Rückspültechniken für die Berechnung der Gasdurchflussrate beim Schweißen von Edelstahlrohren

Eine nicht gereinigte Schweißwurzel an Rohren aus Edelstahl oder Nickellegierung ist eine der häufigsten - und teuersten - Ursachen für Ausschuss im Feld. Wenn das Innere einer Verbindung beim Schweißen Luft ausgesetzt wird, reagieren Sauerstoff und Stickstoff mit dem heißen, chromreichen Metall und entfernen die dünne Oxidschicht, die der Legierung ihre Korrosionsbeständigkeit verleiht.

Das Ergebnis ist eine raue, verfärbte, häufig abblätternde Schicht, die als „Zuckerbildung“ bezeichnet wird, und eine Verbindung, die den Hydrotest, PMI oder die Korrosionsprüfung nicht besteht. Durch die Rückspülung wird dies verhindert, indem das Rohrinnere vor und während des Schweißens mit Inertgas geflutet wird. Die richtige Vorgehensweise hängt jedoch von der Wahl der richtigen Methode und der Berechnung einer Durchflussrate und Spülzeit ab, die das Rohr tatsächlich von Luft befreit, ohne Turbulenzen zu verursachen. Dieser Leitfaden vergleicht die wichtigsten Rückspültechniken, die bei der Herstellung von Rohren aus Edelstahl und Nickellegierungen zum Einsatz kommen, und erläutert die Volumenaustauschberechnungen, die zur korrekten Bemessung der Spüldurchflussraten verwendet werden.

Was ist Rückspülen und warum ist es für das Schweißen von Edelstahlrohren wichtig?

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) und ähnliche Prozesse schützen die Oberseite des Schweißbades mit einem Brennergas, die Unterseite einer offenen -Wurzelverbindung ist jedoch der Atmosphäre im Rohrinneren ausgesetzt. Austenitische Edelstähle (304/316), Duplex- und Super-Duplex-Stähle sowie Nickellegierungen wie Inconel 625 und Hastelloy C276 sind alle auf einen dünnen, selbstheilenden Chromoxidfilm für die Korrosionsbeständigkeit angewiesen. Bei Schweißtemperaturen wird dieser Film zerstört, und wenn Sauerstoff und Stickstoff im Inneren des Rohrs vorhanden sind, bildet sich an der Wurzel eine neue, fehlerhafte Oxidschicht - sichtbar als strohige, blaue oder schwarz-graue Verfärbung und in schweren Fällen als spröde, schuppige „zuckernde“ Oberfläche.

Gezuckerte Wurzeln verringern die Korrosionsbeständigkeit genau an der Stelle, die der Prozessflüssigkeit am stärksten ausgesetzt ist, und sie erzeugen Spannungsanstiege, die bei zyklischem oder korrosivem Betrieb Risse auslösen können. Aus diesem Grund ist das Rückspülen ein obligatorischer Schritt - und keine optionale Verfeinerung - für jede durch Vorschriften-geregelte Schweißnaht von rostfreien oder Nickellegierungsrohren, und warum Herstellungsspezifikationen und Prüfkriterien wie die AWS D18.2-Verfärbungsreferenztabelle, ASME BPE für hochreine Systeme und NACE MR0175/ISO 15156 für saure Anwendungen alle auf akzeptable Wurzeloxidationsniveaus verweisen.

Welche Rückspülmethode sollten Sie -Staudammspülung oder kontinuierliche Durchfluss-Durchspülung verwenden?

Durch die Dammspülung wird ein kleines Volumen um die Verbindung herum mithilfe abnehmbarer Dämme isoliert, die auf beiden Seiten der Schweißnaht im Rohr angebracht werden, sodass nur dieser begrenzte Abschnitt gespült werden muss -, was die Spülzeit verkürzt und den Gasverbrauch im Vergleich zum Spülen einer gesamten Spule erheblich reduziert. Beim Flow-Through-Spülen hingegen wird das gesamte Rohr oder die gefertigte Baugruppe als ein Spülvolumen behandelt, wobei an einem Ende Gas zugeführt und verdrängte Luft am anderen Ende abgelassen wird. Es sind keine Dämme erforderlich, aber es dauert länger und verbraucht mehr Gas, wenn die Rohrlänge oder die Komplexität zunimmt. Eine dritte Variante, die Kammer- oder Zeltspülung, umschließt den Verbindungsbereich (oder ein gesamtes Fitting, Winkelstück oder T-Stück) in einem flexiblen Gehäuse und wird typischerweise dort eingesetzt, wo Dämme nicht positioniert werden können, wie etwa bei komplexen Abzweigverbindungen.

