Saldatura di testa, saldatura a tasca e raccordi per tubi filettati

Ogni sistema di tubazioni - che trasporti gas acido a 300- bar, acqua di raffreddamento a 3 bar o acido solforico al 98% dipende dai raccordi per cambiare direzione, ramificarsi, ridurre o chiudere la linea. I tre metodi di giunzione fondamentali sono la saldatura di testa (BW), la saldatura di testa (SW) e la filettatura (THD), disciplinati da due standard ASME fondamentali: B16.9 per raccordi con saldatura di testa (NPS 1/2–48) e B16.11 per raccordi con saldatura di testa e filettati (NPS 1/8–4).

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Scegliere tra loro non è una questione di preferenza - è una decisione con conseguenze dirette sull'integrità della pressione, sul rischio di perdite, sulla resistenza alla corrosione, sull'accesso per le ispezioni, sui costi di installazione e sul carico di manutenzione a lungo-termine. Eppure si tratta di una decisione che molte specifiche di approvvigionamento delegano a una nota di una-riga: "Raccordi conformi a ASME B16.9 o B16.11." Questa guida spiega cosa significa effettivamente quella nota, in un linguaggio che tutti gli ingegneri progettisti, gli installatori di tubi, i responsabili degli approvvigionamenti e gli ispettori QA/QC possono utilizzare.

Tre tipi di raccordi in sintesi

Raccordi a saldare di testaforniscono il giunto più forte, più ispezionabile e più resistente alla corrosione-resistente - ma richiedono saldatori qualificati e NDE al 100% in molti servizi. I raccordi a saldare sono più veloci da installare ma presentano una fessura interna e non possono essere radiografati. I raccordi filettati sono i più rapidi ed economici, ma sono limitati a servizi con-diametro piccolo, bassa-pressione e non-pericolosi secondo la maggior parte dei codici di tubazione.

Standard ASME: B16.9 contro B16.11

ASME B16.9 disciplina i raccordi a saldare di testa con valori di pressione adeguati allo spessore della parete del tubo corrispondente (non un valore indipendente). ASME B16.11 disciplina i raccordi a saldare e filettati con valori nominali di pressione-temperatura indipendenti (Classe 2000/3000/6000 per filettati, 3000/6000/9000 per a saldare). L'errore più semplice nell'approvvigionamento di raccordi è ordinare un raccordo a saldare di Classe 3000 per un sistema di tubazioni Sch 80 senza verificare che Sch 80 alla temperatura di progetto abbia effettivamente una pressione nominale compresa nella Classe 3000 - i due sistemi di classificazione non sono intercambiabili.

Raccordi a saldare di testa ASME B16.9 -

• Copre raccordi saldati di testa-prodotti in fabbrica: gomiti, raccordi a T, riduttori, cappucci, estremità dei giunti-a sovrapposizione, croci - NPS da 1/2 a 48
• Lo spessore della parete del raccordo deve essere uguale o superiore allo spessore della parete del tubo corrispondente. Nessuna classe di pressione separata - il raccordo eredita la pressione nominale del tubo in base al codice delle tubazioni applicabile (ASME B31.1, B31.3, B31.4, B31.8)
• Preparazione delle estremità: estremità smussate secondo ASME B16.25 (smussatura di 37,5 gradi ± 2,5 gradi, faccia della radice 1,6 mm ± 0,8 mm) se non diversamente specificato
• Materiale: prodotto da tubo, piastra, forgiatura o barra - il materiale deve essere conforme a una specifica ASTM elencata (A234, A403, A420, B366, ecc.)
• Marcatura: nome del produttore/marchio commerciale, qualità del materiale, pianificazione/parete, dimensioni, standard "B16.9"
• Tolleranze: dimensioni dal centro-all'-estremità, angolarità e fuori-rotondità-tutte regolate dalle tabelle B16.9; fondamentale per l'adattamento-nelle bobine prefabbricate

