Стандартные кованые фланцы: типы и применение

Что такое стандартные кованые фланцы и почему качество материала имеет значение

Стандартные кованые фланцы представляют собой прецизионно обработанные детали для соединения труб, производимые методом ковки — метода производства, при котором нагретым стальным заготовкам придают форму сжимающим усилием с помощью штампов и прессов, выравнивая зернистую структуру металла по контурам готовой детали. Такое выравнивание потока зерен, присущее ковке и отсутствующее в литых компонентах, придает кованым фланцам характерное сочетание высокой прочности на разрыв, усталостной прочности и ударной вязкости, что делает их предпочтительным методом соединения в сложных промышленных трубопроводах, где давление, температура и агрессивные среды предъявляют экстремальные требования к целостности соединения.

Исходный материал для стандартных кованых фланцев — высококачественная кованая сталь — выбирается и тестируется на соответствие требованиям к механическим свойствам применимой спецификации материала перед началом ковки. Общие марки материалов включают углеродистую сталь ASTM A105 для стандартных условий эксплуатации при давлении и температуре, нержавеющую сталь ASTM A182 F304 и F316 для коррозийной эксплуатации в химической обработке и морской среде, легированную сталь ASTM A182 F11 и F22 для работы при высоких температурах в электроэнергетике и нефтепереработке, а также дуплексную нержавеющую сталь ASTM A182 F51 для комбинированной эксплуатации под высоким давлением и с высоким содержанием хлоридов в морской нефти и природном газе. производство. К каждому сорту материала предъявляются определенные требования к минимальному пределу текучести, прочности на разрыв, твердости и энергии удара, которым поковка должна соответствовать перед началом механической обработки, гарантируя, что готовый фланец обеспечит механические характеристики, необходимые для конструкции трубопроводной системы.

Сам процесс ковки — будь то ковка в открытом штампе для фланцев большего размера или ковка в закрытом штампе для стандартных размеров — улучшает зернистую структуру стали, устраняет внутреннюю пористость и пустоты, присутствующие в отлитом материале, и позволяет получить деталь с более высоким соотношением прочности к весу, чем эквивалентная отливка. Это имеет решающее значение при переработке нефти, природного газа и химической промышленности, где отказы фланцевых соединений являются не просто событиями, связанными с техническим обслуживанием, но потенциальными источниками катастрофических пожаров, токсичных выбросов и загрязнения окружающей среды, которые влекут за собой серьезные последствия для безопасности и нормативных требований.

Типы стандартных кованых фланцев и геометрия их соединения

Диапазон стандартные кованые фланцы Доступно пять основных типов соединений, каждый из которых оптимизирован для конкретного метода крепления труб, среды применения и контекста установки. Выбор правильного типа фланца для конкретных условий эксплуатации так же важен, как выбор правильного класса давления и марки материала — геометрия соединения напрямую влияет на качество сварного шва, прочность соединения, простоту проверки и пригодность для работы с соответствующей жидкостью.

Фланцы с приварной горловиной

Фланец с приварной шейкой — это самый прочный и универсальный стандартный тип кованого фланца, характеризующийся длинной конической ступицей, которая плавно переходит от поверхности фланца к толщине стенки трубы через стыковое сварное соединение. Коническая ступица распределяет нагрузку от сварного соединения на тело фланца, что делает фланцы с приварной шейкой предпочтительным выбором для условий высокого давления, высоких температур и циклических условий эксплуатации в нефтепереработке, транспортировке природного газа и трубопроводах химических реакторов высокого давления. Стыковое сварное соединение, выполненное в месте соединения фланца с трубой, является полнопроварным и поддается радиографическому контролю, что соответствует самым высоким требованиям к качеству сварных швов, предъявляемым к сосудам под давлением и нормам трубопроводов, включая ASME B31.3 для трубопроводов химических заводов и ASME B31.8 для газотранспортных систем.

Накладные фланцы

Накидные фланцы скользят по концу трубы и крепятся угловыми сварными швами как на лицевой, так и на внутренней поверхности фланца, обеспечивая более простое и менее дорогостоящее соединение, чем фланцы с приварной шейкой, за счет несколько более низкой усталостной долговечности и меньшей прочности. Они широко используются в инженерных трубопроводах низкого давления, системах охлаждающей воды и некритических технологических линиях на химических и нефтеперерабатывающих заводах, где простота центровки и уменьшенная длина втулки упрощают установку в перегруженных трубных эстакадах. Накидные фланцы имеют усталостную долговечность примерно на одну треть ниже, чем эквивалентные фланцы с приварной шейкой при циклической нагрузке, и, как правило, не предназначены для многоцикловой эксплуатации или для линий, транспортирующих опасные жидкости при повышенном давлении и температуре.

