Gatunki rur kotłowych — ASTM A192, A210, A213 i SA-106: dane techniczne, ograniczenia temperaturowe i przewodnik doboru

Wybór niewłaściwego gatunku rur kotłowych nie jest niedogodnością związaną z zaopatrzeniem — jest to błąd inżynieryjny, który może się wydarzyć. Rury ze stali węglowej stosowane powyżej granicy pełzania ulegną degradacji mikrostrukturalnej w ciągu wielu lat użytkowania. Rury ze stali stopowej bez odpowiedniej PWHT mogą pękać w strefie HAZ spoiny w ciągu kilku miesięcy. Zastąpienie jednego gatunku gatunkiem „podobnym” bez sprawdzenia tabel dopuszczalnych naprężeń w sekcji II ASME BPVC może unieważnić certyfikat zbiornika ciśnieniowego.

ZC Steel Pipe produkuje bezszwowe rury kotłowe i rury wymienników ciepła zgodnie z normami ASTM A192, A210, A213 i ASME SA-106, ze stali węglowej i stopów chromowo-molibdenowych. Zaopatrujemy producentów kotłów, wykonawców elektrowni i konstruktorów zakładów petrochemicznych w Afryce, na Bliskim Wschodzie i w Ameryce Południowej. W tym przewodniku opisano, czym jest każda klasa, co może, a czego nie może zrobić, a także jak wybrać pomiędzy nimi w zależności od aplikacji.

1. Przegląd norm dotyczących rur kotłowych

Wszystkie cztery standardy są jednolite — rury kotłowe do wymiany ciepła praktycznie nigdy nie są spawane, ponieważ szew spawalniczy reprezentuje koncentrację naprężeń i potencjalne miejsce inicjacji korozji w cyklicznym środowisku termicznym. Normy różnią się zawartością stopu, poziomem wytrzymałości i maksymalną temperaturą, w której gatunek zachowuje odpowiednią wytrzymałość na pełzanie, aby był bezpieczny w pracy pod stałym ciśnieniem.

Linią podziału w doborze rur kotłowych jest zazwyczaj temperatura. Gatunki stali węglowej (A192, A210, SA-106) nadają się do pracy w temperaturach do około 450°C. Powyżej tej wartości szybkość pełzania stali węglowej staje się niedopuszczalnie wysoka i należy stosować gatunki niskostopowe (A213 T11, T22). Powyżej około 580°C w nowoczesnych konstrukcjach kotłów na parametry nadkrytyczne i ultranadkrytyczne wymagane są zaawansowane gatunki 9Cr (A213 T91).

2. Rury kotłowe ze stali węglowej — A192 i A210

2.1 ASTM A192 — Stal węglowa o minimalnej ściance

ASTM A192 to najprostszy i najbardziej ekonomiczny gatunek rur kotłowych. Jest to bezszwowa rura ze stali węglowej o minimalnej ściance, o maksymalnej zawartości węgla 0,18% i minimalnej wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej zaledwie 325 MPa (47 ksi). Niska zawartość węgla poprawia spawalność i zmniejsza ryzyko wytrącania się węglików na granicach ziaren podczas cykli termicznych.

A192 jest stosowany do bębnów kotłów z rurami wodnymi, bębnów płuczkowych i rur ściennych o niższej temperaturze w kotłach użyteczności publicznej i przemysłowych pracujących w temperaturze poniżej około 425°C. Sufit o niskiej wytrzymałości oznacza, że ​​nie nadaje się on do obsługi przegrzewaczy lub przegrzewaczy wtórnych w nowoczesnych kotłach wysokociśnieniowych.

2.2 ASTM A210 — Rura kotła ze stali średniowęglowej

ASTM A210 zapewnia większą wytrzymałość niż A192 dzięki nieco wyższej zawartości węgla i manganu. Produkowany jest w dwóch gatunkach:

• Klasa A-1 : ​​Minimalna wytrzymałość na rozciąganie 415 MPa (60 ksi), minimalna plastyczność 255 MPa (37 ksi). Bardziej powszechny gatunek do zastosowań w ścianach wodnych, ekonomizerach i dolnych przegrzewaczach.

• Klasa C : Minimalna wytrzymałość na rozciąganie 485 MPa (70 ksi), minimalna plastyczność 275 MPa (40 ksi). Większa wytrzymałość dla bardziej wymagających zastosowań w kotłach ze stali węglowej. Rzadziej określany niż A-1.

3. Rury kotłowe ze stali stopowej — ASTM A213

ASTM A213 obejmuje szeroką gamę bezszwowych rur ze stali stopowej ferrytycznej (chromowo-molibdenowej) i austenitycznej (nierdzewnej) do obsługi kotłów, przegrzewaczy i wymienników ciepła. Gatunki ferrytyczne są oznaczone przedrostkiem T (T11, T22, T91), a gatunki austenityczne TP (TP304, TP316, TP321 itp.).

