Flanse forjate standard: tipuri și aplicații

Ce sunt flansele forjate standard și de ce contează calitatea materialului

Flanse forjate standard sunt componente de conexiune a țevilor prelucrate cu precizie produse prin procesul de forjare - o metodă de fabricație în care țaglele de oțel încălzite sunt modelate sub forță de compresiune folosind matrițe și prese, aliniind structura granulară a metalului de-a lungul contururilor piesei finite. Această aliniere a fluxului de cereale, inerentă forjării și absentă în componentele turnate, este ceea ce conferă flanșelor forjate combinația lor caracteristică de rezistență ridicată la tracțiune, rezistență la oboseală și rezistență la impact, ceea ce le face metoda de conectare preferată în aplicațiile de conducte industriale solicitante în care presiunea, temperatura și mediile corozive impun cerințe extreme asupra integrității îmbinării.

Materialul de pornire pentru flanșele forjate standard — oțel forjat de înaltă calitate — este selectat și testat pentru a îndeplini cerințele privind proprietățile mecanice ale specificației materialelor aplicabile înainte de începerea forjarii. Materialele obișnuite includ oțel carbon ASTM A105 pentru servicii standard la presiune și temperatură, oțel inoxidabil ASTM A182 F304 și F316 pentru servicii corozive în procesarea chimică și medii marine, oțel aliat ASTM A182 F11 și F22 pentru servicii la temperaturi înalte în generarea de energie și rafinarea petrolului și oțel inoxidabil ASTM A182 combinat de înaltă presiune F51, duplex. servicii cu conținut ridicat de clorură în producția offshore de petrol și gaze naturale. Fiecare grad de material are cerințe specifice de limită de curgere, rezistență la tracțiune, duritate și energie de impact pe care forjarea trebuie să le îndeplinească înainte de a începe prelucrarea, asigurând că flanșa finită oferă performanța mecanică cerută de proiectarea sistemului de conducte.

Procesul de forjare în sine - fie forjare cu matriță deschisă pentru flanșe mai mari sau forjare cu matriță închisă pentru dimensiuni standard - rafinează structura granulației oțelului, elimină porozitatea internă și golurile prezente în materialul turnat și produce o componentă cu un raport rezistență-greutate mai mare decât o turnare echivalentă. Acest lucru este important în aplicațiile de prelucrare a petrolului, gazelor naturale și chimice, în care defecțiunile îmbinării flanșei nu sunt doar evenimente de întreținere, ci surse potențiale de incendii catastrofale, degajări toxice și contaminare a mediului care au consecințe severe de siguranță și de reglementare.

Tipuri de flanșe forjate standard și geometria conexiunii acestora

Gama de flanse standard forjate disponibile acoperă cinci tipuri de conexiuni primare, fiecare optimizat pentru o anumită metodă de atașare a conductelor, mediu de aplicare și context de instalare. Selectarea tipului corect de flanșă pentru o anumită condiție de serviciu este la fel de importantă ca și selectarea clasei corecte de presiune și a gradului de material - geometria conexiunii afectează în mod direct calitatea sudurii, rezistența îmbinării, ușurința inspecției și adecvarea pentru serviciul de fluid implicat.

Flanșe de gât de sudare

Flanșa gâtului de sudură este cel mai puternic și mai versatil tip de flanșă forjată standard, caracterizată printr-un butuc lung conic care trece ușor de la fața flanșei la grosimea peretelui țevii printr-o îmbinare de sudură cap la cap. Butucul conic distribuie stresul departe de îmbinarea de sudură și în corpul flanșei, făcând flanșele gâtului de sudură alegerea preferată pentru condiții de funcționare de înaltă presiune, temperatură ridicată și ciclice în rafinarea petrolului, transportul gazelor naturale și conductele de înaltă presiune ale reactoarelor chimice. Îmbinarea de sudură cap la cap produsă la conexiunea flanșă la țeavă este cu penetrare completă și inspectabilă radiografic, satisfăcând cele mai înalte cerințe de calitate a sudurii ale codurilor pentru vase sub presiune și conducte, inclusiv ASME B31.3 pentru conductele de instalații chimice și ASME B31.8 pentru sistemele de transport de gaze.

Flanse Slip-On

Flanșele cu alunecare alunecă peste capătul țevii și sunt atașate prin suduri de filet atât la fața, cât și la orificiul flanșei, oferind o îmbinare mai simplă și mai puțin costisitoare decât flanșele gâtului de sudură, cu prețul unei durate de viață la oboseală ceva mai reduse și al unei rezistențe reduse. Ele sunt utilizate pe scară largă în conductele de utilități cu presiune scăzută, sistemele de apă de răcire și liniile de proces necritice în fabricile de procesare chimică și rafinăriile de petrol, unde simplitatea alinierii și lungimea redusă a butucului simplifică instalarea în rafturile de conducte aglomerate. Flanșele cu alunecare sunt evaluate cu aproximativ o treime ca durată de viață la oboseală mai mică decât flanșele echivalente ale gâtului de sudură sub încărcare ciclică și, în general, nu sunt specificate pentru servicii cu ciclu înalt sau pentru linii care transportă fluide periculoase la presiune și temperatură ridicate.

