Làm thế nào để bạn chọn và chỉ định khuỷu tay hàn 90 độ phù hợp cho đường ống của bạn?

Khuỷu tay hàn 90 độ là gì và nó được sử dụng ở đâu?

A hàn mông khuỷu tay 90 độ là một phụ kiện đường ống được thiết kế để thay đổi hướng dòng chảy trong hệ thống đường ống chính xác 90 độ, nối với các phần ống liền kề bằng hàn đối đầu - một quá trình trong đó các đầu ống và các đầu khớp nối được kết hợp với nhau ở cùng một đường kính ngoài, vát và hàn xung quanh toàn bộ chu vi để tạo thành một mối nối phẳng, liên tục không có ốc vít, ren hoặc hốc ổ cắm cơ học. Kết quả là một kết nối đường ống hàn có cấu trúc liên tục từ ống này đến ống nối khác, với mối nối có khả năng chịu được toàn bộ tải trọng cơ học, áp suất và nhiệt tác động lên chính đường ống.

Khuỷu tay hàn đối đầu 90 độ là phụ kiện thay đổi hướng tiêu chuẩn trong các ứng dụng đường ống có áp suất cao, nhiệt độ cao và đòi hỏi cấu trúc trong các lĩnh vực dầu khí, hóa dầu, sản xuất điện, xử lý hóa chất, đóng tàu và sản xuất công nghiệp. Trong quy trình đường ống được quản lý bởi ASME B31.3, đường ống bình chịu áp lực theo ASME B31.1 hoặc hệ thống đường ống ngoài khơi theo tiêu chuẩn DNV hoặc API, các phụ kiện hàn giáp mép được bắt buộc hoặc ưu tiên hơn so với mối hàn ổ cắm hoặc các giải pháp thay thế có ren trên mức áp suất nhất định và đường kính ống vì mối hàn đối đầu loại bỏ các vị trí bắt đầu ăn mòn kẽ hở và nồng độ ứng suất cơ học liên quan đến các phương pháp nối khác.

Bán kính dài so với bán kính ngắn: Tìm hiểu hai loại tiêu chuẩn

Phân loại cơ bản nhất của mối hàn đối đầu khuỷu 90 độ là theo bán kính uốn cong - bán kính cong của đường cung cung trung tâm qua khuỷu. Hai bán kính uốn cong tiêu chuẩn được xác định bởi ASME B16.9, tiêu chuẩn kích thước chính cho các phụ kiện hàn giáp mép rèn do nhà máy sản xuất:

Bán kính dài (LR) Khuỷu tay 90 độ

Khuỷu tay bán kính dài có bán kính uốn cong đường tâm bằng 1,5 lần đường kính ống danh nghĩa (1,5D). Do đó, đối với khuỷu ống có kích thước danh nghĩa 4 inch (NPS 4), bán kính đường tâm là 6 inch. Hình dạng này tạo ra sự thay đổi dần dần về hướng dòng chảy giúp giảm thiểu sự sụt giảm áp suất và xói mòn do nhiễu loạn ở khúc cua. Cho đến nay, khuỷu tay bán kính dài là loại được chỉ định phổ biến nhất trong đường ống xử lý, được ASME B31.3 khuyến nghị làm mặc định khi không gian bố trí cho phép. Đường cong nhẹ nhàng hơn của khuỷu LR làm giảm gradient vận tốc qua bên trong và bên ngoài khúc cua, điều này trực tiếp làm giảm tốc độ mài mòn do xói mòn ở phần ngoài (tường ngoài của khúc cua) — một yếu tố quan trọng cần cân nhắc trong đường ống mang bùn mài mòn, hơi nước ướt hoặc khí vận tốc cao có các hạt bám theo.

