ASTM A516 GR. 70 +ASTM B171 C71500 УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ КЛАДДИНГОВАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Обзор – Кладдинговая эллиптическая головка как компонент закрытия сосуда под давлением
Кладдинговая эллиптическая головка представляет собой формованное днище сосуда под давлением, состоящее из основной плиты из углеродистой или легированной стали с коррозионностойким сплавом (CRA) слоем, металлургически связанным с поверхностью, контактирующей с процессом. Форма полуэллипса 2:1 является наиболее распространенной конфигурацией торосферического/эллипсоидального днища в кожухотрубных теплообменниках, сосудах под давлением, реакторах и резервуарах для хранения, обеспечивая оптимальный баланс между эффективностью удержания давления и стоимостью формовки.
Кладдинговый слой обеспечивает коррозионную стойкость к технологической среде, а основной материал обеспечивает структурную прочность и герметичность под давлением. Этот продукт разработан и изготовлен в соответствии с ASME Section VIII Division 1 или Division 2, а также GB/T 25198 (Днища сосудов под давлением) для внутренних применений.
Геометрическое определение – Эллиптическая головка 2:1
Полуэллиптическая головка 2:1 имеет внутреннюю глубину (по центру), равную одной четверти внутреннего диаметра (ID) обечайки, к которой она прикреплена:
Большая ось (D) = Внутренний диаметр обечайки
Малая ось (h) = D/4 (внутренняя глубина от касательной линии до центра купола)
Радиус перехода (r) ≈ 0,17 × D (переходная зона между куполом и прямым фланцем)
Радиус купола (R) ≈ 0,90 × D (сферическая центральная часть)
| Внутренний диаметр обечайки (мм) | Внутренняя глубина h (мм) | Прибл. радиус перехода (мм) | Прибл. радиус купола (мм) |
|---|---|---|---|
| 500 | 125 | 85 | 450 |
| 800 | 200 | 136 | 720 |
| 1000 | 250 | 170 | 900 |
| 1200 | 300 | 204 | 1080 |
| 1500 | 375 | 255 | 1350 |
| 2000 | 500 | 340 | 1800 |
| 2500 | 625 | 425 | 2250 |
| 3000 | 750 | 510 | 2700 |
Комбинации материалов клада и основного материала
Кладдинговая эллиптическая головка изготавливается путем нанесения слоя коррозионностойкого сплава (CRA) на основную плиту из углеродистой или легированной стали одним из следующих методов:
Взрыво-сварная плакированная плита: Детонация контролируемого заряда взрывчатого вещества создает металлургическую связь между CRA и основным материалом (согласно ASME SA-263 / SA-264 / SA-265)
Сварная прокатка плакированной плиты: CRA и основной материал прокатываются вместе при высокой температуре под давлением для образования металлургической связи
Наплавка сваркой (ленточная наплавка): Материал CRA наносится сваркой на поверхность основной плиты перекрывающимися полосами (согласно ASME IX)
Варианты основного материала
| Основной материал | Спецификация | Температурный диапазон | Применение |
|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь SA-516 Gr.70 | ASTM A516 | -20°C до +425°C | Общее применение для сосудов под давлением |
| Углеродистая сталь SA-516 Gr.65 / 60 | ASTM A516 | -20°C до +425°C | Более низкая прочность, более толстые секции |
| Углеродистая сталь 16MnR / Q345R | GB 713 | -20°C до +400°C | Эквивалент внутреннего стандарта |
| Низколегированная SA-387 Gr.11 / 22 | ASTM A387 | -20°C до +540°C | Эксплуатация при повышенных температурах (гидрокрекинг, гидроочистка) |
| Низколегированная SA-387 Gr.5 | ASTM A387 | -20°C до +550°C | Эксплуатация при высоких температурах с водородом |
Варианты кладингового материала
| Кладдинговый материал | Спецификация | Температурный предел | Хлоридная толерантность | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Нержавеющая сталь 304L | ASTM A240 | ≤ 400°C | ≤ 200ppm | Слабокоррозионные среды, чистый пар, пищевая промышленность |
| Нержавеющая сталь 316L | ASTM A240 | ≤ 425°C | ≤ 200ppm | Органические кислоты, солевые растворы, слабые кислоты |
| Дуплекс 2205 | ASTM A240 | ≤ 280°C | ≤ 300ppm при 80°C | Углеводороды, содержащие хлориды, морские условия |
| Титан Gr.1 / Gr.2 | ASTM B265 | ≤ 230°C | До 20 000ppm | Морская вода, рассол, среды с высоким содержанием хлоридов |
| Сплав 625 (Inconel) | ASTM B443 | ≤ 540°C | До 500ppm | Сернистый газ, высокотемпературные коррозионные среды, аминовые установки |
| Сплав C276 (Hastelloy) | ASTM B575 | ≤ 400°C | До 1 000ppm | Агрессивные кислотные и хлоридные среды |
Толщина клада (слой CRA)
Стандартная толщина клада: 2 мм – 6 мм (обычно минимум 3 мм согласно ASME VIII-1 UW-13)
Допуск по толщине клада: +0,5 мм / -0,0 мм (без отрицательного допуска)
Коэффициент клада: Толщина клада в процентах от общей толщины (клад + основа. Для коррозионных сред толщина клада выбирается исходя из требуемого запаса на коррозию.