Flanse de sudura prin soclu

Flanșele de sudură cu mufă sunt proiectate pentru țevile cu orificii mici - de obicei NPS 2 și mai jos - unde capătul țevii se inserează într-un soclu prelucrat în orificiul flanșei și este atașat printr-o singură sudură de colț la fața mufei. Mufa oferă o aliniere precisă a țevii și o geometrie de sudură consecventă, care este deosebit de valoroasă în instrumentele de diametru mic și țevile utilitare, unde alinierea manuală a îmbinărilor de sudură cap la cap este dificilă. O cerință critică de instalare pentru flanșele de sudură cu mufă este distanța de 1,6 mm care trebuie menținută între capătul țevii și partea inferioară a mufei înainte de sudare - acest spațiu împiedică mufa să acționeze ca o concentrare a tensiunii și fisurarea în timpul ciclurilor de dilatare termică. Flanșele de sudură cu mufă sunt specificate în serviciul de procesare a gazelor naturale, petrolului și chimice pentru liniile de înaltă presiune cu diametru mic, inclusiv conexiunile instrumentelor, circuitele de derivație și punctele de injecție chimică.

Flanse filetate

Flanșele filetate folosesc filete de țeavă conică NPT sau BSP prelucrate în orificiul flanșei pentru a se conecta la capetele țevilor filetate extern fără sudură, făcându-le potrivite pentru aplicații în care sudarea este interzisă - inclusiv conducte care transportă gaze sau vapori inflamabili unde sudarea în timpul întreținerii creează risc de aprindere - sau unde este necesară asamblarea și dezasamblarea rapidă pentru accesul la service. Flanșele filetate sunt limitate la valori nominale de presiune-temperatură mai scăzute decât tipurile sudate datorită concentrației de tensiuni inerente conexiunilor filetate și, în general, sunt limitate la Clasa 600 și mai jos în majoritatea codurilor de conducte. Ele sunt utilizate pe scară largă în serviciile de petrol și gaze naturale pentru colectoare de instrumente cu diametru mic, conexiuni de manometru și linii de utilitate de joasă presiune în clasificările zonelor periculoase.

Flanse oarbe

Flanșele oarbe sunt discuri solide – fără orificiu de țeavă – utilizate pentru a închide capătul unui sistem de conducte, duză pentru vas sub presiune sau corpul supapei într-un punct în care este anticipat accesul sau extinderea viitoare. Ele sunt supuse la solicitarea totală de încovoiere a presiunii conținute pe diametrul feței lor nesuportate, făcându-le unul dintre tipurile de flanșe forjate standard cele mai puternic solicitate, în ciuda geometriei lor aparent simple. Flanșele oarbe sunt componente esențiale în izolarea conductelor de petrol și gaze naturale, obturarea duzelor reactoarelor de procesare chimică în timpul întreținerii și testarea presiunii noilor sisteme de conducte în care închiderile temporare ale capetelor trebuie să fie evaluate la presiunea de testare a sistemului.

Conformitatea cu standardele internaționale: ANSI, DIN, JIS și GB

Flanșele forjate standard obțin o mare parte din valoarea lor comercială din conformitatea cu standardele dimensionale și materiale recunoscute la nivel internațional care asigură interschimbabilitatea între flanșele de la diferiți producători și compatibilitatea cu echipamentele de împerechere furnizate din diferite surse globale. Cele patru familii standard primare - ANSI/ASME (american), DIN (german/european), JIS (japonez) și GB (chineză) - definesc fiecare tipuri de fețe de flanșă, dimensiunile cercurilor de șuruburi, numărul și dimensiunile găurilor pentru șuruburi, înălțimea suprafeței ridicate și cotele de presiune-temperatura pentru fiecare dimensiune nominală a conductei și clasă de presiune din domeniul de aplicare al standardului.

Pentru proiectele multinaționale - platforme petroliere offshore, trenuri de lichefiere GNL, conducte transfrontaliere de gaze naturale și instalații de procesare chimică orientate spre export - capacitatea de a furniza simultan flanșe forjate standard, conforme cu mai multe standarde, este un avantaj semnificativ de achiziție. Un producător de flanșe certificat să furnizeze produse conforme ANSI, DIN, JIS și GB dintr-o singură unitate de producție simplifică calificarea furnizorului, reduce riscul de livrare din achizițiile din mai multe surse și oferă un singur punct de responsabilitate pentru conformitatea dimensională și a materialului pentru toate standardele de flanșă specificate în clasele de materiale de conducte ale proiectului.

