압력 용기용 ASTM A240 304/304L 316/316L 스테인리스강 접시형 헤드 (ASME Section VIII Division 1/2 규격 준수, 내식성)

 압력 용기 마감 부품으로서의 스테인리스 스틸 헤드

스테인리스 스틸 헤드는 압력 용기, 열 교환기, 반응기, 컬럼 및 저장 탱크의 성형된 끝단 마감재입니다. 스테인리스 스틸 등급은 산, 알칼리, 염화물(등급 한계 내), 유기 화합물 및 고순도 유체를 포함한 광범위한 공정 매체에 대해 내식성을 제공합니다.

헤드는 스테인리스 스틸 플레이트 또는 시트를 열간 또는 냉간 프레스, 스피닝 또는 딥핑으로 성형합니다. 이 제품은 ASME Section VIII Division 1 또는 Division 2 및 GB/T 25198(압력 용기 헤드)에 따라 설계 및 제조됩니다. 헤드는 성형된 블랭크, 용접을 위한 가장자리 준비 또는 용접된 플랜지, 노즐 및 검사 개구부가 완전히 제작된 상태로 공급될 수 있습니다.

헤드 유형 – 기하학적 분류

2:1 타원형 헤드(반타원체)

• 가장 일반적인 압력 용기 헤드 유형

• 내부 깊이(h) = ID / 4

• 너클 반경(r) ≈ 0.17 × ID

• 크라운 반경(R) ≈ 0.90 × ID

• 적용 분야: 일반 압력 용기, 열 교환기 채널, 반응기 하부, 저장 탱크

• 장점: 효율적인 압력 분포; 표준 직경에 대한 낮은 성형 비용

• 제한 사항: 너클 영역의 높은 성형 변형률; 두께 증가 없이는 매우 높은 압력에 적합하지 않음

토로스페리컬 헤드(플랜지 및 딥핑)

• 크라운 반경(R): 0.80 × ID ~ 1.00 × ID (일반적으로 R = ID)

• 너클 반경(r): ID의 6% ~ 10% (ASME VIII-1에 따라 최소 3%)

• 적용 분야: 저압 용기, 대기 탱크, 맨웨이 커버

• 장점: 얕은 깊이(헤드 높이 감소); 타원형 헤드보다 낮은 성형 비용

• 제한 사항: 너클의 높은 응력; 타원형 헤드와 동일한 압력에 대해 더 두꺼운 재료 필요

반구형 헤드

• 반경 = ID / 2 (진정한 구)

• 내부 깊이(h) = ID / 2

• 적용 분야: 고압 용기(10MPa 이상), 극저온 저장, 원자력 용기

• 장점: 주어진 압력 및 직경에 대한 최소 두께; 최고의 압력 유지 효율

• 제한 사항: 대형 직경 > 1,500mm의 경우 2개 부분 성형(두 반쪽을 함께 용접) 필요; 높은 제조 비용

원뿔형 헤드

• 원뿔 정점 각도: 30° ~ 120° (압력 용기의 경우 일반적으로 60°)

• 적용 분야: 호퍼 하부, 슬러리 탱크, 침강 용기, 촉매 인출 구역

• 장점: 고체 또는 슬러리에 대한 부드러운 흐름 전환 제공

• 제한 사항: 원뿔-실린더 접합부의 높은 응력; 보강 링 또는 너클 전환 필요

평면 헤드(원형 판)

• 두께는 ASME VIII-1 UG-34에 따라 계산됨

• 적용 분야: 저압 용기, 검사 커버, 맨웨이 커버, 열 교환기 채널 커버

• 장점: 간단한 제작; 소형 직경에 대한 최저 비용

• 제한 사항: 압력에 대해 더 두꺼운 재료 필요; 가장자리에서 높은 응력 집중

스테인리스 스틸 재질 등급 – 서비스별 선택

오스테니틱 스테인리스 스틸

듀플렉스 스테인리스 스틸

석출 경화 스테인리스 스틸

성형 방법 – 공정 선택

냉간 성형

• 온도: 상온(20°C ~ 40°C)

• 장비: 프레스 브레이크, 딥핑 프레스 또는 일치하는 다이가 있는 유압 프레스

• 일반적인 두께: 2mm ~ 20mm (냉간 성형 가능)

• 스프링백 보상: 재료 항복 강도당 크라운 반경의 0.5% ~ 2.0%로 다이 치수 조정

• 최대 성형 변형률: 오스테니틱 SS의 경우 ≤ 15%; 듀플렉스 SS의 경우 ≤ 10%(균열 방지)

• 페라이트 측정(냉간 성형 후 듀플렉스): 페라이트 함량은 ASTM E562에 따라 35% ~ 65%여야 합니다. 냉간 성형은 페라이트를 65% 이상으로 증가시킬 수 있습니다. 용체화 처리가 필요합니다.

