Кованые фланцы со сварной шейкой по стандарту ANSI: характеристики и применение

Ан Кованый фланец со сварной шейкой стандарта ANSI является предпочтительным выбором для требовательных трубопроводов, поскольку его коническая ступица обеспечивает плавный переход напряжений от поверхности фланца к стенке трубы, устраняя резкие нарушения непрерывности, которые вызывают турбулентность и усталостное разрушение фланцев других типов. . Фланец прикрепляется к трубе с помощью стыковой сварки с полным проваром на конце ступицы, создавая соединение, которое так же прочно, как и сама труба, и может быть проверено радиографическим методом для проверки целостности сварного шва. Эта конструктивная особенность в сочетании с ориентацией потока зерна, достигнутой в процессе ковки, делает фланец с приварной шейкой единственным типом фланцев, универсально принятым для критически важных условий работы при высоком давлении, высокой температуре и циклических нагрузках в нефтяной, нефтехимической и энергетической промышленности. При соответствии стандарту ANSI (чаще всего АСМЭ Б16.5 для труб диаметром до 24 дюймов и ASME B16.47 для труб большего диаметра) размеры фланцев, номинальные значения давления и температуры, а также требования к материалам полностью стандартизированы, что обеспечивает взаимозаменяемость с клапанами, фитингами и оборудованием любого производителя по всему миру.

Преимущество ковки: почему важен поток зерна

Процесс ковки фундаментально изменяет внутреннюю структуру стали таким образом, что литье или механическая обработка листового металла не могут быть воспроизведены. Кованый фланец начинается с заготовки стальной заготовки — литого слитка или непрерывнолитого блюма, подвергнутого горячей обработке для закрытия внутренней пористости — и формируется под действием огромной сжимающей силы между ковочными штампами. Эта деформация приводит к удлинению неметаллических включений и границ зерен в направлении течения металла, создавая непрерывная схема потока зерна, повторяющая контур фланца . Выровненная структура зерен препятствует распространению трещин перпендикулярно приложенному напряжению, что придает кованому фланцу превосходную усталостную прочность и ударную вязкость по сравнению с литым или вырезанным из пластины фланцем, где ориентация зерен произвольна или перпендикулярна направлению основного напряжения.

В частности, для фланца приварной шейки процесс ковки разработан таким образом, что линии потока зерна непрерывно проходят от фланца вверх через коническую ступицу к сварной фаске. Это означает, что когда фланец приваривается к трубе, потоки зерна во фланце и в трубе выравниваются, создавая металлургически однородное соединение . Отсутствие слабого пограничного слоя — характеристики литых конструкций, где зона охлаждения поверхности встречается со столбчатой ​​зоной зерен — означает отсутствие предпочтительного пути разрушения. Для критически важных операций, таких как работа с водородом, переработка высокосернистого газа или высокотемпературный пар, такая непрерывная зернистая структура необходима для предотвращения охрупчивания и растрескивания, которые могут возникнуть при микроструктурных нарушениях.

ANSI/ASME B16.5 Класс давления и система размеров

Стандарт ANSI, регулирующий фланцы с приварной горловиной, теперь опубликованный ASME как ASME B16.5 — распределяет фланцы по классам давления, которые определяют максимально допустимое рабочее давление при заданной температуре для данного материала. Стандартные классы давления для приварных фланцев с шейкой: 150, 300, 400, 600, 900, 1500 и 2500. Номер класса не является рабочим давлением в фунтах на квадратный дюйм; это обозначение соответствует таблице номинальных значений давления и температуры. Фланец класса 300 из углеродистой стали (ASTM A105) при температуре окружающей среды имеет предел рабочего давления примерно 740 фунтов на квадратный дюйм (51 бар) , в то время как давление того же фланца при 400°C (750°F) снижается примерно до 635 фунтов на квадратный дюйм (44 бар). В крайнем случае, фланец класса 2500 из легированной стали может выдерживать давление, превышающее 6000 фунтов на квадратный дюйм при температуре окружающей среды.

