Głowica ze stali nierdzewnej jako element zamknięcia naczynia ciśnieniowego
Głowica ze stali nierdzewnej to uformowane zamknięcie końcowe dla naczyń ciśnieniowych, wymienników ciepła, reaktorów, kolumn i zbiorników magazynowych. Stale nierdzewne zapewniają odporność na korozję w szerokim zakresie mediów procesowych, w tym kwasów, zasad, chlorków (w granicach gatunku), związków organicznych i płynów o wysokiej czystości.
Głowica jest formowana z blachy lub taśmy ze stali nierdzewnej poprzez tłoczenie na gorąco lub na zimno, toczenie lub wytłaczanie. Produkt ten jest projektowany i produkowany zgodnie z ASME Section VIII Division 1 lub Division 2 oraz GB/T 25198 (Głowice naczyń ciśnieniowych). Głowice mogą być dostarczane jako uformowane półfabrykaty, z przygotowaniem krawędzi do spawania, lub w pełni wykonane ze spawanymi kołnierzami, króćcami i otworami rewizyjnymi.
Rodzaje głowic – klasyfikacja geometryczna
Głowica eliptyczna 2:1 (półelipsoidalna)
Najczęściej stosowany typ głowicy naczynia ciśnieniowego
Głębokość wewnętrzna (h) = Średnica wewnętrzna / 4
Promień zaokrąglenia (r) ≈ 0,17 × Średnica wewnętrzna
Promień korony (R) ≈ 0,90 × Średnica wewnętrzna
Zastosowanie: Ogólne naczynia ciśnieniowe, kanały wymienników ciepła, dna reaktorów, zbiorniki magazynowe
Zalety: Efektywny rozkład ciśnienia; niski koszt formowania dla standardowych średnic
Ograniczenie: Wyższe odkształcenie podczas formowania w obszarze zaokrąglenia; nie nadaje się do bardzo wysokich ciśnień bez zwiększenia grubości
Głowica torosferyczna (kołnierzowana i wklęsła)
Promień korony (R): 0,80 × Średnica wewnętrzna do 1,00 × Średnica wewnętrzna (zazwyczaj R = Średnica wewnętrzna)
Promień zaokrąglenia (r): 6% do 10% średnicy wewnętrznej (minimum 3% wg ASME VIII-1)
Zastosowanie: Naczynia niskociśnieniowe, zbiorniki atmosferyczne, pokrywy włazów
Zalety: Płytka głębokość (zmniejszona wysokość głowicy); niższy koszt formowania niż głowice eliptyczne
Ograniczenie: Wyższe naprężenia w obszarze zaokrąglenia; wymaga grubszych materiałów dla tego samego ciśnienia w porównaniu do eliptycznych
Głowica półkulista
Promień = Średnica wewnętrzna / 2 (prawdziwa kula)
Głębokość wewnętrzna (h) = Średnica wewnętrzna / 2
Zastosowanie: Naczynia wysokociśnieniowe (powyżej 10 MPa), magazyny kriogeniczne, naczynia jądrowe
Zalety: Minimalna grubość dla danego ciśnienia i średnicy; najlepsza efektywność utrzymania ciśnienia
Ograniczenie: Wymaga formowania dwuczęściowego (dwie połówki spawane razem) dla dużych średnic > 1500 mm; wyższy koszt produkcji
Głowica stożkowa
Kąt wierzchołka stożka: 30° do 120° (zazwyczaj 60° dla naczyń ciśnieniowych)
Zastosowanie: Dna lejów zasypowych, zbiorniki zawiesin, naczynia sedymentacyjne, strefy wyjmowania katalizatora
Zalety: Zapewnia płynne przejście przepływu dla ciał stałych lub zawiesin
Ograniczenie: Wyższe naprężenia na połączeniu stożka z cylindrem; wymaga pierścienia wzmacniającego lub przejścia zaokrąglonego
Głowica płaska (tarcza kołowa)