Khuỷu tay 90 độ Bán kính ngắn (SR)

Khuỷu tay bán kính ngắn có bán kính uốn cong đường tâm bằng 1,0 lần đường kính ống danh nghĩa (1,0D). Đối với khuỷu tay NPS 4, bán kính đường tâm là 4 inch. Khuỷu tay SR chiếm ít không gian hơn so với khuỷu tay LR tương đương, làm cho nó có giá trị trong việc bố trí đường ống nhỏ gọn trong đó các ràng buộc về định tuyến ngăn cản việc sử dụng khớp nối có bán kính dài hơn. Tuy nhiên, chỗ uốn cong chặt hơn tạo ra sự sụt giảm áp suất cao hơn, nhiễu loạn lớn hơn và tốc độ xói mòn cao hơn đáng kể ở các khuỷu ngoài so với khuỷu tay LR ở vận tốc dòng chảy tương đương. Các khuỷu bán kính ngắn thường được tránh sử dụng trong các đường ống chất lỏng tốc độ cao, đường ống dẫn khí có chất lỏng bị cuốn theo và bất kỳ dịch vụ nào mà sự xói mòn-ăn mòn là mối quan tâm thiết kế. Chúng được chấp nhận cho dịch vụ chất lỏng tốc độ thấp và trong đường ống tiện ích nơi những hạn chế về không gian dẫn đến sự đánh đổi hiệu suất.

Các kích thước chính và cách chúng được chỉ định

Việc chỉ định chính xác mối hàn giáp mép khuỷu 90 độ đòi hỏi phải xác định năm thông số vật liệu và kích thước chính. Mỗi tham số ánh xạ tới một cột cụ thể của đơn đặt hàng mua phụ kiện hoặc yêu cầu vật liệu và phải được nêu chính xác để tránh nhận phụ kiện không khớp với đường ống liền kề hoặc yêu cầu thiết kế của hệ thống.

Độ dày thành của khuỷu hàn giáp mép phải phù hợp hoặc vượt quá tiến độ của ống nối để đảm bảo mối hàn không tạo ra sự gián đoạn tiết diện mỏng trong ranh giới áp suất. Các phụ kiện ASME B16.9 được sản xuất với độ dày thành đủ để tương thích với sơ đồ ống có cùng chỉ định NPS - tuy nhiên, một số sơ đồ lắp có thành danh nghĩa dày hơn so với sơ đồ ống phù hợp để tính đến các quá trình tạo hình làm giảm độ dày thành ở phần uốn cong trong quá trình sản xuất. Luôn kiểm tra độ dày thành tối thiểu thực tế ở phần mở rộng của khuỷu được cung cấp so với độ dày tối thiểu theo thiết kế đối với áp suất vận hành của hệ thống trước khi đủ điều kiện lắp đặt phụ kiện.

Các loại vật liệu thông dụng và ứng dụng của chúng

Khuỷu tay hàn đối đầu 90 độ được sản xuất với nhiều loại vật liệu đa dạng để phù hợp với nhiệt độ, áp suất và môi trường ăn mòn của các hệ thống đường ống đa dạng. Hệ thống đặc tả vật liệu ASTM liên kết các loại vật liệu khuỷu tay với các loại vật liệu ống mà chúng được thiết kế để phù hợp, đảm bảo khả năng tương thích hóa học cho hàn và các tính chất cơ học tương tự trên mối hàn.