Общая номинальная толщина
Толщина основы: 6 мм – 80 мм (выбирается согласно ASME VIII-1 UG-27 / UG-32 для удержания давления)
Общая толщина = Толщина основы + Толщина клада (клад учитывается в расчете давления только при металлургической связи; согласно ASME VIII-1 Appendix AA)
Минимальная формованная толщина после формовки: ≥ 90% от номинальной толщины (согласно GB/T 25198 / ASME VIII-1 UG-79)
Процесс формовки – Горячая или холодная формовка
Кладдинговые эллиптические головки формуются из плакированной плиты одним из следующих методов. Выбор процесса зависит от материала клада, общей толщины и требуемой точности.
Горячая формовка
Температура формовки: 900°C – 1 050°C (для основы из углеродистой стали + нержавеющий клад)
Защита стороны клада: Контролируемая окислительная атмосфера для предотвращения чрезмерного окалинообразования; инертный газовый продув или защитное покрытие наносится на поверхность клада
Скорость нагрева: ≤ 150°C/час для предотвращения термического шока и отслоения клада
Закалка / охлаждение: Воздушное охлаждение или контролируемое печное охлаждение (для основ из легированных материалов, требующих термообработки после сварки)
Холодная формовка
Температура формовки: Окружающая (20°C – 40°C)
Оборудование для формовки: Листогибочный пресс или пресс для формовки днищ с соответствующими матрицами
Компенсация упругого отскока: Размеры матрицы корректируются для компенсации упругого отскока при холодной формовке (обычно 0,5% – 1,5% радиуса купола в зависимости от диаметра головки и предела текучести материала)
Максимальная деформация при холодной формовке: Ограничена для предотвращения отслоения клада и растрескивания основного материала. Для основы из углеродистой стали с нержавеющим кладом рекомендуемая деформация при формовке ≤ 15% (согласно процедуре формовки производителя).
После холодной формовки: Требуется полная термообработка после сварки (PWHT) согласно ASME VIII-1 UCS-56, если толщина основного материала > 38 мм или если служба требует снятия напряжений.
Допуски на формовку (согласно ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Параметр | Допуск |
|---|---|
| Радиус купола (R) | ±1,5% от расчетного радиуса |
| Радиус перехода (r) | ±5% от расчетного радиуса |
| Внутренняя глубина (h) | ±1,0% от расчетной глубины |
| Наружный диаметр (OD) по касательной линии | ±0,5% от внутреннего диаметра обечайки |
| Некруглость по касательной линии | ≤ 1,0% от внутреннего диаметра обечайки (для сопряжения обечайки с головкой) |
| Волнистость поверхности | ≤ 2 мм на 1 м длины (поверхность клада) |
Целостность клада – Качество соединения и испытания
Металлургическая связь между кладом и основным материалом должна быть проверена согласно ASME VIII-1 UW-13 и ASME SA-263 / SA-264 / SA-265.