ASME B16.11 - Raccordi filettati e a saldare

• Copre raccordi a presa forgiata-a saldare e filettati: gomiti, raccordi a T, croci, giunti, cappucci, unioni, tappi, boccole - NPS da 1/8 a 4
• Classi di pressione (saldatura di tasca): Classe 3000, 6000, 9000. Il numero di classe corrisponde approssimativamente alla massima pressione di esercizio a freddo consentita in psi per l'acciaio al carbonio (ad esempio, Classe 3000 ≈ 3.000 psi a 100 gradi F per A105 CS). I valori diminuiscono con la temperatura e con il materiale in lega - consultare B16.11 Tabelle I-1 e I-2.
• Classi di pressione (filettate): Classe 2000, 3000, 6000 - una classe inferiore a SW per la stessa dimensione a causa della concentrazione dello stress nella radice della filettatura
• Profondità socket: definita nella tabella B16.11 I-5. Lo spazio di 1,6 mm (1/16") tra l'estremità del tubo e il fondo del bicchiere è OBBLIGATORIO: non toccare il fondo del tubo. Questo spazio favorisce l'espansione termica durante la saldatura e impedisce al tubo di spingere contro il fondo del bicchiere, il che potrebbe rompere la saldatura d'angolo durante il raffreddamento.
• Materiale: forgiatura secondo le specifiche ASTM elencate (A105, A182, A350, B564, ecc.)
• Marcatura: produttore, qualità del materiale, classe di pressione, dimensione, norma "B16.11"

​​​​​​​Valutazione della pressione

Un tubo in acciaio inossidabile Sch 40S a 200 gradi (400 gradi F) ha una pressione consentita completamente diversa rispetto a un raccordo a saldare di Classe 3000 alla stessa temperatura - anche se la convenzione dice "Sch 40S ≈ Classe 3000". Controllare sempre sia la pressione nominale del tubo secondo ASME B31.3 che la pressione nominale del raccordo secondo B16.11 Tabella I-1/I-2 alla temperatura di progettazione per il grado specifico del materiale. Governa il più basso dei due.

* Valori nominali di pressione del tubo calcolati secondo ASME B31.3 para. 304.1.2 utilizzando la sollecitazione consentita per A312 TP316L a 200 gradi (S=117 MPa / 17,0 ksi). I valori effettivi dipendono dalla tolleranza alla corrosione e dalla tolleranza dello spessore della parete del produttore. Il messaggio è chiaro: per NPS 2 e inferiori, i raccordi filettati o a saldare con bicchiere B16.11 spesso limitano la MAWP del sistema prima che lo faccia il tubo - soprattutto per l'acciaio inossidabile dove la valutazione del raccordo si-decrementa più rapidamente con la temperatura rispetto all'acciaio al carbonio.

La fessura di saldatura della presa - minaccia nascosta nei sistemi in acciaio inossidabile

Lo spazio di 1,6 mm (1/16") imposto dalla ASME B16.11 tra l'estremità del tubo e il fondo del bicchiere crea un'inevitabile fessura interna in ogni giunto saldato. Nelle tubazioni in acciaio inossidabile e leghe di nichel che trasportano fluidi contenenti cloruro, acidi o biologicamente attivi, questa fessura diventa un punto di inizio della corrosione che nessuna saldatura specializzata può eliminare. È il motivo tecnico più importante che gli ingegneri specificano tra la saldatura di testa e quella del bicchiere - nonostante il costo di fabbricazione più elevato.

Il meccanismo: il fluido stagnante intrappolato nella fessura si impoverisce di ossigeno rispetto al flusso di massa. La cella di concentrazione dell'ossigeno risultante guida l'anodico interno della fessura, accelerando la dissoluzione del metallo. Nei flussi contenenti cloruro-, gli ioni cloruro migrano nella fessura per mantenere la neutralità della carica, idrolizzano in HCl e abbassano il pH della fessura a 1–2 - una classica cella di corrosione interstiziale autocatalitica.. 316È stato documentato che i giunti saldati a L nelle linee di raffreddamento dell'acqua di mare perforano la fessura della fessura entro 12-18 mesi di servizio, mentre i giunti saldati di testa nello stesso sistema hanno mostrato un attacco pari a zero.

Rischio di fessure di saldatura a tasca in base al materiale (dal peggiore al migliore):

• 316L - Rischio più alto. PREN 24–26; corrosione interstiziale a > 20 gradi in acqua di mare equivalente
• Duplex 2205 - Rischio moderato. PREN 34–36; migliore del 316L ma guasti alle fessure documentati
• 904L / 254SMO - Rischio inferiore. PREN 36–45; adeguato per la maggior parte dell'acqua di raffreddamento industriale ma non immune ai depositi
• Inconel 625 - Basso rischio. PREN Maggiore o uguale a 45; praticamente immune in acqua di mare, ma è possibile la corrosione interstiziale al di sopra di 85 gradi in cloruro acidificato
• Hastelloy C22 - Rischio estremamente basso. PREN 65–70; CCT Maggiore o uguale a 60 gradi secondo ASTM G48 Metodo C
• Hastelloy C276 - Rischio molto basso. Simile a C22; CCT Maggiore o uguale a 55 gradi

