لحام الأنبوب-إلى-الصفائح الأنبوبية في المبادلات الحرارية: المواصفات والعيوب الشائعة

يشرح هذا الدليل كيف يؤهل القسم التاسع من ASME لحام الأنابيب-بألواح الأنابيب-، وقوانين البناء التي تجعل هذا التأهيل إلزاميًا، وأوضاع العيوب المحددة التي يجب على المفتشين والمصنعين التحكم فيها لتجنب إعادة العمل المكلفة.

لماذا يتطلب لحام الأنابيب-إلى-الصفائح الأنبوبية مؤهلاً منفصلاً عن Groove Welds؟

تتطلب الوصلات من -إلى-الأنابيب تأهيلًا مخصصًا نظرًا لأن شكلها الهندسي وإمكانية الوصول ووضع الفشل يختلفان بشكل أساسي عن لحام الأخدود القياسي، ولا يتم تلقائيًا إثبات قدرة اللحام أو الإجراء المؤهل على قسيمة الأخدود المسطح على إنتاج وصلة محكمة سليمة ومانعة للتسرب- في هذا التكوين.

يتم لحام قسيمة اختبار اللحام الأخدود في ظروف مفتوحة دون عائق مع إمكانية الوصول الكامل إلى جانبي المفصل. يتم لحام وصلة الأنبوب-إلى-الوصلة بين صفائح الأنابيب في مساحة حلقية محصورة بإحكام بين جدار الأنبوب وفتحة صفائح الأنابيب المحفورة، وغالبًا ما تكون فتحات الأنابيب المجاورة على بعد ملليمترات فقط، ويمكن الوصول إليها من جانب واحد فقط. يكون جدار الأنبوب نفسه رقيقًا - في كثير من الأحيان أقل من 3 مم - مما يجعله عرضة للحرق بشكل كبير-من خلاله، في حين أن لوح الأنابيب عبارة عن كتلة سميكة تعمل كمشتت حراري كبير، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للحرارة عبر المفصل.

تؤدي هذه الظروف إلى إنشاء أوضاع خلل - الاحتراق-، ونقص الانصهار عند جذر المفصل، وعدم كفاية الحد الأدنى لمسار التسرب - الذي لا يحدث ببساطة في لحام الأخدود المفتوح، ولهذا السبب يعامل القسم التاسع من ASME لحام الأنابيب من -إلى-الصفائح الأنبوبية كفئة مؤهلة خاصة بها بدلاً من طيها في قواعد لحام الأخدود أو الشرائح القياسية.

ما هو المساران المؤهلان بموجب القسم التاسع من ASME؟

يقدم القسم التاسع من ASME طريقين متميزين لتأهيل إجراءات لحام الأنابيب-إلى-ألواح الأنابيب واللحامات: نموذج توضيحي بالحجم الطبيعي بموجب QW-193، أو اختبار لحام الأخدود أو الشرائح التقليدي بموجب QW-202، مع تحديد كود البناء المعمول به المسار الإلزامي.

مقارنة مسار المؤهلات

وفقًا لقسم ASME التاسع QW-202.6 والقسم الثامن القسم 1 UW-28(b)/UW-29 (إصدار 2021)؛ القسم 2 الفقرة . 6.3.4. المتغيرات الأساسية لتأهيل الإجراء مذكورة في QW-288؛ يتم توفير المتغيرات الأساسية لتأهيل أداء عامل اللحام ومشغل اللحام في QW-387 وQW-388. تأكد دائمًا من متطلبات الإصدار الحالي وأي تجاوزات خاصة بالعميل قبل تحديد مسار التأهيل.

يتم تطبيق كلا الجدولين المتغيرين-الأساسيين مع جداول عملية اللحام-الأساسية. على سبيل المثال، يجب أن يلبي إجراء أنبوب GTAW - إلى - كلاً من متغيرات GTAW القياسية في الجدول QW - 256 والمتغيرات الخاصة بالأنبوب - إلى - الورقة الأنبوبية في الجدول QW-288.1، والتي تغطي عناصر مثل القطر الخارجي للأنبوب، ونطاق سمك صفيحة الأنابيب، وحالة فتحة الأنبوب، وتصميم الوصلة.

ما هو عدد اللحامات النموذجية المطلوبة، وما الذي يجب أن تمر به؟

عند استخدام مسار نموذج QW-193، يجب إنتاج خمسة لحامات على الأقل ويجب أن يجتاز كل واحد منها الفحص البصري واختبار اختراق السائل وفحص قسم -الكلي -، حيث يؤدي اللحام الفاشل إلى إبطال النموذج بالحجم الطبيعي بأكمله ويتطلب إعادة لحام كاملة، وليس إصلاح موضعي.