Grubość obliczana zgodnie z ASME VIII-1 UG-34
Zastosowanie: Naczynia niskociśnieniowe, pokrywy rewizyjne, pokrywy włazów, pokrywy kanałów wymienników ciepła
Zalety: Prosta produkcja; najniższy koszt dla małych średnic
Ograniczenie: Wymaga grubszych materiałów dla ciśnienia; wysokie koncentracje naprężeń na krawędzi
Gatunki stali nierdzewnej – dobór w zależności od zastosowania
Stale nierdzewne austenityczne
| Gatunek | UNS | Zakres temperatur | Limit chlorków | Zastosowanie |
|---|---|---|---|---|
| 304L | S30403 | -196°C do +425°C | ≤ 200 ppm | Słabo korozyjne, czyste płyny procesowe, żywność i napoje, farmaceutyka |
| 304 | S30400 | -196°C do +600°C (obniżona wydajność powyżej 425°C) | ≤ 200 ppm | Podobny do 304L, ale wyższa zawartość węgla (nie zalecany do spawanych zastosowań bez PWHT) |
| 316L | S31603 | -196°C do +425°C | ≤ 200 ppm (serwis) / ≤ 250 ppm (nieco wyższy z obniżoną wydajnością przy wyższej temperaturze) | Kwasy organiczne, roztwory soli, węglowodory zawierające chlorki (umiarkowane), farmaceutyka |
| 316 | S31600 | -196°C do +600°C (obniżona wydajność powyżej 425°C) | ≤ 200 ppm | Podobny do 316L; nie zalecany dla grubości spawanej > 16 mm bez gatunku niskowęglowego |
| 321 | S32100 | -196°C do +540°C | ≤ 200 ppm | Serwis w podwyższonych temperaturach (425°C – 540°C); stabilizowany tytanem w celu zapobiegania wytrącaniu węglików |
| 347H | S34709 | -196°C do +600°C | ≤ 200 ppm | Serwis w wysokich temperaturach (do 600°C); stabilizowany niobem dla odporności na pełzanie |
| 310S | S31008 | -196°C do +700°C | ≤ 200 ppm | Serwis w piecach wysokotemperaturowych; odporność na utlenianie > 600°C |
Stale nierdzewne duplex
| Gatunek | UNS | Zakres temperatur | Limit chlorków | Zastosowanie |
|---|---|---|---|---|
| 2205 (S32205) | S32205 | -40°C do +280°C | ≤ 300 ppm przy 80°C | Przemysł morski, woda morska, chlorki, serwis CO₂/H₂S |
| 2507 (Super Duplex) | S32750 | -40°C do +250°C | ≤ 500 ppm przy 60°C | Agresywny serwis z chlorkami, wymagana wysoka wytrzymałość |
Stale nierdzewne utwardzane wydzieleniowo
| Gatunek | UNS | Zakres temperatur | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | S17400 | -40°C do +315°C | Pokrywy, kołnierze i zamknięcia o wysokiej wytrzymałości wymagające wysokiej granicy plastyczności |
Metody formowania – wybór procesu
Formowanie na zimno
Temperatura: Otoczenia (20°C – 40°C)
Sprzęt: Prasa krawędziowa, prasa do wytłaczania lub prasa hydrauliczna z dopasowanymi matrycami
Typowa grubość: 2 mm – 20 mm (formowalne na zimno)
Kompensacja sprężystości: Wymiary matrycy dostosowane o 0,5% – 2,0% promienia korony na granicę plastyczności materiału
Maksymalne odkształcenie podczas formowania: ≤ 15% dla stali nierdzewnych austenitycznych; ≤ 10% dla stali nierdzewnych duplex (aby zapobiec pękaniu)
Pomiar ferrytu (duplex po formowaniu na zimno): Zawartość ferrytu musi pozostać między 35% a 65% zgodnie z ASTM E562. Formowanie na zimno może zwiększyć zawartość ferrytu do > 65% – wymaga wyżarzania roztworowego.