NDE e ispezione: lo spettacolo della radiografia

Se il codice delle tubazioni richiede un certo livello di esame radiografico (RT), le saldature a bicchiere e i giunti filettati sono esclusi dall'ambito RT - e per molti servizi critici, questa esclusione è il motivo per cui i raccordi con saldatura di testa sono specificati esclusivamente. I giunti saldati a bicchiere possono essere esaminati solo mediante metodi superficiali (MT/PT) e ispezione visiva, che non forniscono informazioni sulla solidità interna della saldatura. I giunti filettati non hanno saldature da ispezionare.

Requisiti ASME B31.3 RT - Quando BW diventa obbligatorio:

Servizio con fluidi di categoria M (letale/tossico): richiesto 100% RT delle saldature di testa circonferenziali (B31.3 par. 341.4.2). Le saldature a tasca sono generalmente vietate nel servizio di categoria M.

Servizio con fluidi ad alta-pressione (B31.3 Capitolo IX, > ASME Classe 2500 equivalente): 100% RT o UT di tutte le saldature di testa; le saldature di presa sono limitate e richiedono una qualificazione speciale.

Servizio fluido normale - RT casuale: B31.3 para. 341.4.1 specifica un RT casuale minimo del 5% per le saldature di testa circonferenziali. Saldature a tasca: solo MT/PT + VT.

Cyclic service (>7.000 cicli): B31.3 para. 304.7.2 impone effettivamente BW per la durata a fatica - le punte dei raccordi con saldatura a tasca sono siti di innesco di cricche da fatica.

Condizioni cicliche gravi (definizione B31.3 para. 300.2): le saldature a tasca sono generalmente vietate a meno che il profilo del raccordo non sia levigato e ispezionato PT-.

Raccordi filettati - Quando utilizzare, quando eseguire

Conclusione: i raccordi filettati hanno esattamente un'applicazione difendibile nelle moderne tubazioni industriali: piccoli-diametri (inferiori o uguali a NPS 2), non-pericolosi, a bassa-pressione (inferiori o uguali alla Classe 300), servizi di pubblica utilità a-temperatura ambiente in cui il costo di un saldatore e di NDE è ingiustificabile - aria compressa, acqua di raffreddamento, tubi dell'aria strumentale e drenaggio. Per ogni altro servizio, i codici, gli assicuratori e la lezione dell'esperienza accumulata negli stabilimenti dicono: non infilare.

Perché i raccordi filettati falliscono

Concentrazione della sollecitazione nella radice della filettatura: la radice della filettatura NPT a forma di V- crea un fattore di concentrazione della sollecitazione (Kt) di 3–5, a seconda della geometria e del materiale della filettatura. Sotto pressione ciclica o carico termico, le cricche da fatica iniziano alla radice della filettatura e si propagano attraverso la-parete.

Grippaggio della filettatura nell'acciaio inossidabile: gli acciai inossidabili austenitici (304, 316) sono noti per il grippaggio - della saldatura a freddo tra le superfici filettate combacianti sottoposte a coppia di serraggio. Un raccordo usurato non può essere smontato e spesso si grippa a metà del montaggio, richiedendo il taglio e la sostituzione dell'intero nipplo del tubo. Le leghe di nichel sono anche peggiori: Alloy 20, Monel 400 e Inconel 625 si comportano gravemente a meno che i composti anti-grippanti (mai grafite sull'acciaio inossidabile!) vengano applicati meticolosamente.

Corrosione interstiziale alle radici della filettatura: è impossibile sigillare completamente la fessura a spirale del profilo della filettatura NPT - Il nastro e la pasta in PTFE riducono ma non eliminano lo spazio. Nel servizio con cloruro, la vaiolatura della radice del filo è la modalità di guasto dominante.

Degrado del sigillante con la temperatura: il nastro in PTFE è classificato per 260 gradi (500 gradi F), ma perde l'efficacia di tenuta a temperature cicliche a causa del rilassamento da scorrimento. I sigillanti in pasta hanno una compatibilità chimica variabile - il sigillante che funziona con l'acqua può dissolversi istantaneamente nel solvente del processo.