• ASTM A234 WPB (Thép cacbon): Vật liệu khuỷu tay hàn đối đầu được sử dụng rộng rãi nhất, phù hợp với ống ASTM A106 Cấp B và ASTM A53 Cấp B cho đường ống thép cacbon đa năng ở nhiệt độ vừa phải (lên đến khoảng 425°C / 800°F). Được sử dụng rộng rãi trong đường ống xử lý dầu khí, hệ thống phun nước, phân phối hơi nước và các dịch vụ tiện ích trong đó chất lỏng không ăn mòn thép cacbon.
• ASTM A234 WP11/WP22 (Thép hợp kim): Các loại thép hợp kim crom-molypden dành cho dịch vụ nhiệt độ cao trong đường ống hơi nước, đường ống nước cấp của nồi hơi, đường ống hydrocracking và nhà cải cách nơi cần có khả năng chống rão ở nhiệt độ trên 425°C. WP11 chứa 1,25% Cr và 0,5% Mo; WP22 chứa 2,25% Cr và 1% Mo - hàm lượng hợp kim cao hơn của WP22 mang lại độ bền rão tốt hơn cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao nhất.
• ASTM A403 WP304/WP316 (Thép không gỉ Austenitic): Khuỷu tay bằng thép không gỉ austenit tiêu chuẩn dành cho đường ống chống ăn mòn trong xử lý hóa chất, sản xuất thực phẩm và dược phẩm cũng như các ứng dụng hàng hải. WP316 bổ sung thêm 2–3% molypden so với WP304, mang lại khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở được cải thiện đáng kể trong nước biển và các dòng xử lý có chứa clorua.
• ASTM A403 WP304L / WP316L (Thép không gỉ có hàm lượng Carbon thấp): Cấp độ carbon thấp "L" hạn chế lượng carbon ở mức tối đa 0,035%, ngăn ngừa sự nhạy cảm trong quá trình hàn và loại bỏ nhu cầu xử lý nhiệt sau hàn trong đường ống thép không gỉ austenit. Cấp L là thông số kỹ thuật mặc định trong hầu hết các đường ống xử lý bằng thép không gỉ hiện nay và được yêu cầu cho dịch vụ liên quan đến việc tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài hoặc môi trường ăn mòn mạnh, nơi các ranh giới hạt nhạy cảm sẽ dễ bị tấn công giữa các hạt.
• ASTM A815 WP2205 (Thép không gỉ song công): Khuỷu tay kép bằng thép không gỉ dành cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống nứt và rỗ do ăn mòn do ứng suất clorua vượt trội so với các loại austenit tiêu chuẩn - đặc biệt là đường ống dẫn dầu và khí đốt ngoài khơi, đường ống của nhà máy khử muối và đường ống của nhà máy hóa chất xử lý dòng clorua đậm đặc. Cấu trúc vi mô austenite-ferit kép của các loại song công cung cấp cường độ chảy xấp xỉ gấp đôi so với các loại austenit tiêu chuẩn, cho phép thông số thành mỏng hơn và tiết kiệm trọng lượng trong các ứng dụng áp suất cao.

Phương pháp sản xuất và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng khuỷu tay

Khuỷu tay hàn đối đầu 90 độ được sản xuất bằng ba quy trình chính - tạo hình nóng (uốn cảm ứng nóng hoặc tạo hình đẩy nóng), tạo hình nguội và ép đùn liền mạch - với phương pháp sản xuất ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu, tính nhất quán về kích thước và trạng thái chất lượng của khớp nối hoàn thiện.

Tạo hình đẩy nóng

Tạo hình đẩy nóng là quy trình sản xuất phổ biến nhất cho các khuỷu hàn đối đầu bằng thép cacbon và hợp kim trong phạm vi NPS 1/2 đến NPS 24. Một đoạn ống liền mạch hoặc hàn được nung nóng đến nhiệt độ tạo hình (thường là 900–1.100°C đối với thép carbon), sau đó được đẩy qua một trục gá đồng thời loe ra và uốn cong phần ống thành hình dạng khuỷu tay. Quá trình này làm dày thành một cách tự nhiên ở các phần trong của ống (bán kính trong của chỗ uốn cong) và mỏng đi ở các phần ngoài, đó là lý do tại sao khuỷu tay ASME B16.9 có thành danh nghĩa dày hơn so với lịch trình đường ống phù hợp — để đảm bảo lượng tường yêu cầu tối thiểu vẫn còn ở phần ngoài sau khi hình thành. Sau khi tạo hình, các khuỷu được xử lý nhiệt (chuẩn hóa, chuẩn hóa và tôi luyện hoặc ủ dung dịch cho các loại không gỉ) để khôi phục các tính chất cơ học bị ảnh hưởng bởi quá trình tạo hình ở nhiệt độ cao và các đầu được gia công theo biên dạng góc xiên mối hàn được quy định trong ASME B16.25.