• 냉간 성형 후: 오스테니틱 SS의 경우 성형 변형률이 10%를 초과하거나 서비스에 최대 내식성이 필요한 경우(ASME VIII-1 UG-79에 따름) 용체화 처리(1,040°C ~ 1,100°C로 가열, 수냉)

열간 성형

• 온도: 900°C ~ 1,100°C(오스테니틱 SS); 1,000°C ~ 1,150°C(듀플렉스 SS)

• 가열 속도: ≤ 150°C/시간(결정립 성장을 방지하기 위해)

• 성형 분위기: 산화 및 스케일링 방지를 위한 불활성 가스 퍼지 또는 보호 코팅

• 열간 성형 후:

  • 오스테니틱 SS: 1,040°C ~ 1,060°C에서 용체화 처리, 급냉 또는 빠른 공냉

  • 듀플렉스 SS: 페라이트/오스테나이트 균형을 복원하기 위해 1,040°C ~ 1,080°C에서 용체화 처리, 수냉

• 20mm 초과 두께의 경우: 탄화물 침전 및 시그마 상 형성을 방지하기 위해 급냉 필요(듀플렉스)

스피닝(유동 성형)

• 공정: 플레이트를 회전시키고 맨드릴 위로 눌러 헤드 윤곽을 형성합니다.

• 온도: 냉간 또는 열간(듀플렉스의 경우 200°C ~ 400°C에서 온간 스피닝)

• 일반적인 두께: 2mm ~ 12mm

• 적용 분야: 저장 탱크, 저압 용기, 대형 직경용 얇은 벽 헤드

• 장점: 낮은 다이 비용; 2,000mm 초과 직경에 적합

• 제한 사항: 크라운 영역의 두께 감소(일반적으로 벽 두께 5% ~ 10%); 블랭크 설계 시 두께 측정 및 보상 필요

두께 설계 – 최소 요구 두께

각 헤드 유형의 최소 요구 두께는 ASME VIII-1에 따라 계산됩니다.

2:1 타원형 헤드(UG-32(d)에 따름)

• 공식: t = (P × D) / (2 × S × E – 0.2 × P) × 보정 계수

• 여기서: P = 설계 압력, D = 내부 직경, S = 허용 응력, E = 접합 효율

• 2:1 타원형에 대한 보정 계수: 1.0 (D/2h = 2.0에 적용되는 표준 계수)

• D/2h ≠ 2.0의 경우: 부록 1-4에 따른 응력 지수 계산 적용

토로스페리컬 헤드(UG-32(e)에 따름)

• 공식: t = (0.885 × P × L) / (S × E – 0.1 × P)

• 여기서 L = 크라운 반경(표준 토로스페리컬 헤드의 경우 일반적으로 L = D)

• 너클 반경은 D의 6% 이상이어야 합니다(ASME VIII-1에 따라 최소 3%)

반구형 헤드(UG-32(f)에 따름)

• 공식: t = (P × R) / (2 × S × E – 0.2 × P)

• 여기서 R = 내부 반경(D/2)

평면 헤드(UG-34에 따름)

• 공식: t = d × sqrt(C × P / S × E)

• 여기서: d = 직경, C = 가장자리 구속 계수(0.33 ~ 0.50)

• C 값은 가장자리 부착 방법에 따라 다릅니다(용접, 볼트 또는 일체형)

두께 허용 오차(성형된 헤드)

• 성형 후 최소 성형 두께: ASME VIII-1 UG-79에 따라 공칭 두께의 90% 이상

• 블랭크 플레이트 두께 선택 시 박리 허용 오차 포함 필요

• 두께 측정: 표면적의 10%(최소 5개 지점) – 초음파 두께 측정기

치수 허용 오차(ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198에 따름)

용접 및 제작 – 용접 준비

헤드-쉘 용접 접합부

• 베벨 각도: 30° ~ 37.5°(단일 V 또는 이중 V)

