Flanges de alta-pressão e alta{1}}temperatura (HPHT) são projetados para serviços acima de 900 graus F e/ou Classe 900 e acima. Essas condições extremas exigem materiais de liga de aço especialmente formulados para resistir à fluência, oxidação, ataque de hidrogênio e fadiga térmica. A seleção adequada do flange HPHT evita falhas catastróficas causadas por ruptura por fluência e outros mecanismos de degradação-de alta temperatura.
O que são flanges HPHT?
Os flanges HPHT são projetados para suportar as condições operacionais mais exigentes na geração de energia, hidroprocessamento de refinarias e craqueamento petroquímico. Eles exigem materiais que mantenham a resistência mecânica em temperaturas onde o aço carbono perderia rapidamente a resistência e falharia. O projeto deve levar em conta a deformação por fluência, ruptura por tensão, expansão térmica e ataque de hidrogênio em alta-temperatura. Os flanges de aço carbono padrão não são adequados para serviços HPHT; somente ligas de aço e materiais à base de{4}}níquel podem fornecer a resistência necessária a altas-temperaturas e resistência ambiental.
Opções de materiais para serviço HPHT
Vários tipos de ligas de cromo-molibdênio e avançadas estão disponíveis para aplicações de flange HPHT, cada um oferecendo diferentes níveis de desempenho-em altas temperaturas:
| Material | Especificação | Temperatura máxima | Características principais | Aplicação Primária |
|---|---|---|---|---|
| 1-1/4Cr-1/2Mo | ASTM A182 F11 | 1100 graus F | Resistência moderada à fluência, boa soldabilidade | Tubulação de vapor, tubos de aquecimento |
| 2-1/4Cr-1Mo | ASTM A182 F22 | 1100 graus F | Resistente ao serviço de hidrogênio, boa resistência à fluência | Reatores de hidroprocessamento |
| 9Cr-1Mo-V | ASTM A182 F91 | 1200 graus F | Alta resistência à fluência, excelente resistência à oxidação | Usinas de energia avançadas |
| 9Cr-0,5Mo-1,8WV | ASTM A182 F92 | 1200 graus F | Resistência à fluência melhorada em relação ao F91 | Vapor ultra-supercrítico |
| Inconel 625 | ASTM B564 UNS N06625 | 1800 graus F | Temperatura extrema e resistência à corrosão | Componentes do forno |
Seleção de Classe de Pressão
As aplicações HPHT normalmente usam as classes de pressão mais altas. A classe 900 é comum para tubulações-de paredes pesadas em refinarias e aplicações de energia. A classe 1500 é necessária para linhas de alimentação e efluentes de reatores de hidroprocessamento onde as pressões podem exceder 2.000 psi. A classe 2500 é especificada para aplicações de extrema pressão e sistemas-de paredes espessas em hidroprocessamento-de alta pressão. Classes de pressão mais altas exigem procedimentos de soldagem especializados e tratamento térmico pós{11}}soldagem. Os revestimentos de junta tipo anel (RTJ) são padrão para serviços HPHT porque fornecem a vedação de metal-com{14}}metal mais confiável em condições extremas.
Considerações de projeto para serviço HPHT
Rastejaré a deformação plástica-dependente do tempo de materiais sob tensão sustentada em alta temperatura. Para aços cromo-molibdênio, a fluência se torna significativa acima de 800 graus F e deve ser considerada nos cálculos de vida útil do projeto do flange.Ruptura de estresseé o mecanismo de falha-dependente do tempo que ocorre quando a deformação por fluência atinge um nível crítico.Expansão térmicaas diferenças entre a tubulação e o equipamento devem ser acomodadas por meio de uma análise adequada da flexibilidade da tubulação.Ciclismo térmicodurante a inicialização-e o desligamento cria uma carga de fadiga que pode causar rachaduras.Ataque de hidrogênioocorre quando o hidrogênio atômico se difunde no aço carbono em altas temperaturas, reagindo com carbonetos para formar metano e causando descarbonetação interna e fissuras.
Aplicativos
Os flanges HPHT são usados em circuitos de reatores de hidrocraqueamento e hidrotratamento onde as pressões parciais de hidrogênio excedem 1.500 psi e as temperaturas atingem 800 graus F. A tubulação da unidade de craqueamento catalítico fluido (FCC) lida com catalisadores de alta{3}}temperatura e misturas de hidrocarbonetos. Os sistemas de vapor de alta-pressão em usinas de energia operam em condições supercríticas que excedem 3.200 psi e 1.000 graus F. As conexões do forno e do tubo do aquecedor transferem fluidos de processo em temperaturas elevadas. A tubulação da planta de gás de síntese e gaseificação lida com gás de síntese de alta-pressão e alta{11}}temperatura contendo hidrogênio e monóxido de carbono.
Soldagem e Tratamento Térmico
O controle da temperatura de pré-aquecimento e entre passes é fundamental ao soldar materiais de cromo-molibdênio para evitar rachaduras induzidas-pelo hidrogênio. O tratamento térmico pós{3}}soldagem é necessário para materiais de cromo-molibdênio acima dos limites de espessura especificados na ASME B31.3. Os consumíveis de soldagem devem corresponder à composição do material base para manter as propriedades mecânicas em toda a junta soldada. Taxas de resfriamento controladas após a soldagem evitam a formação de microestruturas duras e quebradiças. O teste de dureza após o PWHT verifica se o alívio de tensão necessário foi alcançado. Todas as soldas de topo no serviço HPHT exigem exame volumétrico de 100% por radiografia ou teste ultrassônico.
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