Размерными характеристиками, которые отличают каждый класс давления, являются толщина фланца, диаметр ступицы у основания, диаметр окружности болтов, а также количество и размер отверстий под болты. . По мере увеличения класса давления эти размеры увеличиваются, чтобы выдерживать более высокие механические нагрузки, хотя номинальный размер трубы остается прежним. В таблице ниже показано, как масштабируются основные размеры в зависимости от класса давления для обычного 4-дюймового (DN 100) фланца с приварной шейкой.

Отверстие фланца приварной шейки обрабатывается в соответствии с номинальная толщина стенки трубы соединительной трубы. Это означает, что для данного номинального размера трубы доступны фланцы с различными диаметрами отверстий, соответствующие стандартным, особо прочным (XS) и двойным особо прочным (XXS) сортаментам труб. Допуск отверстия указан в стандарте, а фаска сварного шва на конце ступицы обрабатывается под углом 37,5 градусов с внутренней поверхностью примерно 1,6 мм в соответствии с ASME B16.25, чтобы создать стандартную V-образную канавку для стыкового сварного соединения.

Марки материалов и их диапазон температуры и давления

Материал, из которого выкован приварной фланец, определяет пределы температуры и давления готового компонента, а также его устойчивость к конкретным механизмам коррозии. ASME B16.5 ссылается на спецификации материалов ASTM, а таблицы номинальных значений давления и температуры организованы по группам материалов. Выбор материала является решением, основанным на расчетная температура, расчетное давление, химический состав жидкости и возможность возникновения механизмов растрескивания под воздействием окружающей среды. например, сульфидное растрескивание под напряжением при работе в кислой среде или хлоридное коррозионное растрескивание под напряжением в аустенитных нержавеющих сталях, подвергающихся воздействию горячих хлоридов.

Наиболее часто используемые поковочные материалы для приварных фланцев ANSI и типичные области их применения:

• ASTM A105 (углеродистая сталь): Стандартный материал для общепромышленного применения при температуре от -29°C до 425°C (от -20°F до 800°F). Непригоден для длительного воздействия температур выше 425°C из-за графитизации или для отрицательных температур ниже температуры перехода из пластичного состояния в хрупкое без испытаний на удар. Используется для пара, воды, масла и неагрессивных углеводородов. Это наиболее распространенный и экономичный материал кованых фланцев, на который приходится большинство установленных приварных фланцев, не подвергающихся коррозии.
• ASTM A350 LF2 (низкотемпературная углеродистая сталь): Углеродистая сталь с контролируемым химическим составом и мелкозернистым покрытием, испытанная на удар по Шарпи при -46°C (-50°F). Используется для трубопроводных систем, работающих в холодном климате и при работе со сжиженным газом, где A105 подвержен риску хрупкого разрушения. Поверхность фланца обычно имеет выступ или кольцевое соединение согласно спецификации.
• ASTM A182 F304/F304L и F316/F316L (аустенитная нержавеющая сталь): Стандартные материалы для коррозионно-активной химической промышленности, пищевой промышленности и фармацевтической промышленности. Марки «L» (низкоуглеродистые, максимум 0,03% углерода) предназначены для сварных конструкций и для эксплуатации при температуре выше 425°C, где нестабилизированные марки подвержены сенсибилизации и межкристаллитной коррозии. F316/F316L с добавкой молибдена в количестве 2-3% обеспечивает улучшенную стойкость к питтинговой коррозии в хлоридсодержащих средах по сравнению с F304.
• ASTM A182 F11 и F22 (хромомолибденовая легированная сталь): Надежные материалы для работы при высоких температурах на нефтеперерабатывающих заводах и электростанциях, с содержанием 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) и 2,25% Cr-1% Mo (F22). Эти материалы сохраняют прочность на разрыв при температурах до 600°C (1100°F) и устойчивы к воздействию водорода при работе с высокотемпературным водородом при использовании в пределах кривых Нельсона для конкретной марки сплава. Фланцы в установке гидроочистки нефтеперерабатывающего завода, работающей при температуре 450°C и высоком парциальном давлении водорода, обычно изготавливаются из поковок F22.
• ASTM A182 F51/F53 (дуплексная и супердуплексная нержавеющая сталь): Используется в морской нефтегазовой отрасли, при переработке морской воды и в химических процессах, где требуется сочетание высокой прочности и исключительной устойчивости к хлоридной коррозии. F53 (супердуплекс, 25% Cr) имеет PREN (эквивалентное число точечной коррозии) выше 40, что обеспечивает устойчивость к щелевой коррозии в морской воде при температуре окружающей среды.

