Для клапанов, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях, указание марки материала в коммерческом предложении — это лишь начало.
Клапан можно изготовить из подходящего материала.
Он может пройти испытание на гидростатическое давление.
Перед отправкой товар может выглядеть вполне приемлемо.
И все же, после прибытия на место, система может выйти из строя.
Для нас это не теория. Это урок. THINKTANK Усвоил материал на реальном проекте.
Несколько лет назад мы поставили партию высокотемпературных и высоконапорных редукционных клапанов с ручным управлением. Материал корпуса клапана — 15CrMo, размер — DN50, номинальное давление — PN200.
В ходе заводской проверки клапаны прошли гидростатические испытания. Утечек во время испытаний обнаружено не было. Документация выглядела нормальной. Внешне ничто не указывало на серьезные проблемы.
Но после доставки клапанов на объект заказчика была обнаружена утечка.
Мы в срочном порядке отозвали клапаны и организовали дополнительную проверку. Рентгенографический контроль позже выявил трещины в корпусах клапанов. Трещины были связаны со сваркой, выполненной в процессе производства.
Первоначальная проверка под давлением их не обнаружила.
RT это сделал.
Для пакетов THINKTANKЭто был болезненный заказ. Мы понесли убытки по проекту. Но мы не рассматривали это только как коммерческий убыток. Мы работали с заказчиком, оперативно реагировали, предлагали корректирующее решение и послепродажную поддержку. Клапаны, поставленные после исправления, теперь стабильно работают на объекте.
Что еще более важно, этот проект изменил наше представление о производстве корпусов клапанов для работы при высоких температурах.
Это напомнило нам, что надежность клапанов обеспечивается не только выбором материалов. Она обеспечивается каждым процессом, следующим за выбором материалов.
Название материала видно. Процесс его производства — нет.
Когда покупатель сравнивает два предложения по клапанам, многие параметры кажутся простыми для сравнения.
- Материал
- Размер
- Рейтинг давления
- Завершить соединение
- Срок поставки
- Цена
Однако многие из важнейших факторов качества скрыты.
Тело было отлито или подковано?
Если это была отливка, то была ли она должным образом охлаждена и подвергнута термообработке?
Были ли выполнены какие-либо ремонтные сварочные работы?
Проводилась ли ремонтная сварка под контролем квалифицированной технологической карты сварки (WPS)?
Был ли предварительный нагрев проведен правильно?
Контролировалась ли температура между проходами?
Была ли необходима термообработка поверхности и проведена ли она должным образом?
Проводились ли рентгенография и ультразвуковое исследование корпуса клапана?
После ремонтной сварки использовались методы магнитопорошковой или капиллярной дефектоскопии?
Был ли литейный завод способен перерабатывать низколегированную жаростойкую сталь, или его выбрали только потому, что цена была ниже?
Эти дефекты обычно не проявляются на поверхности готового клапана. Они могут быть незаметны после механической обработки, покраски, сборки и упаковки.
Но именно они определяют, сможет ли клапан, предназначенный для работы в тяжелых условиях, пройти только заводские испытания или же он сможет надежно функционировать на месте эксплуатации.
Именно поэтому два клапана, изготовленные из одного и того же материала и имеющие одинаковое номинальное давление, могут обладать совершенно разным уровнем надежности.
15CrMo — это не Cr-Mo-V, но этот урок привёл нас к дальнейшим открытиям.
С технической точки зрения, 15CrMo — это низколегированная жаропрочная сталь на основе хрома и молибдена. Она содержит хром и молибден, но не содержит ванадия.
Стали Cr-Mo-V отличаются от других. Они содержат ванадий, который улучшает ползучесть при высоких температурах за счет осаждения карбидов. Это делает их полезными в сложных высокотемпературных условиях эксплуатации, таких как паровые системы, электростанции, нефтехимические установки, а также оборудование для клапанов и трубопроводов высокого давления.
Таким образом, наш проект с сплавом 15CrMo не являлся примером отказа сплава Cr-Mo-V в строгом химическом смысле.
Но это подтолкнуло нас к более глубокому изучению материалов Cr-Mo и Cr-Mo-V, поскольку их объединяет одна важная общая черта:
Это не обычные углеродистые стали.
На первый взгляд, они могут показаться «просто еще одной легированной сталью» в списке материалов, но требования к их литью, сварке, термообработке и контролю качества гораздо выше.
Для производителя клапанов знания названия материала недостаточно.
Нам необходимо понимать, как ведет себя материал в процессе производства.