Performanță în servicii extreme: temperaturi ridicate, presiune ridicată și medii corozive

Condițiile de serviciu întâlnite în rafinarea petrolului, procesarea gazelor naturale și procesarea chimică reprezintă unele dintre cele mai severe medii pe care componentele sistemului de conducte trebuie să le suporte în serviciul industrial continuu. Flanșele forjate standard în aceste aplicații trebuie să mențină performanța de etanșare fiabilă și integritatea structurală în intervale de temperatură, de la serviciul GNL criogenic la -162°C prin condiții de proces ambientale până la fluxuri de proces de rafinărie la temperatură înaltă la 550°C, la presiuni de la vid până la Clasa 2500 (aproximativ 420 bari la temperatura mediului ambiant), și cu conținut de gaz natural în stare uscată până la gaz natural. hidrogen sulfurat, cloruri și acizi organici care atacă agresiv oțelul carbon și multe aliaje de oțel inoxidabil.

Menținerea performanței fiabile la temperaturi înalte necesită o atenție deosebită comportamentului la fluaj al materialului flanșei și al șuruburilor - tendința metalelor de a se deforma lent sub stres susținut la temperatură ridicată - ceea ce poate provoca relaxarea sarcinii șuruburilor și reducerea progresivă a tensiunii la garnitură, care în cele din urmă duce la scurgerea îmbinării flanșei fără nicio modificare externă a condițiilor de funcționare. Selectarea materialelor pentru service la temperatură înaltă acordă prioritate claselor de oțel aliat cu adaosuri de crom și molibden (F11, F22, F91) care oferă o rezistență la fluaj semnificativ mai bună decât flanșele simple din oțel carbon A105, menținând încărcarea adecvată a șuruburilor și a tensiunii de așezare a garniturii de-a lungul anilor de serviciu continuu la temperatură înaltă în medii petroliere și de procesare chimică.

În mediile de serviciu corozive - în special gazele acidulate și țițeiul acru obișnuit în producția și rafinarea petrolului - selecția materialelor trebuie să abordeze, în plus, riscul de fisurare la stres cu sulfuri (SSC). NACE MR0175 / ISO 15156 definește limitele de duritate și cerințele de calificare a materialelor pentru componentele metalice din petrol și gaze naturale care conțin H₂S, iar flanșele forjate standard specificate pentru serviciul acru trebuie să respecte aceste cerințe – limitând în mod obișnuit flanșele din oțel carbon și aliat la o duritate maximă de 22 HRC și indiferent de gradul de duritate al aliajului SSC.

Precizie dimensională, performanță de etanșare și control al calității

Performanța de etanșare a unei îmbinări cu flanșă depinde de trei factori, în aproximativ egală măsură: selecția și compresia garniturii, aplicarea sarcinii șuruburilor și precizia dimensională a feței flanșei și finisarea suprafeței. Flanșele forjate standard care respectă ANSI B16.5, DIN EN 1092-1 sau standardele echivalente definesc toleranțele dimensionale și cerințele de finisare a suprafeței care, atunci când sunt îndeplinite, permit un comportament previzibil al garniturii și o etanșare fiabilă pe întreaga gamă de valori nominale presiune-temperatură a clasei de flanșă. Flanșele care nu îndeplinesc aceste toleranțe - chiar și în limitele de trecere/eșec ale unei inspecții vizuale superficiale - creează o comprimare neuniformă a garniturii care are ca rezultat căi de scurgere la presiunea de funcționare, în special în timpul ciclului termic care încarcă și descarcă în mod repetat garnitura pe măsură ce sistemul de conducte se încălzește și se răcește.

Controlul riguros al calității în producția standard de flanșe forjate cuprinde întreaga secvență de fabricație de la verificarea materialului primit până la examinarea dimensională și nedistructivă finală. Următorii pași de control al calității sunt o practică standard în fabricarea de flanșe conforme pentru aplicații de prelucrare a petrolului, gazelor naturale și chimice:

