ASME VIII Div 1 против Div 2: стоимость и толщина стенки

Для автоклава окислительного выщелачивания на 4.5 МПа и 4.0 м внутреннего диаметра из SA-516 Grade 70 дивизион 1 требует примерно 74 мм стенки там, где дивизион 2 требует около 50 мм. Разница в 24 мм — это примерно 23 т стали на 10-метровой обечайке, и она обычно три-пятикратно окупает дополнительную работу по расчёту методом анализа. Ниже примерно 2 МПа и 2.5 м диаметра арифметика переворачивается, и дивизион 1 дешевле.

Ключевые выводы

• Разница толщин идёт от базы допускаемых напряжений и обязательной эффективности шва, а не от разных формул.
• Div 2 срезает толщину стенки на 25–35 % при давлениях выше 3 МПа на крупнодиаметровых обечайках.
• Div 2 добавляет 300–600 инженерных часов, спецификацию проекта пользователя и более тяжёлый неразрушающий контроль.
• Ниже примерно 2 МПа и 2.5 м диаметра правит минимальная толщина, и Div 2 стоит дороже без выгоды.
• Div 2 — когда стенка по Div 1 превышает 50 мм, когда режим циклический или когда ограничен сортамент листа.

Что действительно различается

Оба дивизиона используют одну формулу обечайки. Различаются допускаемое напряжение, эффективность шва, которую разрешено заявлять, объём расчётов для обоснования проекта и контроль, доказывающий, что так и построено. Для цилиндрической обечайки под внутренним давлением кольцевая толщина равна t = P·R / (S·E − 0.6·P), где P — расчётное давление, R — внутренний радиус, S — допускаемое напряжение по Разделу II Части D, E — эффективность шва.

Дивизион 1 — кодекс правил: предписанные формулы, допускаемое напряжение с фиксированным запасом по пределу прочности и соответствие, доказываемое расчётом плюс предписанным контролем. Дивизион 2 соединяет проектирование по правилам и по анализу: сохраняет формулы для типовых геометрий, но позволяет обосновать большую несущую способность упругим или упругопластическим анализом и требует спецификацию проекта пользователя, проверку на усталость и полный контроль всех швов, держащих давление.

Запас прочности — отношение минимального предела прочности к допускаемому напряжению; здесь и возникает почти вся разница толщин. Div 2 допускает меньший запас для многих групп материалов, поэтому тот же лист SA-516 Grade 70 несёт более высокое допускаемое напряжение при той же температуре — обычно в 1.3–1.45 раза выше значения Div 1 в диапазоне, где работают гидрометаллургические автоклавы. Ориентиры: 138 МПа для Div 1 и 202 МПа для Div 2 при 50 °C, 125 и 183 МПа при 220 °C.

Эффективность шва снижает допускаемое напряжение с учётом качества соединения и объёма радиографического или ультразвукового контроля. Div 1 позволяет обменивать контроль на эффективность: выборочная радиография даёт E = 0.85, её отсутствие — 0.70 на некоторых типах швов. Div 2 требует полного контроля, и именно поэтому заявляет E = 1.0 по всей обечайке. Термообработка после сварки (PWHT) снимает остаточные напряжения и отпускает зону термического влияния; в Div 1 она обязательна для углеродистой стали P-No. 1 толще 38 мм по UCS-56, и порог срабатывания PWHT часто важнее для стоимости, чем сама толщина: полный печной цикл на сосуде 4 м и 20 т — это дни цехового времени и реальная строка графика.

Именно этот пункт чаще всего упускают: сосуд по Div 1 с выборочной радиографией и E = 0.85 может быть на 15–18 % толще того же сосуда с полной радиографией и E = 1.0, ещё до учёта разницы допускаемых напряжений. Сравнение «Div 1 с выборочной RT» против «Div 2» завышает преимущество Div 2; честное сравнение — Div 1 с полной RT против Div 2, и остающаяся экономия реальна, но меньше.

Сколько толщины реально экономит Div 2

Таблица 1 считает четыре сосуда, типичных для гидрометаллургического завода: все из SA-516 Grade 70, с запасом на коррозию 3 мм и допускаемыми напряжениями по Разделу II Части D при расчётной температуре.

Таблица 1 — Толщина обечайки, Div 1 против Div 2, запас на коррозию 3 мм

Деньги лежат в колонке заказанной толщины: расчётную округляют до коммерческого листа и проверяют по правилам минимальной толщины. В малом случае расчёт даёт 2.6 мм, но практический минимум цеха — 8 мм в большинстве стандартов, выше минимума кодекса — правит в обоих проектах, и Div 2 не покупает ничего. В крупном случае 24 мм на примерно 125 м² листа при длине 10 м дают при плотности 7,850 кг/м³ 23.6 т, то есть около 42,000 долл. материала при ориентировочных 1,800 долл./т, ещё до экономии веса на опорах, меньшего объёма сварки при разделке 52 вместо 76 мм и более простой закупки листа. С другой стороны, проектирование по Div 2 растёт с 120–200 до 400–700 часов (+30,000–55,000 долл.), НК добавляет 12,000–20,000 долл. за полную RT плюс UT и TOFD, а вес, перевозка и монтаж экономят 8,000–15,000 долл.: итог — от 20,000 до 60,000 долл. в пользу Div 2. Правило, верное по всей схеме: выгода масштабируется как сэкономленная толщина на площадь, а затраты почти фиксированы на сосуд.

