Làm thế nào để chọn vật liệu phù hợp cho bình áp lực: Hướng dẫn lựa chọn

Làm cách nào để chọn vật liệu phù hợp cho bình chịu áp lực: Hướng dẫn lựa chọn

Làm thế nào để chọn vật liệu phù hợp cho bình chịu áp lực?Bạn chọn vật liệu từ các điều kiện sử dụng, theo thứ tự sau: môi trường là gì và mức độ ăn mòn như thế nào, nhiệt độ thiết kế, mức clorua và độ pH, liệu nhiệm vụ có phải là mài mòn hay không cũng như mã áp dụng và mục tiêu chi phí. Bản đồ điển hình là thép cacbon dùng cho dịch vụ khô, sạch, không bị ăn mòn; Thép không gỉ 304 hoặc 316L cần có khả năng chống ăn mòn hoặc vệ sinh, ưu tiên 316L bất cứ khi nào có clorua; thép không gỉ song công cho cường độ cao và dịch vụ clorua lên tới khoảng 300°C; và các hợp kim lạ như Hastelloy hoặc titan để tạo ra axit mạnh. Đối với các nhiệm vụ vệ sinh hoặc có tính ăn mòn cao, bình được làm bằng thủy tinh với thép hoặc lót cao su thường tiết kiệm chi phí nhất vì lớp lót trơ không bị ảnh hưởng bởi hóa học trong khi thép chịu áp lực. Vật liệu được chọn dựa trên điều kiện đáng tin cậy nhất, không phải mức trung bình và dung sai ăn mòn 1,5-3 mm được thêm vào độ dày tính toán để bình vẫn đáp ứng quy định khi hết tuổi thọ.

1. Điều kiện dịch vụ quyết định vật liệu

Năm điều kiện, được kiểm tra theo thứ tự, thu hẹp lựa chọn một cách nhanh chóng:

• Trung bình và ăn mòn:Đây là bộ lọc đầu tiên và chiếm ưu thế. Các loại khí hoặc hydrocacbon sạch, khô, không ăn mòn ở nhiệt độ vừa phải được cung cấp bằng thép cacbon, lựa chọn có chi phí thấp nhất, có bổ sung thêm phụ cấp ăn mòn cho tốc độ ăn mòn chung dự kiến. Bất cứ thứ gì có nước, axit, kiềm hoặc chứa halogenua đều đẩy về phía thép không gỉ, và sự ăn mòn chứ không phải áp suất sẽ tạo nên vật liệu. Mức cho phép ăn mòn 1,5-3 mm là tiêu chuẩn đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp để bình giữ được độ dày mã khi hết tuổi thọ; Thép không gỉ thường được sử dụng mà không có bộ phận này vì sự ăn mòn của chúng là không đáng kể nếu sử dụng đúng dịch vụ, nhưng chỉ khi dịch vụ đó thực sự phù hợp với chúng. Quy tắc là chỉ định đối với phương tiện đáng tin cậy nhất, bởi vì một chiếc tàu được chế tạo cho chất hóa học trung bình sẽ bị hỏng cục bộ nơi dòng chất lỏng tồi tệ nhất đến.
• Nhiệt độ và giới hạn của nó:Nhiệt độ đặt ra cả ứng suất cho phép, giảm khi nhiệt độ tăng, và trần vật liệu. Thép carbon phục vụ ở nhiệt độ khoảng 450°C; trên đó, cần có thép hợp kim thấp hoặc loại không gỉ. Thép không gỉ 304 và 316L duy trì độ bền hữu ích ở khoảng 800°C nhưng bị mẫn cảm và đóng cặn; thép không gỉ song công được giới hạn ở khoảng 300°C vì cấu trúc vi mô hai pha của nó có thể giòn ở nhiệt độ cao hơn mức đó; Hastelloy và titan mở rộng cơ hội cho dịch vụ hấp dẫn, tích cực. Nhiệm vụ đông lạnh đảo ngược logic: thép carbon trở nên giòn dưới khoảng -20°C và được thay thế bằng các loại nhiệt độ thấp hoặc thép không gỉ austenit có độ bền cao. Do đó, nhiệt độ thiết kế xuất hiện ở hai nơi, bảng ứng suất và trần vật liệu, và phần dưới của hai chi phối.
• Clorua, pH và vết nứt do ăn mòn do ứng suất:Clorua là kẻ thù lớn của thép không gỉ, gây ra hiện tượng nứt và rỗ do ăn mòn ứng suất clorua trên ngưỡng phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ, khoảng vài trăm ppm ở nhiệt độ đối với 304 và hơn thế nữa đối với 316L. Trong trường hợp không thể tránh khỏi clorua và ấm, 316L dễ bị tổn thương và không gỉ song công hoặc siêu austenit có khả năng chống rỗ tương đương trên 34-40 được chỉ định, hoặc bình được lót. Các tàu được lót bằng cao su hoặc bằng thủy tinh hợp nhất với thép hoàn toàn tránh được vấn đề bằng cách đặt một rào cản trơ giữa thép và môi trường. Độ pH cũng quan trọng: dịch vụ có tính axit mạnh hoặc ăn da tấn công cả thép và một số hợp kim, đồng thời áp dụng giới hạn NACE MR0175 khi có thể xảy ra hiện tượng nứt do ứng suất sunfua trong dịch vụ chua. Việc đánh giá clorua và độ pH là điều giúp ngăn chặn sự hư hỏng điển hình của bình không gỉ vốn hoàn hảo trên giấy nhưng bị nứt trong môi trường nước lợ ấm.
• Mài mòn, xói mòn và vệ sinh:Nếu môi trường mang chất rắn, cát, chất xúc tác hoặc bùn, sự mài mòn và xói mòn tấn công đáy, cánh quạt và sự phóng điện, do đó, đường dẫn ướt cần có bề mặt cứng hoặc lót, lớp lót bằng cao su hoặc gốm hoặc lớp thủy tinh hợp nhất với thép và các bộ phận hao mòn có thể thay thế rẻ tiền. Vệ sinh là hình ảnh phản chiếu: dịch vụ thực phẩm, dược phẩm và nước uống đòi hỏi bề mặt nhẵn, không bong tróc, có thể chứng nhận được, 316L với độ đánh bóng điện dưới 0,8 micromet Ra, hoặc thép nung chảy bằng thủy tinh để có độ trơ, cùng với chứng nhận NSF/ANSI 61 hoặc WRAS. Bình có chất lượng tốt về mặt hóa học nhưng bị mài mòn hoặc không thể làm sạch sẽ vẫn không hoạt động được, vì vậy hai điều kiện này phải được kiểm tra trước khi hoàn thiện hợp kim.