• Identificarea materialului și PMI (Positive Material Identification): Verificarea cu spectrometru XRF a compoziției aliajului pe fiecare căldură a materialului de forjare care intră, cu rezultate comparate cu cerințele specificațiilor materialelor înainte de autorizarea forjarii. Acest pas elimină amestecul de materiale - o cauză profundă cunoscută a defecțiunilor importante ale conductelor în serviciul petrochimic.
• Inspecție dimensională: Măsurarea CMM sau manuală a diametrului alezajului, diametrul exterior al flanșei, diametrul cercului șurubului, poziția și diametrul găurii șurubului, diametrul suprafeței ridicate, grosimea flanșei și dimensiunile butucului față de tabelul dimensional al standardului aplicabil, cu rezultatele înregistrate în rapoartele de inspecție dimensională urmăribile la căldura de producție și numărul lotului.
• Măsurarea finisajului feței flanșei: Măsurarea profilometrului finisajului suprafeței canelurii cu suprafața înălțată sau îmbinarea inelă pentru a confirma conformitatea cu cerințele ASME B16.5 — de obicei 125–250 µin Ra pentru flanșe cu suprafață ridicată cu finisaj zimțat în spirală — care sunt necesare pentru așezarea fiabilă a garniturii moale și service fără scurgeri.
• Testarea durității: Testarea durității Brinell sau Rockwell a fiecărei flanșe sau eșantion de lot de încălzire pentru a verifica conformitatea cu cerințele specificațiilor materialelor și, pentru flanșe de serviciu acru, limitele de duritate NACE MR0175.
• Examinare nedistructivă (NDE): Testarea cu particule magnetice (MT) sau testarea cu lichid penetrant (PT) a suprafețelor flanșelor pentru defecte de rupere a suprafeței; testarea cu ultrasunete (UT) a pieselor forjate pentru discontinuități interne în flanșe cu specificații mai mari sau de dimensiuni mai mari, unde examinarea volumetrică este cerută de specificația de achiziție sau de codul aplicabil.

Selectarea flanselor forjate standard pentru cerințele specifice ale proiectului

Selecția eficientă a flanșelor pentru proiectele de prelucrare a petrolului, gazelor naturale și chimice necesită o abordare structurată care să abordeze simultan clasa de presiune, calitatea materialului, tipul de flanșă, tipul de față și conformitatea cu standardele, mai degrabă decât să trateze fiecare variabilă în mod independent. Următorul cadru de selecție oferă un punct de plecare practic pentru inginerii de conducte și echipele de achiziții care specifică flanșe forjate standard pentru proiecte noi sau aprovizionare de înlocuire:

• Determinați clasa de presiune de guvernare: Calculați clasa de presiune necesară din presiunea maximă admisibilă de funcționare (MAOP) și temperatura maximă de proiectare a serviciului, utilizând tabelele de evaluare presiune-temperatura din ASME B16.5 sau standardul aplicabil. Selectați întotdeauna următoarea clasă de presiune standard superioară peste cerința calculată — flanșele nu trebuie niciodată operate la condiția lor maximă de presiune-temperatura nominală ca marjă de proiectare.
• Selectați calitatea materialului pe baza serviciului fluidului: Oțel carbon A105 pentru funcționare necorozivă, la temperatură moderată; oțel inoxidabil F304/F316 pentru serviciul de procesare chimică corozivă; oțel aliat F11/F22 pentru petrol și servicii electrice la temperaturi ridicate; duplex F51 pentru servicii offshore cu conținut ridicat de clorură. Confirmați cerințele de conformitate NACE MR0175 pentru orice serviciu care conține H₂S peste concentrații de prag.
• Alegeți tipul de flanșă în funcție de gravitatea serviciului: Gât de sudură pentru servicii de înaltă presiune, temperatură înaltă și ciclică; slip-on pentru serviciul de utilitate cu presiune scăzută; sudura prin mufă pentru linii de instrumente de înaltă presiune cu diametru mic; filetat pentru aplicații fără zone de sudură; orb pentru punctele de terminare și izolare a sistemului.
• Confirmați conformitatea standardului pentru jurisdicția proiectului: Specificați ANSI/ASME pentru proiecte nord-americane și internaționale, DIN/EN pentru proiecte europene, JIS pentru proiecte japoneze și unele asiatice și GB pentru proiecte interne chineze. Pentru proiectele multinaționale, specificați standardul principal cu cerințe de echivalență pentru standarde alternative în care este necesară interschimbabilitatea între lanțurile globale de aprovizionare.
• Evaluați soluții personalizate pentru cerințe non-standard: Pentru aplicațiile în care dimensiunile standard, clasele de presiune sau clasele de material nu îndeplinesc cerințele specifice ale proiectului sau ale condițiilor de lucru - inclusiv servicii de temperatură extremă, medii corozive agresive sau geometrie a duzelor specifice echipamentului - flanșele forjate standard personalizate produse după desenele și specificațiile materialelor specificate de client oferă flexibilitatea inginerească pentru a răspunde nevoilor diverse ale proiectelor fără a compromite standardele de prelucrare de precizie și control al calității care definesc standardele de performanță critice ale serviciilor de control al calității.
•