Best Practices zur Verhinderung von Sprödbrüchen in Rohren, Flanschen und Formstücken aus Kohlenstoffstahl

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Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel ist eine Fortsetzung von „Ursachen und Lösungen für Ausfälle duktiler Spulenkomponenten“ und „ASME überprüft Testanforderungen für Rohre, Formstücke und Flansche“.

Herkömmliche Legierungen spielen in der Metallherstellung eine Standardrolle, unabhängig davon, ob es sich bei den Metallen um rostfreie Stähle für medizinische Geräte oder Meeresprodukte handelt. jede Generation von Hochleistungsstählen, die in den letzten Jahrzehnten für die Automobilindustrie entwickelt wurden; oder Metalle wie Aluminium und Titan, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen und sich daher besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Raffinerie und chemischen Verarbeitung eignen.

Dies ist bei einigen Kohlenstoffstahllegierungen der Fall, insbesondere bei solchen, die bestimmte Mengen an Kohlenstoff und Mangan enthalten. Einige davon eignen sich je nach Menge der Legierungselemente gut für die Herstellung von Flanschen, Armaturen und Rohren für chemische Verarbeitungsanlagen und Raffinerien. Allen ist eines gemeinsam: Die in diesen Anwendungen verwendeten Materialien müssen duktil genug sein, um Sprödbruch und Spannungsrisskorrosion (SCC) zu widerstehen.

Normungsorganisationen wie die American Society of Manufacturing Engineers (ASME) und ASTM Intl. (früher bekannt als American Society of Testing and Materials) bieten diesbezüglich Orientierungshilfen. Zwei relevante Industrienormen – ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVD) Abschnitt VIII, Division 1 und ASME B31.3, Prozessrohrleitungen – berücksichtigen Kohlenstoffstähle (jedes Eisenmaterial mit 0,29 % bis 0,54 % Kohlenstoff und 0,60 % bis 1,65 % Mangan). um duktil genug für den Einsatz in heißen Klimazonen, milden Zonen und Gebieten zu sein, in denen die Temperatur bis zu -20 Grad F sinkt. Allerdings haben kürzliche Ausfälle bei Umgebungstemperaturen zu einer genaueren Prüfung der Mengen und Verhältnisse der verschiedenen verwendeten mikroallylierenden Elemente geführt bei der Herstellung solcher Flansche, Armaturen und Rohre.

Bis vor Kurzem verlangten weder ASME noch ASTM Schlagprüfungen, um das duktile Verhalten vieler Kohlenstoffstahlteile zu bestätigen, die bei Temperaturen von bis zu -20 Grad F verwendet werden. Die Entscheidungen, bestimmte Produkte auszunehmen, basierten auf den historischen Eigenschaften der Materialien. Zum Beispiel Kohlenstoffstahlprodukte wie A105-Flansche, A234-WPB-Fittings und A106-Kohlenstoffstahlrohre der Klasse B mit einer Wandstärke von ½ Zoll (25 mm) oder weniger, wenn sie bei einer minimalen Designmetalltemperatur (MDMT) von verwendet werden -20 °F sind aufgrund ihrer traditionellen Rolle bei solchen Anwendungen von der Aufprallprüfung ausgenommen.

Die historische Akzeptanz und die traditionellen Anwendungen halten jedoch nicht unbedingt ewig an. Bei einigen Materialien, die unter Kurve B der 2017-Überarbeitung von ASME VIII-1, UCS-66 (siehe Abbildung 1), fallen, ist in vielen Fällen eine kürzlich dokumentierte Fehlergeschichte aufgrund von Sprödbruch bei Temperaturen über -20 °F aufgetreten bei warmen Temperaturen. Daher besteht bei ihnen bei Umgebungstemperaturen die Gefahr eines Sprödbruchs, vor allem beim Anfahren, Herunterfahren, bei hydrostatischen Tests und bei schneller Druckentlastung (Autokühlung).

Die bewusste Zugabe von Spurenelementen bei der Herstellung von Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, die 0,18 % bis 0,23 % Kohlenstoff enthalten, zielt möglicherweise darauf ab, die Wärmebehandlungstemperatur und die Verarbeitungszeit zu reduzieren. Bei der Anwendung dieser Technik in den letzten Jahrzehnten kam es zu einer unbeabsichtigten Folge: Sprödigkeitsrisse an Flanschen der Güteklasse A105, Fittings der Klasse A234-WPB und Kohlenstoffstahlrohren der Klasse A106-B. Es ist bekannt, dass dieses Phänomen bei Umgebungstemperaturen auftritt.