Po formowaniu na zimno: Wyżarzanie roztworowe (ogrzewanie do 1040°C – 1100°C, chłodzenie wodą) dla stali nierdzewnych austenitycznych, jeśli odkształcenie podczas formowania > 10% lub jeśli serwis wymaga maksymalnej odporności na korozję (zgodnie z ASME VIII-1 UG-79)
Formowanie na gorąco
Temperatura: 900°C – 1100°C (stale nierdzewne austenityczne); 1000°C – 1150°C (stale nierdzewne duplex)
Szybkość nagrzewania: ≤ 150°C/godz. (aby zapobiec wzrostowi ziarna)
Atmosfera formowania: Oczyszczanie gazem obojętnym lub powłoka ochronna zapobiegająca utlenianiu i tworzeniu się zendry
Po formowaniu na gorąco:
Stale nierdzewne austenityczne: Wyżarzanie roztworowe w temperaturze 1040°C – 1060°C, chłodzenie wodą lub szybkie chłodzenie powietrzem
Stale nierdzewne duplex: Wyżarzanie roztworowe w temperaturze 1040°C – 1080°C, chłodzenie wodą (aby przywrócić równowagę ferrytu/austenitytu)
Dla grubości > 20 mm: Wymagane chłodzenie, aby zapobiec wytrącaniu węglików i tworzeniu fazy sigma (duplex)
Toczenie (formowanie przepływowe)
Proces: Blacha jest obracana i dociskana do trzpienia, aby uformować kontur głowicy
Temperatura: Na zimno lub na gorąco (toczenie na ciepło w temperaturze 200°C – 400°C dla duplex)
Typowa grubość: 2 mm – 12 mm
Zastosowanie: Głowice cienkościenne do zbiorników magazynowych, naczyń niskociśnieniowych, dużych średnic
Zalety: Niski koszt matrycy; nadaje się do średnic > 2000 mm
Ograniczenie: Zmniejszenie grubości w obszarze korony (zazwyczaj 5% – 10% ścieńczenia ścianki); grubość musi być zmierzona i uwzględniona w projekcie półfabrykatu
Projektowanie grubości – minimalna wymagana grubość
Minimalna wymagana grubość dla każdego typu głowicy jest obliczana zgodnie z ASME VIII-1:
Głowica eliptyczna 2:1 (wg UG-32(d))
Wzór: t = (P × D) / (2 × S × E – 0,2 × P) × współczynnik korekcyjny
Gdzie: P = ciśnienie projektowe, D = średnica wewnętrzna, S = dopuszczalne naprężenie, E = sprawność połączenia
Współczynnik korekcyjny dla eliptycznej 2:1: 1,0 (standardowy współczynnik stosowany dla D/2h = 2,0)
Dla D/2h ≠ 2,0: Zastosować obliczenie wskaźnika naprężeń zgodnie z Załącznikiem 1-4
Głowica torosferyczna (wg UG-32(e))
Wzór: t = (0,885 × P × L) / (S × E – 0,1 × P)
Gdzie L = promień korony (zazwyczaj L = D dla standardowych głowic torosferycznych)
Promień zaokrąglenia musi wynosić ≥ 6% D (minimum 3% wg ASME VIII-1)
Głowica półkulista (wg UG-32(f))
Wzór: t = (P × R) / (2 × S × E – 0,2 × P)
Gdzie R = promień wewnętrzny (D/2)
Głowica płaska (wg UG-34)
Wzór: t = d × √ (C × P / S × E)
Gdzie: d = średnica, C = współczynnik ograniczenia krawędzi (0,33 – 0,50)
Wartość C zależy od metody mocowania krawędzi (spawana, skręcana lub integralna)
Tolerancja grubości (głowica wykonana)
Minimalna grubość po uformowaniu: ≥ 90% grubości nominalnej zgodnie z ASME VIII-1 UG-79
Należy uwzględnić zapas na ścieńczenie w grubości płyty półfabrykatu
Pomiar grubości: 10% powierzchni (minimum 5 punktów) – ultradźwiękowy miernik grubości