• 루트 간격: 2mm ~ 4mm

• 루트 면: 1mm ~ 2mm

• 용가재:

  • 304L – ER308L

  • 316L – ER316L

  • 321 – ER321

  • 347H – ER347

  • 듀플렉스 2205 – ER2209

• 용접 공정: GTAW(TIG) 또는 SMAW(스틱) 또는 SAW(서브머지드 아크) – ASME Section IX에 따름

• 백킹 가스: 오스테니틱 및 듀플렉스 SS의 루트 패스용 아르곤 퍼지

노즐 부착물 및 보강 패드

• 노즐: 헤드 크라운 또는 너클 영역에 용접 – 개구부가 허용 크기를 초과하는 경우 ASME VIII-1 UG-37에 따라 보강 패드 필요

• 노즐 중심과 헤드 접선선 사이의 최소 거리: ≥ 0.5 × 노즐 OD(너클 영역의 용접 오버레이 방지)

• 모든 부착물: 최종 용접 표면에 100% PT

스테인리스 스틸 헤드용 PWHT

• 오스테니틱 SS(304L/316L): 일반적으로 PWHT는 필요하지 않습니다. 그러나 열간 성형 후 또는 두꺼운 섹션(20mm 초과) 용접 후 내식성을 복원하기 위해 1,040°C ~ 1,100°C에서 용체화 처리 및 수냉을 권장합니다.

• 듀플렉스 SS: 모든 열간 성형 또는 두꺼운 섹션 용접 후 페라이트/오스테나이트 균형을 복원하고 시그마 상을 방지하기 위해 1,040°C ~ 1,080°C에서 용체화 처리 및 수냉

• 321/347H: 민감화가 우려되는 경우 열간 성형 또는 용접 후 1,040°C ~ 1,060°C에서 용체화 처리

• 17-4PH의 경우 용접 후 응력 완화(400°C ~ 450°C) – 제조업체 권장 사항에 따름

표면 마감 및 패시베이션

내부 및 외부 표면

• 밀 마감(성형 상태): 표준 성형 표면, Ra 3.2μm ~ 6.3μm

• 산세 마감: 스케일 및 산화물 층 제거를 위한 산욕(HF/HNO₃) – 내식성 복원

• 패시베이션 마감: 철 오염 제거 및 수동층 재형성을 위한 질산 또는 시트르산 처리 – 제약, 식품 및 부식성 서비스에 필요

• 전해 연마 마감: Ra ≤ 0.4μm – 제약, 생명 공학, 초순수 물 서비스용

• 기계 연마 마감: Ra 0.8μm ~ 1.6μm(그릿 180 ~ 320) – 식품, 유제품, 화장품 서비스용

산세 및 패시베이션 절차

• 산세 용액(오스테니틱 SS용): 10% ~ 20% HNO₃ + 1% ~ 3% HF, 온도 20°C ~ 50°C, 침지 시간 10 ~ 60분

• 패시베이션 용액(오스테니틱 SS용): 20% ~ 40% HNO₃, 온도 40°C ~ 50°C, 침지 시간 30 ~ 60분

• 처리 후: 탈이온수로 헹구고 오일 프리 공기로 건조

• 패시베이션 검증: ASTM A380에 따른 Ferroxyl 테스트 – 파란색 착색 없음(자유 철 제거 표시)

헤드별 검사 및 테스트

치수 검사

• 크라운 반경: 템플릿 또는 3D 스캐닝 – ASME VIII-1 UG-81에 따른 허용 오차

• 내부 깊이: 깊이 게이지 – 허용 오차 ±1.0%

• 두께: 표면적의 10%에서 초음파 두께 측정기 – 최소 두께 ≥ 90% 공칭

• 타원도: 접선선에서의 직경 테이프 – ID의 ≤ 1.0%

• 직선 플랜지 길이 및 원형도: 캘리퍼 및 직경 테이프 – 도면에 따른 허용 오차

비파괴 검사(NDE)

압력 테스트(용기에 용접되거나 독립형 마감재로 테스트되는 경우)

• ASME VIII-1 UG-99에 따른 수압 테스트: 테스트 압력 = 1.3 × 설계 압력 × (테스트 온도에서의 S / 설계 온도에서의 S)

• 테스트 매체: 깨끗한 물 또는 탈이온수(SS의 염화물 응력 부식 방지)

