Fragen und Antworten zum Entwurf von Druckbehältern (2)

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Frage 1: Wie wählt man das Schweißmaterial für die Verbindung von Metallen unterschiedlicher Art aus? Antwort: Schweißen von Austenitstahl mit Ferritstählen (einschließlich Niederkohlenstoffstählen, niedriglegierten Hochleistungsstählen, Porphyrhit-Hitzebeständigkeitsstählen und Ferritstählen). (1) Bei der Schweißung von Ferritstahl sollte möglichst ein Schweißmaterial desselben Gitters und der gleichen Zusammensetzung verwendet werden. Doch wenn man austenitische Schweißmaterialien einsetzt, um den Wärmebehandlungsprozess zur Entstörung nach dem Schweißen zu vermeiden oder die Schweißtechnik zu verbessern, müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden: 1) Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Austenitstählen unterscheidet sich stark vomjenigen von Ferritstählen. In Situationen mit hohen Temperaturen oder häufigen Temperaturänderungen müssen die dadurch entstehenden thermischen Spannungen berücksichtigt werden ； 2) Während des Schweißvorgangs führt der Kohlenstoffaustausch an der Verbindungslinie zwischen dem Austenit-Schweißmetall und dem Ferritstahl-Muttermaterial zu einer Entkarbungsschicht (auf der Seite des Ferritstahl-Muttermaterials) sowie zu einer Vergütensschicht (auf der Seite des Austenit-Schweißmetalls). Dies wiederum führt zu einem Rückgang der Hochtemperaturfestigkeit und Elastizität. (2) Bei der Schweißung von Ferritstahl mit austenitischen Schweißmaterialien kann die Vorwärmetemperatur im Vergleich zur Schweißung von Ferritstahl mit Schweißmaterialien ähnlicher Legierungszusammensetzung um etwa 100 °C gesenkt werden. Eine Nachbehandlung nach dem Schweißen ist in der Regel nicht notwendig. (3) Bei der Verbindung von Austenitstahl mit Ferritstahl sollte in der Regel der Schweißdraht A302 verwendet werden. Wenn die Betriebstemperatur jedoch über 450–550 °C liegt und die verschweißten Stellen hohen Belastungen ausgesetzt sind, sollten hochnickelhaltige Austenitschweißdrähte wie A502, A507 oder A607 verwendet werden. Bei Betriebstemperaturen über 550 °C sowie bei hohen Belastungen auf die verschweißten Stellen sollten nickelbasierte Schweizmaterialien verwendet werden. Für den Schweißen mit Stab-Elektrodenschweißung können ENiCrFe-3 und ENiCrFe-2 verwendet werden, die den Anforderungen von AWS A5.11 entsprechen. Frage 2: Welche Anforderungen gibt es bei der Planung von Umgebungen mit Wasserstoffkorrosion? Antwort: (1) Korrosives Umfeld: Ein chemischer Druckbehälter gilt als in einem korrosiven Umfeld mit Wasserstoff, wenn seine Konstruktionstemperatur 200 °C oder höher ist und er mit einer Wasserstoffatmosphäre in Berührung kommt. In Umgebungen mit Wasserstoffkorrosion müssen auch weitere Faktoren berücksichtigt werden, sofern gleichzeitig hohe Temperaturen, Schwefelkorrosion, Hochtemperaturkreuzung, ein multiplikativer Effekt zwischen Kreuzung und Wasserstoffkorrosion sowie Zähmbruch vorliegen. Dabei geht es um den Einfluss dieser Faktoren auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls bei hohen Temperaturen. (2) Anforderungen an die Materialien sowie Einschränkungen: 1) Der Einsatz von Stahl in Umgebungen mit Wasserstoffkorrosion muss den Vorgaben der Normen entsprechen. Zudem ist nach dem Schweißen eine Entspannungsbehandlung erforderlich ； 2) Die Einsatztemperaturgrenzen für Ferritstähle in Umgebungen mit Wasserstoffkorrosion richten sich nach der Nelson-Kurve, wobei ein Temperaturpuffer von mindestens 20 °C erforderlich ist ； 3) Austenitisches Edelstahl weist bei den in der Nelson-Kurve angegebenen Temperaturen sowie bei dem entsprechenden Wasserstoffdruck keine Hydrogenkorrosion auf; daher ist eine Nachbehandlung zur Entspannung des Materials nach dem Schweißen nicht erforderlich. Frage 3: Wann ist eine Wärmebehandlung zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften notwendig? Antwort: Um die durch Kaltverformung verloren gegangenen mechanischen Eigenschaften des Materials wiederherzustellen, legt GB150.4 fest, dass Druckkomponenten, die bestimmte Bedingungen erfüllen, einer Wärmebehandlung zur Wiederherstellung ihrer mechanischen Eigenschaften unterzogen werden müssen. Sowohl die Wärmebehandlung zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften als auch die Wärmebehandlung zur Entstörung nach dem Schweißen gehören zur Entstörungsannehlung (Niedertemperaturannehlung). Daher können bei Bedarf die Wärmebehandlung zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften der Rohmaterialien mit der Entspannungsbehandlung nach dem Schweißen von Druckbehältern kombiniert werden. Die Anforderungen an die Wärmebehandlung zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften des Materials werden bei der Konstruktion von Mannlochabschnitten von Behältern leicht übersehen. Frage 4: Was ist die Nachbehandlung zur Entfernung von Wasserstoff nach dem Schweißen? Antwort: Während des Schweißvorgangs wird das Wasserstoffgas, das aus dem Schweißdraht, dem Schutzgas sowie der Feuchtigkeit in der Luft stammt, bei hohen Temperaturen in atomaren Zustand zerlegt und in das flüssige Metall aufgenommen. Wenn die Naht abkühlt, sinkt die Löslichkeit von Wasserstoff im Stahl stark ab. Da die Naht sehr schnell abkühlt, hat der Wasserstoff keine Zeit, entweichen zu können. Er bleibt somit im Schweißmetall zurück. Nach einer Weile sammelt sich der Wasserstoff in der Naht oder an der Verbindungsstelle an. Wenn sich Materialien in ausreichender Menge anreichern, führen die Schweißspannungen dazu, dass in der Schweißnaht oder im Wärmeeinflussbereich Kaltrisse entstehen – also Verzögerungsrisse. Daher muss der Schweißdraht zunächst vorgeheizt werden, und nach dem Schweißen muss die Naht auf 200 °C aufgeheizt werden. Die übliche Aufheizzeit beträgt 16 Stunden. Dadurch kann die Abkühlungsgeschwindigkeit der Naht verringert werden, sodass Wasserstoff vollständig entweichen kann. Dies wird als Nachbehandlung zur Entfernung von Wasserstoff nach dem Schweißen bezeichnet. Behälter, die nach dem Schweißen einer Entwässerungsbehandlung bedürfen, können von dieser Behandlung befreit werden, wenn unmittelbar danach eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Frage 5: Wie wird bei der Berechnung von horizontalen Behältern die Dichte des Mediums bestimmt? Antwort: Es muss die Dichte des tatsächlichen Mediums eingegeben werden, nicht die Dichte von Wasser. Frage 6: Wenn Druckbehälter aus austenitischem Edelstahlkombimaterial den Anforderungen von GB150 entsprechen und daher einer Entspannungsbehandlung unterzogen werden müssen, wie lässt sich dieses Problem lösen? Antwort: Wenn bei den Geräten austenitisches Edelstahlkombiwerkstoff verwendet wird, um Korrosion zwischen den Kristallen gegenüber bestimmten Medien zu verhindern, sollte man vorsichtig entscheiden, ob eine Entspannungsbehandlung durchgeführt werden soll. Die Temperatur für die Entspannungsbehandlung (620 °C ± 20 °C) fällt genau in den Sensibilisierungsbereich des Edelstahls (400 °C bis 850 °C). Dadurch kann es zu einer Verringerung des Chromgehalts in der Kristallstruktur des Edelstahls kommen, was wiederum seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion zwischen den Kristallen verringert. Deshalb wird von einer Entspannungsbehandlung abgeraten. Bei der Herstellung kann man in Erwägung ziehen, kleine Schweißelektroden, eine geringe Stromstärke sowie mehrere Schweißschritte zu verwenden. Wenn es nur aus Gründen der Reinigung ist, kann man in Erwägung ziehen, eine Entstauungsbehandlung durchzuführen. Frage 7: Kann bei Druckbehältern mit Typ-A-Flanschen ein metallischer Wickel-Dämpfer verwendet werden? Antwort: Bei Flanschen vom Typ A können gemäß den Anforderungen an Flansche für Druckbehälter nur nichtmetallische Weichdämpfer verwendet werden. Die Verwendung von Wickeldämpfern ist falsch. Bei Flanschen vom Typ B sowie Hochhalsflanschen können hingegen Wickeldämpfer verwendet werden. Die Typ-A-Flansche weisen, genauso wie die PL-Typ-Rohrflansche, eine geringe Steifigkeit sowie eine schlechte Dichtigkeit auf. Wenn das Medium, das in dem Behälter aufbewahrt wird, äußerst oder hochgradig gefährlich ist und es keine geringfügigen Lecks zulässig sind, dann ist es sinnvoller, Hochhalsflansche zu verwenden – in Kombination mit Wickel-Dichtungen oder metallbeschichteten Dichtungen. Frage 8: Welche sind die strukturellen Designaspekte von vertikalen Wärmeaustauschern mit festem Rohrplatte? Antwort: Bei vertikalen Wärmeaustauschern mit festem Rohrplatte sollte möglichst von Ohrhalterungen Gebrauch gemacht werden, die am Gehäuse der Außenseite angebracht werden. Die Tragflächen der Ohrhalterungen bei vertikalen Wärmeaustauschern mit festen Rohrplatten sollten in der Regel über dem Schwerpunkt der Anlage sowie über den Dehnungsringen liegen. Bei vertikalen Wärmeaustauschern mit festem Rohrplattenantrieb sollte die Befestigungsstelle unter Berücksichtigung der Montageanforderungen an der oberen Rohrplatte angeordnet werden – unabhängig davon, ob die Eintrittsstelle für das Medium im Kesselbereich oben oder unten liegt. Frage 9: Wie ist die Konstruktion der Stützplatten im Außenkreis eines horizontalen Kondensators mit festem Rohrplatte-Design, wenn das Kondensationsmedium durch diesen fließt? Antwort: Aus Sicht der Wärmeübertragung ist es bei Kondensatoren, in denen ein Kondensationsmedium fließt, nicht notwendig, Baffle einzubauen. Um jedoch die Steifigkeit der Wärmeaustauschrohre zu erhöhen und ein zu großes Biegen oder Schwingen der Rohre zu verhindern, müssen bei einer Länge der Rohre ohne Stützen, die die in den Vorschriften festgelegten Grenzwerte überschreitet, einige Stützplatten eingebaut werden. Die Stützplatten sollten senkrecht nach links und rechts angeordnet werden, wobei an der untersten Stelle ein Öffnung für die Flüssigkeit vorhanden sein sollte.