316 ステンレス鋼のシース加熱管は、溶接されたエンド キャップ閉鎖部で降伏するまでにどの程度の最大許容使用圧力に耐えられるか

溶接接合部 - 圧力下での管状ヒーター設計の弱点

インラインプロセスヒーター、高圧オートクレーブ、蒸気発生容器などの加圧システムで使用される 316 ステンレス鋼シース電熱管の最大許容作動圧力 (MAWP) が、直管壁によって制限されることはほとんどありません。{1}}ただし、応力集中が最も大きく、降伏または破断のマージンが最も低いコンポーネントは、シースを密閉して内部抵抗線と酸化マグネシウム絶縁体を閉じ込める溶接エンド キャップ クロージャです。溶接の形状、溶け込み深さ、熱影響部 (HAZ) の軟化、溶接による残留応力場が組み合わされて、エンド キャップが剥がれる圧力や溶接近くのシース壁が変形する圧力が決まります。この記事では、溶接設計基準に基づいて 316 シーズ ヒーターの安全な使用圧力を決定するための定量化可能な方法を紹介します。これにより、エンジニアは計算可能な安全係数で加圧運転用のヒーターを指定できます。

エンドキャップ溶接接合部における応力集中メカニズム

通常の 316 ケース入りヒーター エンド キャップ クロージャーは、直管シースに円周方向に溶接された平坦またはドーム状の 316 ステンレス鋼ディスクです。溶接は、隅肉溶接 (チューブの外径と重なる) または突合せ溶接 (キャップの厚さをチューブの壁と一致させる) の場合があります。内圧下の管壁の応力分布は、薄い-圧力-容器フープ応力の公式: \\sigma_{hoop}={\\rm P}D_{mean}/ 2t で与えられます。ここで、P は内圧、D_{mean} は平均直径、t は壁の厚さです。外径 10 mm、壁厚 1.5 mm (平均直径 8.5 mm、t= 1.5 mm) の場合、10 MPa (100 bar) でのフープ応力は約 28 MPa-で、316 降伏強度の 205 MPa よりも大幅に低く、安全率は 7 を超えます。しかし、溶接領域では 3 つの要素によって張力が増加します。まず、溶接止端 (溶接金属と管表面の交差点) は、溶接プロファイルに応じて通常 2.5 ～ 4.0 の範囲の応力集中係数 (K t ) を持つ幾何学的ノッチを形成します。第二に、溶接熱影響部 (HAZ) 付近では、結晶粒の粗大化と冷間加工の損失により降伏強度が低下し、調整が不十分な溶接部では 205 MPa から 150 ～ 170 MPa まで低下することがわかっています。第三に、溶接冷却による残留引張応力 (通常は 100 ～ 200 MPa) が加えられる圧力応力に加わり、理論上のチューブ破断圧力を大幅に下回る圧力であっても、局所的な全応力が降伏を超える可能性があります。その結果、溶接されたエンドキャップ接合部は、直管部分に降伏を引き起こす圧力の一般に３０〜５０％の圧力で崩壊する。

溶接形状と品質レベルに基づく定量的な圧力評価

316 ケース入りヒーターには溶接されたエンドキャップがあり、安全な動作圧力は溶接の形状と溶接の溶け込みの質によって決まります。ヒーター製造における溶接は一般に 3 種類に分類されます。溶け込みが不十分な最小限の隅肉溶接（溶接脚の長さ 0.7 x チューブ肉厚）では、圧力定格が最低となり、チューブ自体が 15 ～ 20 MPa に耐えられる場合でも、通常はヒーターの圧力が 2-3 MPa (20 ～ 30 bar) に制限されます。滑らかな輪郭とアンダーカットのない完全溶け込み突合せ溶接とその後の溶接後の応力除去により、直管定格の最大 70 ～ 80% の圧力定格に達することができます。重要なパラメータは溶接継手効率係数であり、圧力容器規格 (ASME セクション VIII、ディビジョン 1 など) に溶接強度と母材強度の比として記載されています。欠陥が発見されなかった完全溶け込み溶接部の X 線撮影の一般的な接合効率は 0.85 ～ 1.00 です。 X 線検査を行わないすみ肉溶接の効率は 0.50 ～ 0.65 に低下します。これらの係数は、歩留りに基づく安全係数 3.0 を使用して、室温での従来の外径 10 mm x 壁 1.5 mm の 316 シースの最大許容作動圧力に換算されています。

溶接タイプ 溶接継手の効率検査方法 溶接後熱処理 MAWP @ 20 度 (MPa / bar) MAWP @ 200 度 (MPa / bar、強度損失のためにディレーティング) サービス アプリケーション 推奨
0.35 最小限のフィレット、部分浸透 視覚のみ なし 2.5 MPa (25 bar) 1.8 MPa (18 bar) オープンタンク、低圧循環ヒーター
標準フィレット 脚の長さ フル 0.50 視覚 + 染料浸透剤 なし 3.5 MPa (35 bar) 2.5 MPa (25 bar) 水/グリコール システム、中圧
完全溶け込み突合せ溶接、滑らかな研磨 0.70 染料浸透剤 + X 線撮影 (スポット) 応力除去 (400 度、1 時間) 5.0 MPa (50 bar) 3.5 MPa (35 bar) 高圧プロセス ヒーター、油圧システム
バッキング リング付き完全溶け込み突合せ溶接 0.85 100 % X 線撮影 全溶体化焼鈍 (1040 度 + 急冷). 6.0 MPa (60 bar). 4.2 MPa (42 bar)。オートクレーブ、過熱水、蒸気
ドーム型エンドキャップ (一体型、溶接なし) 1.00 N/A (シームレス) N/A (引抜きまたは焼き鈍しのまま) 7.5 MPa (75 bar) 5.2 MPa (52 bar) 最大圧力定格 特殊設計
MAWP およびクリープ破断に関する温度の影響に関する考慮事項