Bei der Auswahl kommt es im Allgemeinen auf die Geometrie und die Wiederholbarkeit an: Die Fertigung von Spools in der Werkstatt mit vielen kurzen Verbindungen begünstigt Dämme aus Geschwindigkeitsgründen, während Cross-{0}}Pipeline-Anbindungen-und Orbitalrohr--an-{3}Rohr-Schweißnähte typischerweise eine Durchflussspülung-verwenden, da es keine praktische Möglichkeit zum Einfügen von Dämmen gibt.

Wie berechnet man die Spülgasdurchflussrate für einen bestimmten Rohrdurchmesser?

Ausgangspunkt ist das Innenvolumen des zu reinigenden Abschnitts:

V=π × (ID / 2)² × L

Dabei ist ID der Innendurchmesser des Rohrs und L die Länge der Spülzone (der Abstand zwischen Dämmen oder die gesamte Spulenlänge für den Durchfluss-durch die Spülung). Sobald das Volumen bekannt ist, ergibt sich die erforderliche Durchflussrate direkt aus der Zielspülzeit und der Anzahl der Volumenaustausche, die zum Erreichen eines sicheren Sauerstoffgehalts erforderlich sind:

Q = (V × N) / t

Q ist die Durchflussrate, V ist das Volumen der Spülzone, N ist die Anzahl der Vollvolumenaustausche (üblicherweise 4–10, wird im nächsten Abschnitt besprochen) und t ist die angestrebte Spülzeit. Arbeitsbeispiel: Ein 6-Zoll-Rohr nach Schedule 40 hat einen Innendurchmesser von etwa 154 mm. Über einen 3 Meter langen Stauabschnitt beträgt das Spülvolumen V=π × (0,077 m)² × 3 m ≈ 0,056 m³, also etwa 56 Liter. Um 6 volle Volumenaustausche innerhalb einer 8-minütigen Spülung zu erreichen, beträgt die erforderliche Durchflussrate Q=(56 l × 6) / 8 min ≈ 42 l/min.

In der Praxis verwenden die meisten Verfahren einen zweistufigen Durchfluss: eine höhere anfängliche Durchflussrate, um den Großteil der Luft schnell auszuspülen, gefolgt von einem viel geringeren „Rückhalte“-Durchfluss -, oft nur 5–15 l/min für Rohre mit kleinem{4}}Durchmesser -, der während des Schweißens aufrechterhalten wird, um einen leichten Überdruck aufrechtzuerhalten, ohne die bereits-entlüftete Atmosphäre zu stören. Die Durchflussrate sollte niemals so hoch sein, dass die Gasgeschwindigkeit turbulent wird. Turbulenzen re-reißen die Luft mit, die durch die Spülung entfernt werden soll, und können auch Dämme sprengen. Daher zielen die Verfahren in der Regel auf eine niedrige, gleichmäßige Geschwindigkeit und nicht auf die schnellstmögliche Füllung ab.

Wie viele Rohrvolumenwechsel sind erforderlich, um einen sicheren Sauerstoffgehalt zu erreichen?

Beim Verdrängen von Luft aus einem Rohr handelt es sich nicht um einen Eins---Eins-Austausch -. Das einströmende Spülgas vermischt sich mit der verbleibenden Luft nahe der Vorderseite der Strömung, sodass jeder zusätzliche Volumenaustausch einen zunehmend kleineren Anteil des verbleibenden Sauerstoffs entfernt. Aus diesem Grund sinkt die Sauerstoffkonzentration während der ersten paar Austausche schnell und dann viel langsamer, und die einfache Berechnung einer Spülzeit aus Volumen und Durchfluss ist kein Ersatz für die Bestätigung des tatsächlichen Sauerstoffgehalts mit einem kalibrierten Sauerstoffanalysator an der Entlüftungsöffnung oder Schweißnahtwurzel, bevor der Lichtbogen gezündet wird.

Bei diesen Zahlen handelt es sich um repräsentative Werte, die nicht garantiert werden können. - Toträume, Ventile, Probenahmeanschlüsse und schlechte Dammdichtungen verringern alle die reale{1}Reinigungseffizienz im Vergleich zum theoretischen Verdünnungsmodell. Genau aus diesem Grund ist die Sauerstoffüberwachung und nicht nur die Austauschzahl allein die Grundlage für Entscheidungen über die Freigabe-zu-Schweißnähten bei korrosionskritischen Arbeiten-.