Tolerancje wymiarowe (wg ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Parametr | Eliptyczna 2:1 | Torosferyczna | Półkulista | Metoda pomiaru |
|---|---|---|---|---|
| Promień korony (R) | ±1,5% | ±1,5% | ±1,0% | Szablon / skanowanie 3D |
| Promień zaokrąglenia (r) | ±5% | ±5% | N/A | Szablon / skanowanie 3D |
| Głębokość wewnętrzna (h) | ±1,0% | ±1,0% | ±1,0% | Miernik głębokości |
| Okrągłość na linii stycznej | ≤ 1,0% średnicy wewnętrznej | ≤ 1,0% średnicy wewnętrznej | ≤ 0,5% średnicy wewnętrznej | Taśma miernicza |
| Długość prostego kołnierza | ±2 mm | ±2 mm | ±2 mm (jeśli dotyczy) | Caliper / taśma |
| Okrągłość prostego kołnierza | ≤ 0,5% średnicy wewnętrznej | ≤ 0,5% średnicy wewnętrznej | ≤ 0,5% średnicy wewnętrznej | Taśma miernicza |
Spawanie i produkcja – przygotowanie spoiny
Spoina głowicy z płaszczem
Kąt ukosowania: 30° – 37,5° (pojedynczy V lub podwójny V)
Szczelina grani: 2 mm – 4 mm
Graniówka: 1 mm – 2 mm
Materiał spawalniczy:
304L – ER308L
316L – ER316L
321 – ER321
347H – ER347
Duplex 2205 – ER2209
Proces spawania: GTAW (TIG) lub SMAW (elektrodą) lub SAW (łukiem krytym) – zgodnie z ASME Section IX
Gaz osłonowy: Oczyszczanie argonem dla spoiny graniowej na stalach austenitycznych i duplex
Króćce i podkładki wzmacniające
Króćce: Spawane do korony lub obszaru zaokrąglenia głowicy – wymagana podkładka wzmacniająca zgodnie z ASME VIII-1 UG-37, jeśli otwór przekracza dopuszczalny rozmiar
Minimalna odległość między środkiem króćca a linią styczną głowicy: ≥ 0,5 × średnica zewnętrzna króćca (aby zapobiec nakładaniu się spoiny na strefę zaokrąglenia)
Wszystkie elementy mocowane: 100% PT na powierzchni spoiny końcowej
PWHT dla głowic ze stali nierdzewnej
Stale nierdzewne austenityczne (304L/316L): PWHT zazwyczaj nie jest wymagane; jednakże zaleca się wyżarzanie roztworowe w temperaturze 1040°C – 1100°C z chłodzeniem wodą po formowaniu na gorąco lub po spawaniu grubych sekcji (> 20 mm), aby przywrócić odporność na korozję
Stale nierdzewne duplex: Wyżarzanie roztworowe w temperaturze 1040°C – 1080°C z chłodzeniem wodą po wszelkim formowaniu na gorąco lub spawaniu grubych sekcji, aby przywrócić równowagę ferrytu/austenitytu i zapobiec fazie sigma
321/347H: Wyżarzanie roztworowe w temperaturze 1040°C – 1060°C po formowaniu na gorąco lub spawaniu, jeśli istnieje obawa o sensytyzację
Odprężanie (400°C – 450°C) przez 17-4PH po spawaniu – zgodnie z zaleceniem producenta
Wykończenie powierzchni i pasywacja
Powierzchnia wewnętrzna i zewnętrzna
Wykończenie walcownicze (po uformowaniu): Standardowa powierzchnia formowania, Ra 3,2 μm – 6,3 μm
Wykończenie trawione: Kąpiel kwasowa (HF/HNO₃) do usunięcia zendry i warstwy tlenków – przywraca odporność na korozję
Wykończenie pasywowane: Obróbka kwasem azotowym lub cytrynowym w celu usunięcia zanieczyszczeń żelazem i odtworzenia warstwy pasywnej – wymagane dla zastosowań farmaceutycznych, spożywczych i korozyjnych
