Зварювання труб-до-трубних решет в теплообмінниках: кваліфікація та поширені дефекти

У цьому посібнику пояснюється, як ASME, розділ IX, кваліфікує зварювання труб-до-трубної решетки, які будівельні норми роблять цю кваліфікацію обов’язковою, а також конкретні типи дефектів, які повинні контролювати інспектори та виробники, щоб уникнути дорогої переробки.

Чому зварювання труб-до-трубних решетків потребує окремої кваліфікації від зварювання канавок?

З’єднання труб-до-трубної решетки вимагають спеціальної кваліфікації, оскільки їх геометрія, доступ і режим руйнування суттєво відрізняються від стандартного зварного шва з пазами, і зварювальник або процедура, кваліфіковані за зразком плоского канавки, не підтверджують автоматично здатність створювати міцне, герметичне-з’єднання в цій конфігурації.

Випробувальний зразок для зварювання пазів зварюють у відкритих, безперешкодних умовах з повним доступом до обох сторін з’єднання. З’єднання труб-до-трубної решетки зварюється в щільно обмеженому кільцевому просторі між стінкою труби та просвердленим отвором трубної решетки, часто з сусідніми трубними отворами на відстані лише міліметрів і з доступом лише з одного боку. Сама стінка труби тонка - часто менше 3 мм -, що робить її дуже чутливою до прогорання-наскрізь, тоді як трубна решетка є товстим блоком, який діє як великий тепловідвід, створюючи нерівномірний розподіл тепла по з’єднанню.

Ці умови створюють режими дефектів - прогорання-наскрізь, відсутність проплавлення в корені з’єднання та недостатній мінімальний шлях витоку -, які просто не виникають під час зварювання з відкритою канавкою, тому розділ IX ASME розглядає зварювання труб-до-трубних решетків як власну кваліфікаційну категорію, а не згортає його в стандартний паз або кутовий шов. правил.

Що таке два шляхи кваліфікації відповідно до розділу IX ASME?

Розділ IX ASME пропонує два різні шляхи кваліфікації процедур зварювання труб-до-трубних решет і зварників: демонстраційний макет відповідно до QW-193 або звичайне випробування пазів або кутового зварювання відповідно до QW-202, причому відповідний конструкційний код визначає, який маршрут є обов’язковим.

Порівняння кваліфікаційного маршруту

Відповідно до ASME, розділ IX QW-202.6 і розділ VIII, розділ 1 UW-28(b)/UW-29 (видання 2021 р.); Розділ 2 параграф. 6.3.4. Основні змінні для кваліфікації процедури наведені в QW-288; Основні змінні продуктивності та кваліфікації зварника та оператора зварювання наведені в QW-387 та QW-388. Завжди перевіряйте вимоги поточної версії та будь-які специфічні для клієнта перевизначення перед вибором кваліфікаційного шляху.

Обидві важливі-таблиці змінних застосовуються в поєднанні з основними таблицями-процесу зварювання. Наприклад, процедура GTAW від труб-до-трубної решетки має задовольняти як стандартні змінні GTAW у таблиці QW-256, так і специфічні змінні труби-до-трубної решетки в таблиці QW-288.1, які охоплюють такі елементи, як зовнішній діаметр труби, діапазон товщини трубної решетки, стан трубного отвору та дизайн з’єднання.

Скільки потрібно макетних зварних швів і що вони повинні пройти?

Якщо використовується маршрут макета QW-193, необхідно створити щонайменше п’ять зварних швів, і кожен з них має пройти візуальний огляд, випробування проникаючим розчином рідини та макро-дослідження секції - один невдалий зварний шов робить весь макет недійсним і вимагає повного повторного зварювання, а не точкового ремонту.

Візуальний огляд (QW-193.1.1): проводиться без збільшення, перевірка на повне злиття, прогорання, пористість і розтріскування.

Перевірка рідинним проникаючим методом (QW-193.1.2): виконується відповідно до ASME, розділ V, стаття 6, кваліфікованим персоналом для виявлення розривів поверхні, невидимих ​​неозброєним оком.

Перевірка макро-розрізу (QW-193.1.3): макет розрізають по його діаметру, щоб відкрити чотири поверхні, а потім перевіряють із збільшенням від 10 до 20 разів, щоб перевірити повне злиття, відсутність тріщин і - критично — що мінімальний шлях витоку відповідає вимогам проекту.

Сама макетна збірка має, по суті, дублювати конфігурацію трубного отвору та конструкцію з’єднання, які використовуватимуться у виробництві, в межах основних змінних QW-288, тобто діаметр труби, товщина трубної решетки та геометрія з’єднання мають відповідати фактичному теплообміннику, що будується, а не будь-якій зручній пробній частині.