2. Các tùy chọn vật liệu và thời điểm sử dụng từng loại

Danh sách rút gọn rất ngắn; sự lựa chọn tuân theo các điều kiện trên:

• Thép cacbon và hợp kim thấp:Giá trị mặc định cho dịch vụ không ăn mòn, nhiệt độ cao hơn hoặc áp suất cao hơn trong đó chi phí chiếm ưu thế, chẳng hạn như bình chứa khí, thùng hơi và dịch vụ hơi hydrocarbon không có clorua. Nó mạnh, rẻ, dễ hiểu và giàu mã, với ứng suất cho phép hỗ trợ các bình chịu áp lực cao có thành dày. Điểm yếu của nó là bị ăn mòn, do đó lượng dự trữ ăn mòn được bổ sung và bình chứa được giữ khô hoặc được phủ; nó không phù hợp với nhiệm vụ chứa nước, axit hoặc vệ sinh. Trong trường hợp có thể xảy ra vết nứt do dịch vụ chua, các loại hạt mịn cụ thể, hàm lượng lưu huỳnh thấp và xử lý nhiệt sau hàn theo NACE sẽ được quy định. Thép carbon sẽ thắng bất cứ khi nào môi trường cho phép, đơn giản vì không có lựa chọn thay thế nào rẻ hơn với cùng một áp suất.
• Thép không gỉ 304, 316L và song công:304 là loại không gỉ đầu vào, được sử dụng cho dịch vụ ăn mòn nhẹ hoặc vệ sinh với hàm lượng clorua thấp; 316L, với molypden, là đặc tính chống ăn mòn và dịch vụ thực phẩm, dược phẩm và hàng hải, được ưa chuộng hơn 304 ở bất cứ nơi nào có clorua. Khả năng chống rỗ của nó tương đương khoảng 25-35 xử lý hầu hết các tác dụng của nước ở nhiệt độ vừa phải, nhưng nó không áp dụng được cho clorua đậm đặc nóng. Duplex 2205 và super duplex có độ bền gần gấp đôi và khả năng chống rỗ tương đương trên 34, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các dịch vụ giàu clorua, áp suất cao hoặc nhạy cảm với trọng lượng như khử muối và ngoài khơi, trong phạm vi nhiệt độ trần khoảng 300°C. Các loại này là sự lựa chọn thực tế ở giữa, cân bằng chi phí, khả năng chống ăn mòn và độ bền.
• Exotics, Linings và Glass-Fused-to-Steel:Để đạt được mục đích cao nhất, Hastelloy C276 chống lại axit oxy hóa ở nhiệt độ khoảng 650°C, titan chống lại clorua nóng và nước biển trên 300°C, và những vật liệu ngoại lai này được sử dụng ở những nơi không có gì rẻ hơn còn tồn tại, thường là lớp phủ hoặc lớp lót rắn trên các bộ phận quan trọng vì chất rắn ngoại nhập đắt tiền. Thông thường, câu trả lời tiết kiệm chi phí cho nhiệm vụ ăn mòn hoặc vệ sinh là một bình có lớp lót: lớp lót cao su để mài mòn và nhiều axit, hoặc thủy tinh nung chảy với thép, trong đó lớp thủy tinh trơ 0,8-1,2 micromet được nung chảy với thép ở nhiệt độ 820-930°C, mang lại độ trơ hóa học, bề mặt hợp vệ sinh được chứng nhận và tuổi thọ cao với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với chi phí hợp kim ngoại lai. Thủy tinh hợp nhất với thép là sự lựa chọn thực tế bất cứ khi nào môi trường bị ăn mòn hoặc phải giữ nguyên chất nhưng áp suất ở mức khiêm tốn, vì thép xử lý áp suất và thủy tinh xử lý hóa học.

