Cabeça de aço inoxidável como componente de fechamento do recipiente de pressão
Uma cabeça de aço inoxidável é um fecho final formado para vasos de pressão, trocadores de calor, reatores, colunas e tanques de armazenamento.As classes de aço inoxidável fornecem resistência à corrosão em uma ampla gama de meios de processo, incluindo ácidos, álcalis, cloretos (dentro dos limites de grau), compostos orgânicos e fluidos de alta pureza.
O cabeçote é formado a partir de chapa ou folha de aço inoxidável por prensagem a quente ou a frio, filagem ou trituração. Este produto é concebido e fabricado de acordo com a ASME Secção VIII Divisão 1 ou Divisão 2,e GB/T 25198 (Cabeças de recipientes sob pressão)As cabeças podem ser fornecidas como folhas em branco, com preparação de bordas para solda, ou totalmente fabricadas com flanges, bicos e aberturas de inspecção soldados.
Tipos de cabeças Classificação geométrica
21 Cabeça elíptica (Semielíptica)
Tipo de cabeça do recipiente a pressão mais comum
Profundidade interna (h) = ID / 4
Radius dos nós (r) ≈ 0,17 × ID
Radius da coroa (R) ≈ 0,90 × ID
Aplicação: recipientes de pressão gerais, canais de trocadores de calor, fundos de reatores, tanques de armazenamento
Vantagens: distribuição eficiente da pressão; baixo custo de moldagem para diâmetros normalizados
Limitação: tensão de formação mais elevada na área dos nós; não é adequado para pressões muito elevadas sem aumento da espessura
Cabeça torisférica (com flanges e em pratos)
Radius da coroa (R): 0,80 × ID a 1,00 × ID (normalmente R = ID)
Rânio dos dedos (r): 6% a 10% do ID (mínimo 3% por ASME VIII-1)
Aplicação: recipientes de baixa pressão, reservatórios atmosféricos, coberturas de passagens
Vantagens: Profundidade superficial (altura da cabeça reduzida); menor custo de formação do que as cabeças elípticas
Limitação: maior tensão no dedo; requer material mais espesso para a mesma pressão em comparação com o elíptico
Cabeça hemisférica
Radius = ID / 2 (esfera verdadeira)
Profundidade interna (h) = ID / 2
Aplicação: recipientes de alta pressão (acima de 10 MPa), armazenamento criogénico, recipientes nucleares
Vantagens: espessura mínima para uma determinada pressão e diâmetro; melhor eficiência de retenção de pressão
Limitação: Requer formação em duas peças (duas metades soldadas juntas) para grandes diâmetros > 1.500 mm; maior custo de fabricação
Cabeça cônica
Ângulo do ápice do cone: 30° a 120° (normalmente 60° para recipientes sob pressão)
Aplicação: Fundos de tolhas, reservatórios de lodo, recipientes de deposição, zonas de retirada de catalisadores
Vantagens: proporciona uma transição de fluxo suave para sólidos ou lodos
Limitação: tensão superior na junção cone-cilindro; requer transição de anel de reforço ou de nó
Capa plana (placa circular)
Espessura calculada em conformidade com a norma ASME VIII-1 UG-34
Aplicação: recipientes de baixa pressão, tampas de inspeção, tampas de manobra, tampas de canais de trocadores de calor
Vantagens: Fabricação simples; menor custo para pequenos diâmetros
Limitação: requer material mais espesso para pressão; alta concentração de tensão na borda
Classificações de materiais de aço inoxidável
Aço inoxidável austenítico
| Grau | S.U.N. | Intervalo de temperatura | Limite de cloreto | Aplicação |
|---|---|---|---|---|
