Kỹ thuật làm sạch ngược để tính toán tốc độ dòng khí hàn ống thép không gỉ

Rễ mối hàn chưa được làm sạch trên ống thép không gỉ hoặc hợp kim niken là một trong những nguyên nhân - phổ biến nhất và đắt nhất - dẫn đến việc bị từ chối tại hiện trường. Khi bên trong mối nối tiếp xúc với không khí trong quá trình hàn, oxy và nitơ sẽ phản ứng với kim loại nóng, giàu crom- và loại bỏ lớp oxit mỏng giúp hợp kim có khả năng chống ăn mòn.

Kết quả là tạo ra một lớp thô ráp, đổi màu, thường bong tróc được gọi là "đường" và mối nối không đạt tiêu chuẩn kiểm tra hydrotest, PMI hoặc ăn mòn. Việc làm sạch ngược ngăn chặn điều này bằng cách làm ngập khí trơ bên trong đường ống trước và trong khi hàn, nhưng việc làm đúng hay không phụ thuộc vào việc chọn phương pháp chính xác cũng như tính toán tốc độ dòng chảy và thời gian làm sạch để thực sự làm sạch đường ống không khí mà không tạo ra nhiễu loạn. Hướng dẫn này so sánh các kỹ thuật thanh lọc mặt sau chính được sử dụng trong chế tạo ống thép không gỉ và hợp kim niken, đồng thời hướng dẫn toán học trao đổi thể tích-được sử dụng để xác định kích thước chính xác tốc độ dòng thanh lọc.

Làm sạch ngược là gì và tại sao nó lại quan trọng đối với mối hàn ống thép không gỉ?

Hàn hồ quang vonfram khí (GTAW) và các quy trình tương tự che chắn phần trên của vũng hàn bằng khí mỏ hàn, nhưng mặt dưới của mối nối gốc hở sẽ tiếp xúc với bất kỳ bầu không khí nào bên trong đường ống. Các loại thép không gỉ Austenitic (304/316), loại song công và siêu song công cũng như các hợp kim niken như Inconel 625 và Hastelloy C276 đều dựa vào một màng oxit crom mỏng, tự-hồi phục để chống ăn mòn. Ở nhiệt độ hàn, lớp màng đó bị phá hủy và nếu có oxy và nitơ bên trong ống, một lớp oxit mới, khiếm khuyết sẽ hình thành trên rễ - có thể nhìn thấy dưới dạng màu rơm, màu xanh lam hoặc màu xám đen- và trong trường hợp nghiêm trọng là bề mặt "có đường" giòn, có vảy.

Rễ có đường làm giảm khả năng chống ăn mòn tại chính xác vị trí tiếp xúc nhiều nhất với chất lỏng xử lý và chúng tạo ra các ứng suất tăng có thể gây ra vết nứt trong quá trình hoạt động tuần hoàn hoặc ăn mòn. Đây là lý do tại sao việc tẩy ngược là bước bắt buộc - không phải là bước sàng lọc tùy chọn - cho bất kỳ mối hàn ống hợp kim niken hoặc không gỉ{3}} nào được quản lý theo mã và tại sao các thông số kỹ thuật chế tạo và tiêu chí kiểm tra như biểu đồ tham chiếu đổi màu AWS D18.2, ASME BPE cho các hệ thống có độ tinh khiết cao- và NACE MR0175/ISO 15156 cho dịch vụ chua đều tham chiếu các mức oxy hóa gốc có thể chấp nhận được.

Bạn nên sử dụng phương pháp thanh lọc ngược nào - Đập (cắm) hoặc dòng chảy liên tục-thông qua thanh lọc?

Việc làm sạch đập cách ly một thể tích nhỏ xung quanh mối nối bằng cách sử dụng các đập có thể tháo rời được đặt bên trong đường ống ở cả hai phía của mối hàn, do đó chỉ cần làm sạch phần giới hạn đó -, điều này giúp rút ngắn thời gian làm sạch và giảm mức tiêu thụ khí đáng kể so với việc làm sạch toàn bộ ống cuộn. Ngược lại, dòng chảy-thông qua quá trình thanh lọc xử lý toàn bộ đường ống hoặc cụm lắp ráp được chế tạo như một thể tích thanh lọc, nạp khí vào ở một đầu và xả không khí bị dịch chuyển ra ngoài; nó không cần đập nhưng mất nhiều thời gian hơn và sử dụng nhiều khí hơn khi chiều dài đường ống hoặc độ phức tạp tăng lên. Biến thể thứ ba, thanh lọc buồng hoặc lều, bao quanh khu vực khớp (hoặc toàn bộ khớp nối, khuỷu tay hoặc chữ T) trong một vỏ bọc linh hoạt và thường được sử dụng ở những nơi không thể định vị được đập, chẳng hạn như các kết nối nhánh phức tạp.

