Сварка труб-к-трубным доскам в теплообменниках: квалификация и распространенные дефекты

В этом руководстве объясняется, как раздел IX ASME квалифицирует сварку труб-с-трубной решеткой, какие строительные нормы и правила делают эту квалификацию обязательной, а также конкретные виды дефектов, которые инспекторы и производители должны контролировать, чтобы избежать дорогостоящих переделок.

Почему сварка труб-с-трубной решеткой требует отдельной аттестации от сварных швов с разделочными швами?

Соединения трубы-с-трубной решеткой требуют специальной квалификации, поскольку их геометрия, доступ и характер разрушения фундаментально отличаются от стандартного сварного шва с разделочной канавкой, а сварщик или процедура, аттестованная по купону с плоской канавкой, автоматически не доказывает, что она способна обеспечить надежное, герметичное-герметичное соединение в этой конфигурации.

Образец для испытания сварного шва с разделкой сваривается на открытых, беспрепятственных условиях с полным доступом к обеим сторонам соединения. Соединение трубы-к-трубной решетке сваривается в плотно ограниченном кольцевом пространстве между стенкой трубы и просверленным отверстием в трубной решетке, часто с соседними трубными отверстиями на расстоянии всего лишь нескольких миллиметров и с доступом только с одной стороны. Сама стенка трубы тонкая -, часто менее 3 мм -, что делает ее очень восприимчивой к прожогу-, а трубная решетка представляет собой толстый блок, который действует как большой радиатор, создавая неравномерное распределение тепла по стыку.

Эти условия создают дефекты - прожога-, отсутствие провара в корне соединения и недостаточный минимальный путь утечки -, которые просто не возникают при сварке с открытыми разделками, поэтому раздел IX ASME рассматривает сварку труб-с-трубной решеткой как отдельную квалификационную категорию, а не сводит ее в стандартные правила сварки с разделкой кромок или угловых сварных швов.

Каковы два пути квалификации в соответствии с разделом IX ASME?

Раздел IX ASME предлагает два различных способа аттестации процедур сварки труб-с-трубными решетками и сварщиков: демонстрационный макет в соответствии с QW-193 или традиционные испытания сварных швов с разделкой кромок или угловых швов в соответствии с QW-202, при этом применимые строительные нормы и правила определяют, какой маршрут является обязательным.

Сравнение квалификационных маршрутов

В соответствии с разделом IX QW-202.6 ASME и разделом VIII, раздел 1 UW-28(b)/UW-29 (издание 2021 г.); Раздел 2, параграф. 6.3.4.. Основные переменные для квалификации процедуры приведены в QW-288; Основные переменные, связанные с квалификацией сварщика и сварочного оператора, приведены в QW-387 и QW-388. Всегда проверяйте требования текущей редакции и любые изменения, специфичные для клиента, прежде чем выбирать маршрут квалификации.

Обе таблицы основных-переменных применяются в сочетании с базовыми таблицами процессов сварки-. Например, процедура GTAW от трубы-до-трубной решетки должна удовлетворять как стандартным переменным GTAW в таблице QW-256, так и переменным, специфичным для трубы---трубной решетки, в таблице QW-288.1, которые охватывают такие параметры, как наружный диаметр трубы, диапазон толщины трубной решетки, состояние трубных отверстий и конструкция соединения.

Сколько макетных сварных швов требуется и что они должны пройти?

При использовании маршрута макета QW-193 необходимо выполнить как минимум пять сварных швов, и каждый из них должен пройти визуальный осмотр, контроль проникающей жидкости и макро-проверку сечения -. Один неудачный сварной шов делает весь макет недействительным и требует полной повторной сварки, а не точечного ремонта.

Визуальный осмотр (QW-193.1.1): проводят без увеличения, проверяя на полное проваривание, прожоги, пористость и растрескивание.

Капиллярное исследование (QW-193.1.2): проводится в соответствии с разделом V, статья 6 ASME, квалифицированным персоналом для обнаружения разрывов поверхности, невидимых невооруженным глазом.

Исследование макро-разреза (QW-193.1.3): макет разрезается по диаметру, чтобы обнажить четыре поверхности, затем исследуется при 10–20-кратном увеличении, чтобы убедиться в полном сплавлении, отсутствии трещин и -, что критически важно, — что минимальный путь утечки соответствует проектным требованиям.

Сама сборка макета должна по существу дублировать конфигурацию трубных отверстий и конструкцию соединения, которые будут использоваться в производстве, в пределах основных переменных QW-288, то есть диаметр трубы, толщина трубной решетки и геометрия соединения должны быть репрезентативными для реального создаваемого теплообменника, а не просто для удобного испытательного образца.