| 304L | S30403 | -196°C a +425°C | ≤ 200 ppm | Fluidos de processo ligeiramente corrosivos, limpos, alimentos e bebidas, farmacêuticos |
| 304 | S30400 | -196°C a +600°C (descenso superior a 425°C) | ≤ 200 ppm | Semelhante ao 304L, mas com maior teor de carbono (não recomendado para serviço de solda sem PWHT) |
| 316L | S31603 | -196°C a +425°C | ≤ 200 ppm (serviço) / ≤ 250 ppm (um pouco mais elevado com uma temperatura máxima) | Ácidos orgânicos, soluções salinas, hidrocarbonetos que contenham cloreto (moderados), farmacêuticos |
| 316 | S31600 | -196°C a +600°C (descenso superior a 425°C) | ≤ 200 ppm | Semelhante ao 316L; não recomendado para solda de espessura > 16 mm sem níveis de carbono baixos |
| 321 | S32100 | -196°C a +540°C | ≤ 200 ppm | Serviço a temperaturas elevadas (425°C ∼ 540°C); estabilizado por titânio para evitar a precipitação de carburo |
| 347H | S34709 | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Serviço a altas temperaturas (até 600°C); estabilizado com nióbio para resistência ao arrastão |
| 310S | S31008 | -196°C a +700°C | ≤ 200 ppm | Serviço de fornos de alta temperatura; resistência à oxidação > 600°C |
Aço inoxidável duplex
| Grau | S.U.N. | Intervalo de temperatura | Limite de cloreto | Aplicação |
|---|---|---|---|---|
| 2205 (S32205) | S32205 | -40°C a +280°C | ≤ 300 ppm a 80°C | Serviço offshore, água do mar, cloretos, CO2/H2S |
| 2507 (Super Duplex) | S32750 | -40°C a +250°C | ≤ 500 ppm a 60°C | Serviço de cloreto severo, exigência de alta resistência |
Aço inoxidável resistente à precipitação
| Grau | S.U.N. | Intervalo de temperatura | Aplicação |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | S17400 | -40°C a +315°C | Coberturas, flanges e fechaduras de alta resistência que exijam uma elevada resistência de rendimento |
Métodos de moldagem
Formação a frio
Temperatura: ambiente (20°C - 40°C)
Equipamento: Prensa de travagem, prensa de moldagem ou prensa hidráulica com matrizes correspondentes
Espessura típica: 2 mm 20 mm (formável a frio)
Compensação de resíduo: dimensões da matriz ajustadas em 0,5% ∼ 2,0% do raio da coroa por resistência do material
Deformação máxima: ≤ 15% para SS austeníticas; ≤ 10% para SS duplex (para evitar rachaduras)
Medição da ferrite (duplex após moldagem a frio): o teor de ferrite deve permanecer entre 35% e 65% por ASTM E562.
Após formação a frio: Requeijão de solução (aquecimento a 1.040°C ∼ 1.100°C, amortecimento por água) para SS austeníticas se a tensão de formação for > 10% ou se o serviço exigir uma resistência máxima à corrosão (por ASME VIII-1 UG-79)
Formação a quente
Temperatura: 900°C ∼ 1.100°C (SS austenítico); 1.000°C ∼ 1.150°C (SS duplo)
Taxa de aquecimento: ≤ 150°C/hora (para evitar o crescimento do grão)
Atmosfera de formação: depuração de gases inertes ou revestimento protetor para evitar a oxidação e a descamação
Após formação a quente:
SS austenítico: recozimento da solução a 1.040°C ∼ 1.060°C, amortecimento ou arrefecimento rápido por ar
SS duplex: recozimento da solução a 1.040°C ∼ 1.080°C, amortecimento por água (para restabelecer o equilíbrio ferrita/austenita)
Para espessuras > 20 mm: apagão necessário para evitar a precipitação de carburo e a formação de fase sigma (duplex)
Fabricação de fibras sintéticas
Processo: A placa é girada e pressionada sobre um mandril para formar o contorno da cabeça
Temperatura: frio ou quente (torção quente a 200°C ∼ 400°C para duplex)