Allentamento dovuto alle vibrazioni: i giunti filettati nei collegamenti di apparecchiature rotanti (pompe, compressori) si allentano sotto le vibrazioni a meno che non siano -cablati o fissati-saldati dopo l'assemblaggio - a quel punto hai effettivamente pagato i costi dei raccordi sia filettati che saldati.

Confronto dei costi - iniziale rispetto al ciclo di vita

Conclusione: i raccordi filettati hanno il costo di installazione iniziale più basso. I raccordi con saldatura di testa hanno il costo totale di proprietà su 20 anni più basso in qualsiasi servizio in cui perdite, corrosione o tempi di fermo abbiano conseguenze finanziarie. Il punto di crossover dei costi si sposta prima (a favore della saldatura di testa) man mano che aumentano le dimensioni del tubo, la pressione, la temperatura o la classificazione del pericolo.

Nota: il TCO dipende dallo scenario-. Il grafico presuppone un servizio chimico/idrico industriale con arresti periodici. Nel servizio idrico pulito, a temperatura ambiente e a bassa-pressione, i raccordi filettati possono essere i più economici in base al ciclo di vita. In qualsiasi servizio con conseguenze di perdite (H₂S, HF, acido, vapore ad alta-pressione, fluidi infiammabili), il BW prevale dopo il primo incidente evitato.

Specifiche dell'acciaio inossidabile e delle leghe di nichel

Conclusione: quando il materiale del raccordo è acciaio inossidabile o lega di nichel (non acciaio al carbonio), il caso della saldatura di testa diventa più forte - e il caso del raccordo filettato più debole - a causa di tre problemi specifici della lega-: (1) grippaggio durante l'assemblaggio della filettatura, (2) rischio di sensibilizzazione nella zona HAZ di saldatura di tasca senza decapaggio post-saldatura e (3) depotenziamento più elevato dei valori nominali di pressione del raccordo B16.11 a temperature elevate per le leghe austenitiche rispetto agli acciai al carbonio.

Materiale-Requisiti di saldatura specifici per saldature a tasca

Domande frequenti

Saldatura di testa (ASME B16.9): saldatura con scanalatura a piena-penetrazione alle estremità del tubo -più resistente, completamente radiografabile, senza fessure-. Saldatura a bicchiere (ASME B16.11): il tubo si inserisce nel bicchiere, il raccordo-saldato al mozzo - è più veloce, più economico, ma ha una fessura interna e non può essere sottoposto a RT. Filettato (ASME B16.11): si avvita su filettature di tubi NPT - più velocemente, senza saldature, ma con pressione nominale più bassa, rischio di perdite più elevato e limitato dalla maggior parte dei codici di tubazione per servizi pericolosi.

Quando devo utilizzare raccordi con saldatura di testa anziché con saldatura a tasca?

Utilizzare la saldatura di testa quando si applica una delle seguenti condizioni: (1) dimensione del tubo > NPS 2, (2) pressione superiore all'equivalente Classe 3000, (3) il codice richiede un esame radiografico, (4) il servizio è letale/tossico/ciclico, (5) temperatura > 425 gradi (800 gradi F), (6) l'interno privo di fessure- è essenziale (corrosione, CIP/SIP, purezza del prodotto) o (7) le specifiche della tubazione vietano esplicitamente le saldature a bicchiere - come fanno molte specifiche EPC per i servizi chimici, offshore e ad alta-pressione.

Sono consentiti raccordi filettati nel servizio di gas ad alta-pressione?

In generale no. ASME B31.3 proibisce giunti filettati in servizio con fluidi di categoria M (letali/tossici) e la maggior parte delle specifiche EPC/proprietario vietano la filettatura superiore alla Classe 300 per gas infiammabili o servizio H₂S a meno che le filettature non siano saldate a tenuta-dopo l'assemblaggio. Anche con una saldatura a tenuta, i raccordi filettati sono limitati a NPS 2 e inferiori. Per il gas ad alta-pressione, la saldatura di testa è lo standard; la saldatura a bicchiere è accettabile solo in applicazioni specifiche non-cicliche, non-letali Inferiore o uguale a NPS 2.

Qual è il problema delle fessure con i raccordi a saldare?