الفحص البصري (QW-193.1.1): يتم إجراؤه بدون تكبير، والتحقق من الانصهار الكامل، والحرق، والمسامية، والتشقق.

فحص اختراق السائل (QW-193.1.2): يتم إجراؤه وفقًا للمادة 6 من القسم الخامس من ASME، بواسطة موظفين مؤهلين، للكشف عن انقطاعات السطح غير المرئية بالعين المجردة.

فحص قسم - الماكرو (QW-193.1.3): يتم تقسيم النموذج عبر قطره لكشف أربعة أسطح، ثم يتم فحصه بتكبير من 10x إلى 20x للتحقق من الدمج الكامل، وغياب التشقق، و- بشكل حاسم - أن الحد الأدنى لمسار التسرب يفي بمتطلبات التصميم.

يجب أن يكرر تجميع النموذج نفسه بشكل أساسي تكوين فتحة الأنبوب وتصميم الوصلة الذي سيتم استخدامه في الإنتاج، ضمن حدود QW-288 متغيرًا أساسيًا - مما يعني أن قطر الأنبوب وسمك صفائح الأنابيب وهندسة المفاصل كلها يجب أن تمثل المبادل الحراري الفعلي الذي يتم بناؤه، وليس مجرد أي قطعة اختبار مناسبة.

القسم الثامن القسم 1 مقابل القسم 2: متى يكون QW-193 إلزاميًا؟

ASME القسم الثامن، القسم 2 يجعل نموذج QW-193 بالحجم الطبيعي إلزاميًا لتأهيل إجراء لحام الأنبوب- بالصفائح الأنبوبية، بينما يتركه القسم الثامن، القسم 1 كخيار للشركة المصنعة، وهذا التمييز هو أحد النقاط الأكثر أهمية والتي يساء فهمها بشكل متكرر في تخطيط تصنيع المبادل الحراري.

وفقًا للقسم الثامن من ASME القسم 1 UW-28/UW-29 (إصدار 2021 وما بعده)، والقسم الثامن القسم 2 الفقرة. 6.3.4، والقسم الأول PFT-12. تفرض المواصفات الفنية للعميل في كثير من الأحيان QW-193 حتى عندما لا يتطلب الكود الأساسي ذلك - تحقق دائمًا من أمر الشراء ومواصفات لحام المشروع قبل الانتهاء من خطة التأهيل.

ما هي العيوب الأكثر شيوعًا في لحامات الأنابيب-بألواح الأنابيب-؟

العيوب التي غالبًا ما تؤثر على وصلات الأنابيب-إلى-ألواح الأنابيب هي نقص الدمج في واجهة الأنبوب-إلى-ألواح الأنابيب، واحتراق جدار الأنبوب-من خلاله، والحد الأدنى غير الكافي لمسار التسرب، والمسامية، والحرارة-المتأثرة-تشقق المنطقة - ولأن كل مفصل أنبوب يتم لحامه بشكل فردي يدويًا أو برأس مداري، فإن الخلل تميل المعدلات إلى الارتفاع مع التعب، وعدم تناسق المفاصل-، وعدم كفاية إعداد السطح عبر عدد كبير من الأنابيب.

تتوافق أوضاع الأعطال وطرق الكشف مع ASME القسم IX QW-193.1 من المتطلبات والخبرة الميدانية الصناعية في مجال تصنيع وإصلاح المبادلات الحرارية للهيكل-والأنبوب.

توضح الخبرة الميدانية عبر تطبيقات استخلاص الكبريت، والتكرير، وتبريد العمليات أن التسربات المتكررة من الأنبوب-إلى-الصفائح الأنبوبية ترجع في كثير من الأحيان إلى نقص الاختراق ونقص الانصهار الذي تم تقديمه أثناء التصنيع الأصلي - وهو عيوب يصعب اكتشافها باستخدام عملية الإنتاج في تجربة الاقتراب من الموت وحدها والتي تميل إلى الكشف عن نفسها فقط بعد أن يتسبب التدوير الحراري المتكرر في انتشار الشقوق من الجذر غير المدمج.