Khuỷu tay rèn liền mạch

Đối với các khuỷu tay thành nặng, áp suất cao ở kích thước nhỏ hơn - đặc biệt là NPS 1/2 đến NPS 4 trong lịch trình 80, 160 và XXS - các khuỷu tay rèn liền mạch được sản xuất từ ​​thanh rắn hoặc phôi phôi bằng cách rèn nóng và gia công tiếp theo. Khuỷu tay rèn có cấu trúc vi mô được rèn hoàn toàn không có mối hàn đường ống và mang lại khả năng lặp lại tuyệt vời về độ dày và hình dạng của thành. Chúng là loại phụ kiện tiêu chuẩn trong đường ống thủy lực, thiết bị đo đạc và đường ống dưới biển áp suất cao, nơi độ chính xác về kích thước và tính toàn vẹn của toàn bộ thành là tối quan trọng.

Yêu cầu kiểm tra, thử nghiệm và chứng nhận

Việc đảm bảo chất lượng cho mối hàn đối đầu khuỷu 90 độ được quản lý bởi tiêu chuẩn lắp đặt hiện hành (thường là ASME B16.9 đối với các phụ kiện rèn do nhà máy sản xuất) cũng như các yêu cầu kiểm tra và thử nghiệm bổ sung của thông số kỹ thuật của dự án, tiêu chuẩn của khách hàng và quy tắc thiết kế hiện hành. Việc kiểm tra và chứng nhận sau đây được yêu cầu thường xuyên đối với các khuỷu tay được sử dụng trong hệ thống đường ống và áp suất xử lý:

• Báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) theo EN 10204 Loại 3.1 hoặc 3.2: MTR ghi lại thành phần hóa học, kết quả kiểm tra cơ học (độ bền kéo, cường độ chảy, độ giãn dài, độ bền va đập khi cần thiết), điều kiện xử lý nhiệt và kết quả kiểm tra kích thước cho từng nhiệt của vật liệu được sử dụng. Chứng nhận loại 3.1 có xác nhận của đại diện chất lượng của nhà sản xuất; Loại 3.2 yêu cầu nhân chứng kiểm tra độc lập của bên thứ ba - nhân chứng kiểm tra này là tiêu chuẩn cho các ứng dụng dịch vụ quan trọng và đường ống hạt nhân.
• Kiểm tra kích thước theo ASME B16.9: Đo độ dày thành bằng thử nghiệm siêu âm (UT) tại các vị trí ngoài, trong và bên sườn xác minh rằng các yêu cầu tối thiểu về thành được đáp ứng trong suốt quá trình lắp đặt. Đường kính ngoài, kích thước từ tâm đến đầu và hình dạng góc xiên cuối được kiểm tra dựa trên bảng dung sai ASME B16.9 cho NPS và lịch trình được chỉ định.
• Nhận dạng vật liệu tích cực (PMI): Việc xác minh thành phần hợp kim bằng huỳnh quang tia X (XRF) hoặc quang phổ phát xạ quang học (OES) của thành phần hợp kim trên mỗi phụ kiện là bắt buộc đối với thép không gỉ, thép hợp kim và phụ kiện hợp kim cao trong hầu hết các dự án nhà máy xử lý, ngăn chặn việc vô tình lắp đặt phụ kiện bằng thép cacbon trong dây chuyền dịch vụ bằng hợp kim hoặc không gỉ — một sự nhầm lẫn đã gây ra nhiều sự cố đường ống thảm khốc trong ngành.
• Kiểm tra không phá hủy (NDE): Thử nghiệm thẩm thấu chất lỏng (PT) hoặc thử nghiệm hạt từ tính (MT) của bề mặt phụ kiện sẽ phát hiện các vết nứt, nếp gấp và đường nối làm vỡ bề mặt được tạo ra trong quá trình tạo hình. Có thể cần phải kiểm tra thể tích bằng thử nghiệm chụp ảnh phóng xạ (RT) hoặc thử nghiệm siêu âm đối với các phụ kiện có thành nặng trong tình trạng hoạt động quan trọng để phát hiện các khuyết tật bên trong của tường phù hợp.
• Kiểm tra áp suất thủy tĩnh: Việc kiểm tra thủy tĩnh hàng loạt các khuỷu ở mức gấp 1,5 lần áp suất làm việc định mức được yêu cầu bởi một số thông số kỹ thuật và mã thiết kế của dự án đối với các phụ kiện Loại 600 trở lên, xác minh rằng thân phụ kiện và bất kỳ mối hàn đường may nào đều kín khít dưới tải trọng áp suất duy trì.