Розділ VIII Дивізіон 1 проти Дивізіону 2: Коли QW-193 є обов’язковим?

ASME Розділ VIII Розділ 2 робить макет QW-193 обов’язковим для кваліфікації процедури зварювання труб-до трубної дошки, тоді як Розділ VIII Розділ 1 залишає це як вибір виробника, і ця відмінність є одним із найважливіших і найчастіше неправильно зрозумілих моментів у плануванні виготовлення теплообмінника.

Відповідно до ASME, розділ VIII, розділ 1 UW-28/UW-29 (видання 2021 року й далі), розділ VIII, розділ 2, параграф. 6.3.4 і розділ I PFT-12. Технічні специфікації клієнтів часто нав’язують стандарт QW-193, навіть якщо базовий код цього не вимагає – завжди перевіряйте замовлення на закупівлю та специфікацію проекту зварювання, перш ніж завершувати кваліфікаційний план.

Які найпоширеніші дефекти зварювання труб-до-трубної решетки?

Дефекти, які найчастіше порушують з’єднання труб-до-трубної решетки, — це відсутність зварювання на межі труб-до-трубної решетки, прогорання-стінки труби-наскрізь, недостатній мінімальний шлях витоку, пористість і-термічне-вплив-зони розтріскування - та тому, що кожен трубне з’єднання зварюється окремо вручну або за допомогою орбітальної головки, кількість дефектів, як правило, зростає із втомою, непослідовним підгонкою-з’єднання та недостатньою підготовкою поверхні для великої кількості труб.

Види несправностей і методи виявлення відповідають вимогам ASME, розділ IX QW-193.1, а також досвіду виробництва й ремонту кожухотрубних-теплообмінників.

Польовий досвід у сферах відновлення сірки, рафінування та охолодження процесів показує, що повторювані витоки з труб-на-трубну решетку часто спричиняються недостатнім проникненням і неплавленням, які виникли під час початкового виготовлення - дефекти, які важко виявити лише за допомогою NDE на виробництві та які, як правило, виявляються лише після повторного термічного циклу, спричиняючи тріщини, що поширюються від нерозплавленого кореня.

Як перевіряється мінімальний шлях витоку (MLP) і чому це важливо?

Мінімальний шлях витоку – це найкоротша відстань у будь-якому напрямку від кореня труби-до-зварного шва трубної решетки до найближчої вільної поверхні, і це має значення, оскільки це розмір, який визначає, чи міцне-зварне з’єднання може справді стримувати тиск і запобігати-перехресному-забрудненню - малорозмірний MLP може пройти поверхневу візуальну перевірку, але не відповідати вимогам з’єднання основа конструкції.

MLP перевіряється шляхом розрізання кваліфікаційного макета по його діаметру, оголення поперечного-перерізу зварного шва та вимірювання шляху плавлення при 10-20-кратному збільшенні порівняно з розрахованим мінімумом на основі проекту.

Максимальне зараховане значення MLP обмежується товщиною стінки труби, незалежно від того, скільки додаткового наплавленого металу наплавлено за цей розмір.

Поздовжні подряпини на зовнішній поверхні труби або отворі трубної решетки розглядаються як підвищений ризик під час оцінки макета, оскільки подряпина, що проходить паралельно з’єднанню, може створити шлях витоку, який повністю оминає зону зварювання.

Оскільки MLP можна підтвердити лише деструктивно - шляхом розрізання типового макета -, це перевіряється під час кваліфікації процедури, а не на кожному виробничому з’єднанні. Саме тому так важливий дисциплінований, повторюваний контроль процесу під час виробничого зварювання: після того, як WPS сертифіковано за допомогою продемонстрованого MLP, виробничі зварювання повинні виконуватися в межах того самого важливого-змінного конверта, щоб залишатися дійсним.

Які методи перевірки виявляють дефекти труб-–-трубної шайби перед запуском?

Послідовність пошарового огляду - візуальний огляд, випробування на проникнення рідини та випробування на витік гелієм - виявляє переважну більшість дефектів труб--до -трубних решеток до того, як пучок теплообмінника буде закрито та введено в експлуатацію, при цьому випробування на герметичність гелієм забезпечує найвищу чутливість щодо витоків через-стінку з усіх методів, які зазвичай застосовуються до цього типу з’єднань.

Візуальний огляд виконується для кожного виробничого зварного шва як скринінг-першого проходу на прогорання-, неповне проплавлення та пористість поверхні.

