Saldatura tubo-a-piastra tubiera negli scambiatori di calore: qualifica e difetti comuni

Questa guida spiega come l'ASME Sezione IX qualifica la saldatura da tubo-a-piastra tubiera, quali codici di costruzione rendono obbligatoria tale qualifica e le modalità specifiche dei difetti che ispettori e produttori devono controllare per evitare costose rilavorazioni.

Perché la saldatura di tubi-a-piastra tubiera richiede una qualificazione separata dalle saldature di scanalature?

I giunti tra tubo-e-piastra tubiera richiedono una qualificazione dedicata poiché la loro geometria, accesso e modalità di guasto differiscono sostanzialmente da una saldatura con scanalatura standard e un saldatore o una procedura qualificata su un coupon con scanalatura piatta non è automaticamente dimostrato in grado di produrre un giunto solido e a tenuta di perdite-in questa configurazione.

Un provino di prova della saldatura della scanalatura viene saldato in condizioni aperte e senza ostacoli con pieno accesso a entrambi i lati del giunto. Un giunto tra tubo-e-piastra tubiera viene saldato in uno spazio anulare strettamente delimitato tra la parete del tubo e il foro praticato sulla piastra tubiera, spesso con fori adiacenti per il tubo a soli pochi millimetri di distanza e con accesso solo da un lato. La parete del tubo stessa è sottile - spesso inferiore a 3 mm - rendendola altamente suscettibile alla combustione-, mentre la piastra tubiera è un blocco spesso che agisce come un grande dissipatore di calore, creando una distribuzione irregolare del calore attraverso il giunto.

Queste condizioni creano modalità di difetto - burn-through, mancanza di fusione alla radice del giunto e percorso minimo di perdita insufficiente - che semplicemente non si verificano nella saldatura con scanalatura aperta, motivo per cui la sezione IX dell'ASME considera la saldatura da tubo-a-piastra tubiera come una categoria di qualificazione a sé stante invece di ripiegarla in regole di saldatura standard per scanalature o raccordi.

Quali sono i due percorsi di qualificazione secondo la sezione IX dell'ASME?

L'ASME Sezione IX offre due percorsi distinti per qualificare le procedure e i saldatori di saldatura di tubi-a-piastra tubiera: un modello dimostrativo secondo QW-193 o un test di saldatura convenzionale di scanalature o raccordi secondo QW-202, con il codice di costruzione applicabile che determina quale percorso è obbligatorio.

Confronto dei percorsi di qualificazione

Secondo ASME Sezione IX QW-202.6 e Sezione VIII Divisione 1 UW-28(b)/UW-29 (edizione 2021); Divisione 2 para. 6.3.4. Le variabili essenziali per la qualificazione della procedura sono fornite nella QW-288; Le variabili essenziali per la qualificazione delle prestazioni del saldatore e dell'operatore di saldatura sono fornite in QW-387 e QW-388. Conferma sempre i requisiti dell'edizione corrente ed eventuali sostituzioni specifiche del cliente prima di selezionare un percorso di qualificazione.

Entrambe le tabelle delle variabili-essenziale si applicano in combinazione con le tabelle dei processi-di saldatura di base. Ad esempio, una procedura GTAW da tubo-a-scheda tubiera deve soddisfare sia le variabili GTAW standard nella tabella QW-256 sia le variabili specifiche da tubo-a-scheda tubiera nella tabella QW-288.1, che coprono elementi quali diametro esterno del tubo, intervallo di spessore della piastra tubiera, condizione del foro del tubo e progettazione del giunto.

Quante saldature mockup sono necessarie e cosa devono superare?

Quando viene utilizzato il percorso del mockup QW-193, è necessario produrre un minimo di cinque saldature e ognuna di esse deve superare l'esame visivo, il test con liquidi penetranti e l'esame delle macro-sezioni - una singola saldatura fallita invalida l'intero mockup e richiede una nuova saldatura completa, non una riparazione puntuale.

Esame visivo (QW-193.1.1): eseguito senza ingrandimento, controllando la fusione completa, la combustione, la porosità e la fessurazione.

Esame con liquidi penetranti (QW-193.1.2): eseguito secondo ASME Sezione V, Articolo 6, da personale qualificato, per rilevare discontinuità superficiali non visibili ad occhio nudo.

Esame della macro-sezione (QW-193.1.3): il modello viene sezionato attraverso il suo diametro per esporre quattro superfici, quindi esaminato con un ingrandimento da 10x a 20x per verificare la fusione completa, l'assenza di fessurazioni e, - in modo critico, che il percorso minimo della perdita soddisfi i requisiti di progettazione.

L'assemblaggio del modello stesso deve essenzialmente riprodurre la configurazione del foro del tubo e il progetto del giunto che verranno utilizzati nella produzione, entro i limiti delle variabili essenziali QW-288, ovvero il diametro del tubo, lo spessore della piastra tubiera e la geometria del giunto devono essere tutti rappresentativi dell'effettivo scambiatore di calore in costruzione, non di un semplice pezzo di prova.