Wykończenie elektropolerowane: Ra ≤ 0,4 μm – dla zastosowań farmaceutycznych, biotechnologicznych, wody ultra czystej
Wykończenie polerowane mechanicznie: Ra 0,8 μm – 1,6 μm (ziarno 180 – 320) – dla zastosowań spożywczych, mleczarskich, kosmetycznych
Procedura trawienia i pasywacji
Roztwór do trawienia (dla stali nierdzewnych austenitycznych): 10% – 20% HNO₃ + 1% – 3% HF, temperatura 20°C – 50°C, czas zanurzenia 10 – 60 minut
Roztwór do pasywacji (dla stali nierdzewnych austenitycznych): 20% – 40% HNO₃, temperatura 40°C – 50°C, czas zanurzenia 30 – 60 minut
Po obróbce: Płukanie wodą demineralizowaną, suszenie sprężonym powietrzem bez oleju
Weryfikacja pasywacji: Test Ferroxyl zgodnie z ASTM A380 – brak niebieskiego zabarwienia (wskazuje na usunięcie wolnego żelaza)
Inspekcja i testowanie na głowicę
Inspekcja wymiarowa
Promień korony: Szablon lub skanowanie 3D – tolerancja zgodnie z ASME VIII-1 UG-81
Głębokość wewnętrzna: Miernik głębokości – tolerancja ±1,0%
Grubość: Ultradźwiękowy miernik grubości na 10% powierzchni – min. grubość ≥ 90% nominalnej
Okrągłość: Taśma miernicza na linii stycznej – ≤ 1,0% średnicy wewnętrznej
Długość i okrągłość prostego kołnierza: Caliper i taśma miernicza – tolerancje zgodnie z rysunkiem
Badania nieniszczące (NDE)
| Badanie | Metoda | Zakres | Akceptacja (wg ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Pęknięcia powierzchniowe | PT (penetrant ciekły) | 100% powierzchni uformowanej + obszary spawane | Brak pęknięć, brak porowatości > 0,8 mm, brak skupionej porowatości |
| Laminacje | UT (wiązka prosta) | 100% półfabrykatu płyty | Laminacje ≤ 20 mm² na 100 cm² |
| Spoiny (jeśli spawane) | RT lub UT (fala ścinająca) | 100% (wg UW-51) lub punktowo (wg UW-52) | Wg ASME VIII-1 UW-51 lub UW-52 |
| Weryfikacja grubości | UT (ultradźwięki) | 10% powierzchni | ≥ 90% nominalnej |
Test ciśnieniowy (po spawaniu z naczyniem lub testowany jako samodzielne zamknięcie)
Test hydrostatyczny zgodnie z ASME VIII-1 UG-99: Ciśnienie testowe = 1,3 × ciśnienie projektowe × (S w temp. testu / S w temp. projektowej)
Medium testowe: Czysta woda lub woda demineralizowana (aby uniknąć korozji naprężeniowej wywołanej chlorkami na stali nierdzewnej)
Limit chlorków w wodzie testowej: ≤ 50 ppm (dla stali nierdzewnych austenitycznych) w celu zapobiegania SCC; ≤ 200 ppm dla duplex
Czas trzymania: Minimum 30 minut
Akceptacja: Brak spadku ciśnienia; brak widocznych wycieków na spoinach
Dokumentacja na przesyłkę
Certyfikaty badań materiałowych (EN 10204 3.1 lub 3.2) – materiał płyty i materiały spawalnicze
Raport danych ASME U-stamp (jeśli dotyczy)
Karta danych GB/T 25198 (jeśli norma krajowa)
Raport z inspekcji wymiarowej (promień korony, głębokość, grubość, okrągłość, prosty kołnierz)
Raporty NDE – skanowanie powierzchni PT, skanowanie laminacji UT, skanowanie spoin RT/UT (jeśli spawane)
Specyfikacja procedury formowania (FPS) i zapisy z formowania (temperatura, szybkość nagrzewania, szybkość chłodzenia)