Układ stopów chromowo-molibdenowych (CrMo) jest podstawą wysokotemperaturowej metalurgii rur kotłowych. Dodatek chromu poprawia odporność na utlenianie i wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Dodatek molibdenu poprawia wytrzymałość na pełzanie. Zwiększanie obu — z T11 (1¼Cr-½Mo) przez T22 (2¼Cr-1Mo) do T91 (zmodyfikowane 9Cr-1Mo-V) — stopniowo zwiększa pułap temperaturowy i poprawia długoterminową trwałość pełzania.

4. A213 T11 — 1¼Cr-½Mo

T11 to podstawowy gatunek stopu do stosowania z rurami kotłowymi powyżej limitu temperatur stali węglowej. Zapewnia dobrą odporność na utlenianie do około 570°C i lepszą wytrzymałość na pełzanie w porównaniu ze stalą węglową w zakresie 450–570°C. T11 jest powszechnie stosowany w rurach wylotowych przegrzewacza, sekcjach wlotowych przegrzewacza wtórnego i obwodach rur niskotemperaturowych przegrzewacza w kotłach na parametry podkrytyczne i nadkrytyczne.

T11 można ogólnie spawać bez wstępnego podgrzewania w przypadku cienkich ścian, ale wymaga PWHT powyżej pewnych progów grubości według ASME BPVC. Zawartość 1¼Cr sprawia, że ​​jest on podatny na kruchość odpuszczania, jeśli jest chłodzony zbyt wolno w zakresie 370–565°C podczas PWHT — należy kontrolować szybkość chłodzenia pieca.

5. A213 T22 — 2¼Cr-1Mo

T22 (2¼Cr-1Mo) od dziesięcioleci jest podstawowym stopem stosowanym w wysokotemperaturowych przegrzewaczach i przegrzewaczach kotłów. Wyższa zawartość chromu i molibdenu w porównaniu z T11 zapewnia lepszą odporność na pełzanie w zakresie 540–580°C i lepszą odporność na utlenianie w przypadku narażenia na działanie pary i ognia. T22 stosuje się w rurach wylotowych wysokotemperaturowego przegrzewacza, kolektorach wylotowych przegrzewacza wtórnego i dowolnym obwodzie rur kotła pracującym w górnym zakresie temperatur podkrytycznych.

6. A213 T91 — 9Cr-1Mo-V (zmodyfikowany)

T91 to martenzytyczny stop 9Cr-1Mo modyfikowany wanadem, niobem i azotem w celu radykalnej poprawy jego wytrzymałości na pełzanie w porównaniu z niezmodyfikowanym gatunkiem 9Cr-1Mo (T9). Jego minimalna wytrzymałość na rozciąganie wynosząca 585 MPa i minimalna plastyczność 415 MPa — obie znacznie wyższe niż w przypadku T11 i T22 — pozwalają uzyskać cieńsze ścianki rur przy tym samym ciśnieniu znamionowym, zmniejszając naprężenia cykliczne i poprawiając wydajność wymiany ciepła.

T91 to standardowy materiał do zaawansowanych konstrukcji kotłów na parametry nadkrytyczne (SC) i ultranadkrytyczne (USC), w których temperatura pary przekracza 580°C. Stosuje się go w rurach wylotowych wysokotemperaturowych przegrzewaczy, rurociągach gorącego ponownego przegrzania i wysokociśnieniowych kolektorach pary w nowoczesnych kotłach elektrowni.

7. SA-106 klasa B — bezszwowa stal węglowa do obsługi kotłów

ASME SA-106 (odpowiednik ASTM A106) to specyfikacja rur bez szwu ze stali węglowej do pracy w wysokich temperaturach. Nie jest to specyfikacja rur — obejmuje rury, a nie rury — i jest stosowana głównie w przypadku kolektorów parowych, rurociągów łączących kotły, przewodów wody zasilającej i sieci dystrybucji pary, a nie rur powierzchniowych przenoszących ciepło. Te trzy stopnie to:

• Klasa A : Minimalna wytrzymałość na rozciąganie 330 MPa (48 ksi). Rzadko spotykane — standardowym wyborem jest klasa B.

• Klasa B : Minimalna wytrzymałość na rozciąganie 415 MPa (60 ksi), minimalna plastyczność 240 MPa (35 ksi). Dominujący gatunek do rurociągów kotłów i zbiorników ciśnieniowych.

• Klasa C : Minimalna wytrzymałość na rozciąganie 485 MPa (70 ksi). Stosowany tam, gdzie potrzebne jest wyższe ciśnienie w temperaturze otoczenia do umiarkowanej.

SA-106 klasa B jest ograniczona do około 425–450°C w przypadku długotrwałej pracy pod wysokimi naprężeniami ze względu na ograniczenia pełzania stali węglowej. Powyżej tej temperatury należy zastosować równoważny gatunek stopu (rura SA-335 P11 lub P22).

8. Pełna tabela porównawcza klas

9. Poradnik wyboru strefy kotła

Kocioł energetyczny ma wiele stref wymiany ciepła, każda o różnej temperaturze metalu rury, a co za tym idzie, o różnych wymaganiach dotyczących gatunku. Poniższa tabela podaje typowe przydziały gatunków dla kotłów na parametry podkrytyczne i nadkrytyczne:

10. Wymagania dotyczące PWHT dla gatunków stopów

11. Często zadawane pytania