كيف يتم التحقق من الحد الأدنى لمسار التسرب (MLP)، وما أهمية ذلك؟

الحد الأدنى لمسار التسرب هو أقصر مسافة، في أي اتجاه، من جذر الأنبوب-إلى-لوحة الأنابيب الملحومة إلى أقرب سطح حر، وهذا مهم لأن البعد هو الذي يحكم ما إذا كانت الوصلة الملحومة القوية-يمكن أن تحتوي بالفعل على ضغط وتمنع-التلوث المتقاطع - يمكن لـ MLP صغير الحجم اجتياز فحص بصري سطحي بينما لا يزال يفشل في تلبية أساس تصميم الوصلة.

يتم التحقق من MLP عن طريق تقسيم نموذج التأهيل عبر قطره، وكشف المقطع العرضي للحام-، وقياس المسار المصهر بتكبير 10x إلى 20x مقابل الحد الأدنى المحسوب من أساس التصميم.

يتم تحديد الحد الأقصى لقيمة MLP المعتمدة عند سمك جدار الأنبوب، بغض النظر عن مقدار معدن اللحام الإضافي المترسب خارج هذا البعد.

يتم التعامل مع الخدوش الطولية على السطح الخارجي للأنبوب أو فتحة صفائح الأنابيب باعتبارها خطرًا متزايدًا أثناء تقييم النموذج بالحجم الطبيعي، لأن الخدش الذي يجري بالتوازي مع المفصل يمكن أن يؤدي إلى إنشاء مسار تسرب يتجاوز منطقة دمج اللحام بالكامل.

نظرًا لأنه لا يمكن تأكيد MLP بشكل مدمر إلا - عن طريق قطع نموذج بالحجم الطبيعي التمثيلي -، فإنه يتم التحقق منه أثناء تأهيل الإجراء بدلاً من كل وصلة إنتاج. وهذا هو على وجه التحديد سبب أهمية التحكم المنضبط والمتكرر في العملية أثناء لحام الإنتاج: بمجرد تأهيل WPS باستخدام MLP المثبت، يجب تنفيذ عمليات لحام الإنتاج ضمن نفس -الظرف المتغير الأساسي لتظل صالحة.

ما هي طرق الفحص التي تكتشف عيوب الأنابيب-في-ألواح الأنابيب قبل بدء التشغيل؟

يقوم تسلسل الفحص الطبقي - بالفحص البصري واختبار اختراق السائل واختبار تسرب الهيليوم - بالكشف عن الغالبية العظمى من عيوب الأنابيب-إلى-الأنابيب قبل إغلاق حزمة المبادل الحراري ووضعها في الخدمة، مع اختبار تسرب الهيليوم الذي يوفر أعلى حساسية لتسربات الجدار-من أي طريقة يتم تطبيقها بشكل شائع على هذا النوع من الوصلات.

يتم إجراء الفحص البصري على كل لحام إنتاجي كشاشة مرور أولى-للحرق-والدمج غير المكتمل ومسامية السطح.

يكشف اختبار اختراق السائل، الذي يتم إجراؤه وفقًا للمادة 6 من القسم الخامس من ASME، عن تشققات السطح - والمسامية غير المرئية بالعين المجردة، ويتم تطبيقه عادةً على كل من الجذر والممر النهائي.

يقوم اختبار تسرب الهيليوم بالضغط على المبادل بـ 5-10 رطل لكل بوصة مربعة من الهيليوم ويستخدم مطياف الكتلة للكشف عن معدلات تسرب أصغر بكثير مما يمكن أن يحله الاختبار الهيدروستاتيكي، لأن ذرة الهيليوم صغيرة بما يكفي لتمرير عبر فترات انقطاع لا تمر عبرها المياه. يتم إجراء هذا الاختبار عادةً بعد كل لحام نهاية الأنبوب- ولكن قبل توسيع الأنبوب، بحيث يتم تقييم اللحام - فقط وليس التمدد الميكانيكي -.

لا توجد طريقة واحدة تكتشف كل أوضاع العيوب: يعد اختبار الاختراق المرئي والسائل فعالاً في حالات انقطاع الاتصال السطحي-، ولكن لا يمكن تأكيد نقص الدمج تحت السطح أو MLP الأصغر حجمًا إلا عن طريق التقسيم الكلي المدمر- أثناء التأهيل. هذا هو السبب في أن اختبار التأهيل وإنتاج تجربة الاقتراب من الموت يعتبران متكاملين وليس زائدين عن الحاجة - التأهيل الذي يثبت أن الإجراء قادر على إنتاج مفصل سليم، ويؤكد الإنتاج في تجربة الاقتراب من الموت أنه تم تنفيذ القدرة بشكل متسق عبر عدد الأنابيب الكامل.