上の表の圧力定格は室温で使用する場合のものです。. 316 ステンレス鋼は、高温での降伏強度と耐クリープ性がはるかに低くなります。 100 度の場合、降伏強度は約 5-10 %、200 度の場合、約 15-20 %、300 度の場合、約 30-35 %、400 度の場合、約 45-55 % 低下します。高温で加圧使用されるヒーターの場合、MAWP は、その温度での降伏強度と常温での降伏強度の比を使用して定格を下げるものとします。さらに重要なのは、450 度を超える温度での連続運転 (ケース入りヒーターでは異例ですが、ガス加熱用途​​では考えられます) では、降伏ではなくクリープ破断が制限問題になります。 316 ステンレス鋼の 500 度での 10,000 時間クリープ破断強度は約 100 ～ 120 MPa ですが、降伏強度は約 140 MPa です。ヒーターの一般的な設計応力 (降伏点の安全率 3.0) では、500 度での許容応力は 140/3=47 MPa になりますが、500 度での 10,000 時間のクリープ破断応力は約 100 MPa であるため、クリープが支配的ではありません。ただし、550 度での 10,000 時間のクリープ破断強度は 60 ～ 70 MPa に低下し、設計応力を下回る可能性があります。エンジニアが 400 度を超える加圧サービスを指定している場合は、クリープ破断データを要求するか、さらに減速する必要があります。

溶接の完全性と圧力保持を確保する方法

圧力設計を備えたヒーターの溶接エンド キャップの検証では、圧力定格が要求どおりであることを確立するために 4 つの手順が使用されます。最初で最も確実なのは、静水圧耐性試験です。ヒーターを水または油で MAWP の 1.5 倍に加圧し、圧力低下や明らかな漏れを監視しながら 10 ～ 30 分間保持します。このテストはヒーターに損傷を与えるため (たとえわずかであっても漏れが発生すると、内部の MgO が湿気を吸収します)、通常は製品用ヒーターではなくサンプル ユニットに対して行われます。 2 番目のアプローチはヘリウム リーク テストです。ヒーターはヘリウムで加圧され、質量分析計に取り付けられた真空チャンバー内に置かれます。漏れ量が 1×10-7 mbar・L/s 未満であれば、気密シールが高圧使用に適していることを示します。 3 番目の方法では、不完全な溶け込み、気孔、亀裂がないか溶接部を X 線写真で評価します。すべてのヒーターに対する 100% X 線撮影とヘリウム リーク テストの組み合わせにより、重要な用途に最大限の信頼が得られます。 4 番目の方法は、各製造ロットからのサンプル溶接の冶金学的断面を作成し、溶け込み深さを測定し、HAZ 亀裂または溶融の欠如を確認することです。加圧システム用のヒーターを必要とする顧客には、特定の溶接技術資格 (ASME セクション IX など) への適合証明書が強制力のある品質保証を提供します。

溶接損傷フィールドインジケーターと過圧力破壊モード

MAWP を超える内部圧力にさらされた 316 ケース入りヒーターは、溶接の設計と圧力に応じて 3 つの方法のいずれかで故障します。 1 つ目は、溶接止端部での緩やかな降伏であり、溶接部のすぐ近位のシースの永久的な膨らみまたは変形によって証明されますが、漏れはありません。この状態は、ヒーターが過圧になっているものの、まだ使用されている可能性があることを示していますが、バルジ部分の冷間加工材料は応力腐食割れを起こしやすくなっています。 2 番目のモードは溶接の剥離で、溶接自体が壊れてエンド キャップがチューブから外れます。これは通常、溶接金属または HAZ を通る脆性破壊であり、事前に明らかな歪みはなく急速に発生します。 3 番目のモードは、溶接気孔欠陥からのピンホール漏れです。ヒーターが加圧されると、通常、ガスまたは液体の細い流れになります。使用中のヒーターの溶接部（水性液体の場合）または炭素質の堆積物（有機液体の場合）の周囲に錆色の汚れが見られる場合は、-軽度の漏れの履歴が考えられます。ポンプのデッドヘッドや閉じたバルブなど、既知の過圧事故の影響を受けやすいヒーターは、水圧試験によって再認定されるか、明らかな損傷がない場合は交換する必要があります。

結論: 溶接設計を圧力制御機能として指定する-

加圧システムで使用される 316 ステンレス鋼のシース加熱管の場合、管壁は最大許容動作圧力の制限要因ではありません。むしろ、それは溶接されたエンドキャップクロージャです。部分溶け込みの小さな隅肉溶接が安全に機能するのは 2～3 MPa (20～30 bar) に制限されていますが、完全溶け込み突合せ溶接は、X線検査と応力除去を経て 5～6 MPa (50～60 bar) に達します。-高温で 6 MPa (60 bar) を超える圧力が必要な用途では、シームレス キャップ設計 (チューブ自体から形成され、別個の溶接を行わずにドーム型の端部) を指定する必要がありますが、それらはより高価であり、生産可能性も限られています。ヒーターを購入する際、エンジニアは溶接の種類、検査手順、加圧サービスでの溶接後の熱処理に関する文書を要求する必要があります。-本アプローチにより、購入者は、溶接部の形状と品質レベルを、漏れから爆発的なエンドキャップの剥離、つまり壊滅的な故障モードに至るまでの範囲の定量化可能な圧力定格に関連付けることにより、溶接部での降伏を発生させることなく、必要な内部圧力に安全に対応できる 316 個のシーズ ヒーターを選択することができます。