Dieses Problem wird akut, wenn unter bestimmten Betriebsbedingungen Materialien eingesetzt werden, die zu SCC neigen. Gemäß National Association of Corrosion Engineers (NACE) MR0103 können unsachgemäße Konstruktion, Verarbeitung (Schneiden, Biegen, Schweißen), Installation oder Handhabung dazu führen, dass widerstandsfähige Materialien anfällig für SCC werden. Spannungskonzentrationen in lokalen Kerben, wie z. B. Korrosionsgruben, machen die Schweißnähte anfällig für Spannungsrisse. Es ist auch bekannt, dass Restzugspannungen beim Schweißen ohne äußere Spannungen Risse auslösen können. Besonders gefährdet sind nicht entspannte Schweißnähte und kaltverformte Bauteile. Die Nichterfüllung der Wärmebehandlungs-, mechanischen oder chemischen Anforderungen der Spezifikationen kann nur durch metallurgische Untersuchungen überprüft werden. Unvollkommenheiten auf bearbeiteten Oberflächen geschweißter Flansche können nur durch volumetrische zerstörungsfreie Auswertung erkannt werden.

Die EU hat dieses Problem erkannt und verlangt eine Auswirkungsprüfung beim zuständigen MDMT. ASME hat dieses Problem in der Ausgabe 2019 der Spezifikation ASME BPVC VIII-I erkannt, als es diese Kohlenstoffstähle der Kurve A der in Abbildung UCS-66 gezeigten Ausnahmekurven für Schlagprüfungen zuordnete.

In der Version 2019 umfassen die Materialien der Kurve A (ausgelegt für einen MDMT von 18 Grad F) Folgendes:

ABBILDUNG 1. Dieses Diagramm, das sich an ASME UCS-66 annähert und hier nur zur Veranschaulichung dient, zeigt vier Temperaturfunktionen für Schlagprüfungen. Wenn eine Legierung als zu Kurve C gehörend aufgeführt ist, ihre Dicke 3,5 Zoll beträgt und der MDMT 60 beträgt, liegt sie über der Kurve und erfordert keinen Schlagtest. Wenn ein ähnlicher Artikel einen MDMT von 40 hat, liegt er unter der Kurve und erfordert einen Schlagtest.

Diese Stähle können durch zusätzliche Bearbeitung wie Normalisieren und Abschrecken, die in den Anmerkungen zur Abbildung UCS-66 aufgeführt sind, wieder auf Kurve B (-20 Grad F MDMT) gebracht werden.

In der Veröffentlichung von ASME BPVC VIII-I aus dem Jahr 2019, Abbildung UCS-66, umfassen die Materialien der Kurve B (ausgelegt für einen MDMT von -20 Grad F) Folgendes:

Wenn daher eine Schlagprüfung nicht möglich ist, muss der Hersteller eine Chemikalie verwenden, die restriktiver ist als die Chemikalie, die durch die in den ASTM/ASME-Spezifikationen für einzelne Materialien aufgeführten Kontrollgrenzen zulässig ist, um Sprödbruch und SCC zu verhindern (siehe Abbildung 2).

Die folgenden Hinweise liefern zusätzliche Hintergrundinformationen:

Ohne diese Vorsichtsmaßnahmen besteht bei Druckkomponenten aus Kohlenstoffstahl wahrscheinlich die Gefahr eines Sprödbruchs während des Hydrotests oder während des Betriebs, selbst wenn sie bei oder unter 60 °F betrieben werden.

Da festgestellt wurde, dass die chemische Zusammensetzung des Stahls die Hauptursache für SCC-Ausfälle ist, wird die Einbeziehung dieser Best Practices einen großen Beitrag zur Reduzierung und wahrscheinlichen Eliminierung dieser Fehlerart in Rohrleitungskreisläufen leisten, wie in ASME B31.3 beschrieben. B31.1, B31.12 und ähnliche Spezifikationen.

ABBILDUNG 2. Um Spannungsrisskorrosion in Kohlenstoffstahl zu verhindern, gehört zu den Best Practices die Verwendung dieser Kontrollgrenzen für die Chemie des Stahls.