Flanșe forjate cu gât de sudură standard ANSI: specificații și aplicații

An Flanșă forjată cu gât de sudură standard ANSI este alegerea preferată pentru aplicațiile solicitante de conducte, deoarece este Butucul conic asigură o tranziție lină a tensiunii de la suprafața flanșei la peretele conductei, eliminând discontinuitatea bruscă care cauzează turbulențe și defecțiuni la oboseală la alte tipuri de flanșe . Flanșa este atașată la țeavă printr-o sudură cap la cap cu penetrare completă la capătul butucului, creând o îmbinare care este la fel de puternică ca țeava însăși și poate fi inspectată radiografic pentru a verifica integritatea sudurii. Această caracteristică de proiectare, combinată cu orientarea fluxului de cereale obținută prin procesul de forjare, face din flanșa gâtului de sudură singurul tip de flanșă acceptat universal pentru servicii critice de înaltă presiune, temperatură ridicată și încărcare ciclică în industria petrolieră, petrochimică și de generare a energiei electrice. Atunci când sunt specificate conform unui standard ANSI - cel mai frecvent ASME B16.5 pentru dimensiuni de țevi de până la 24 inchi și ASME B16.47 pentru diametre mai mari - dimensiunile flanșei, valorile de presiune-temperatura și cerințele de material sunt complet standardizate, asigurând interschimbabilitatea cu supape, fitinguri și echipamente de la orice producător din întreaga lume.

Avantajul forjării: de ce contează fluxul de cereale

Procesul de forjare modifică în mod fundamental structura internă a oțelului în moduri pe care turnarea sau prelucrarea din plăci nu pot fi reproduse. O flanșă forjată începe ca o țeagă de oțel - un lingot turnat sau o floare turnată continuu care a fost prelucrată la cald pentru a închide porozitatea internă - și este modelată sub o forță de compresie imensă între matrițele de forjare. Această deformare alungește incluziunile nemetalice și limitele de cereale în direcția curgerii metalului, creând o model de curgere a cerealelor continuu care urmează conturul flanșei . Structura de cereale aliniată rezistă propagării fisurilor perpendicular pe solicitarea aplicată, oferind flanșei forjate o rezistență superioară la oboseală și o tenacitate la impact în comparație cu o flanșă turnată sau tăiată cu placă, unde orientarea cerealelor este aleatorie sau perpendiculară pe direcția tensiunii primare.

În special pentru o flanșă cu gât de sudură, procesul de forjare este proiectat astfel încât liniile de curgere a cerealelor să circule continuu de la flanșă cu fața în sus prin butucul conic și în teșirea sudurii. Aceasta înseamnă că, atunci când flanșa este sudată cap la cap la o țeavă, fluxul de cereale în flanșă și în țeavă sunt aliniați, creând un îmbinare omogenă din punct de vedere metalurgic . Absența unui strat limită slab - o caracteristică a structurilor turnate în care zona de răcire a suprafeței se întâlnește cu zona de cereale columnare - înseamnă că nu există o cale de eșec preferențială. Pentru servicii critice, cum ar fi serviciul cu hidrogen, procesarea gazelor acide sau aburul la temperatură înaltă, această structură de cereale continuă este esențială pentru a preveni fragilizarea și fisurarea care pot iniția la discontinuitățile microstructurale.

ANSI / ASME B16.5 Clasa de presiune și sistem de dimensiuni

Standardul ANSI care guvernează flanșele gâtului de sudură - acum publicat de ASME ca ASME B16.5 — organizează flanșele în clase de presiune care definesc presiunea de lucru maximă admisă la o temperatură dată pentru un material dat. Clasele standard de presiune pentru flanșele gâtului de sudură sunt 150, 300, 400, 600, 900, 1500 și 2500. Numărul de clasă nu este presiunea de lucru în psi; este o desemnare care se corelează cu un tabel de evaluare presiune-temperatura. O flanșă clasa 300 din oțel carbon (ASTM A105) la temperatura ambiantă are o limită de presiune de lucru de aproximativ 740 psi (51 bar) , în timp ce aceeași flanșă la 400°C (750°F) este redusă la aproximativ 635 psi (44 bar). La capătul extrem, o flanșă Clasa 2500 din oțel aliat poate rezista la presiuni care depășesc 6.000 psi la temperatura ambiantă.