Espessura típica: 2 mm 12 mm
Aplicação: Cabeças de parede fina para tanques de armazenamento, recipientes de baixa pressão, grandes diâmetros
Vantagens: Baixo custo da matriz; adequado para diâmetros > 2000 mm
Limitação: redução da espessura na área da coroa (normalmente 5% ∼ 10% de afinamento da parede); a espessura deve ser medida e compensada no desenho em branco
Projeto da espessura
A espessura mínima exigida para cada tipo de cabeça é calculada em conformidade com a norma ASME VIII-1:
21 cabeça elíptica (por UG-32 ((d))
Fórmula: t = (P × D) / (2 × S × E ?? 0,2 × P) × fator de correcção
Onde: P = pressão de projecto, D = diâmetro interno, S = tensão admissível, E = eficiência da articulação
Fator de correcção para o elíptico 2:1: 1,0 (fator padrão aplicado para D/2h = 2,0)
Para D/2h ≠ 2.0Aplicar o cálculo do índice de esforço de acordo com o apêndice 1-4
Cabeça torisférica (por UG-32 ((e))
Fórmula: t = (0,885 × P × L) / (S × E ?? 0,1 × P)
Onde L = raio da coroa (normalmente L = D para cabeças torisféricas normalizadas)
O raio dos nós deve ser ≥ 6% de D (mínimo 3% para a norma ASME VIII-1)
Cabeça hemisférica (por UG-32 ((f))
Fórmula: t = (P × R) / (2 × S × E ¢ 0,2 × P)
Onde R = raio interno (D/2)
Cabeça plana (por UG-34)
Fórmula: t = d × sqrt ((C × P / S × E)
Donde: d = diâmetro, C = fator de restrição das bordas (0,33 ± 0,50)
O valor C depende do método de fixação das bordas (soldado, parafusado ou integrado)
Tolerância de espessura (cabeça realizada)
Espessura mínima da forma após a formação: ≥ 90% da espessura nominal da norma ASME VIII-1 UG-79
A tolerância de afrouxamento deve ser incluída na escolha da espessura da chapa em branco
Medição da espessura: 10% da superfície (mínimo de 5 pontos)
Tolerâncias de dimensão (por ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Parâmetro | 21 Elíptico | Torisféricos | Hemisféricos | Método de medição |
|---|---|---|---|---|
| Radius da coroa (R) | ± 1,5% | ± 1,5% | ±1,0% | Modelo / varredura 3D |
| Radius dos nós (r) | ± 5% | ± 5% | N/A | Modelo / varredura 3D |
| Profundidade interna (h) | ±1,0% | ±1,0% | ±1,0% | Medidor de profundidade |
| Out-of-roundness na linha tangente | ≤ 1,0% do ID | ≤ 1,0% do ID | ≤ 0,5% do ID | Faixa de diâmetro |
| comprimento da flange reta | ± 2 mm | ± 2 mm | ± 2 mm (se aplicável) | Calibre / fita |
| Flanca reta fora de arredondamento | ≤ 0,5% do ID | ≤ 0,5% do ID | ≤ 0,5% do ID | Faixa de diâmetro |
Soldadura e fabricação Preparação de soldas
Junção de solda cabeça-casca
Ângulo de dobrado: 30° ∼ 37,5° (V único ou V duplo)
Espaçamento das raízes: 2 mm 4 mm
Caracterização da raiz: 1 mm 2 mm
Metal de enchimento:
304L ER308L
316L ER316L
321 ER321
347H ER347
Duplex 2205 ¥ ER2209
Processo de solda: GTAW (TIG) ou SMAW (stick) ou SAW (arc submerso) per ASME Secção IX
Gás de apoio: purga de argônio para a passagem de raízes em SS austeníticas e duplex
Acessórios de bocal e almofadas de reforço
Bocas: Soldadas para a zona da cabeça ou das articulações pad reforço exigido pela norma ASME VIII-1 UG-37 se a abertura exceder o tamanho admissível
Distância mínima entre o centro do bico e a linha tangente da cabeça: ≥ 0,5 × OD do bico (para evitar a sobreposição da zona do nó)
Todos os acessórios: 100% PT na superfície final da soldadura
PWHT para cabeças de aço inoxidável