Фланцы под приварку враструб

Фланцы под приварку в раструбе предназначены для труб малого диаметра (обычно NPS 2 и ниже), где конец трубы вставляется в раструб, обработанный в отверстии фланца, и прикрепляется одним угловым сварным швом на поверхности раструба. Муфта обеспечивает точное выравнивание труб и постоянную геометрию сварного шва, что особенно ценно для приборов и трубопроводов малого диаметра, где ручное выравнивание стыковых сварных соединений затруднено. Важнейшим требованием при установке фланцев под приварку в раструбе является зазор 1,6 мм, который должен сохраняться между концом трубы и нижней частью раструба перед сваркой. Этот зазор не позволяет раструбу действовать как концентрация напряжений и растрескиваться при циклах теплового расширения. Фланцы с раструбной сваркой используются в службах переработки природного газа, нефти и химической продукции для линий высокого давления малого диаметра, включая соединения приборов, байпасные контуры и точки впрыска химикатов.

Резьбовые фланцы

Во фланцах с резьбой используется коническая трубная резьба NPT или BSP, обработанная в отверстии фланца для соединения с концами трубы с внешней резьбой без сварки, что делает их пригодными для применений, где сварка запрещена, включая трубопроводы, по которым проходят горючие газы или пары, где сварка во время технического обслуживания создает риск возгорания, или где для доступа для обслуживания требуется быстрая сборка и разборка. Резьбовые фланцы ограничены более низкими номинальными значениями давления и температуры, чем сварные типы, из-за концентрации напряжений, присущей резьбовым соединениям, и в большинстве норм по трубопроводам они обычно ограничиваются классом 600 и ниже. Они широко используются в сфере обслуживания нефти и природного газа для измерительных коллекторов малого диаметра, манометрических соединений и линий низкого давления в классах взрывоопасных зон.

Глухие фланцы

Глухие фланцы представляют собой сплошные диски без отверстия для трубы, используемые для закрытия конца системы трубопроводов, патрубка сосуда под давлением или корпуса клапана в точке, где ожидается доступ или расширение в будущем. Они подвергаются полному изгибающему напряжению выдерживаемого давления по всему диаметру их неподдерживаемой поверхности, что делает их одними из наиболее нагруженных стандартных типов кованых фланцев, несмотря на их кажущуюся простую геометрию. Глухие фланцы являются важными компонентами при изоляции трубопроводов нефти и природного газа, заглушке сопел реакторов химической переработки во время технического обслуживания и испытаниях под давлением новых систем трубопроводов, где временные торцевые затворы должны быть рассчитаны на испытательное давление системы.

Соответствие международным стандартам: ANSI, DIN, JIS и GB.

Коммерческая ценность стандартных кованых фланцев во многом обусловлена соблюдением международно признанных стандартов размеров и материалов, которые обеспечивают взаимозаменяемость фланцев разных производителей и совместимость с сопряженным оборудованием, поставляемым из разных мировых источников. Четыре основных семейства стандартов — ANSI/ASME (американский), DIN (немецкий/европейский), JIS (японский) и GB (китайский) — каждое определяют типы поверхностей фланцев, размеры окружности болтов, количество и размеры отверстий под болты, высоту выступа, а также номинальные значения давления и температуры для каждого номинального размера трубы и класса давления в пределах области действия стандарта.

Для многонациональных проектов — морских нефтяных платформ, линий по сжижению природного газа, трансграничных газопроводов и экспортно-ориентированных предприятий химической переработки — возможность поставлять стандартные кованые фланцы, соответствующие нескольким стандартам одновременно, является значительным преимуществом в закупках. Производитель фланцев, сертифицированный на поставку продукции, соответствующей стандартам ANSI, DIN, JIS и GB, с одного производственного предприятия, упрощает квалификацию поставщика, снижает риск, связанный со сроками выполнения заказов при закупках из нескольких источников, и обеспечивает единую точку ответственности за соответствие размеров и материалов по всем стандартам фланцев, указанным в классах материалов трубопроводов проекта.