Caracteristicile dimensionale care disting fiecare clasă de presiune sunt grosimea flanșei, diametrul butucului la bază, diametrul cercului șuruburilor și numărul și dimensiunea găurilor pentru șuruburi . Pe măsură ce clasa de presiune crește, aceste dimensiuni cresc pentru a face față sarcinilor mecanice mai mari, chiar dacă dimensiunea nominală a conductei rămâne aceeași. Tabelul de mai jos ilustrează modul în care dimensiunile cheie sunt scalate cu clasa de presiune pentru o flanșă comună de gât de sudură de 4 inchi (DN 100).

Alezajul unei flanșe a gâtului de sudură este prelucrat pentru a se potrivi cu grosimea nominală a peretelui țevii a conductei de legătură. Aceasta înseamnă că, pentru o dimensiune nominală dată de țeavă, sunt disponibile flanșe cu diferite diametre ale alezajului pentru a se potrivi cu programele de țevi standard, extra-rezistente (XS) și duble extra-rezistente (XXS). Toleranța alezajului este specificată în standard, iar teșirea de sudură la capătul butucului este prelucrată la un unghi de 37,5 grade cu o față a rădăcinii de aproximativ 1,6 mm, conform ASME B16.25, pentru a crea o canelură standard în V pentru îmbinarea de sudură cap la cap.

Clasele materialelor și anvelopa lor temperatură-presiune

Materialul din care este forjată o flanșă a gâtului de sudură determină limitele de temperatură și presiune ale componentei finite și rezistența acesteia la mecanisme specifice de coroziune. ASME B16.5 face referire la specificațiile materialelor ASTM, iar tabelele de evaluare presiune-temperatura sunt organizate pe grupe de materiale. Alegerea materialului este o decizie bazată pe temperatura de proiectare, presiunea de proiectare, chimia fluidului și potențialul de mecanisme de fisurare a mediului cum ar fi fisurarea prin efort cu sulfuri în serviciul acru sau fisurarea prin coroziune sub tensiune în clorură în oțelurile inoxidabile austenitice expuse la cloruri fierbinți.

Cele mai frecvent specificate materiale de forjare pentru flanșele gâtului de sudură ANSI și plicurile lor tipice de aplicare sunt:

• ASTM A105 (oțel carbon): Materialul standard pentru serviciul industrial general de la -29°C la 425°C (de la -20°F la 800°F). Nu este potrivit pentru expunere prelungită peste 425°C din cauza grafitizării sau pentru temperaturi sub zero sub temperatura de tranziție de la ductil la fragil fără testare la impact. Folosit pentru servicii cu abur, apă, ulei și hidrocarburi non-corozive. Acesta este cel mai comun și mai economic material de flanșă forjat, reprezentând majoritatea flanșelor de gât de sudură instalate în serviciu non-coroziv.
• ASTM A350 LF2 (oțel carbon la temperatură joasă): Un oțel carbon cu chimie controlată și practică cu granulație fină, testat la impact Charpy la -46°C (-50°F). Folosit pentru sistemele de conducte care funcționează în climate reci și în manipularea gazului lichefiat, unde A105 ar fi expus riscului de rupere fragilă. Fața flanșei este în mod obișnuit prevăzută cu o față înălțată sau o suprafață de îmbinare de tip inel conform specificației.
• ASTM A182 F304/F304L și F316/F316L (oțel inoxidabil austenitic): Materialele standard pentru servicii chimice corozive, procesarea alimentelor și aplicațiile farmaceutice. Calitățile „L” (scăzut de carbon, maxim 0,03% carbon) sunt specificate pentru fabricații sudate și pentru service peste 425°C, unde gradele nestabilizate sunt susceptibile de sensibilizare și coroziune intergranulară. F316/F316L, cu un adaos de molibden de 2-3%, oferă o rezistență îmbunătățită la coroziune prin pitting în medii care conțin clorură, comparativ cu F304.
• ASTM A182 F11 și F22 (oțel aliat cu crom-molibden): Materiale de lucru pentru serviciul la temperaturi înalte în rafinării și centrale electrice, cu grade 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) și 2,25% Cr-1% Mo (F22). Aceste materiale își păstrează rezistența la tracțiune la temperaturi de până la 600°C (1100°F) și rezistă atacului hidrogenului în serviciul cu hidrogen la temperatură înaltă atunci când sunt utilizate în curbele Nelson pentru gradul specific de aliaj. Flanșele dintr-o unitate de hidroprocesare a rafinăriei care funcționează la 450°C cu presiune parțială mare a hidrogenului sunt de obicei forjare F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (oțel inoxidabil duplex și super duplex): Folosit în petrol și gaze offshore, în manipularea apei de mare și în medii de procese chimice, unde este necesară combinația de rezistență ridicată și rezistență excepțională la clorură. F53 (super duplex, 25% Cr) are un PREN (Număr echivalent rezistență la zâmburi) peste 40, oferind imunitate la coroziunea fisurilor cu apă de mare la temperaturi ambientale.