Ma trận lựa chọn vật liệu bình chịu áp lực

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Khi nào tôi nên chọn thép không gỉ thay vì thép carbon cho bình chịu áp lực?

Trả lời: Chọn không gỉ, thường là 316L, bất cứ khi nào môi trường có nước, axit, kiềm, clorua hoặc dịch vụ là thực phẩm, dược phẩm hoặc nước uống và cần bề mặt hợp vệ sinh được chứng nhận. Thép cacbon là lựa chọn phù hợp chỉ dành cho các ứng dụng khô, sạch, không ăn mòn, chẳng hạn như bình chứa không khí và hơi hydrocacbon khô, trong đó phụ cấp ăn mòn xử lý sự ăn mòn chung ở mức độ nhỏ với chi phí thấp. Thử nghiệm quyết định là tính ăn mòn và vệ sinh: nếu bình bị gỉ hoặc không thể làm sạch theo thông số kỹ thuật bằng thép cacbon thì cần phải có thép không gỉ và 316L được ưu tiên hơn 304 ở những nơi tồn tại clorua, vì 304 dễ bị nứt do ăn mòn do ứng suất clorua ở nồng độ thấp đáng ngạc nhiên.

Hỏi: Vết nứt do ăn mòn ứng suất clorua là gì và làm cách nào để tránh nó?

Trả lời: Đó là một vết nứt đột ngột, thường nghiêm trọng hình thành trên thép không gỉ dưới tác động tổng hợp của ứng suất kéo, bao gồm ứng suất hàn dư và các ion clorua, điển hình là trong môi trường nước ấm, chứa clorua. Có thể tránh điều này bằng cách không sử dụng thép không gỉ austenit tiêu chuẩn nơi clorua ấm và đậm đặc; thay vào đó, hãy chỉ định thép không gỉ song công hoặc siêu austenit có điện trở rỗ tương đương trên 34-40, giảm mức clorua, giảm ứng suất dư bằng cách xử lý nhiệt sau hàn hoặc đáng tin cậy nhất là lót bình bằng cao su hoặc thủy tinh hợp nhất với thép để thép không bao giờ gặp clorua. Thất bại kinh điển là bình 316L vẫn ổn trên giấy nhưng bị nứt khi sử dụng nước lợ ấm, đó là lý do tại sao việc xem xét clorua là bắt buộc trước khi chọn thép không gỉ.

Câu hỏi: Thép hợp nhất bằng thủy tinh có phù hợp với bình chịu áp lực không?

A: Vâng, đối với dịch vụ nó phù hợp. Thủy tinh nung chảy với thép được chế tạo bằng cách nung chảy một lớp thủy tinh trơ, thô khoảng 0,8-1,2 micromet, với thép ở nhiệt độ 820-930°C, do đó thép chịu áp lực và thủy tinh xử lý hóa học. Nó rất tuyệt vời cho các nhiệm vụ ăn mòn, vệ sinh hoặc mài mòn ở áp suất khiêm tốn, phổ biến trong nước và nước thải, lưu trữ thực phẩm và hóa chất, đồng thời nó tiết kiệm chi phí vì tránh được các hợp kim lạ trong khi mang lại bề mặt NSF/ANSI 61 hoặc WRAS được chứng nhận. Nó không được sử dụng cho các tàu xử lý áp suất cao hoặc nhiệt độ cao, nơi cần có thép rèn hoặc thép hàn có thành dày, nhưng đối với nhiều nhiệm vụ mà kẻ thù ăn mòn hoặc ô nhiễm hơn là chịu áp lực, nó thường là lựa chọn có thiết kế tốt nhất và chi phí vòng đời thấp nhất.

Hỏi: Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn vật liệu bình chịu áp lực?

Trả lời: Nhiệt độ ảnh hưởng đến hai điều: ứng suất thiết kế cho phép, giảm khi nhiệt độ tăng nên tường phải dày hơn hoặc cần có lớp mạnh hơn, và trần vật liệu. Thép carbon phục vụ ở nhiệt độ khoảng 450°C; trên đó, yêu cầu các loại hợp kim thấp hoặc không gỉ. 304 và 316L duy trì độ bền ở khoảng 800°C nhưng bị co giãn và nhạy cảm, song công bị giới hạn ở khoảng 300°C vì cấu trúc hai pha của nó dễ giòn, và Hastelloy hoặc titan mở rộng cửa sổ để sử dụng ở nhiệt độ cao. Nhiệm vụ đông lạnh đảo ngược mối lo ngại: thép carbon trở nên giòn dưới khoảng -20°C và được thay thế bằng thép không gỉ austenit hoặc nhiệt độ thấp vẫn bền. Do đó, nhiệt độ thiết kế xuất hiện trong cả bảng ứng suất và giới hạn vật liệu, và nhiệt độ thấp hơn sẽ quyết định sự lựa chọn.