Sezione VIII Divisione 1 vs Divisione 2: quando è obbligatorio il QW-193?

La Sezione VIII Divisione 2 dell'ASME rende obbligatorio il modello QW-193 per la qualificazione della procedura di saldatura tubo-piastra tubiera, mentre la Sezione VIII Divisione 1 lo lascia come opzione del produttore e questa distinzione è uno dei punti più consequenziali e più frequentemente fraintesi nella pianificazione della fabbricazione dello scambiatore di calore.

Secondo ASME Sezione VIII Divisione 1 UW-28/UW-29 (edizione 2021 in poi), Sezione VIII Divisione 2 para. 6.3.4 e Sezione I PFT-12. Le specifiche tecniche del cliente impongono spesso la QW-193 anche laddove il codice base non lo richiede: controllare sempre l'ordine di acquisto e le specifiche di saldatura del progetto prima di finalizzare il piano di qualificazione.

Quali sono i difetti più comuni nelle saldature tra tubi-e-piastra tubiera?

I difetti che più spesso compromettono i giunti tra tubo-e-piastra tubiera sono la mancanza di fusione all'interfaccia tra tubo-e-piastra tubiera, bruciatura della parete del tubo--, percorso minimo di perdita insufficiente, porosità e fessurazione-della zona-interessata dal calore - e poiché ciascun giunto del tubo è saldato individualmente a mano o con una testa orbitale, la percentuale di difetti tende ad aumentare con la fatica, adattamento incoerente del giunto-e preparazione inadeguata della superficie su un numero elevato di tubi.

Modalità di guasto e metodi di rilevamento conformi ai requisiti ASME Sezione IX QW-193.1 e all'esperienza sul campo nel settore sulla fabbricazione e riparazione di scambiatori di calore a fascio tubiero-.

L'esperienza sul campo nelle applicazioni di recupero, raffinazione e raffreddamento di processo dello zolfo mostra che le perdite ricorrenti dal tubo-alla-piastra tubiera spesso sono riconducibili alla mancanza di penetrazione e alla mancanza di fusione introdotte durante la fabbricazione originale - difetti che sono difficili da rilevare con la sola NDE di produzione e che tendono a rivelarsi solo dopo ripetuti cicli termici che causano la propagazione delle crepe dalla radice non fusa.

Come viene verificato il percorso minimo di perdita (MLP) e perché è importante?

Il percorso di perdita minimo è la distanza più breve, in qualsiasi direzione, dalla radice della saldatura del tubo-alla-piastra tubiera fino alla superficie libera più vicina, ed è importante perché è la dimensione che determina se un giunto saldato resistente-può effettivamente contenere la pressione e prevenire la-contaminazione trasversale - un MLP sottodimensionato può superare un controllo visivo superficiale pur non rispettando le basi di progettazione del giunto.

L'MLP viene verificato sezionando il modello di qualificazione attraverso il suo diametro, esponendo la sezione trasversale della saldatura-e misurando il percorso fuso con un ingrandimento da 10x a 20x rispetto al minimo calcolato dalla base di progettazione.

Il valore MLP massimo accreditato è limitato allo spessore della parete del tubo, indipendentemente dalla quantità di metallo di saldatura aggiuntivo depositato oltre tale dimensione.

I graffi longitudinali sulla superficie esterna del tubo o sul foro della piastra tubiera vengono trattati come un rischio maggiore durante la valutazione del modello, poiché un graffio che corre parallelo al giunto può creare un percorso di perdita che aggira completamente la zona di fusione della saldatura.

Poiché l'MLP può essere confermato solo in modo distruttivo - aprendo un modello rappresentativo -, viene verificato durante la qualificazione della procedura anziché su ogni giunto di produzione. Questo è esattamente il motivo per cui un controllo del processo disciplinato e ripetibile durante la saldatura di produzione è così importante: una volta che una WPS è qualificata con un MLP dimostrato, le saldature di produzione devono essere eseguite all'interno dello stesso involucro variabile essenziale-per rimanere valide.

Quali metodi di ispezione rilevano i difetti del tubo-a-della scheda tubi prima dell'avvio?

Una sequenza di ispezione a più livelli - esame visivo, test con liquidi penetranti e test di tenuta con elio - rileva la grande maggioranza dei difetti tra tubi-e-piastra tubiera prima che un fascio di scambiatori di calore venga chiuso e messo in servizio, con il test di tenuta con elio che offre la massima sensibilità per le perdite attraverso-parete rispetto a qualsiasi metodo comunemente applicato a questo tipo di giunto.

L'esame visivo viene eseguito su ogni saldatura di produzione come screening di primo-passaggio per bruciatura-through, fusione incompleta e porosità superficiale.

