Flansche für hohen Druck und hohe Temperaturen (HPHT) sind für den Einsatz über 900 °F und/oder Klasse 900 und höher ausgelegt. Diese extremen Bedingungen erfordern speziell formulierte legierte Stahlmaterialien, um Kriechen, Oxidation, Wasserstoffangriff und thermischer Ermüdung zu widerstehen. Die richtige Auswahl des HPHT-Flansches verhindert katastrophale Ausfälle durch Kriechbruch und andere Zersetzungsmechanismen bei hohen Temperaturen.
Was sind HPHT-Flansche?
HPHT-Flansche sind so konstruiert, dass sie den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen in der Stromerzeugung, der Hydroverarbeitung in Raffinerien und dem petrochemischen Cracken standhalten. Sie erfordern Materialien, die ihre mechanische Festigkeit auch bei Temperaturen beibehalten, bei denen Kohlenstoffstahl schnell an Festigkeit verlieren und versagen würde. Bei der Konstruktion müssen Kriechverformung, Spannungsbruch, Wärmeausdehnung und Wasserstoffangriff bei hohen Temperaturen berücksichtigt werden. Standardflansche aus Kohlenstoffstahl sind nicht für den HPHT-Einsatz geeignet; Nur legierter Stahl und Materialien auf Nickelbasis können die erforderliche Hochtemperaturfestigkeit und Umweltbeständigkeit bieten.
Materialoptionen für den HPHT-Service
Für HPHT-Flanschanwendungen stehen mehrere Chrom-{0}Molybdän- und hochentwickelte Legierungssorten zur Verfügung, die jeweils unterschiedliche Leistungsniveaus bei hohen Temperaturen bieten:
| Material | Spezifikation | Maximale Temperatur | Hauptmerkmale | Primäre Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| 1-1/4Cr-1/2Mo | ASTM A182 F11 | 1100 Grad F | Mäßige Kriechfestigkeit, gute Schweißbarkeit | Dampfleitungen, Heizrohre |
| 2-1/4Cr-1Mo | ASTM A182 F22 | 1100 Grad F | Wasserstoffbeständig, gute Zeitstandfestigkeit | Hydroprocessing-Reaktoren |
| 9Cr-1Mo-V | ASTM A182 F91 | 1200 Grad F | Hohe Kriechfestigkeit, ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit | Fortschrittliche Kraftwerke |
| 9Cr-0,5Mo-1,8WV | ASTM A182 F92 | 1200 Grad F | Verbesserte Kriechfestigkeit gegenüber F91 | Ultra-überkritischer Dampf |
| Inconel 625 | ASTM B564 UNS N06625 | 1800 Grad F | Extreme Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit | Ofenkomponenten |
Auswahl der Druckklasse
Bei HPHT-Anwendungen kommen typischerweise die höchsten Druckklassen zum Einsatz. Klasse 900 ist für dickwandige Rohrleitungen in Raffinerien und Energieanwendungen üblich. Klasse 1500 ist für Zu- und Ablaufleitungen von Hydroprocessing-Reaktoren erforderlich, bei denen der Druck 2000 psi überschreiten kann. Die Klasse 2500 ist für Extremdruckanwendungen und dickwandige Systeme in der Hochdruck-Hydroverarbeitung spezifiziert. Höhere Druckklassen erfordern spezielle Schweißverfahren und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Ring Type Joint (RTJ)-Beschichtungen sind Standard für HPHT-Anwendungen, da sie unter extremen Bedingungen die zuverlässigste Metall-auf-Metall-Dichtung bieten.
Designüberlegungen für den HPHT-Dienst
Kriechenist die zeitabhängige plastische Verformung von Materialien unter anhaltender Spannung bei hoher Temperatur. Bei Chrom--Molybdänstählen wird das Kriechen oberhalb von 800 °F signifikant und muss bei der Berechnung der Flanschlebensdauer berücksichtigt werden.Spannungsbruchist der zeitabhängige Versagensmechanismus, der auftritt, wenn die Kriechverformung ein kritisches Niveau erreicht.WärmeausdehnungUnterschiede zwischen Rohrleitungen und Geräten müssen durch eine ordnungsgemäße Analyse der Rohrleitungsflexibilität berücksichtigt werden.ThermocyclingBeim Hochfahren und Herunterfahren entsteht eine Ermüdungsbelastung, die zu Rissen führen kann.Wasserstoffangrifftritt auf, wenn atomarer Wasserstoff bei hohen Temperaturen in Kohlenstoffstahl diffundiert, mit Karbiden unter Bildung von Methan reagiert und eine innere Entkohlung und Rissbildung verursacht.
Anwendungen
HPHT-Flansche werden in Hydrocracking- und Hydrotreating-Reaktorkreisläufen verwendet, in denen der Wasserstoffpartialdruck 1500 psi übersteigt und die Temperaturen 800 Grad F erreichen. Die Rohrleitungen der Fluid Catalytic Cracking (FCC)-Einheit verarbeiten Hochtemperatur-Katalysator- und Kohlenwasserstoffmischungen. Hochdruckdampfsysteme in Kraftwerken arbeiten unter überkritischen Bedingungen über 3200 psi und 1000 Grad F. Ofen- und Heizrohrverbindungen übertragen Prozessflüssigkeiten bei erhöhten Temperaturen. Die Rohrleitungen von Synthesegas- und Vergasungsanlagen verarbeiten Synthesegas mit hohem Druck und hoher Temperatur, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält.
Schweißen und Wärmebehandlung
Beim Schweißen von Chrom--Molybdänmaterialien ist die Kontrolle der Vorwärm- und Zwischendurchgangstemperatur von entscheidender Bedeutung, um durch Wasserstoff- verursachte Risse zu verhindern. Für Chrom--Molybdänmaterialien oberhalb der in ASME B31.3 angegebenen Dickengrenzen ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich. Schweißzusätze müssen zur Zusammensetzung des Grundmaterials passen, um die mechanischen Eigenschaften entlang der Schweißverbindung aufrechtzuerhalten. Kontrollierte Abkühlraten nach dem Schweißen verhindern die Bildung harter, spröder Mikrostrukturen. Eine Härteprüfung nach dem PWHT bestätigt, dass die erforderliche Spannungsentlastung erreicht wurde. Alle Stumpfschweißnähte im HPHT-Bereich erfordern eine 100-prozentige volumetrische Prüfung durch Röntgen- oder Ultraschallprüfung.
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