• 테스트 물의 염화물 한계: ≤ 50ppm(오스테니틱 SS의 경우 SCC 방지); 듀플렉스의 경우 ≤ 200ppm

• 유지 시간: 최소 30분

• 합격 기준: 압력 강하 없음; 용접 이음매에서 누출 없음

선적별 문서

• 재료 시험 인증서(EN 10204 3.1 또는 3.2) – 플레이트 재료 및 용가재

• ASME U-스탬프 데이터 보고서(해당되는 경우)

• GB/T 25198 데이터 시트(국내 표준인 경우)

• 치수 검사 보고서(크라운 반경, 깊이, 두께, 타원도, 직선 플랜지)

• NDE 보고서 – PT 표면 스캔, UT 층리 스캔, RT/UT 용접 스캔(용접된 경우)

• 성형 절차 사양(FPS) 및 성형 기록(온도, 가열 속도, 냉각 속도)

• 두께 측정 보고서(초음파 두께 측정기 기록)

• 산세/패시베이션 인증서(수행된 경우) – 욕조 농도, 온도 및 시간 포함

• 패시베이션 검증 테스트(Ferroxyl 테스트) – 필요한 경우

• 열처리 차트(용체화 처리 시간-온도 기록) – 수행된 경우

선택 체크리스트 – 스테인리스 스틸 헤드

1. 헤드 유형 – 2:1 타원형 / 토로스페리컬 / 반구형 / 원뿔형 / 평면

2. 쉘 ID(내부 직경) – 헤드 크기 및 깊이 결정

3. 설계 압력 – ASME VIII-1 UG-32에 따른 최소 두께 결정

4. 설계 온도 – ASME II-D 및 재료 등급에 따른 허용 응력(S) 결정

5. 공정 유체 – 스테인리스 스틸 등급 결정(304L / 316L / 321 / 347H / 듀플렉스)

6. 염화물 농도 – 200ppm 초과 시 316L(≤250ppm), 듀플렉스 2205(≤300ppm) 또는 슈퍼 듀플렉스 2507(300ppm 초과) 선택

7. 성형 방법 선호도 – 열간 성형(두꺼운 > 20mm) 또는 냉간 성형(얇은 ≤ 20mm)

8. 표면 마감 요구 사항 – 밀 / 산세 / 패시베이션 / 전해 연마 / 기계 연마

9. 노즐 부착물 필요 – 노즐 일정 제공(크기, 등급, 방향, 돌출)

10. PWHT 요구 사항 – 재료, 두께 및 서비스에 따라(일반적으로 SS의 경우 용체화 처리)

11. NDE 요구 사항 – ASME VIII-1 또는 프로젝트 사양에 따름

12. 용접 준비 – 가장자리 베벨 유형(단일 V / 이중 V) 및 베벨 각도(용접 준비가 되어 공급되는 경우)

13. 테스트 압력 – UG-99에 따른 수압 테스트용(사전 테스트된 마감재로 공급되는 경우)

설계 제한 사항 설명 – 스테인리스 스틸 헤드

독립형 제품으로서의 스테인리스 스틸 헤드는 다음 제한 사항을 따릅니다.

• 쉘 또는 플랜지에 용접될 때까지 내부 압력에 대한 등급이 매겨지지 않습니다. 압력 등급은 완성된 조립 용기에서 파생됩니다.

• 적절한 등급(316L ≤250ppm, 듀플렉스 ≤300ppm, 슈퍼 듀플렉스 300ppm 초과 농도)을 선택하지 않으면 염화물 함유 서비스(200ppm 초과)에 적합하지 않습니다.

• 염화물 함유 물(오스테니틱 SS의 경우 50ppm 초과)로 수압 테스트하기에 적합하지 않습니다 – 염화물 응력 부식 균열(SCC) 위험

• 600°C(오스테니틱 SS) 또는 280°C(듀플렉스 SS) 이상의 서비스 온도에는 적합하지 않습니다 – 이 한계 이상에서는 재료 상 변환 또는 크리프가 발생합니다.

• ASME VIII-2에 따른 피로 해석 없이는 심각한 열 사이클링(연간 1,000회 이상)에 적합하지 않습니다 – 냉간 성형으로 인한 잔류 응력이 피로 파괴를 가속화할 수 있습니다.

• 성형 후 용체화 처리가 필요한 헤드의 경우, 부품을 다시 급냉해야 합니다. 냉각 속도는 최종 기계적 특성에 영향을 미칩니다.