 (indien geleverd als vooraf geteste afsluiting)
Ontwerpbeperkingsverklaring – Roestvrijstalen kop
De roestvrijstalen kop als zelfstandig product is onderworpen aan de volgende beperkingen:
Het is niet geschikt voor interne druk totdat het aan een mantel of flens is gelast; de drukclassificatie wordt afgeleid van het complete geassembleerde vat
Niet geschikt voor chloridehoudende toepassingen > 200 ppm zonder de juiste kwaliteit te selecteren (316L voor ≤250 ppm, Duplex voor ≤300 ppm, Super Duplex voor hogere concentraties)
Niet geschikt voor hydrotest met water dat chloride > 50 ppm bevat (voor austenitisch SS) – risico op chloride spanningscorrosie (SCC)
Niet geschikt voor gebruikstemperaturen boven 600°C (austenitisch SS) of boven 280°C (duplex SS) – materiaal faseovergang of kruip zal boven deze limieten optreden
Niet geschikt voor zware thermische cycli (> 1.000 cycli/jaar) zonder vermoeiingsanalyse volgens ASME VIII-2 – restspanningen van koudvormen kunnen vermoeiingsfalen versnellen
Voor koppen die oplossingsgloeien na vorming vereisen, moet het onderdeel opnieuw worden gekoeld; koelsnelheid beïnvloedt de uiteindelijke mechanische eigenschappen