Раздел VIII. Раздел 1 и Раздел 2: Когда QW-193 является обязательным?

Раздел VIII, раздел 2 ASME, делает макет QW-193 обязательным для аттестации процедуры сварки трубы- с трубной решеткой, тогда как раздел VIII, раздел 1, оставляет это на усмотрение производителя, и это различие является одним из наиболее важных и наиболее часто неправильно понимаемых моментов при планировании изготовления теплообменника.

В соответствии с ASME, раздел VIII, раздел 1 UW-28/UW-29 (начиная с редакции 2021 г.), раздел VIII, раздел 2, параграф. 6.3.4 и раздел I PFT-12. Технические спецификации клиента часто требуют QW-193, даже если этого не требует базовый код — всегда проверяйте заказ на поставку и проектную спецификацию сварки, прежде чем завершить квалификационный план.

Каковы наиболее распространенные дефекты сварных швов труб-и-трубных решеток?

Дефекты, которые чаще всего приводят к нарушению соединения трубы-с-трубной решеткой, — это непровар на стыке трубы-с-трубной решеткой, прожог-стенки трубы- насквозь, недостаточный минимальный путь утечки, пористость и растрескивание-затронутых-зон -, а поскольку каждое соединение труб сваривается отдельно вручную или с помощью орбитальной головки, количество дефектов имеет тенденцию к увеличению. с усталостью, неравномерной посадкой швов-и недостаточной подготовкой поверхности при большом количестве трубок.

Виды отказов и методы обнаружения соответствуют требованиям ASME Раздел IX QW-193.1 и отраслевому опыту изготовления и ремонта кожухотрубных теплообменников.

Практический опыт в области извлечения серы, очистки и технологического охлаждения показывает, что повторяющиеся утечки из труб-в-трубную решетку часто возникают из-за непровара и непроваривания, возникших во время первоначального изготовления - дефектов, которые трудно обнаружить только с помощью производственного неразрушающего контроля и которые имеют тенденцию проявляться только после повторных термоциклических циклов, вызывающих распространение трещин от нерасплавленного корня.

Как проверяется минимальный путь утечки (MLP) и почему это важно?

Минимальный путь утечки — это кратчайшее расстояние в любом направлении от корня трубы-к-сварному шву трубной решетки до ближайшей свободной поверхности. Это значение имеет значение, поскольку от этого размера зависит, сможет ли прочное-сварное соединение действительно выдерживать давление и предотвращать перекрестное-загрязнение - MLP меньшего размера может пройти поверхностную визуальную проверку, но при этом не соответствовать проектным основам соединения.

MLP проверяется путем разрезания квалификационного макета по его диаметру, обнажения сечения сварного шва- и измерения пути сварки при 10–20-кратном увеличении по сравнению с минимумом, рассчитанным на основе проектирования.

Максимальное зачисленное значение MLP ограничено толщиной стенки трубы, независимо от того, сколько дополнительного металла сварного шва наплавляется сверх этого размера.

Продольные царапины на внешней поверхности трубы или отверстии трубной решетки рассматриваются как повышенный риск во время оценки макета, поскольку царапина, идущая параллельно стыку, может создать путь утечки, который полностью обходит зону сварного шва.

Поскольку MLP можно подтвердить только разрушительным способом - путем разрезания репрезентативного макета -, он проверяется во время квалификации процедуры, а не на каждом производственном стыке. Именно поэтому так важен дисциплинированный, повторяемый контроль процесса во время производственной сварки: как только сварная шва сертифицирована с использованием подтвержденного MLP, производственные сварные швы должны выполняться в пределах одного и того же диапазона существенных-переменных, чтобы оставаться действительными.

Какие методы проверки позволяют обнаружить дефекты труб-в-трубной решетки перед запуском?

Многоуровневая последовательность проверок - визуальный осмотр, капиллярное тестирование и испытание на утечку гелием - выявляет подавляющее большинство дефектов труб-в-трубных решеток до того, как пучок теплообменника будет закрыт и введен в эксплуатацию, при этом испытание на утечку гелием обеспечивает самую высокую чувствительность к утечкам через-стену из всех методов, обычно применяемых для соединений этого типа.

Визуальный осмотр проводится для каждого производственного сварного шва в качестве первого-скрининга на предмет прожога-, неполного провара и поверхностной пористости.

Капиллярное тестирование, выполняемое в соответствии со статьей 6 раздела V ASME, обнаруживает трещины и пористость,-разрушающиеся на поверхности, невидимые невооруженным глазом, и обычно применяется как к корневому, так и к окончательному проходу.