Welchen Sauerstoffgehalt sollten Sie vor dem Zünden des Lichtbogens anstreben, nach Legierungsfamilie?

Die AWS D18.2-Verfärbungsreferenztabelle korreliert die sichtbare Oxidfarbe auf der Wurzelseite mit der ungefähren Sauerstoffkonzentration und wird häufig als praktische Feldprüfung verwendet: Eine helle, silberne oder helle Strohwurzel entspricht im Allgemeinen einer gut gereinigten Verbindung, während eine blaue, violette, graue oder schwarze Färbung auf einen Sauerstoffgehalt hinweist, der hoch genug ist, um die Oberfläche bereits abgebaut zu haben.

Duplex- und Super-Duplex-Stähle erfordern eine etwas strengere Sauerstoffgrenze als standardmäßiger austenitischer Edelstahl, nicht nur um Verfärbungen zu vermeiden, sondern auch, weil überschüssiger Sauerstoff an der Wurzel das Ferrit-{0}}Austenit-Gleichgewicht und die Stickstoffretention stören kann, die Duplex-Stählen ihre Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verleihen. Nickellegierungen mit ihrem höheren Chrom- und Molybdängehalt sind ähnlich empfindlich, und hoch{2}reine Systeme, die nach ASME BPE gebaut sind, stellen zusätzlich zum Sauerstoffgrenzwert eine Anforderung an die Hochglanzoberfläche dar.

Argon vs. Stickstoff vs. Argon-Wasserstoff

Argon ist völlig inert, dichter als Luft (was dazu beiträgt, dass es sich in horizontalen Rohrabschnitten absetzt und festhält) und mit praktisch allen Edelstahl- und Nickellegierungssorten kompatibel, weshalb es in den meisten Schweißverfahrensspezifikationen als Standardspülgas angegeben ist. Stickstoff kostet weniger und ist weit verbreitet und reinigt standardmäßigen austenitischen Edelstahl effektiv, ist jedoch nicht inert gegenüber stickstoffkontrollierten Duplex- und Superduplex-Qualitäten, bei denen eine unkontrollierte Stickstoffaufnahme an der Wurzel das beabsichtigte Phasengleichgewicht verändern kann; Es ist auch für einige Nickellegierungen ungeeignet, bei denen Stickstoff die unerwünschte Nitridbildung fördern kann.

Argon-Wasserstoffmischungen, typischerweise 2–5 % Wasserstoff, erzeugen eine hellere, oxidfreiere Wurzel auf austenitischem Edelstahl und können die Spülzeit leicht verkürzen, aber der Wasserstoff birgt ein echtes Versprödungsrisiko bei Duplex-, Superduplex- und bestimmten ausscheidungsgehärteten oder hoch{5}festen Nickellegierungen, daher sollte seine Verwendung vor der Auswahl anhand der spezifischen WPS und Materialspezifikation bestätigt werden.

Wie sollten Spüldämme positioniert werden und welche Materialien sollten Sie verwenden?

Die Platzierung der Dämme ist ein direkter Kompromiss{0}: Wenn Dämme näher an die Verbindungsstelle herangeführt werden, verringert sich das Spülvolumen und damit die Spülzeit, es bleibt jedoch weniger Platz für den Einlass und die Entlüftung, um eine gleichmäßige, nicht{1}}turbulente Strömung über die Schweißnahtwurzel zu gewährleisten. Ein praktischer Ausgangspunkt ist 100–150 mm von der Verbindungsstelle auf jeder Seite für Rohre mit kleinem und mittlerem -Durchmesser, nach oben angepasst für größere Durchmesser, bei denen die Strömung mehr Abstand zur Stabilisierung benötigt.

Wasser-lösliche Papierdämme sind bei der Herstellung von Werkstattspulen üblich, da sie sich nach dem Schweißen auflösen und auswaschen, sodass kein Entfernungsschritt erforderlich ist. Aufblasbare Gummidämme sind wiederverwendbar und eignen sich gut für Feldanbindungen, bei denen die gleiche Ausrüstung viele Verbindungen reinigt; und für T-Stücke, Reduzierstücke und andere unregelmäßige Geometrien werden geformte Schaumstoffblöcke oder Hochtemperatur-Spülband verwendet, um das Innenprofil des Fittings abzudichten. In jedem Fall muss die Entlüftung so dimensioniert sein, dass sie den Druck entlastet, ohne dass so viel Abfluss möglich ist, dass sich der Damm löst - Dammversagen mitten-Schweißung ist eine der häufigsten Ursachen dafür, dass eine Spülung ihre Atmosphäre auf halbem Weg durch eine Verbindung verliert.