Критерии целостности соединения
Прочность на сдвиг (соединение клад-основа): ≥ 140 МПа (для взрыво-сварной плиты) согласно ASTM B898
Площадь соединения: ≥ 99% от общей площади клада (площадь поверхности клада, которая металлургически связана)
Допуск на не связанную площадь: Отдельные не связанные участки ≤ 100 мм²; общая не связанная площадь ≤ 1% от поверхности (согласно ASME VIII-1)
Неразрушающий контроль (NDE) поверхности клада
Ультразвуковой контроль (UT) – 100% сканирование границы клад-основа на наличие дефектов соединения и отслоений (согласно ASME V, статья 5)
Критерии приемки: Отсутствие линейных индикаций > 20 мм; отсутствие скопленных индикаций; отсутствие индикаций с амплитудой ≥ 50% от эталонного уровня
Капиллярный контроль (PT) – 100% поверхности клада и сварных швов на наличие поверхностных трещин (согласно ASME V, статья 6)
Приемка: Отсутствие трещин, отсутствие пор размером более 0,8 мм, отсутствие скопленных пор
Сварка с обечайкой – Конструкция и подготовка соединения
Кладдинговая эллиптическая головка приваривается к обечайке или фланцу по касательной линии. Соединение должно обеспечивать как структурную целостность, так и коррозионную стойкость по всей границе клада.
Подготовка соединения (согласно ASME VIII-1 UW-13)
Угол скоса: 30° – 37,5° (односторонний или двусторонний V-образный)
Зазор в корне: 2 мм – 4 мм
Ступенчатый отступ слоя клада: Материал клада отводится примерно на 2 мм – 3 мм от края канавки для сварки, чтобы первый проход (сварка основного материала) мог быть выполнен без плавления слоя клада в шов
Переходная сварка: На поверхность канавки для сварки наносится слой клада (при необходимости) для обеспечения коррозионностойкой поверхности сварного шва
Последовательность сварки (рекомендуемая)
Сварка основного материала (углеродистая сталь / легированная) – наносится первой, 100% радиографический контроль (RT) или ультразвуковой контроль (UT) согласно ASME VIII-1 UW-52
Сварка со стороны клада (нержавеющая сталь или CRA) – наносится после завершения и проверки сварки основного материала
Наплавка клада на поверхность сварного шва – последний слой материала CRA, наносимый для восстановления коррозионной стойкости по всему соединению
Окончательный капиллярный контроль (PT) поверхности клада и наплавки – 100%
Термообработка после сварки (PWHT)
Требуется согласно ASME VIII-1 UCS-56, когда:
Толщина основного материала > 38 мм
Среда содержит влажный H₂S (NACE MR0175 / ISO 15156)
Основной материал является низколегированной сталью (SA-387), требующей отпуска
Температура PWHT: 620°C ± 15°C для углеродистой стали; 680°C – 760°C для низколегированной стали (согласно таблицам UCS-56)
Время выдержки: 1 час на каждые 25 мм толщины основного материала; минимум 1 час
Скорость охлаждения: ≤ 50°C/час до 400°C (для углеродистой стали) для предотвращения осаждения карбидов или растрескивания от напряжений
Защита клада во время PWHT: Инертный газовый продув (аргон) наносится на поверхность клада для предотвращения окисления; тепловые экраны устанавливаются при необходимости для минимизации окалинообразования на поверхности клада
Контроль и испытания для каждой головки
Измерительный контроль
Радиус купола: Измеряется шаблонами или 3D-сканированием – допуск ±1,5%
Внутренняя глубина (h): Измеряется от касательной линии до центра купола – допуск ±1,0%
Соответствие внутреннего диаметра обечайки по касательной линии: Некруглость ≤ 1,0% от внутреннего диаметра обечайки
Длина прямого фланца: Обычно 25 мм – 100 мм (согласно проекту); допуск ±2 мм
Толщина клада: Ультразвуковой толщиномер на 10% площади поверхности – минимальная толщина ≥ номинальная толщина клада – 0,5 мм
Неразрушающий контроль (NDE)
| Контроль | Метод | Область применения | Приемка (согласно ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Целостность соединения клада | УЗК (ультразвуковой) | 100% поверхности клада | Отсутствие отслоений > 20 мм; отсутствие скопленных индикаций |