Tipurile de fețe ale flanșei și selecția garniturii

Fața flanșei - geometria suprafeței de etanșare pe fața flanșei - este selectată pe baza clasei de presiune, a caracteristicilor fluidului și a tipului de garnitură. Standardul ANSI definește mai multe tipuri de confruntări, fiecare cu un domeniu de aplicație specific. Cele mai obișnuite suprafețe pe flanșele gâtului de sudură sunt:

Fața ridicată (RF)

Fața standard pentru flanșe Clasa 150 și 300, constând dintr-un platou înălțat aproximativ 1,6 mm (1/16 inch) înălțime pentru Clasele 150 și 300 și 6,4 mm (1/4 inch) înălțime pentru Clasa 400 și mai sus. Fața ridicată concentrează sarcina șurubului pe o zonă mai mică a garniturii, crescând presiunea de contact și îmbunătățind etanșarea. Finisajul suprafeței feței înălțate este specificat de standard ca a model de caneluri concentrice sau spiralate zimtate cu o rugozitate a suprafeței de 3,2 până la 6,3 µm Ra (125 până la 250 microinchi AA). Acest finisaj zimțat mușcă materialul moale al garniturii și împiedică extrudarea acestuia din îmbinarea flanșei sub presiune.

Articulație de tip inel (RTJ)

Fața standard pentru flanșe de înaltă presiune din clasa 600 până la clasa 2500 în serviciu critic. Fața flanșei are o canelură prelucrată cu precizie care acceptă o garnitură inelă metalică solidă - de obicei ovală sau octogonală în secțiune transversală - realizată dintr-un material care este mai moale decât materialul flanșei. Când șuruburile sunt strânse, garnitura inelului este deformată plastic în canelură, creând o Etanșare metal-metal care poate conține presiuni care depășesc 10.000 psi și temperaturi peste 500°C . Garnitura RTJ este singurul tip de garnitură acceptat pentru abur de înaltă presiune, apă de alimentare a cazanelor și servicii de hidrocarburi în care o explozie a garniturii ar avea consecințe catastrofale. Materialele standard ale garniturii inelare sunt fier moale (pentru flanșe din oțel carbon), oțel inoxidabil 304 sau 316 și diverse aliaje de nichel pentru servicii corozive și la temperaturi înalte.

Față plată (FF)

Folosit în principal pentru flanșe din fontă Clasa 125 și pentru conexiunile la duzele echipamentelor cu față plată, unde o flanșă cu față ridicată ar îndoi și crăpa flanșa din fontă asociată atunci când șuruburile sunt strânse. O garnitură completă, care se extinde până la cercul șuruburilor, este utilizată cu flanșe cu fața plată pentru a distribui uniform sarcina șurubului pe întreaga zonă a feței.

Procedura de sudare cap la cap și controlul zonelor afectate de căldură

Instalarea unei flanșe de gât de sudură pe o țeavă necesită a sudura cap la cap cu canelura in V cu penetrare completa care unește teșirea prelucrată de la capătul butucului flanșei cu teșirea potrivită de la capătul țevii. Sudarea se efectuează în mod obișnuit folosind procesul de sudare cu arc de tungsten cu gaz (GTAW) pentru trecerea rădăcinii pentru a asigura o penetrare completă și o suprafață curată, fără oxizi, urmată de sudarea cu arc de metal ecranat (SMAW) sau sudarea cu arc cu miez de flux (FCAW) pentru trecerile de umplere și capac. Specificația procedurii de sudare (WPS) trebuie să fie calificată conform ASME Secțiunea IX, iar sudorul trebuie să fie calificat pentru materialul, grosimea și poziția specifice.

Considerentul critic de sudare pentru flanșele gâtului de sudură este controlul zonei afectate de căldură (HAZ) în butucul flanșei . Butucul flanșei din apropierea sudurii este supus unui ciclu termic complex care îi poate modifica microstructura, poate induce tensiuni reziduale și, pentru anumite oțeluri aliate, poate crea o zonă martensitică dură și fragilă dacă viteza de răcire este prea rapidă. Pentru flanșe din oțel aliat cu crom-molibden (ASTM A182 F11, F22), preîncălzirea la 200°C până la 300°C (400°F până la 575°F) este obligatorie înainte de sudare pentru a încetini viteza de răcire și pentru a preveni formarea martensitei, și este necesar un tratament termic post-sudare (PWHT) la 675 °C până la 730 °C (1250 °F până la 1350 °F) timp de o oră la 25 mm de grosime a sudurii pentru a tempera HAZ, a ameliora tensiunile reziduale și a restabili rugozitatea materialului. PWHT al unui ansamblu flanșă-țeavă sudată este efectuată pe sudarea finalizată, iar duritatea HAZ este verificată prin testarea durității portabile conform ASTM E110 pentru a confirma că duritatea este sub maximul specificat - de obicei 225 HBW pentru P-Nr. 4 și P-Nr. Oțeluri aliate 5A în serviciul de rafinărie.