При испытании на утечку гелием в теплообменник подают гелий под давлением 5–10 фунтов на квадратный дюйм и используется масс-спектрометр для определения скорости утечки, намного меньшей, чем может определить гидростатическое испытание, поскольку атом гелия достаточно мал, чтобы проходить через разрывы, которые не пропускают воду. Это испытание обычно проводится после сварки всех концов трубы-, но перед расширением трубы, так что оценивается только сварной шов -, а не механическое расширение -.

Ни один метод не выявляет все виды дефектов: визуальный контроль и дефектоскопия эффективны для поверхностных-связанных несплошностей, но подповерхностное отсутствие сварки или недостаточный размер MLP можно подтвердить только путем разрушающего макро-разреза во время квалификации. Вот почему квалификационные испытания и производственный неразрушающий контроль являются взаимодополняющими, а не дублирующими - квалификация доказывает, что процедура способна обеспечить надежное соединение, а производственный неразрушающий контроль подтверждает, что возможность выполнялась последовательно для всего количества труб.

Почему строгость квалификации имеет большее значение для соединений труб-с-трубными решетками, чем для сварных швов обычных трубопроводов?

Строгость аттестации труб-и-трубных решеток имеет большее значение, чем для сварных швов обычных трубопроводов, поскольку один систематический дефект, обнаруженный после изготовления, может потребовать замены-всего пакета труб, а поскольку каждый теплообменник может содержать от сотен до тысяч отдельных соединений, сваренных по одной и той же процедуре, - это означает, что некачественный сварной шов или -неподготовленный сварщик не производит один плохой сварной шов, он производит много.

Дефект кольцевого сварного шва трубопровода обычно представляет собой изолированный ремонт. Дефект трубы-в-трубной решетки, вызванный ошибочной процедурой или неквалифицированным методом, напротив, носит системный характер: если конструкция соединения, тепловложение или этап подготовки поверхности, вызвавший один отказ, применялись последовательно по всему пучку, каждое соединение, сваренное в этих условиях, является подозрительным.

Инвестиции в должным образом квалифицированных специалистов по сварке, должным образом обученных и проверенных сварщиков, а также дисциплинированную последовательность производственного контроля — это путь-с меньшими затратами с большим отрывом по сравнению с обнаружением - после запуска или, что еще хуже, после нескольких лет термоциклирования в эксплуатации -, что необходимо заменить большую часть пучка труб.

Часто задаваемые вопросы

Q: Требует ли ASME, раздел VIII, раздел 1, аттестацию макета QW-193 для сварных швов трубы-трубной решетки?

A: Нет. Подразделение 1 оставляет QW-193 в качестве опции производителя; испытание сварного шва с разделкой в ​​соответствии с QW-202.2 и QW-202.4 является приемлемой альтернативой, если техническая спецификация клиента не требует маршрута макета.

Q: Сколько труб необходимо сварить и испытать, чтобы аттестовать процедуру соединения-труб с-трубной решеткой с помощью макета?

A: Необходимо выполнить как минимум пять макетных сварных швов, и все пять должны пройти визуальный, капиллярный контроль и макро-контроль сечения в соответствии с QW-193.2. Любой единичный сбой делает весь макет недействительным и требует полной повторной сварки.

Q: Что такое минимальный путь утечки и почему он ограничен толщиной стенки трубы?

A: Минимальный путь утечки — это кратчайшее расстояние плавления от корня сварного шва до ближайшей свободной поверхности. Он ограничен толщиной стенки трубы, поскольку это физический предел герметичного-герметичного сечения- соединения, независимо от того, сколько дополнительного сварочного металла наплавлено.

Q: Может ли сварщик пройти квалификацию по сварке сварных швов трубы-с-трубной решеткой в ​​соответствии с WPS, сертифицированным по макету QW-193?

A: Да, если применимые строительные нормы и правила сами по себе не требуют QW-193 для квалификации эксплуатационных характеристик. Квалификация процедуры и квалификация производительности рассматриваются как взаимоисключающие требования в соответствии с разделом IX ASME.

Q: Почему испытание на утечку гелием предпочтительнее гидростатического испытания сварных швов труб-и-трубных решеток?

A: Небольшой атомный размер гелия позволяет ему проходить сквозь разрывы, которые не обнаруживаются при гидростатическом (водяном) испытании, что обеспечивает значительно более высокую чувствительность испытания на утечку гелия для выявления краевых или частично расплавленных соединений трубы-с-трубной решеткой перед запуском.