Hướng dẫn lựa chọn thực tế: Chọn khuỷu tay hàn giáp mép 90 độ phù hợp

Việc chuyển các thông số kỹ thuật của thiết kế đường ống thành thông số kỹ thuật phù hợp chính xác đòi hỏi phải thực hiện thông qua trình tự lựa chọn hợp lý nhằm giải quyết từng điểm quyết định theo thứ tự. Danh sách kiểm tra sau đây tóm tắt các câu hỏi chính giúp xác định thông số kỹ thuật khuỷu tay 90 độ mối hàn đối đầu chính xác cho một ứng dụng nhất định:

• Kích thước và lịch trình danh nghĩa của đường ống là gì? NPS khuỷu tay và lịch trình phải khớp chính xác với đường ống kết nối. Để giảm khuỷu tay (nơi kích thước đầu vào và đầu ra khác nhau), trước tiên hãy chỉ định NPS lớn hơn, sau đó là NPS nhỏ hơn (ví dụ: NPS 6 × NPS 4).
• Có đủ không gian cho khuỷu tay bán kính dài không? Tính toán đường bao mặt đối mặt của khuỷu LR trong bố trí đường ống. Nếu không gian cho phép, luôn ưu tiên LR hơn SR để giảm áp suất giảm và chống xói mòn. Chỉ sử dụng SR khi bố cục thực sự không thể đáp ứng được kích thước LR.
• Nhiệt độ thiết kế và chất lỏng vận hành là bao nhiêu? Nhiệt độ và hóa học chất lỏng xác định loại vật liệu. WPB thép carbon bao gồm hầu hết các ứng dụng có mục đích chung đến 425°C. Trên 425°C, sử dụng thép hợp kim WP11 hoặc WP22. Đối với dịch vụ chứa nước ăn mòn, hãy chọn loại không gỉ hoặc song công thích hợp dựa trên các loại chất ăn mòn cụ thể hiện có.
• Mã thiết kế và đặc điểm kỹ thuật của dự án nào chi phối đường ống? Mỗi mã ASME B31.3, B31.1, B31.4, B31.8 và mã nước ngoài đều có các yêu cầu cụ thể về tiêu chuẩn phù hợp, mức độ kiểm tra và tài liệu. Xác nhận xem kích thước ASME B16.9 và chứng nhận EN 10204 3.1 có đủ hay không hoặc liệu thông số kỹ thuật của dự án có yêu cầu kiểm tra bổ sung về NDE, PMI hoặc bên thứ ba hay không.
• Các yêu cầu bổ sung có cần thiết không? Cần phải thử nghiệm tác động (Charpy V-Notch) đối với dịch vụ ở nhiệt độ thấp dưới -29°C. Cần phải tuân thủ vật liệu NACE MR0175 / ISO 15156 đối với dịch vụ hydrocarbon chua (có chứa H₂S). Xác nhận các yêu cầu này so với đặc điểm kỹ thuật thiết kế trước khi hoàn tất yêu cầu trưng dụng vật liệu.

Mối hàn đối đầu khuỷu 90 độ bề ngoài là một bộ phận đơn giản nhưng là một yếu tố biên áp suất tới hạn trong thực tế. Dành thời gian để xác định nó một cách đầy đủ và chính xác — đồng thời để xác minh phụ kiện được cung cấp theo tất cả các yêu cầu thông số kỹ thuật trước khi lắp đặt — bảo vệ tính toàn vẹn của hệ thống đường ống và tránh việc làm lại tốn kém hoặc các sự cố an toàn phát sinh từ các lỗi vật liệu hoặc kích thước dường như nhỏ chỉ được phát hiện sau khi hàn xong.