Таблица 1. Типичные жаростойкие стали Cr-Mo и Cr-Mo-V, используемые в условиях высоких температур.
| Марка/стандарт стали | С (%) | Cr (%) | Пн (%) | В (%) | Типичные промышленные применения |
| 20CrMo / GB/T 3077 | 0.17-0.24 | 0.80-1.10 | 0.15-0.25 | - | Высокопрочные конструкционные детали и традиционные компоненты, работающие под давлением. |
| 14MoV6-3 / EN 1.7715 | 0.10-0.15 | 0.30-0.60 | 0.50-0.70 | 0.20-0.30 | Высокотемпературные трубы, поковки и фланцы, рассчитанные на температуру до приблизительно 530°C. |
| 21CrMoV5-7 / EN 1.7709 | 0.17-0.25 | 1.20-1.50 | 0.55-0.80 | 0.20-0.35 | Жаростойкие кованые изделия, болтовые соединения и детали, выдерживающие высокие температуры и давление. |
| C12A / ASTM A217 | 0.08-0.12 | 8.00-9.50 | 0.85-1.05 | 0.18-0.25 | Корпуса клапанов, изготовленные методом высокотемпературного и высоконапорного литья, для работы со сверхкритическим паром. |
Первый скрытый риск: контроль за литьем.
Многие считают, что проблемы с литьем в основном связаны с песчаными ямками, пористостью, усадкой или включениями.
Эти дефекты реальны, и обычно они связаны с материалом для формовки, конструкцией системы заливки, конструкцией питателя, чистотой расплавленной стали и контролем технологического процесса литейного производства.
Однако для корпусов клапанов из низколегированной жаростойкой стали Cr-Mo и Cr-Mo-V существует еще один, менее заметный риск: внутренние напряжения и хрупкая микроструктура.
Если отливку вскрыть слишком рано, охладить слишком быстро или не обеспечить надлежащую изоляцию и термообработку, поверхность и сердцевина отливки могут охлаждаться с очень разной скоростью. Внутренние фазовые превращения могут происходить неравномерно. Остаточные напряжения могут сохраняться внутри корпуса клапана еще до начала механической обработки.
Снаружи отливка может выглядеть вполне обычно.
После обработки поверхность может выглядеть чистой.
После покраски клапан может выглядеть идеально.
Но внутри корпуса клапана он уже может быть чувствительным.
После проведения ремонтной сварки на отливке такого типа, тепловая нагрузка может вызвать образование трещин вокруг отремонтированного участка.
Именно поэтому ремонтную сварку нельзя рассматривать как простую корректировку в мастерской.
Второй скрытый риск: ремонтная сварка.
Для некоторых материалов ремонтная сварка может выглядеть как обычный производственный этап.
- Устранить дефект
- Сварной
- Машина это
- Продолжить производство
Однако в случае низколегированных жаростойких сталей Cr-Mo и Cr-Mo-V ремонтная сварка — это не просто «добавление металла обратно».
Это металлургическая операция.
Сварочная дуга создает локальную зону высокой температуры. Окружающий корпус клапана значительно холоднее и тяжелее. Если предварительный нагрев недостаточен, зона термического воздействия может слишком быстро остыть после сварки.
В случае хромомолибденовых сталей это может привести к образованию твердой и хрупкой зоны термического воздействия. Если также присутствует водород, образующийся из-за влаги, сварочных материалов или плохого контроля, сочетание твердой микроструктуры, водорода и остаточных напряжений может привести к холодному растрескиванию.
Эти трещины могут появиться не сразу. Они могут проявиться через несколько часов, дней или стать видимыми только во время последующего осмотра или обслуживания.
Для сталей Cr-Mo-V риск еще выше. Ванадий добавляется для повышения высокотемпературной прочности, но после сварки ванадийсодержащие материалы могут быть чувствительны к растрескиванию при повторном нагреве, также называемому растрескиванием для снятия напряжений. Это может произойти во время термической обработки после сварки или на ранних стадиях высокотемпературной эксплуатации.
Именно поэтому сварка этих материалов вполне возможна.
Но они не прощают ошибок.
Для их работы необходимы надлежащий предварительный нагрев, контролируемый подвод тепла, контроль температуры между проходами, использование низководородной сварки, квалифицированная технологическая карта сварки (WPS), соответствующая термическая обработка после сварки (PWHT) при необходимости и заключительный неразрушающий контроль (NDE).
Пропуск одного шага может не сразу выявить проблему.
Однако риск сохраняется внутри корпуса клапана.