Типы поверхностей фланцев и выбор прокладок

Облицовка фланца — геометрия уплотняющей поверхности на торце фланца — выбирается в зависимости от класса давления, характеристик жидкости и типа прокладки. Стандарт ANSI определяет несколько типов облицовки, каждый из которых имеет определенную область применения. Наиболее распространенными покрытиями на приварных фланцах являются:

Поднятое лицо (RF)

Стандартная облицовка для фланцев класса 150 и 300, состоящая из выступа примерно Высота 1,6 мм (1/16 дюйма) для классов 150 и 300. и высоту 6,4 мм (1/4 дюйма) для класса 400 и выше. Приподнятая поверхность концентрирует нагрузку болта на меньшую площадь прокладки, увеличивая контактное давление и улучшая уплотнение. Чистота поверхности выступа определяется стандартом как зубчатый концентрический или спиральный рисунок канавок с шероховатостью поверхности от 3,2 до 6,3 мкм Ra (от 125 до 250 микродюймов AA). Эта зубчатая отделка врезается в мягкий материал прокладки и предотвращает его выдавливание из фланцевого соединения под давлением.

Кольцевое соединение (RTJ)

Стандартная облицовка для фланцев высокого давления класса 600–2500, эксплуатируемых в критических условиях. На поверхности фланца имеется прецизионно обработанная канавка, в которую устанавливается сплошная металлическая кольцевая прокладка (обычно овального или восьмиугольного сечения), изготовленная из материала, который мягче, чем материал фланца. При затяжке болтов кольцевая прокладка пластически деформируется в канавку, создавая уплотнение «металл-металл», способное выдерживать давление, превышающее 10 000 фунтов на квадратный дюйм, и температуру выше 500 °C. . Прокладка RTJ — единственный тип прокладок, принятый для пара высокого давления, питательной воды котлов и углеводородов, где прорыв прокладки может иметь катастрофические последствия. Стандартными материалами кольцевых прокладок являются мягкое железо (для фланцев из углеродистой стали), нержавеющая сталь 304 или 316 и различные никелевые сплавы для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

Плоская поверхность (FF)

Используется в основном для чугунных фланцев класса 125 и для соединений с патрубками оборудования с плоской поверхностью, где фланец с выступающей поверхностью может согнуться и расколоть ответный чугунный фланец при затягивании болтов. Полнолицевая прокладка, доходящая до окружности болта, используется с плоскими фланцами для равномерного распределения нагрузки на болт по всей площади торца.

Технология стыковой сварки и контроль зоны термического влияния

Установка фланца с приварной шейкой на трубу требует стыковая сварка с полным проплавлением и одной V-образной канавкой который соединяет обработанную фаску на конце ступицы фланца с соответствующей фаской на конце трубы. Сварной шов обычно выполняется с использованием процесса газовой вольфрамовой дуговой сварки (GTAW) для корневого прохода, чтобы обеспечить полное проплавление и чистую, не содержащую оксидов поверхность корня, с последующей дуговой сваркой в защитном металле (SMAW) или дуговой сваркой порошковой проволокой (FCAW) для заполняющего и закрывающего проходов. Спецификация процедуры сварки (WPS) должна быть сертифицирована в соответствии с разделом IX ASME, а сварщик должен быть квалифицирован для работы с конкретным материалом, толщиной и положением.

Важнейшим фактором сварки приварных фланцев является контроль зоны термического влияния (ЗТВ) во фланцевой ступице . Ступица фланца вблизи сварного шва подвергается сложному термическому циклу, который может изменить ее микроструктуру, вызвать остаточные напряжения и, для некоторых легированных сталей, создать твердую, хрупкую мартенситную зону, если скорость охлаждения слишком высокая. Для фланцев из хромомолибденовой стали (ASTM A182 F11, F22), предварительный нагрев до 200–300 °C (400–575 °F) обязателен перед сваркой, чтобы замедлить скорость охлаждения и предотвратить образование мартенсита, а также послесварочную термообработку (PWHT) при температуре от 675°C до 730°C (от 1250°F до 1350°F) в течение одного часа на 25 мм толщины сварного шва, чтобы отпустить ЗТВ, снять остаточные напряжения и восстановить вязкость разрушения материала. PWHT сварного узла фланцевой трубы выполняется на законченном сварном шве, а твердость ЗТВ проверяется портативным испытанием на твердость в соответствии с ASTM E110, чтобы подтвердить, что твердость ниже указанного максимума - обычно 225 HBW для P-No. 4 и П-№. Легированные стали 5А на нефтеперерабатывающих заводах.