Sự lựa chọn thường phụ thuộc vào hình học và khả năng lặp lại: việc chế tạo ống cuộn tại xưởng với nhiều mối nối ngắn giúp tăng tốc độ cho đập, trong khi-các dây buộc đường ống xuyên quốc gia-và ống quỹ đạo-với-các mối hàn ống thường sử dụng dòng chảy-thông qua việc làm sạch vì không có cách thực tế nào để chèn đập.

Làm thế nào để bạn tính toán tốc độ dòng khí thanh lọc cho một đường kính ống nhất định?

Điểm bắt đầu là khối lượng bên trong của phần bị xóa:

V=π × (ID / 2)² × L

trong đó ID là đường kính trong của đường ống và L là chiều dài của vùng thanh lọc (khoảng cách giữa các đập hoặc toàn bộ chiều dài ống cuộn cho dòng chảy-qua quá trình thanh lọc). Khi đã biết thể tích, tốc độ dòng yêu cầu sẽ tính trực tiếp từ thời gian thanh lọc mục tiêu và số lượng thay đổi thể tích cần thiết để đạt được mức oxy an toàn:

Q = (V × N) / t

Q là tốc độ luồng, V là khối lượng-vùng thanh lọc, N là số lượng trao đổi khối lượng đầy đủ (thường là 4–10, được thảo luận trong phần tiếp theo) và t là thời gian thanh lọc mục tiêu. Ví dụ hoạt động: ống lịch trình 40 6 inch có đường kính trong khoảng 154 mm. Trên đoạn đập dài 3 mét, thể tích thanh lọc là V=π × (0,077 m)² × 3 m ≈ 0,056 m³, hay khoảng 56 lít. Để đạt được 6 lần trao đổi thể tích đầy đủ trong vòng 8 phút, tốc độ dòng yêu cầu là Q=(56 L × 6) / 8 phút ≈ 42 L/phút.

Trong thực tế, hầu hết các quy trình đều sử dụng luồng hai-giai đoạn: tốc độ dòng ban đầu cao hơn để quét phần lớn không khí một cách nhanh chóng, tiếp theo là luồng "giữ lại" thấp hơn nhiều - thường chỉ 5–15 L/phút đối với-ống khoan nhỏ - được duy trì trong quá trình hàn để giữ áp suất dương nhẹ mà không làm ảnh hưởng đến bầu không khí đã{6}}được thanh lọc. Tốc độ dòng chảy không bao giờ được đẩy lên cao đến mức vận tốc khí trở nên hỗn loạn; nhiễu loạn tái{8}} cuốn theo không khí mà quá trình thanh lọc đang cố gắng loại bỏ và cũng có thể làm nổ tung các con đập, vì vậy các quy trình thường nhắm đến vận tốc thấp, ổn định thay vì lấp đầy nhanh nhất có thể.

Cần bao nhiêu lần trao đổi thể tích ống để đạt được mức oxy an toàn?

Việc thay thế không khí khỏi đường ống không phải là trao đổi-cho-một lần - khí thanh lọc đi vào trộn với không khí còn lại ở gần phía trước dòng chảy, do đó, mỗi lần trao đổi thể tích bổ sung sẽ loại bỏ dần dần phần oxy còn lại nhỏ hơn. Đây là lý do tại sao nồng độ oxy giảm nhanh trong vài lần trao đổi đầu tiên và sau đó giảm chậm hơn nhiều, và tại sao việc tính toán thời gian thanh lọc đơn giản từ thể tích và tốc độ dòng chảy không thể thay thế cho việc xác nhận mức oxy thực tế bằng máy phân tích oxy đã hiệu chuẩn tại lỗ thông hơi hoặc chân mối hàn trước khi đánh hồ quang.

Những số liệu này mang tính đại diện, không được đảm bảo - chân chết, van, cổng mẫu và vòng đệm kém đều làm giảm-hiệu suất thanh lọc thực tế trên thế giới so với mô hình pha loãng lý thuyết. Đó chính xác là lý do tại sao việc giám sát oxy, không chỉ số lượng trao đổi, là cơ sở để đưa ra các quyết định-để{3}}hàn về vấn đề ăn mòn-quan trọng.

