Tratamentul termic post-sudură este una dintre cele mai solicitante aplicații pentru un cuptor cu vatră bogie - și una în care costul unei erori se măsoară în recipiente sub presiune defecte, schimbătoare de căldură respinse și fabricații grele casate în valoare de sute de mii de dolari.
MONTE INTELLIGENCE a furnizat cuptoare cu vatră tip bogie pentru aplicații PWHT (prelucrarea temperaturii sub presiune) către producători din China, Asia de Sud-Est și Orientul Mijlociu. Aceste cuptoare prelucrează suduri variind de la învelișuri de recipiente sub presiune de 5 tone până la coloane de reactor de 80 de tone. Acest articol acoperă cerințele de proiectare a cuptoarelor, disciplina procedurală și documentația de conformitate cu codul care diferențiază un cuptor PWHT de succes de o răspundere.
Tehnologia PWHT este impusă de codurile de construcție — ASME Secțiunea VIII pentru recipiente sub presiune, ASME B31.3 pentru conducte de proces, AWS D1.1 pentru sudarea structurală — atunci când grosimea metalului de bază depășește limitele specificate, când mediul de funcționare implică hidrogen sau coroziune sub stres sau când specificațiile de proiectare o impun, indiferent de cerințele codului. Scopul PWHT este de a reduce tensiunile reziduale din sudură, de a tempera microstructura zonei afectate termic și, în unele cazuri, de a reduce riscul de fisurare indusă de hidrogen.
Ciclul termic pentru PWHT are trei faze pe care cuptorul trebuie să le execute cu precizie. Prima, faza de încălzire - cuptorul trebuie să ridice temperatura piesei de prelucrat de la temperatura ambiantă la temperatura de impregnare la o rată controlată. Secțiunea VIII a ASME specifică o rată maximă de încălzire de 222°C pe oră împărțită la grosimea în inci, până la un maxim de 222°C pe oră, peste 315°C. Pentru o sudură cu grosimea de 50 mm (2 inci), aceasta înseamnă o rată maximă de încălzire de 111°C pe oră peste 315°C.
În al doilea rând, faza de impregnare — piesa de prelucrat trebuie menținută la temperatura de impregnare specificată pentru o perioadă minimă de timp. Secțiunea VIII a standardului ASME specifică un timp minim de impregnare de o oră la 25 mm (1 inch) grosime, cu un minim de 30 de minute. Temperatura de impregnare depinde de materialul de bază. Pentru oțelurile carbon P-nr. 1, temperatura minimă de impregnare este de 593°C (1100°F). Pentru oțelurile Cr-Mo P-nr. 4, aceasta variază între 675-730°C, în funcție de conținutul de crom.
În al treilea rând, faza de răcire — piesa de prelucrat trebuie răcită de la temperatura de impregnare sub 315°C la o viteză controlată. Viteza maximă de răcire este de 278°C pe oră împărțită la grosimea în inci, până la maximum 278°C pe oră, peste 315°C. Sub 315°C, piesa de prelucrat poate fi răcită în aer liber.
Aceste cerințe privind rata de încălzire și răcire fac ca proiectarea cuptorului PWHT să fie dificilă. Pentru coloana reactorului de 80 de tone menționată mai sus, cu o grosime a sudurii de 100 mm, rata maximă de încălzire peste 315°C este de doar 56°C pe oră. Ciclul PWHT total - încălzire de la temperatura ambiantă la 620°C, impregnare timp de 4 ore, răcire la 315°C - durează 28-32 de ore. Cuptorul trebuie să mențină uniformitatea temperaturii pe întreaga lungime și secțiune transversală a piesei de prelucrat pe tot parcursul ciclului.
Uniformitatea temperaturii este parametrul de performanță al cuptorului care determină calitatea PWHT. Secțiunea VIII ASME prevede că diferența de temperatură dintre oricare două puncte de pe piesa de prelucrat în timpul perioadei de impregnare nu trebuie să depășească 65°C (150°F) pentru majoritatea materialelor. Pentru o coloană de reactor lungă de 12 metri într-un cuptor cu vatră boghiu, atingerea acestei uniformități necesită amplasarea atentă a arzătorului, proiectarea ventilatorului de recirculare și împărțirea zonei de control.
De obicei, împărțim cuptoarele mari cu vatră tip boghiu PWHT în 4 până la 8 zone de temperatură controlate independent, fiecare cu propriul arzător sau element de încălzire, propria intrare pentru termocuplu și propriul regulator PID. Regulatoarele de zonă comunică cu un regulator central de supraveghere care coordonează creșterea rampei valorii de referință pentru a menține ratele specificate de încălzire și răcire, menținând în același timp diferențele de temperatură interzonă în limitele permise.
Plasarea și atașarea termocuplului reprezintă veriga de măsurare în lanțul de control. Codul impune ca termocuplurile să fie atașate la piesa de prelucrat, nu să plutească în atmosfera cuptorului. Pentru secțiunile groase, termocuplurile ar trebui atașate la locul sudurii, deoarece acolo temperatura este cea mai critică. Metodele de atașare includ sudarea prin descărcare capacitivă (preferată pentru termocupluri permanente), cleme de furtun (pentru termocupluri temporare pe piese mai mici) și legături de sârmă (pentru geometrii incomode).
Numărul de termocupluri necesare depinde de dimensiunea piesei de prelucrat și de cerințele codului. Secțiunea VIII a standardului ASME impune minimum un termocuplu pentru primii 3 metri de lungime a piesei de prelucrat și un termocuplu suplimentar pentru fiecare 3 metri suplimentari, cu un minim de trei în total. Un recipient de 10 metri necesită patru termocupluri. Fiecare termocuplu trebuie conectat la un înregistrator calibrat care imprimă sau înregistrează temperatura pe tot parcursul ciclului.
Calibrarea este fundamentul documentar al asigurării calității PWHT. Fiecare termocuplu utilizat pentru PWHT trebuie calibrat în raport cu un standard trasabil în ultimele 12 luni. Înregistratorul de temperatură trebuie calibrat în ultimele 6 luni. Cuptorul în sine trebuie să fie supus anual unei inspecții de uniformitate a temperaturii (TUS), conform AMS 2750 sau unui standard echivalent, pentru a verifica dacă cuptorul atinge uniformitatea necesară în condiții de încărcare.
Configurația încărcăturii afectează uniformitatea temperaturii la fel de mult ca și designul cuptorului. O piesă de prelucrat plasată aproape de peretele cuptorului poate avea o temperatură diferită față de una plasată în centru. O piesă de prelucrat care blochează recircularea fluxului de aer poate crea un punct rece în aval. Specificația PWHT ar trebui să includă o diagramă de încărcare care să abordeze aceste probleme, iar boghiul ar trebui să aibă locații marcate pentru suporturile pieselor de prelucrat pentru a asigura o încărcare consistentă de la un ciclu la altul.
Cuptoarele PWHT cu vatră tip bogie MONTE INTELLIGENCE sunt proiectate având în vedere aceste cerințe de cod. Designul nostru standard include controlul temperaturii în mai multe zone, ventilatoare de recirculare cu volum mare (de obicei 3-6 recirculări pe minut), intrări calibrate pentru termocuple și sisteme de înregistrare a datelor care generează automat documentația necesară a codului.
Pentru o propunere de cuptor PWHT specifică cerințelor dumneavoastră de fabricație, contactați helenxu@cnlymonte.com.