| Трещины на поверхности клада | Капиллярный контроль (PT) | 100% поверхности клада + наплавка | Отсутствие трещин; поры< 0,8 мм |
| Расслоения основного материала | УЗК (прямолинейный луч) | 100% площади основы (заготовка головки) | Расслоения ≤ 20 мм² всего на 100 см² |
| Сварной шов (головка-обечайка, если предварительно сварено) | РК или УЗК (поперечная волна) | 100% сварного шва или выборочно согласно спецификации | Согласно ASME VIII-1 UW-51 (полный) или UW-52 (выборочный) |
Испытание под давлением (при сварке с сосудом)
Гидростатическое испытание: 1,3 × расчетное давление × (S при температуре испытания / S при расчетной температуре) согласно ASME VIII-1 UG-99
Время выдержки: Минимум 30 минут
Приемка: Отсутствие падения давления; отсутствие видимых утечек в сварных соединениях или на границе клада
Поверхность клада после гидроиспытания: Визуальный осмотр на предмет вздутий или отслоений – видимые вздутия не допускаются
Документация на партию
Сертификаты испытаний материалов (EN 10204 3.1 или 3.2) – основная плита и материал клада
Отчет о производстве плакированной плиты (взрыво-сварная или прокатная) – включая результаты испытаний на сдвиг соединения
Отчет о данных ASME U-stamp (если применимо)
Лист данных GB/T 25198 (если внутренний стандарт)
Отчет о размерном контроле (радиус купола, глубина, толщина, некруглость)
Отчеты NDE – УЗК сканирование соединения, капиллярный контроль поверхности, радиографический/ультразвуковой контроль сварного шва (если сварено)
Запись диаграммы PWHT (кривая время-температура) – если проводилось
Спецификация процедуры формовки (FPS) и отчет о формовке (записи о горячей/холодной формовке)
Отчет об измерении толщины клада (записи ультразвукового толщиномера)
Контрольный список выбора – Кладдинговая эллиптическая головка
Внутренний диаметр обечайки (ID) – определяет размер головки
Расчетное давление – определяет толщину основы согласно ASME VIII-1 UG-32
Расчетная температура – определяет марку основного материала и требование к PWHT
Коррозионная активность технологической среды – определяет материал клада и минимальную толщину клада
Требуемый материал клада – 304L / 316L / Duplex / Ti / Alloy 625 / Alloy C276
Требуемая толщина клада – на основе запаса на коррозию (обычно минимум 3 мм)
Требуемый основной материал – CS SA-516 Gr.70 / Q345R / SA-387 Gr.11/22
Предпочтительный метод формовки – горячая или холодная формовка
Требование к PWHT – на основе толщины основы и условий эксплуатации
Требование к NDE – согласно ASME VIII-1 или согласно спецификации проекта (например, 100% УЗК соединения, 100% PT)
Присоединение фланцев или патрубков – если уже приварены к головке, предоставить детали сварного соединения
Спецификация краски/покрытия – для наружной поверхности (основа из углеродистой стали), если не изолирована
Заявление об ограничениях проектирования – Кладдинговая эллиптическая головка
Кладдинговая эллиптическая головка не применима для:
Среды, где рабочая температура вызывает отслоение клада из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения (клад и основной материал имеют разные коэффициенты теплового расширения). Согласно ASME VIII-1 Appendix AA, термические напряжения между кладом и основой должны быть включены в расчеты проектирования.
Интенсивные термические циклы (> 1 000 циклов/год), где соединение клад-основа может подвергаться усталости. Толщина клада и целостность соединения должны быть переоценены согласно анализу усталости по ASME VIII-2.
Очень высокие температуры (> 540°C), где материал клада теряет коррозионную стойкость или подвергается фазовым превращениям. Для таких условий эксплуатации рекомендуется сплав 625 или сплав 800.
Среды с быстрыми циклами давления (пульсирующая нагрузка) – соединение клада может подвергаться отслаивающему напряжению; проконсультируйтесь с производителем для дополнительного тестирования соединения.