Таблица 2. Классификация P-номеров по разделу IX ASME и чувствительность к сварке.
| Номер P по стандарту ASME | Система сплавов неблагородных металлов | Типичные марки материалов по стандарту ASTM | Чувствительность к условиям сварки и ключевые технологические требования |
| П-№ 1 | Углеродисто-марганцевые стали | ASTM A216 WCB/WCC, ASTM A105 | Относительно хорошая свариваемость; термическая обработка после сварки может быть освобождена от нее в некоторых случаях при производстве тонкостенных материалов в зависимости от требований нормативных документов. |
| П-№ 4 | Стали 1.25Cr-0.5Mo | АСТМ А217 ВК6, АСТМ А182 Ф11 | Повышенная закаливаемость; необходимы контролируемый предварительный нагрев и контроль процесса сварки. |
| П-№ 5А | Стали 2.25Cr-1Mo | АСТМ А217 ВК9, АСТМ А182 Ф22 | Высокая чувствительность к сварке; обычно требуются строгие процедуры предварительного нагрева и термической обработки после сварки. |
| П-№ 5Б | Стали с содержанием молибдена от 5Cr до 9Cr без ванадия | ASTM A217 C5, ASTM A217 C12 | Очень высокая чувствительность к условиям сварки; необходимо тщательно контролировать подвод тепла, температуру между проходами и термическую обработку после сварки. |
| P-No. 5C / 15E | Легированные стали Cr-Mo-V | ASTM A217 C12A, ASTM A182 F91 | Чрезвычайно чувствителен к термическим циклам сварки; высокий риск растрескивания при повторном нагреве/растрескивании при снятии напряжений; требуется строгий контроль температуры по технологической карте сварки (WPS), термической обработке после сварки (PWHT) и неразрушающий контроль (NDE). |
Третий скрытый риск: убеждение, что гидроиспытаний достаточно.
Наш проект с использованием стали 15CrMo также научил нас не переоценивать возможности гидростатических испытаний.
Гидроиспытания необходимы. Они подтверждают, что герметичность напорного узла отсутствует при определенных условиях испытания.
Однако гидростатические испытания не позволяют заглянуть внутрь металла.
Если трещина является внутренней и не проникла полностью сквозь толщину стенки, то у испытательной среды нет пути утечки.
Если трещина плотно закрыта остаточным напряжением, вода может не проникнуть в нее во время испытания.
Если дефект расположен в зоне термического воздействия, но не вышел на поверхность, клапан все равно может пройти испытание давлением.
Это не означает, что испытание под давлением бесполезно.
Это означает, что испытание под давлением имеет свои пределы.
Для корпусов клапанов, работающих при высоких температурах, высоком давлении или в условиях жестких эксплуатационных условий, гидроиспытания должны дополняться соответствующими неразрушающими методами контроля.
Рентгенография позволяет выявить множество внутренних дефектов.
Ультразвуковая дефектоскопия особенно важна для обнаружения внутренних плоскостных дефектов в толстых срезах.
Метод магнитотеллурического анализа полезен для исследования поверхностных и приповерхностных трещин в ферромагнитных материалах.
При необходимости метод PT позволяет обнаруживать дефекты поверхности.
Каждый метод играет свою роль. Ни один из них не следует рассматривать как универсальную замену другим.
Тщательно разработанный план инспекции должен учитывать марку материала, толщину стенок, историю ремонтов, класс давления, условия эксплуатации и последствия отказов.
Таблица 3. Методы гидроиспытаний и неразрушающего контроля для осмотра корпусов клапанов.
| Метод проверки/испытания | Принцип / Метод испытания | Дефекты эффективно выявляются | Ключевые ограничения |
| Испытание гидростатическим давлением / API 598 | Проверяет герметичность корпуса и седел клапана с помощью воды или газа, создавая избыточное давление. | Протечка через стенку, серьезное нарушение герметичности пограничного слоя и утечка через уплотнение. | Не позволяет достоверно обнаружить внутренние трещины, закрытые трещины или дефекты, не проникшие сквозь толщину стенки. |
| Рентгенологическое исследование / РТ | Использует рентгеновское или гамма-излучение для исследования внутренних дефектов путем анализа изменений плотности на пленочных или цифровых изображениях. | Внутренняя пористость, включения шлака, усадочные полости и некоторые открытые или благоприятно ориентированные трещины. | Менее чувствителен к плотно закрытым плоским трещинам; обнаружение зависит от ориентации трещины и качества изображения. |
| Ультразвуковой контроль / УЗК | Использует высокочастотные звуковые волны и отраженные сигналы для обнаружения внутренних дефектов. | Внутренние плоскостные дефекты, несплавление, трещины и изъяны в толстых срезах. | Требуется квалифицированный персонал, подходящее состояние поверхности и тщательная интерпретация результатов. |
| Магнитопорошковый контроль / МТ | Использует метод утечки магнитного потока и магнитные частицы для выявления поверхностных или приповерхностных дефектов в ферромагнитных материалах. | Поверхностные и приповерхностные трещины, нахлесты, швы и разрывы | Подходит только для ферромагнитных материалов; не позволяет обнаруживать глубокие внутренние дефекты. |
| Капиллярный контроль / Контроль качества жидкости | Использует капиллярное действие проникающей жидкости для выявления дефектов поверхности. | Поверхностные трещины, поры и разрывы | Невозможно обнаружить подповерхностные или закрытые внутренние дефекты; подготовка поверхности имеет решающее значение. |
Поддельные кузова помогают, но не устраняют необходимость в контроле.