Проверка, тестирование и документация по качеству

Фланец приварной шейки, изготовленный по стандарту ANSI, поставляется с набором обязательных и дополнительных документов о качестве, подтверждающих его соответствие характеристикам материала и размерам. Отчет об испытаниях материала (MTR) Сертификат или заводской сертификат является основным документом, удостоверяющим плавкость поковки, ее химический состав, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и уменьшение площади по результатам испытания на растяжение, а также ее твердость. Для фланцев из низкотемпературной углеродистой стали (A350 LF2) MTR также включает результаты испытаний на удар по Шарпи с V-образным надрезом при указанной температуре испытания. Для фланцев из нержавеющей стали MTR включает результаты испытаний на межкристаллитную коррозию, если это указано. MTR должен быть прослежен до фланца по номеру плавки, который выбит на периферии фланца, а также марке материала, классу давления, номинальному размеру трубы и идентификационному знаку производителя в соответствии с требованиями маркировки ASME B16.5.

Неразрушающий контроль готового фланца включает в себя визуальный контроль обработанных поверхностей, наплавки и фаски сварного шва на нахлесты, швы, трещины и другие дефекты поверхности по МСС СП-55. Для фланцев, предназначенных для критически важных условий эксплуатации, предусмотрен дополнительный неразрушающий контроль: дефектоскопия (PT) или магнитопорошковый контроль (MT) поверхности фланца, перехода между ступицей и торцом и фаски сварного шва в соответствии с ASME B16.5, параграф 8.3; и ультразвуковой контроль (UT) всего объема поковки в соответствии с ASTM A388 или применимыми спецификациями ASTM на поковку для обнаружения внутренних дефектов, таких как включения, пустоты или расслоения. Критерии приемки для этих испытаний определяются применимым стандартом ASTM на поковку и дополнительными требованиями покупателя.

Момент затяжки болтов, сжатие прокладки и сборка без утечек

Для сборки фланцевого соединения приварной шейки ANSI требуется контролируемая затяжка болтов с заданным крутящим моментом или напряжением болта для достижения сжатия прокладки, необходимого для герметичного уплотнения, без чрезмерной нагрузки на фланец, болты или прокладку. Болты затягиваются в перекрестной последовательности (также называемой звездообразной последовательностью) как минимум за три прохода с возрастающим крутящим моментом: 30 %, 60 % и 100 % от заданного крутящего момента. Эта постепенная затяжка обеспечивает равномерное сжатие прокладки и предотвращает перекос фланца, который может привести к образованию клиновидного зазора, который прокладка не сможет заполнить.

Целевой крутящий момент болта рассчитывается на основе напряжения посадки прокладки, площади контакта прокладки, предела текучести материала болта и коэффициента трения резьбы болта и опорной поверхности гайки. Целевое напряжение болта обычно составляет От 40% до 70% предела текучести материала болта. для стандартных прокладок: нижний предел диапазона используется для мягких прокладок, таких как сжатое волокно или ПТФЭ, а верхний предел — для металлических и спирально-навитых прокладок. Смазка резьбы болтов и опорных поверхностей гайки противозадирным составом под высоким давлением необходима для достижения постоянного соотношения между крутящим моментом и натяжением болта; несмазанная резьба может потреблять 50% и более приложенного крутящего момента при трении, в результате чего предварительная нагрузка болта значительно ниже расчетного значения. Для критически важных фланцевых соединений в технологических трубопроводах ASME B31.3 процедура затяжки болтов является документированной частью процесса обеспечения качества, а значения крутящего момента болтов записываются в отчете о целостности фланцевого соединения.