Bạn nên nhắm mục tiêu hàm lượng oxy nào trước khi tấn công vòng cung, bởi Gia đình hợp kim?

Biểu đồ tham chiếu sự đổi màu AWS D18.2 tương quan với màu sắc của oxit bên-rễ nhìn thấy được với nồng độ oxy gần đúng và được sử dụng rộng rãi như một biện pháp kiểm tra thực tế tại hiện trường: rễ rơm sáng, màu bạc hoặc nhạt thường tương ứng với mối nối đã được làm sạch-tốt, trong khi màu xanh lam, tím, xám hoặc đen báo hiệu mức oxy đủ cao để đã làm suy giảm bề mặt.

Các loại thép song công và siêu song công cần giới hạn oxy chặt chẽ hơn một chút so với thép không gỉ austenit tiêu chuẩn không chỉ để tránh sự đổi màu mà còn vì lượng oxy dư thừa ở gốc có thể làm xáo trộn sự cân bằng ferit-austenit và khả năng giữ nitơ giúp thép song công có độ bền và khả năng chống ăn mòn. Hợp kim niken, với hàm lượng crom và molypden cao hơn, có độ nhạy tương tự và các hệ thống-có độ tinh khiết cao được chế tạo theo ASME BPE bổ sung thêm yêu cầu về độ hoàn thiện gương-trên giới hạn oxy.

Argon so với Nitơ so với Argon-Hydro

Argon hoàn toàn trơ, đậm đặc hơn không khí (giúp nó lắng và giữ trong các phần ống nằm ngang) và tương thích với mọi loại hợp kim không gỉ và niken, đó là lý do tại sao nó là khí thanh lọc mặc định được chỉ định trong hầu hết các thông số kỹ thuật của quy trình hàn. Ni-tơ có chi phí thấp hơn và được cung cấp rộng rãi, đồng thời nó lọc sạch thép không gỉ austenit tiêu chuẩn một cách hiệu quả, nhưng nó không trơ ​​đối với các loại-siêu song công và siêu song công được kiểm soát bằng nitơ, trong đó việc hấp thụ nitơ không được kiểm soát ở gốc có thể làm thay đổi sự cân bằng pha dự kiến; nó cũng không phù hợp với một số hợp kim niken vì nitơ có thể thúc đẩy sự hình thành nitrit không mong muốn.

Hỗn hợp argon{0}}hydro, thường là 2–5% hydro, tạo ra gốc không chứa oxit-sáng hơn trên thép không gỉ austenit và có thể rút ngắn thời gian thanh lọc một chút, nhưng hydro gây ra nguy cơ giòn thực sự đối với hợp kim niken song công, siêu song công và kết tủa-cứng hoặc-cao nhất định, vì vậy việc sử dụng nó phải được xác nhận dựa trên WPS cụ thể và thông số kỹ thuật vật liệu trước khi lựa chọn.

Nên đặt các đập thanh lọc như thế nào và bạn nên sử dụng vật liệu gì?

Việc đặt đập là một sự cân bằng-trực tiếp: di chuyển các đập đến gần mối nối hơn làm giảm lượng thanh lọc và do đó thời gian thanh lọc nhưng để lại ít không gian hơn cho cửa vào và lỗ thông hơi nhằm thiết lập dòng chảy trơn tru, không{1}}hỗn loạn qua chân mối hàn. Điểm bắt đầu thực tế là cách mối nối ở mỗi bên 100–150 mm đối với đường ống có đường kính nhỏ và trung bình{5}}, được điều chỉnh hướng lên đối với đường kính lớn hơn khi dòng chảy cần khoảng cách xa hơn để ổn định.

Đập giấy-hòa tan trong nước thường được sử dụng trong chế tạo ống chỉ tại xưởng vì chúng hòa tan và rửa sạch sau khi hàn, không để lại bước loại bỏ; đập cao su bơm hơi có thể tái sử dụng và rất phù hợp với các dây buộc-tại hiện trường nơi cùng một thiết bị làm sạch nhiều mối nối; và đối với ống nối chữ T, bộ giảm tốc và các dạng hình học không đều khác, các khối xốp định hình hoặc băng thanh lọc nhiệt độ-cao được sử dụng để bịt kín xung quanh biên dạng bên trong của khớp nối. Trong mọi trường hợp, lỗ thông hơi phải có kích thước phù hợp để giảm áp suất mà không cho phép dòng chảy ra ngoài quá nhiều đến mức đập bị lỏng - sự cố đập giữa-mối hàn là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất khiến quá trình thanh lọc mất đi bầu khí quyển giữa chừng mối nối.