Was sind die häufigsten Fehler beim Rückspülen, die zu Zuckerbildung oder Schweißfehlern führen?

Schweißen, bevor der angestrebte Sauerstoffgehalt bestätigt wird -, basierend auf einer festen Spülzeit anstelle eines tatsächlichen Sauerstoffmesswerts.

Die Durchflussrate ist zu hoch eingestellt, wodurch eine turbulente Strömung entsteht, die die Luft wieder in die Spülzone zurückmischt, anstatt sie vor der Gasfront auszustoßen.

Undichte oder falsch sitzende Dämme, insbesondere an Flanschen, Ventilen oder Abzweigverbindungen, deren Innenprofil unregelmäßig ist.

Keine Entlüftung oder eine Entlüftung, die zu klein ist, was zu einem Druckaufbau führt, der einen Damm sprengen oder dünnwandige Rohre verformen kann.

Wechsel des Spülgastyps ohne Überprüfung der Legierungskompatibilität, insbesondere bei Verwendung von Stickstoff- oder Argon-Wasserstoffmischungen bei Duplex- oder Nickellegierungsverbindungen.

Es gelingt nicht, während des Schweißens einen niedrigen, gleichmäßigen „Rückhaltestrom“ aufrechtzuerhalten, wodurch Außenluft über eine lange Schweißnaht mit mehreren Schweißdurchgängen zurück in die Spülzone diffundieren kann.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist die Mindestspülzeit beim Schweißen von Edelstahlrohren?

A: Es gibt keine universelle Mindestzeit - Die Spülzeit hängt vom Volumen der Spülzone-, der Durchflussrate und dem Zielsauerstoffgehalt ab und sollte mit Q=(V × N) / t berechnet und dann mit einem Sauerstoffanalysator bestätigt werden, anstatt als feste Faustregel angewendet zu werden.

F: Kann zur Rückspülung Stickstoff anstelle von Argon verwendet werden?

A: Stickstoff ist für standardmäßigen austenitischen Edelstahl der Serie 300- akzeptabel, sollte jedoch bei Duplex-, Super-Duplex- und stickstoffempfindlichen Nickellegierungen vermieden werden, bei denen eine unkontrollierte Stickstoffaufnahme das Phasengleichgewicht oder die Metallurgie beeinträchtigen kann.

F: Welcher Sauerstoffgehalt ist vor dem Schweißen von Edelstahlrohren akzeptabel?

A: Die meisten Herstellungsspezifikationen zielen auf 50–100 ppm für Standard-Austenit-Edelstahl ab, bei Duplex- und Nickellegierungen auf 25–50 ppm und für hochreine Systeme auf unter 10 ppm. Den genauen Wert regeln die jeweilige Projektspezifikation und die WPS.

F: Warum verfärbt sich die Schweißnahtwurzel blau oder schwarz, selbst wenn eine Spülung läuft?

A: Eine Verfärbung weist darauf hin, dass die Spülung vor oder während des Schweißens keinen ausreichend niedrigen Sauerstoffgehalt erreicht hat. - Häufige Ursachen sind unzureichende Spülzeit, ein undichter Damm, eine zu hoch eingestellte Durchflussrate oder das Starten des Lichtbogens, bevor sich die Atmosphäre stabilisiert hat.

F: Muss sich die Durchflussrate der Rückspülung während des Schweißens ändern?

A: Ja - Bei den meisten Verfahren wird zunächst eine höhere Durchflussrate verwendet, um die Luft schnell auszuspülen, und dann während des Schweißens auf einen viel geringeren Rückhaltestrom reduziert, um einen leichten Überdruck aufrechtzuerhalten, ohne Turbulenzen hervorzurufen.

F: Ist eine Rückbereinigung durch den Code erforderlich oder wird dies empfohlen?

A: Die Anforderungen werden durch den geltenden Code, die Spezifikation oder WPS festgelegt und sind nicht universell. -Viele Rohrleitungen und Druck-Grenzanwendungen für Rohre aus Edelstahl und Nickellegierungen erfordern dies, und die Akzeptanzkriterien beziehen sich üblicherweise auf die AWS D18.2-Verfärbungstabelle oder einen projektspezifischen-Sauerstoffgrenzwert.