Где экономия Div 2 исчезает

Четыре условия её устраняют, и каждое встречается достаточно часто, чтобы проверять его до записи решения в закупочную спецификацию. Доминирует запас на коррозию: если сплаву нужно 6 мм из-за агрессивной среды, часть толщины от давления — малая доля общей, и срез 30 % в этой части превращается в 12 % по заказанному листу; питающий бак из 316L с 6 мм в хлоридной среде — классический пример. Правят минимальная толщина и жёсткость: малые сосуды, баки до 1 м и аппараты низкого давления определяются транспортировкой, опорами и минимумами, и Div 2 добавляет инжиниринг без выигрыша в металле. Циклический режим: при более чем примерно 1,000 значимых циклов давления или температуры вопрос усталости решается в любом дивизионе, а маржинальная стоимость Div 2 меньше, потому что стенку часто утолщают под усталость, а не под давление. Спецификация заказчика или юрисдикции: многие спецификации по меди и золоту фиксируют Div 1 как договорную базу, а часть экспортных направлений требует маркировки CE по Директиве о оборудовании под давлением с EN 13445 или признанным эквивалентом.

Есть и пятое, менее техническое условие — компетентность изготовителя. Сосуд Div 2 требует завода с возможностью анализа, документированным процессом спецификации проекта и аттестованными процедурами для толстых сечений. Если в шорт-листе цех построил пятьдесят баков по Div 1 и два сосуда по Div 2, риск графика реален и должен быть оценён.

Какой кодекс задавать

Таблица 3 превращает анализ в матрицу по давлению и диаметру с явными условными выводами — для углеродистых и низколегированных обечаек до 250 °C, при доступной полной радиографии и 20-летнем сроке службы.

Таблица 3 — Матрица выбора кодекса для гидрометаллургических сосудов

Для автоклава 4.5 МПа и 4.0 м предпочтителен Div 2: 24 мм убирают 23 т стали, сокращают цикл сварки и возвращают лист в диапазон прокатки более чем одного стана. Для бака выщелачивания 1.6 МПа и 2.4 м предпочтителен Div 1: 4 мм стоят около 2,600 долл. листа, а дополнительный расчёт — 20,000 долл. и больше. Детали на уровне пунктов важны: переход с 40 на 30 мм пересекает порог PWHT по UCS-56 и может сэкономить полный печной цикл, а переход с 76 на 52 мм не пересекает ничего, и экономия остаётся только в металле.

Два автоклава, один режим, разные кодексы

Два автоклава окислительного выщелачивания с одинаковым режимом — медно-золотой концентрат, оба обезличены — показывают арифметику. Сосуд A, Div 1, 4.2 МПа, 3.6 м, 210 °C: обечайка заказана 72 мм, SA-516 Grade 70, полная RT, PWHT при 620 °C четыре часа, 11.5 м между швами, 68 т листа; два стана могли прокатать, один поставить за 22 недели; стоимость изготовления и монтажа с индексом 1.00. Сосуд B, Div 2, те же параметры: обечайка 50 мм, та же марка, полная RT плюс TOFD на всех продольных швах, тот же PWHT, 47 т листа; четыре стана могли поставить; проектирование заняло 520 часов против 165 у A; индекс стоимости 0.87 — на 13 % ниже, несмотря на дополнительный инжиниринг, и на 6 недель короче срок листа, что потянуло график вперёд.

Три цифры для спецификации: 72 против 50 мм при 4.2 МПа и 3.6 м, на 13 % ниже стоимость в смонтированном виде и 21 т сэкономленного листа. Все три привязаны к этому режиму и этому заводу. Суждение после обоих: решение по Div 2 редко проигрывают на экономии металла и редко выигрывают на стоимости инжиниринга — его обычно решают возможность купить более тонкий лист в окно графика и способность заказчика выпустить защитимую спецификацию проекта, не добавив три недели к заморозке проектирования.

Часто задаваемые вопросы

Div 2 всегда легче Div 1?

Нет. Div 2 даёт более тонкую обечайку там, где правит давление, но где определяют минимальная толщина, запас на коррозию или жёсткость, оба дивизиона дают тот же заказанный лист, а Div 2 просто добавляет инжиниринг.

Насколько выбор кодекса меняет срок поставки?

Ждите две–четыре недели дополнительного проектирования для Div 2 и, в диапазоне 50–76 мм, на две–шесть недель меньший срок поставки листа. Итог обычно нейтрален или благоприятен, но только если спецификация проекта готова на стадии запроса.

Если у вас сосуд со стенкой 40–80 мм и нужен расчёт под ваш режим, пришлите расчётные условия. Критерии — в базе знаний, определения — в глоссарии.

См. также

• Выбор материалов для сосудов под давлением в гидрометаллургии
• Что такое гидрометаллургия
• Эффективность ступени на практике
• Технологическая схема простыми словами