Những lỗi tẩy lưng phổ biến nhất gây ra khuyết tật đường hoặc mối hàn là gì?

Hàn trước khi xác nhận mức oxy mục tiêu - dựa vào thời gian thanh lọc cố định thay vì chỉ số oxy thực tế.

Tốc độ dòng chảy được đặt quá cao, tạo ra dòng chảy hỗn loạn -trộn lại không khí trở lại vùng thanh lọc thay vì đẩy nó ra phía trước mặt khí.

Đập bị rò rỉ hoặc đặt không đúng cách, đặc biệt là tại các mặt bích, van hoặc các mối nối nhánh nơi hình dáng bên trong không đều.

Không có lỗ thông hơi hoặc lỗ thông hơi quá nhỏ, gây tích tụ áp suất, có thể làm nổ đập hoặc làm biến dạng đường ống có thành mỏng.

Chuyển đổi loại khí thanh lọc mà không kiểm tra khả năng tương thích của hợp kim, đặc biệt là sử dụng hỗn hợp nitơ hoặc argon{0}}hydro trên các khớp nối song công hoặc hợp kim niken.

Không duy trì được dòng "giữ lại" ổn định ở mức độ thấp trong khi hàn, khiến không khí bên ngoài khuếch tán trở lại vùng thanh lọc qua một mối hàn dài nhiều đường.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Thời gian thanh lọc tối thiểu để hàn ống thép không gỉ là bao lâu?

Đáp: Không có thời gian tối thiểu phổ biến - thời gian thanh lọc phụ thuộc vào thể tích-vùng thanh lọc, tốc độ dòng chảy và mức oxy mục tiêu và phải được tính bằng Q=(V × N) / t rồi xác nhận bằng máy phân tích oxy thay vì áp dụng như một quy tắc kinh nghiệm cố định.

Hỏi: Có thể sử dụng nitơ thay cho argon để làm sạch ngược không?

Đáp: Nitơ có thể được chấp nhận đối với thép không gỉ austenit dòng 300- tiêu chuẩn nhưng nên tránh sử dụng trên các hợp kim song công, siêu song công và niken nhạy cảm với nitơ, trong đó việc thu nạp nitơ không được kiểm soát có thể ảnh hưởng đến cân bằng pha hoặc luyện kim.

Hỏi: Mức oxy nào được chấp nhận trước khi hàn ống thép không gỉ?

Đáp: Hầu hết các thông số kỹ thuật chế tạo đều nhắm mục tiêu 50–100 trang/phút đối với thép không gỉ austenit tiêu chuẩn, siết chặt đến 25–50 trang/phút đối với hợp kim hai mặt và niken và dưới 10 trang/phút đối với hệ thống có độ tinh khiết-cao; đặc điểm kỹ thuật dự án hiện hành và WPS chi phối con số chính xác.

Hỏi: Tại sao chân mối hàn chuyển sang màu xanh hoặc đen ngay cả khi đang tiến hành thanh lọc?

Đáp: Sự đổi màu cho thấy quá trình thanh lọc không đạt đến mức oxy đủ thấp trước hoặc trong khi hàn. - nguyên nhân phổ biến là do không đủ thời gian thanh lọc, đập bị rò rỉ, tốc độ dòng chảy được đặt quá cao hoặc bắt đầu hồ quang trước khi khí quyển ổn định.

Hỏi: Tốc độ dòng chảy ngược có cần thay đổi trong quá trình hàn không?

Đáp: Có - hầu hết các quy trình đều sử dụng tốc độ dòng ban đầu cao hơn để quét không khí nhanh chóng, sau đó giảm xuống lưu lượng giữ lại thấp hơn nhiều trong quá trình hàn để duy trì áp suất dương nhẹ mà không tạo ra nhiễu loạn.

Câu hỏi: Việc xóa ngược có được yêu cầu theo mã hay là phương pháp được khuyến nghị?

Đáp: Các yêu cầu được đặt theo mã quản lý, thông số kỹ thuật hoặc WPS chứ không phải là yêu cầu chung - mà nhiều ứng dụng về ranh giới đường ống và áp suất-cho ống hợp kim không gỉ và hợp kim niken yêu cầu và tiêu chí chấp nhận thường được tham chiếu dựa trên biểu đồ đổi màu AWS D18.2 hoặc giới hạn oxy cụ thể-của dự án.