لماذا تعد دقة التأهيل مهمة أكثر بالنسبة إلى وصلات الأنابيب-إلى-الأنابيب مقارنة بلحامات الأنابيب العادية؟

تعتبر دقة تأهيل الأنبوب-إلى-الأنابيب أكثر أهمية من اللحامات العادية للأنابيب لأن عيبًا نظاميًا واحدًا يتم اكتشافه بعد التصنيع يمكن أن يتطلب إعادة-أنابيب حزمة كاملة، ولأن كل مبادل قد يحتوي على مئات إلى آلاف الوصلات الفردية الملحومة تحت نفس الإجراء - مما يعني أن WPS هامشي أو ماكينة لحام غير مدربة- لا تنتج لحامًا واحدًا سيئًا، بل تنتج الكثير.

عادة ما يكون عيب لحام محيط الأنابيب بمثابة إصلاح معزول. على النقيض من ذلك، يكون وضع عيب الأنبوب-إلى-الأنابيب المسطحة الناتج عن إجراء معيب أو تقنية غير مؤهلة نظاميًا: إذا تم تطبيق تصميم المفصل أو إدخال الحرارة أو خطوة إعداد السطح التي تسببت في فشل واحد بشكل متسق عبر الحزمة، فإن كل وصلة ملحومة تحت هذه الظروف تكون موضع شك.

إن الاستثمار في WPS المؤهل بشكل مناسب، واللحامين المدربين والمختبرين بشكل مناسب، وتسلسل فحص الإنتاج المنضبط هو مسار التكلفة الأقل-بهامش كبير مقارنة باكتشاف - بعد بدء التشغيل، أو ما هو أسوأ من ذلك، بعد عدة سنوات من التدوير الحراري في الخدمة - والذي يجب استبدال جزء كبير من حزمة الأنابيب فيه.

الأسئلة المتداولة

Q: هل يتطلب القسم 1 من ASME القسم الثامن 1 تأهيل نموذج QW-193 للحام الأنبوب- بالصفائح الأنبوبية؟

A: رقم القسم 1 يترك QW-193 كخيار للشركة المصنعة؛ يعد اختبار اللحام الأخدود لكل من QW-202.2 وQW-202.4 بديلاً مقبولاً ما لم تتطلب المواصفات الفنية للعميل مسار النموذج بالحجم الطبيعي.

Q: كم عدد الأنابيب التي يجب لحامها واختبارها لتأهيل إجراء الأنبوب-إلى-صفيحة الأنابيب بواسطة نموذج بالحجم الطبيعي؟

A: يجب إنتاج ما لا يقل عن خمسة نماذج لحام ويجب أن تجتاز جميع اللحامات الخمسة فحصًا بصريًا واختراقًا سائلًا وفحصًا كليًا-لكل QW-193.2. يؤدي أي فشل فردي إلى إبطال النموذج بالحجم الطبيعي بأكمله، مما يتطلب إعادة لحام كاملة.

Q: ما هو الحد الأدنى لمسار التسرب ولماذا يتم تغطيته بسمك جدار الأنبوب؟

A: الحد الأدنى لمسار التسرب هو أقصر مسافة منصهرة من جذر اللحام إلى أقرب سطح حر. يتم تغطيته بسماكة جدار الأنبوب لأن هذا هو الحد المادي لتسرب المفصل-المقطع العرضي الضيق-، بغض النظر عن كمية معدن اللحام الإضافي المترسب.

Q: هل يستطيع عامل اللحام المؤهل على أنبوب لحام قسيمة اللحام الأخدود-إلى-وصلات صفائح الأنابيب بموجب WPS المؤهل بواسطة نموذج QW-193؟

A: نعم، عندما لا يتطلب كود البناء المعمول به في حد ذاته QW-193 لتأهيل الأداء. يتم التعامل مع مؤهلات الإجراءات ومؤهلات الأداء كمتطلبات حصرية بموجب القسم التاسع من ASME.

Q: لماذا يفضل اختبار تسرب الهليوم على الاختبار الهيدروستاتيكي للأنابيب -إلى-الأنابيب الملحومة؟

A: الحجم الذري الصغير للهيليوم يسمح له بالمرور عبر الانقطاعات التي لا يمكن للاختبار الهيدروستاتيكي (الماء) اكتشافها، مما يمنح اختبار تسرب الهيليوم حساسية أعلى بكثير لتحديد وصلات الأنابيب الهامشية أو المنصهرة جزئيًا-إلى-أنابيب الأنابيب قبل بدء التشغيل.