Il test con liquidi penetranti, eseguito in conformità all'Articolo 6 della Sezione V dell'ASME, rileva crepe e porosità superficiali-non visibili a occhio nudo e viene generalmente applicato sia alla radice che alla passata finale.

Il test di tenuta dell'elio pressurizza lo scambiatore con 5-10 psi di elio e utilizza uno spettrometro di massa per rilevare tassi di perdita molto inferiori a quelli che un test idrostatico può risolvere, perché l'atomo di elio è abbastanza piccolo da passare attraverso discontinuità che non farebbero passare l'acqua. Questo test viene normalmente eseguito dopo la saldatura di tutte le estremità del tubo- ma prima dell'espansione del tubo, in modo che venga valutata solo la saldatura - e non l'espansione meccanica -.

Non esiste un unico metodo in grado di individuare ogni modalità di difetto: i test visivi e con liquidi penetranti sono efficaci per le discontinuità connesse alla superficie-, ma la mancanza di fusione nel sottosuolo o un MLP sottodimensionato possono essere confermati solo da un macrosezionamento distruttivo-durante la qualificazione. Questo è il motivo per cui i test di qualificazione e le NDE di produzione sono complementari anziché ridondanti. - La qualifica dimostra che la procedura è in grado di produrre un giunto sano e la NDE di produzione conferma che la capacità è stata eseguita in modo coerente su tutto il conteggio dei tubi.

Perché il rigore della qualificazione è più importante per i giunti-a-piastra tubiera rispetto alle saldature di tubazioni ordinarie?

Il rigore nella qualificazione del tubo-alla-piastra tubiera è più importante che per le saldature di tubazioni ordinarie perché un singolo difetto sistematico scoperto dopo la fabbricazione può richiedere la ri-tubazione di un intero fascio e poiché ogni scambiatore può contenere centinaia o migliaia di singoli giunti saldati con la stessa procedura - il che significa che una WPS marginale o un saldatore poco-addestrato non produce una saldatura difettosa, ma ne produce molte.

Un difetto di saldatura della circonferenza della tubazione è in genere una riparazione isolata. Una modalità di difetto da tubo-a-piastra tubiera determinata da una procedura errata o da una tecnica non qualificata, al contrario, è sistemica: se la progettazione del giunto, l'apporto di calore o la fase di preparazione della superficie che ha causato un guasto sono stati applicati in modo coerente su tutto il fascio, ogni giunto saldato in tali condizioni è sospetto.

Investire in un WPS adeguatamente qualificato, in saldatori adeguatamente addestrati e testati e in una sequenza disciplinata di ispezione della produzione è la strada dai costi più bassi- con un ampio margine rispetto allo scoprire - dopo l'avvio o, peggio, dopo diversi anni di cicli termici in servizio - che una grande frazione di un fascio tubiero deve essere sostituita.

Domande frequenti

Q: ASME Sezione VIII Divisione 1 richiede la qualifica di mockup QW-193 per le saldature tubo-piastra tubiera?

A: No. La Divisione 1 lascia QW-193 come opzione del produttore; un test di saldatura della scanalatura secondo QW-202.2 e QW-202.4 è un'alternativa accettata a meno che le specifiche tecniche del cliente non richiedano il percorso di simulazione.

Q: Quanti tubi devono essere saldati e testati per qualificare una procedura da tubo-a-piastra tubiera tramite mockup?

A: È necessario produrre un minimo di cinque saldature di prova e tutte e cinque devono superare l'esame visivo, con liquidi penetranti e di macro-sezione secondo QW-193.2. Qualsiasi singolo guasto invalida l'intero modello, richiedendo una risaldatura completa.

Q: Cos'è il percorso minimo di perdita e perché è limitato allo spessore della parete del tubo?

A: Il percorso di perdita minimo è la distanza fusa più breve dalla radice della saldatura alla superficie libera più vicina. È limitato allo spessore della parete del tubo perché questo è il limite fisico della sezione trasversale-a tenuta di-perdite del giunto, indipendentemente dalla quantità di metallo di saldatura aggiuntivo depositato.

Q: Un saldatore qualificato su un coupon di saldatura scanalata può saldare giunti tra tubi-a-piastra tubiera con un modello WPS qualificato dal modello QW-193?

A: Sì, quando il codice di costruzione applicabile non richiede di per sé QW-193 per la qualificazione delle prestazioni. La qualificazione delle procedure e la qualificazione delle prestazioni sono trattate come requisiti reciprocamente esclusivi ai sensi della Sezione IX dell'ASME.

Q: Perché il test di tenuta con elio è preferito rispetto al test idrostatico per le saldature tra tubi-a-piastra tubiera?

A: Le piccole dimensioni atomiche dell'elio gli consentono di passare attraverso discontinuità che un test idrostatico (acqua) non rileverebbe, conferendo al test delle perdite di elio una sensibilità significativamente più elevata per identificare i giunti marginali o parzialmente fusi del tubo-alla-piastra tubiera prima dell'avvio.