После того, как инженеры столкнулись с рисками, связанными с литьем, многие из них отдают предпочтение кованым корпусам клапанов для работы в тяжелых условиях.
Это имеет смысл.
Ковка позволяет улучшить внутреннюю плотность и снизить риск усадки, пористости, рыхлости и других дефектов, связанных с литьем. Она также снижает вероятность необходимости ремонтной сварки перед отгрузкой.
Для корпусов клапанов, работающих при высоком давлении и высоких температурах, ковка может обеспечить большую уверенность в целостности основного материала.
Однако ковка не изменяет химический состав стали.
Если кованое изделие изготовлено из хромомолибденовой или хромомолибден-ванадиевой стали, чувствительность к сварке сохраняется.
Если клапан требует стыковой сварки концов, упрочнения седла, наплавки или локальной ремонтной сварки, то действуют те же металлургические правила.
Таким образом, правильный вывод не в том, что «подделка решает все проблемы».
Правильный вывод таков:
Ковка снижает многие риски возникновения физических дефектов, но не устраняет необходимости в соблюдении правил сварки, контроле термообработки и неразрушающем контроле.
Таблица 4. Высокотемпературные и низкотемпературные материалы, удерживающие давление.
| Класс материала / Стандарт | Тип материала / Микроструктурные характеристики | Типичная минимальная расчетная температура | Типичная максимальная рабочая температура | Логика металлургического проектирования и типовые области применения |
| ASTM A216 ВКБ | Литая углеродистая сталь | -29 ° C / -20 ° F | 425 ° C / 800 ° F | Универсальная литая сталь для использования в системах водоснабжения, нефтедобычи, газоснабжения и традиционных технологических процессах. |
| ASTM A352 LCB / LCC | Низкотемпературная литая углеродистая/углеродисто-марганцевая сталь | -46 ° C / -50 ° F | 345 ° C / 650 ° F | Низкоуглеродистая конструкция с улучшенной прочностью при низких температурах; используется для эксплуатации в холодных условиях, в низкотемпературных трубопроводах и оборудовании, работающем под давлением. |
| ASTM A352 LC3 | 3.5% никеля, низкотемпературная литая сталь | -101 ° C / -150 ° F | 340 ° C / 650 ° F | Добавление никеля улучшает ударную вязкость при низких температурах; используется в более жестких криогенных или низкотемпературных условиях. |
| ASTM A217 C12A | Литая сталь 9Cr-1Mo-V | -29 ° C / -20 ° F | 649 ° C / 1200 ° F | Ванадиевая мартенситная жаростойкая сталь для высокотемпературных паровых клапанов высокого давления и сверхкритических энергетических установок. |
Почему один и тот же клапан может стоить по-разному?
Это та часть, которую многие покупатели не замечают.
Более дешевый клапан может использовать тот же самый материал.
Возможно, у него будет тот же номинальный уровень давления.
Возможно, он пройдет тот же гидростатический тест.
Возможно, после покраски он будет выглядеть так же.
Однако скрытый контроль процесса может быть совершенно иным.
Один поставщик может потребовать строгого контроля процесса литья, ведения записей о термообработке, утверждения ремонтных сварных швов, контроля технологической карты сварки (WPS), ведения записей о термической обработке после сварки (PWHT), а также проведения рентгенографии (RT), ультразвукового контроля (UT), магнитотеллурического контроля (MT) и капиллярного контроля (PT) в зависимости от необходимости.
Другой поставщик может сосредоточиться только на механической обработке, сборке и окончательном испытании под давлением.