SS austenítico (304L/316L): PWHT normalmente não exigido; no entanto, recozimento por solução a 1,040°C 1,Recomenda-se uma temperatura de 100 °C com apagamento por água após moldagem a quente ou após solda de secções grossas (> 20 mm) para restabelecer a resistência à corrosão
SS duplex: Requeijão de solução a 1.040°C ∼ 1.080°C com amortecimento por água após qualquer moldagem a quente ou solda de secções grossas para restaurar o equilíbrio ferrita/austenita e evitar a fase sigma
321/347H: Requeijão da solução a 1.040°C ∼ 1.060°C após moldagem a quente ou soldagem, se a sensibilização for preocupante
Relaxamento de tensão (400°C ∼ 450°C) para 17-4PH após soldagem ∼ conforme recomendação do fabricante
Revestimento de superfície e passivação
Superfície interna e externa
Finalização do moinho (conforme formado): superfície de formação padrão, Ra 3,2 μm ∼ 6,3 μm
Finalização encurvada: banho ácido (HF/HNO3) para remover a escama e a camada de óxido restabelece a resistência à corrosão
Revestimento passivo: tratamento com ácido nítrico ou ácido cítrico para remover a contaminação do ferro e re-formar a camada passiva necessária para serviços farmacêuticos, alimentares e corrosivos
Finalização eletropolida: Ra ≤ 0,4 μm para serviços farmacêuticos, biotecnológicos e de água ultrapura
Finalização polida mecânica: Ra 0,8 μm 1.6 μm (grit 180 320) para serviços alimentares, lácteos, cosméticos
Procedimento de decapagem e passivação
Solução de decapagem (para SS austenítico): 10% ∼ 20% HNO3 + 1% ∼ 3% HF, temperatura 20°C ∼ 50°C, tempo de imersão 10 ∼ 60 minutos
Solução de passivação (para SS austenítica): 20% ∼ 40% de HNO3, temperatura 40°C ∼ 50°C, tempo de imersão 30 ∼ 60 minutos
Após tratamento: Lavar com água desmineralizada, secar com ar sem óleo
Verificação da passivação: ensaio ferroxilo por ASTM A380 ¢ sem coloração azul (indica remoção de ferro livre)
Inspecção e ensaios por cabeças
Inspecção dimensional
Radius da coroa: Modelo ou digitalização 3D ¢ tolerância de acordo com a norma ASME VIII-1 UG-81
Profundidade interna: medidor de profundidade tolerância ± 1,0%
Espessura: medidor de espessura por ultra-som a 10% da superfície
Out-of-roundness: Diâmetro da fita na linha tangente ≤ 1,0% do ID
comprimento e redondeza da flange reta: fita de calibre e diâmetro
Exame não destrutivo (NDE)
| Exame | Método | Área de aplicação | Aceitação (per ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Fissuras na superfície | PT (penetrante líquido) | 100% da superfície formada + áreas de solda | Sem rachaduras, sem porosidade > 0,8 mm, sem porosidade agrupada |
| Laminados | UT (feixe reto) | 100% de placas em branco | Laminagens ≤ 20 mm2 por 100 cm2 |
| Secções de solda (se estiverem soldadas) | RT ou UT (onda de cisalhamento) | 100% (por UW-51) ou spot (por UW-52) | De acordo com a norma ASME VIII-1 UW-51 ou UW-52 |
| Verificação da espessura | UT (ultra-sônico) | 10% da superfície | ≥ 90% nominal |
Ensaios de pressão (quando soldados a um recipiente ou ensaiados como fechamento independente)
Ensaio hidrostático de acordo com a norma ASME VIII-1 UG-99: Pressão de ensaio = 1,3 × pressão de projecto × (S na temperatura de ensaio / S na temperatura de projecto)
Meio de ensaio: Água limpa ou água desmineralizada (para evitar a corrosão por tensão por cloreto na SS)
Limite de cloreto na água de ensaio: ≤ 50 ppm (para SS austenítico) para prevenir a SCC; ≤ 200 ppm para duplex