Випробування рідинним проникаючим засобом, яке виконується згідно зі статтею 6 розділу V ASME, виявляє поверхневі-тріщини та пористість, невидимі неозброєним оком, і зазвичай застосовується як до кореня, так і до кінцевого проходу.

Тестування на герметичність гелію створює тиск в обміннику за допомогою 5–10 psi гелію та використовує мас-спектрометр для виявлення інтенсивності витоку, набагато меншої, ніж може визначити гідростатичний тест, оскільки атом гелію достатньо малий, щоб пройти через розриви, які не пропускають воду. Цей тест зазвичай виконується після зварювання-кінців труби, але перед розширенням труби, так що оцінюється лише зварний шов -, а не механічне розширення -.

Жоден метод не вловлює кожну форму дефекту: візуальний і рідинний проникаючі випробування ефективні для поверхневих-з’єднаних розривів, але підповерхневу відсутність зварювання або занижену MLP можна підтвердити лише руйнівним макро-розрізом під час кваліфікації. Ось чому кваліфікаційне тестування та виробничий нерозривний випробовування є доповненням, а не надлишковим - кваліфікація доводить, що процедура здатна створювати міцне з’єднання, а виробничий нерозривний випробовування підтверджує, що можливість виконувалася послідовно на всій кількості труб.

Чому суворість кваліфікації має більше значення для з’єднань труб-до-трубної решетки, ніж для звичайних зварних швів труб?

Суворість кваліфікації труб-до-трубної решетування має більше значення, ніж для звичайних зварних швів трубопроводів, оскільки один систематичний дефект, виявлений після виготовлення, може вимагати повторної-повної трубки, а також тому, що кожен теплообмінник може містити від сотень до тисяч окремих з’єднань, зварених за тією самою процедурою -, що означає незначну WPS або недостатньо-навчений зварювальник не виробляє жодного поганого зварювання, він виробляє багато.

Дефект зварного шва обхвату трубопроводу зазвичай є ізольованим ремонтом. Режим дефектів труб-до-трубних решетків, викликаний неправильною процедурою або некваліфікованою технікою, навпаки, є системним: якщо конструкція з’єднання, підведення тепла або етап підготовки поверхні, який спричинив один збій, застосовувалися послідовно в усьому пучку, кожне з’єднання, зварене за таких умов, є підозрілим.

Інвестиції в належно кваліфіковану WPS, відповідно навчених і перевірених зварювальників і дисципліновану послідовність інспекції виробництва є нижчими-шляхом витрат із значним відривом порівняно з тим, щоб виявити - після запуску або, що ще гірше, після кількох років термічного циклу в експлуатації -, що велику частину трубного пучка потрібно замінити.

Часті запитання

Q: Чи вимагає ASME, розділ VIII, розділ 1, кваліфікацію макета QW-193 для зварювання труб-до трубної дошки?

A: No. Division 1 залишає QW-193 як опцію виробника; випробування на зварювання канавок відповідно до QW-202.2 і QW-202.4 є прийнятною альтернативою, якщо технічна специфікація клієнта не вимагає макетного маршруту.

Q: Скільки труб потрібно зварити та перевірити, щоб кваліфікувати процедуру труб-до-трубної решетки за допомогою макета?

A: Необхідно виготовити щонайменше п’ять макетів зварних швів, і всі п’ять мають пройти візуальний огляд, перевірку рідинним проникненням і макро-розрізи за QW-193.2. Будь-яка окрема помилка робить весь макет недійсним, вимагаючи повного повторного зварювання.

Q: Що таке мінімальний шлях витоку і чому він обмежений товщиною стінки труби?

A: Мінімальний шлях витоку – це найкоротша відстань під час зварювання від кореня шва до найближчої вільної поверхні. Він обмежується товщиною стінки труби, оскільки це фізична межа герметичного-перерізу-з’єднання, незалежно від того, скільки додаткового наплавленого металу зварювання.

Q: Чи може зварювальник, який має кваліфікацію зі зварювання канавок, з’єднань труб-до-трубної решетки за WPS, атестований макетом QW-193?

A: Так, коли застосовний будівельний кодекс сам по собі не вимагає QW-193 для кваліфікації продуктивності. Атестація процедури та кваліфікація ефективності розглядаються як взаємовиключні вимоги відповідно до розділу IX ASME.

Q: Чому для зварювання труб-до-трубної решетки гелієве випробування на герметичність має перевагу перед гідростатичним випробуванням?

A: Невеликий атомний розмір гелію дозволяє йому проходити через розриви, які не виявить гідростатичний (водяний) тест, що забезпечує значно вищу чутливість тесту на витік гелію для виявлення крайових або частково зрощених з’єднань труб--трубної решетки перед запуском.