Ogni giunto saldato a bicchiere presenta uno spazio obbligatorio di 1,6 mm tra l'estremità del tubo e il fondo del bicchiere (richiesto da ASME B16.11 per l'espansione termica durante la saldatura). Questo spazio crea una fessura intrappolata in cui il fluido di processo stagnante può concentrare specie corrosive, avviare vaiolature, corrosione interstiziale o corrosione influenzata microbiologicamente (MIC). Nelle tubazioni in acciaio inossidabile e leghe di nichel, questa fessura è il motivo più comune per cui gli ingegneri richiedono la saldatura di testa nonostante i costi di fabbricazione più elevati. La fessura è inerente al design della saldatura della tasca - non può essere eliminata con una migliore tecnica di saldatura.

È possibile radiografare i raccordi a saldare?

No. La geometria della saldatura d'angolo di un giunto saldato a tasca non consente un'interpretazione radiografica significativa. ASME B31.3 specifica i criteri di accettazione RT per le saldature di testa (Tabella 341.3.2) ma non fornisce criteri RT per i raccordi di saldatura a bicchiere. L'ispezione delle saldature di presa è limitata ai liquidi penetranti (PT), alle particelle magnetiche (MT, per l'acciaio al carbonio) e all'esame visivo. Se il tuo codice richiede RT, i tuoi raccordi devono essere saldati di testa.

Come posso determinare la pressione nominale di un raccordo a saldare di testa?

Un raccordo con saldatura di testa non ha un rating di pressione indipendente - eredita il rating del tubo corrispondente. Calcolare il MAWP del tubo secondo ASME B31.3 para. 304.1.2 utilizzando la sollecitazione ammissibile del materiale del tubo alla temperatura di progettazione, lo spessore minimo della parete specificato (che rappresenta il 12,5% di tolleranza di laminazione) e la tolleranza alla corrosione. Il raccordo, se lo spessore della sua parete è uguale o superiore a quello del tubo, è idoneo alla stessa pressione. Per i raccordi filettati e a saldare, consultare le tabelle ASME B16.11 I-1 (SW) e I-2 (THD) per il grado specifico del materiale e la temperatura di progettazione: il valore più basso tra il valore nominale del tubo e il valore nominale del raccordo regola il sistema MAWP.

Quale tipo di raccordo costa meno?

I raccordi filettati hanno il costo di installazione per-giunto più basso ($ 23-40 per NPS 2 316L) perché non sono previste saldature o NDE. La saldatura a presa è intermedia ($ 29-49). La saldatura di testa è la più alta ($ 48-78). Tuttavia, il costo del ciclo di vita racconta una storia diversa: per qualsiasi servizio industriale con conseguenze di perdite, l'affidabilità pari a zero-perdite della saldatura di testa lo rende in genere il più economico su una base TCO ventennale. I raccordi filettati, sebbene più economici da installare, spesso diventano i più costosi dopo i primi due arresti non programmati per la riparazione delle perdite di filettatura.

Posso saldare un raccordo filettato per convertirlo in un giunto di testa-?

No - e questa è una pratica pericolosa. I raccordi filettati hanno una parete del corpo più sottile alla radice della filettatura (per progettazione, per accogliere il profilo della filettatura). La saldatura dell'estremità filettata per creare un "giunto di testa" non produce una saldatura di testa conforme al codice- perché il raccordo non è stato progettato o testato come raccordo con saldatura di testa. Se è necessario un giunto saldato di testa, acquistare un raccordo a saldare di testa (B16.9). La saldatura a tenuta- dei raccordi filettati (una saldatura a tenuta d'angolo sull'interfaccia dado/tubo dopo l'assemblaggio) è consentita da molti codici per prevenire perdite di filettatura, ma non modifica la classe di pressione del raccordo né lo rende equivalente a un raccordo a saldare.

Quali tipi di raccordi fornisce JN Alloy?

JN Alloy fornisce tutti e tre i tipi di raccordi in acciaio inossidabile e leghe di nichel: (1) raccordi con saldatura di testa conformi a ASME B16.9 / ASTM A403 / B366 - gomiti, raccordi a T, riduttori, cappucci, terminali, croci in NPS 1/2–24; (2) raccordi a saldare conformi a ASME B16.11 - gomiti, raccordi a T, giunti, cappucci, unioni in NPS 1/8–4, Classe 3000/6000; (3) raccordi filettati conformi a ASME B16.11 - stessa gamma, Classe 3000/6000. Tutti con EN 10204 3.1 MTR di serie; 3.2 con disponibilità di un testimone-di terze parti. ContattoMarket@jnalloy.comper un preventivo.