Производительность в экстремальных условиях эксплуатации: высокая температура, высокое давление и агрессивная среда.

Условия эксплуатации, возникающие при нефтепереработке, переработке природного газа и химической обработке, представляют собой одни из самых суровых условий, в которых компоненты трубопроводных систем должны выдерживать постоянную промышленную эксплуатацию. Стандартные кованые фланцы в этих приложениях должны сохранять надежную герметичность и структурную целостность в температурном диапазоне от криогенного СПГ при температуре -162°C до условий технологического процесса при температуре окружающей среды и до высокотемпературных технологических потоков нефтеперерабатывающего завода при 550°C, при давлениях от вакуума до класса 2500 (приблизительно 420 бар при температуре окружающей среды) и при контакте с различными средами, от сухого природного газа до влажной высокосернистой нефти, содержащей сероводород, хлориды и органические кислоты, агрессивно воздействующие на углерод. сталь и многие сплавы нержавеющей стали.

Поддержание надежной работы при высоких температурах требует пристального внимания к ползучести материала фланцев и болтов – склонности металлов медленно деформироваться под постоянным напряжением при повышенной температуре – что может вызвать ослабление нагрузки на болты и постепенное снижение напряжения в прокладке, что в конечном итоге приводит к утечкам во фланцевом соединении без каких-либо внешних изменений в условиях эксплуатации. При выборе материалов для эксплуатации при высоких температурах приоритет отдается легированным сталям с добавками хрома и молибдена (F11, F22, F91), которые обеспечивают значительно лучшее сопротивление ползучести, чем фланцы из простой углеродистой стали A105, сохраняя достаточную нагрузку на болты и напряжение посадки прокладки в течение многих лет непрерывной высокотемпературной эксплуатации в условиях нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

В агрессивных средах эксплуатации — особенно при работе с сернистым газом и высокосернистой нефтью, характерными для добычи и переработки нефти — выбор материала должен дополнительно учитывать риск сульфидного растрескивания под напряжением (SSC). NACE MR0175 / ISO 15156 определяет пределы твердости и квалификационные требования к материалам для металлических компонентов при работе с H₂S-содержащей нефтью и природным газом, и стандартные кованые фланцы, предназначенные для эксплуатации в кислых средах, должны соответствовать этим требованиям - обычно ограничивая максимальную твердость фланцев из углеродистой и легированной стали до 22 HRC и ограничивая определенные марки сплавов, которые подвержены SSC независимо от уровня твердости.

Точность размеров, эффективность уплотнения и контроль качества

Герметизирующие характеристики фланцевого соединения примерно в равной мере зависят от трех факторов: выбора прокладки и сжатия, приложения нагрузки на болты, точности размеров торцевой поверхности фланца и качества обработки поверхности. Стандартные кованые фланцы, соответствующие ANSI B16.5, DIN EN 1092-1 или эквивалентным стандартам, определяют допуски на размеры и требования к отделке поверхности, которые при соблюдении обеспечивают предсказуемое поведение прокладки и надежное уплотнение во всем номинальном диапазоне давления и температуры для класса фланца. Фланцы, которые не соответствуют этим допускам — даже в пределах допустимого/неудовлетворительного при беглом визуальном осмотре — создают неравномерное сжатие прокладки, что приводит к образованию путей утечки при рабочем давлении, особенно во время термоциклирования, которое неоднократно нагружает и разгружает прокладку по мере нагревания и охлаждения системы трубопроводов.

Строгий контроль качества при производстве стандартных кованых фланцев охватывает всю производственную последовательность: от проверки поступающего материала до окончательного размерного и неразрушающего контроля. Следующие этапы контроля качества являются стандартной практикой при производстве соответствующих фланцев для применений в области переработки нефти, природного газа и химической обработки:

• Идентификация материала и PMI (Положительная идентификация материала): Проверка состава сплава с помощью рентгеновского спектрометра при каждой плавке поступающей поковки с сравнением результатов с требованиями спецификации материала перед разрешением ковки. Этот шаг исключает путаницу материалов — известную основную причину громких поломок трубопроводов в нефтехимической отрасли.
• Проверка размеров: Измерение диаметра отверстия, наружного диаметра фланца, диаметра окружности болта, положения и диаметра отверстия для болта, диаметра выступающей поверхности, толщины фланца и размеров ступицы с помощью КИМ или ручного измерения в соответствии с таблицей размеров соответствующего стандарта, при этом результаты фиксируются в отчетах о проверке размеров, прослеживаемых по производственной плавке и номеру партии.
• Размер поверхности фланца: Измерение профилометром поверхности выступа или канавки кольцевого соединения для подтверждения соответствия требованиям ASME B16.5 — обычно 125–250 микродюймов Ra для фланцев с выступом и спирально-зубчатой отделкой — которые необходимы для надежной посадки мягкой прокладки и герметичной эксплуатации.
• Проверка твердости: Испытание твердости по Бринеллю или Роквеллу каждого фланца или образца плавки для проверки соответствия требованиям спецификации материала, а для фланцев, эксплуатируемых в кислых средах, пределам твердости NACE MR0175.
• Неразрушающий контроль (НКЭ): Магнитопорошковый контроль (МТ) или капиллярный контроль (ПТ) поверхностей фланцев на наличие дефектов, разрушающих поверхность; ультразвуковой контроль (UT) поковок на наличие внутренних несплошностей во фланцах с более высокими техническими характеристиками или больших размеров, где объемный контроль требуется в соответствии со спецификацией покупки или применимыми нормами.

Выбор стандартных кованых фланцев для конкретных требований проекта

Эффективный выбор фланцев для проектов по переработке нефти, природного газа и химической промышленности требует структурированного подхода, который одновременно учитывает класс давления, марку материала, тип фланца, тип поверхности и соответствие стандартам, а не рассматривает каждую переменную отдельно. Следующая схема выбора обеспечивает практическую отправную точку для инженеров по трубопроводам и групп закупок, определяющих стандартные кованые фланцы для новых проектов или поставок на замену:

• Определите управляющий класс давления: Рассчитайте требуемый класс давления на основе максимально допустимого рабочего давления (MAOP) и максимальной расчетной температуры эксплуатации, используя таблицы номинальных значений давления и температуры в ASME B16.5 или применимом стандарте. Всегда выбирайте следующий более высокий стандартный класс давления, превышающий расчетное требование — фланцы никогда не должны эксплуатироваться при максимальном номинальном режиме давления и температуры в качестве расчетного запаса.
• Выберите марку материала в зависимости от условий эксплуатации: Углеродистая сталь A105 для некоррозионной эксплуатации при умеренных температурах; нержавеющая сталь F304/F316 для коррозионной химической обработки; легированная сталь F11/F22 для эксплуатации в нефтяной и энергетической сфере при повышенных температурах; дуплекс F51 для морской эксплуатации с высоким содержанием хлоридов. Подтвердите требования соответствия NACE MR0175 для любых услуг, содержащих H₂S в концентрациях, превышающих пороговые значения.
• Выберите тип фланца в зависимости от сложности эксплуатации: Приварная шейка для работы в условиях высокого давления, высоких температур и циклической эксплуатации; надеваемая накладка для коммунальных услуг с низким давлением; раструбная сварка для малопроходных линий КИПиА; резьбовые для применений без зоны сварки; заглушка для точек завершения и изоляции системы.
• Подтвердите соответствие стандартам для юрисдикции проекта: Укажите ANSI/ASME для североамериканских и международных проектов, DIN/EN для европейских проектов, JIS для японских и некоторых азиатских проектов и GB для внутренних проектов в Китае. Для многонациональных проектов укажите основной стандарт с требованиями эквивалентности для альтернативных стандартов, где требуется взаимозаменяемость в глобальных цепочках поставок.
• Оценить индивидуальные решения для нестандартных требований: Для применений, в которых стандартные размеры, классы давления или марки материалов не соответствуют требованиям конкретного проекта или условий труда, включая работу при экстремальных температурах, агрессивных агрессивных средах или геометрию сопла, специфичную для оборудования, индивидуальные стандартные кованые фланцы, изготовленные по чертежам и спецификациям материалов, указанным клиентом, обеспечивают инженерную гибкость для удовлетворения разнообразных потребностей проекта без ущерба для стандартов точности механической обработки и контроля качества, которые определяют надежную работу фланцев в критических условиях эксплуатации.
•