Raport z pomiaru grubości (zapisy z ultradźwiękowego miernika grubości)
Certyfikat trawienia/pasywacji (jeśli wykonano) – w tym stężenie kąpieli, temperatura i czas trwania
Test weryfikacji pasywacji (test Ferroxyl) – jeśli wymagany
Wykres obróbki cieplnej (zapis czasu i temperatury wyżarzania roztworowego) – jeśli wykonano
Lista kontrolna wyboru – głowica ze stali nierdzewnej
Typ głowicy – eliptyczna 2:1 / torosferyczna / półkulista / stożkowa / płaska
Średnica wewnętrzna płaszcza – określa rozmiar i głębokość głowicy
Ciśnienie projektowe – określa minimalną grubość zgodnie z ASME VIII-1 UG-32
Temperatura projektowa – określa dopuszczalne naprężenie (S) zgodnie z ASME II-D i gatunek materiału
Płyn procesowy – określa gatunek stali nierdzewnej (304L / 316L / 321 / 347H / Duplex)
Stężenie chlorków – jeśli > 200 ppm, wybrać 316L (≤ 250 ppm), Duplex 2205 (≤ 300 ppm) lub Super Duplex 2507 (> 300 ppm)
Preferowana metoda formowania – formowanie na gorąco (grube > 20 mm) lub formowanie na zimno (cienkie ≤ 20 mm)
Wymagane wykończenie powierzchni – walcownicze / trawione / pasywowane / elektropolerowane / polerowane mechanicznie
Wymagane króćce – podać harmonogram króćców (rozmiar, klasa, orientacja, wysunięcie)
Wymagane PWHT – w zależności od materiału, grubości i zastosowania (zazwyczaj wyżarzanie roztworowe dla stali nierdzewnych)
Wymagane NDE – zgodnie z ASME VIII-1 lub specyfikacją projektu
Przygotowanie spoiny – typ ukosowania krawędzi (pojedynczy V / podwójny V) i kąt ukosowania (jeśli dostarczono z przygotowaniem spoiny)
Ciśnienie testowe – dla testu hydrostatycznego zgodnie z UG-99 (jeśli dostarczono jako wstępnie przetestowane zamknięcie)
Oświadczenie o ograniczeniach projektowych – głowica ze stali nierdzewnej
Głowica ze stali nierdzewnej jako samodzielny produkt podlega następującym ograniczeniom:
Nie jest oceniana pod kątem ciśnienia wewnętrznego do momentu zespolenia z płaszczem lub kołnierzem; jej zdolność do przenoszenia ciśnienia wynika z kompletnego zmontowanego naczynia
Nie nadaje się do zastosowań z chlorkami o stężeniu > 200 ppm bez wyboru odpowiedniego gatunku (316L dla ≤ 250 ppm, Duplex dla ≤ 300 ppm, Super Duplex dla wyższych stężeń)
Nie nadaje się do testu hydrostatycznego z wodą zawierającą chlorki o stężeniu > 50 ppm (dla stali nierdzewnych austenitycznych) – ryzyko pękania naprężeniowego wywołanego chlorkami (SCC)
Nie nadaje się do temperatur serwisowych powyżej 600°C (stale nierdzewne austenityczne) lub powyżej 280°C (stale nierdzewne duplex) – powyżej tych limitów wystąpią przemiany fazowe materiału lub pełzanie
Nie nadaje się do cyklicznych obciążeń termicznych (> 1000 cykli/rok) bez analizy zmęczeniowej zgodnie z ASME VIII-2 – naprężenia resztkowe po formowaniu na zimno mogą przyspieszyć awarię zmęczeniową
Dla głowic wymagających wyżarzania roztworowego po formowaniu, element musi zostać ponownie schłodzony; szybkość chłodzenia wpływa na końcowe właściwości mechaniczne