Documentație de inspecție, testare și calitate

O flanșă de gât de sudură fabricată conform unui standard ANSI este furnizată cu un set de documente de calitate obligatorii și opționale care verifică conformitatea acesteia cu specificațiile materiale și dimensionale. The Raport de testare a materialelor (MTR) sau certificatul de moară este documentul principal, care certifică numărul de căldură al forjării, compoziția sa chimică, rezistența sa la tracțiune, rezistența la curgere, alungirea și reducerea suprafeței de la o încercare de tracțiune și duritatea acestuia. Pentru flanșele din oțel carbon la temperatură joasă (A350 LF2), MTR include și rezultatele testului de impact Charpy cu crestătură în V la temperatura de testare specificată. Pentru flanșele din oțel inoxidabil, MTR include rezultatele testului de coroziune intergranulară atunci când este specificat. MTR trebuie să fie urmărit până la flanșă prin numărul de căldură, care este ștanțat pe periferia flanșei împreună cu gradul materialului, clasa de presiune, dimensiunea nominală a țevii și marca de identificare a producătorului conform cerințelor de marcare ale ASME B16.5.

Examinarea nedistructivă a flanșei finite include inspecția vizuală a suprafețelor prelucrate, a fațatului și a teșiturii de sudură pentru ture, cusături, fisuri și alte discontinuități ale suprafeței conform MSS SP-55. Pentru flanșele de serviciu critic, este specificată NDE suplimentară: examinarea lichidului penetrant (PT) sau examinarea particulelor magnetice (MT) a feței flanșei, tranziția butuc la față și teșirea sudării conform ASME B16.5 punctul 8.3; și examinarea cu ultrasunete (UT) a întregului volum de forjare conform ASTM A388 sau specificația de forjare ASTM aplicabilă pentru a detecta defecte interne, cum ar fi incluziuni, goluri sau laminații. Criteriile de acceptare pentru aceste examinări sunt definite de standardul de forjare ASTM aplicabil și de cerințele suplimentare ale cumpărătorului.

Cuplul șuruburilor, compresia garniturii și asamblarea fără scurgeri

Asamblarea unei îmbinări cu flanșă a gâtului de sudură ANSI necesită strângerea controlată a șuruburilor la un cuplu specificat sau la o solicitare a șurubului pentru a obține compresia garniturii necesară pentru o etanșare fără scurgeri, fără a suprasolicita flanșa, șuruburile sau garnitura. Șuruburile sunt strânse într-o secvență încrucișată – numită și model stea – în cel puțin trei treceri de cuplu de creștere: 30%, 60% și 100% din cuplul țintă. Această strângere progresivă asigură comprimarea uniformă a garniturii și previne armonizarea flanșei, ceea ce ar crea un spațiu în formă de pană pe care garnitura nu îl poate umple.

Cuplul țintă al șurubului este calculat din tensiunea de așezare a garniturii, zona de contact a garniturii, rezistența la curgere a materialului șurubului și coeficientul de frecare al filetului șurubului și al suprafeței de rezemare a piuliței. Tensiunea șurubului țintă este de obicei 40% până la 70% din limita de curgere a materialului șurubului pentru garnituri standard, cu capătul inferior al gamei utilizat pentru garnituri moi, cum ar fi fibra comprimată sau PTFE, iar capătul superior pentru garnituri metalice și înfăşurate în spirală. Ungerea fileturilor șuruburilor și a suprafețelor lagărului piuliței cu un compus anti-gripare de înaltă presiune este esențială pentru a obține o relație consistentă între cuplul și tensiunea șuruburilor; Filetele nelubrificate pot consuma 50% sau mai mult din cuplul aplicat la frecare, rezultând o preîncărcare a șurubului care este semnificativ mai mică decât valoarea calculată. Pentru îmbinările critice cu flanșe din conductele de proces ASME B31.3, procedura de strângere a șuruburilor este o parte documentată a procesului de asigurare a calității, iar valorile cuplului șuruburilor sunt înregistrate într-un raport de integritate a îmbinării cu flanșă.