Tempo de espera: 30 minutos no mínimo
Aceitação: queda de pressão zero; não há fugas visíveis nas juntas de solda
Documentação por remessa
Certificados de ensaio de materiais (EN 10204 3.1 ou 3.2) ‡ material de chapa e materiais de enchimento
Relatório de dados do carimbo em U ASME (se aplicável)
Ficha de dados GB/T 25198 (se for norma nacional)
Relatório de inspecção dimensional (rádio da coroa, profundidade, espessura, não redonda, flange reta)
Relatórios de EQM PT scan surface, UT lamination scan, RT/UT weld scan (se soldado)
Especificação do procedimento de moldagem (FPS) e registos de moldagem (temperatura, taxa de aquecimento, taxa de arrefecimento)
Relatório de medição da espessura (registros do medidor de espessura ultrasônico)
Certificado de decapagem/pasivação (se for efectuado), incluindo a concentração, temperatura e duração do banho
Ensaio de verificação da passivação (ensaio de ferroxil) se necessário
Diagrama de tratamento térmico (registro do tempo e da temperatura de recozimento da solução) se for realizado
Lista de verificação da selecção
Tipo de cabeça ∙ 2: 1 Elíptica / Torisférica / Hemisférica / Cônica / Planada
Identificação da concha (diâmetro interno) ?? determina o tamanho e a profundidade da cabeça
A pressão de projecto determina a espessura mínima de acordo com a norma ASME VIII-1 UG-32
Temperatura de projeto determinam a tensão admissível (S) por ASME II-D e grau de material
Fluido de processo determinando a qualidade do aço inoxidável (304L / 316L / 321 / 347H / Duplex)
Concentração de cloreto se > 200 ppm, selecionar 316L (≤ 250 ppm), Duplex 2205 (≤ 300 ppm) ou Super Duplex 2507 (> 300 ppm)
Método de moldagem preferido ️ moldagem a quente (grossa > 20 mm) ou moldagem a frio (fina ≤ 20 mm)
Requisito de acabamento da superfície Moldeado / Decorado / Pasivado / Eletropolizado / Polido mecânico
Instalações de bocas necessárias fornecer programa de bocas (tamanho, classificação, orientação, projeção)
Requisito de PWHT ️ Baseado no material, espessura e serviço (geralmente recozimento de solução para SS)
Requisito NDE Per ASME VIII-1 ou por especificação de projeto
Preparação da soldadura: tipo de convexação da borda (V único / V duplo) e ângulo de convexação (se fornecido com preparação da soldadura)
Pressão de ensaio ️ Para o ensaio hidrotest por UG-99 (se fornecido como fecho pré-testado)
Declaração de limitação de projeto √ cabeça de aço inoxidável
A cabeça de aço inoxidável como produto independente está sujeita às seguintes limitações:
Não é classificado para pressão interna até ser soldado a uma concha ou flange; a classificação de pressão é derivada do recipiente completo montado
Não adequado para utilização com cloretos > 200 ppm sem seleção do grau adequado (316L para ≤ 250 ppm, Duplex para ≤ 300 ppm, Super Duplex para concentrações mais elevadas)
Não adequado para testes hidrotest com água que contenha cloreto > 50 ppm (para SS austenítico)
Não adequado para temperaturas de funcionamento superiores a 600 °C (SS austenítico) ou superiores a 280 °C (SS duplex)
Não adequado para ciclos térmicos graves (> 1000 ciclos/ano) sem análise de fadiga de acordo com a norma ASME VIII-2
Para cabeças que necessitem de recozimento em solução após a formação, a peça deve ser re-extinta; a taxa de arrefecimento afeta as propriedades mecânicas finais