Разница не всегда заметна при доставке.
Но это реально.
Рентгеновское и ультразвуковое исследование стоят денег.
Термическая обработка воды (PWHT) стоит денег.
Профессиональные сварочные работы стоят денег.
Отбраковка дефектной отливки влечет за собой финансовые затраты.
Использование более совершенного литейного цеха обходится дорого.
Более медленное охлаждение, улучшенная термообработка и более строгий контроль — всё это требует затрат.
Но эти затраты являются частью обеспечения надежности.
При использовании клапана в условиях умеренной нагрузки некоторые требования могут быть излишними. Однако в условиях высоких температур, высокого давления и жестких условий эксплуатации отказ от этих мер контроля с целью снижения затрат может лишь перенести риск с завода на предприятие заказчика.
Это не экономия средств.
Это передача риска.
Что THINKTANK Изменения после этого проекта
После завершения проекта по созданию редукционного клапана из стали 15CrMo PN200 мы ужесточили внутренние стандарты качества корпусов клапанов из низколегированной жаростойкой стали.
Для ответственных применений рентгенография и ультразвуковая дефектоскопия больше не рассматриваются исключительно как необязательные требования заказчика. В зависимости от материала, толщины стенки, класса давления, истории ремонтов и условий эксплуатации они могут стать нашими внутренними обязательными требованиями, даже если заказчик специально их не запрашивает.
Мы также стали строже относиться к поставщикам отливок.
Мы уделяем больше внимания тому, понимают ли они особенности низколегированной жаростойкой стали, а не только тому, умеют ли они разливать этот материал. Контроль охлаждения, записи о термообработке, история устранения дефектов и отчеты о неразрушающем контроле стали более важными факторами при оценке поставщиков.
При ремонтной сварке мы уделяем больше внимания контролю процесса сварки не только на основе опыта, но и на процедурном уровне. Предварительный нагрев, температура между проходами, использование низководородных материалов, ведение записей после термической обработки и контроль после ремонта теперь рассматриваются как часть реального процесса обеспечения качества.
Этот опыт также изменил наше внутреннее мировоззрение.
Корпус клапана не считается пригодным к эксплуатации только потому, что он прошел заключительное испытание под давлением.
Это соответствует требованиям, поскольку были контролированы критически важные процессы, предшествующие испытанию под давлением.
Ответственность поставщика проявляется, когда возникают проблемы.
Ни один производитель не хочет говорить о провалившемся проекте.
Но я считаю, что реальный опыт должен включать в себя как успехи, так и неудачи.
Заказ на сталь с маркировкой 15CrMo обошелся нам в деньги, но дал нечто более ценное: более глубокое понимание производственных рисков.
Мы ответили клиенту.
Мы решили проблему.
Мы повысили уровень наших внутренних стандартов.
Отремонтированные клапаны теперь стабильно работают на объекте.
Для нас это важно, потому что ответственность поставщика проявляется не только тогда, когда все идет гладко.
Это отображается при возникновении проблемы.
Мы реагируем быстро?
Честно ли мы смотрим в лицо первопричине?
Улучшаем ли мы процесс или только заменяем продукт?
Превратим ли мы один болезненный урок в более высокий стандарт обслуживания для следующих клиентов?
Для пакетов THINKTANKЭтот проект стал частью нашей философии качества.
Выбор материалов — это только начало.
После 18 лет работы в индустрии клапанов я по-прежнему чувствую, что мне еще многому предстоит научиться.
Чем глубже мы погружаемся в производство клапанов, тем лучше понимаем, что промышленный клапан — это не просто изделие.
Надежный клапан, предназначенный для эксплуатации в тяжелых условиях, создается не только за счет выбора правильного материала.
Она формируется за счет контроля качества литья, качества ковки, дисциплины сварки, термообработки, планирования инспекций, управления поставщиками и инженерной ответственности.
Эти вещи не всегда видны снаружи.
В цитате это может быть неочевидно.
Они могут остаться незамеченными во время посещения завода.
Но они спрятаны внутри клапана.
А когда клапан устанавливается на реальном объекте, при реальном давлении, реальной температуре и реальных условиях эксплуатации, эти невидимые элементы управления становятся видимыми благодаря его рабочим характеристикам.
Вот почему THINKTANK продолжает изучать материалы, совершенствовать управление поставщиками и ужесточать требования к контролю качества.
Потому что в клапанах, эксплуатируемых в тяжелых условиях, надежность зависит не только от выбора материала.
Речь идёт о том, как контролируется каждый процесс, связанный с этим материалом.
