فلنج های فورج شده گردن جوش استاندارد ANSI: مشخصات و کاربردها

یک فلنج فرفورژه گردن جوش استاندارد ANSI انتخاب ارجح برای کاربردهای لوله کشی سخت است زیرا هاب مخروطی یک انتقال تنش صاف از سطح فلنج به دیواره لوله را فراهم می کند و ناپیوستگی ناگهانی را که باعث تلاطم و خرابی خستگی در سایر انواع فلنج می شود حذف می کند. . فلنج توسط یک جوش لب به لب با نفوذ کامل در انتهای توپی به لوله متصل می شود و اتصالی را ایجاد می کند که به اندازه خود لوله استحکام دارد و می توان آن را به صورت رادیوگرافیک برای تأیید یکپارچگی جوش بررسی کرد. این ویژگی طراحی، همراه با جهت گیری جریان دانه حاصل از فرآیند آهنگری، فلنج گردن جوش را به تنها نوع فلنج مورد قبول جهانی برای خدمات بحرانی فشار بالا، دمای بالا و بارگذاری چرخه ای در صنایع نفت، پتروشیمی و نیرو تبدیل می کند. هنگامی که بر اساس استاندارد ANSI مشخص می شود - معمولاً ASME B16.5 برای اندازه لوله تا 24 اینچ و ASME B16.47 برای قطرهای بزرگتر - ابعاد فلنج، درجه بندی فشار-دمای و الزامات مواد کاملاً استاندارد شده است و قابلیت تعویض با سوپاپ ها، اتصالات و تجهیزات هر سازنده در سراسر جهان را تضمین می کند.

مزیت آهنگری: چرا جریان دانه مهم است

فرآیند آهنگری اساساً ساختار داخلی فولاد را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که ریخته‌گری یا ماشینکاری از صفحه نمی‌تواند تکرار شود. فلنج آهنگری به عنوان یک شمش فولادی شروع می شود - یک شمش ریخته گری یا یک شکوفه ریخته گری پیوسته که برای بستن تخلخل داخلی گرم کار شده است - و تحت نیروی فشاری بسیار زیاد بین قالب های آهنگری شکل می گیرد. این تغییر شکل باعث طولانی شدن اجزای غیر فلزی و مرزهای دانه در جهت جریان فلز می شود و ایجاد یک الگوی جریان پیوسته دانه که از خط فلنج پیروی می کند . ساختار دانه تراز شده در برابر انتشار ترک عمود بر تنش اعمال شده مقاومت می کند و به فلنج آهنگری مقاومت در برابر خستگی و چقرمگی ضربه بالاتری در مقایسه با فلنج ریخته گری یا برش صفحه ای که جهت دانه تصادفی یا عمود بر جهت تنش اولیه است می دهد.

به طور خاص برای فلنج گردن جوش، فرآیند آهنگری به گونه ای طراحی شده است که خطوط جریان دانه به طور مداوم از روی فلنج به سمت بالا از طریق توپی مخروطی و به داخل مخروط جوش حرکت کنند. این بدان معنی است که وقتی فلنج به لوله جوش داده می شود، جریان دانه در فلنج و لوله در یک راستا قرار می گیرد و ایجاد یک اتصال متالورژیکی همگن . عدم وجود یک لایه مرزی ضعیف - مشخصه سازه های ریخته گری که در آن ناحیه سرد سطحی با ناحیه دانه ستونی برخورد می کند - به این معنی است که مسیر شکست ترجیحی وجود ندارد. برای خدمات حیاتی مانند سرویس هیدروژن، پردازش گاز ترش، یا بخار با دمای بالا، این ساختار دانه پیوسته برای جلوگیری از شکنندگی و ترک‌خوردگی که می‌تواند در ناپیوستگی‌های ریزساختاری شروع شود، ضروری است.

ANSI / ASME B16.5 کلاس فشار و سیستم ابعاد

استاندارد ANSI که فلنج های گردن جوش را کنترل می کند - اکنون توسط ASME منتشر شده است ASME B16.5 - فلنج ها را به کلاس های فشاری سازماندهی می کند که حداکثر فشار کاری مجاز را در دمای معین برای یک ماده معین تعیین می کند. کلاس های فشار استاندارد برای فلنج های گردن جوش 150، 300، 400، 600، 900، 1500 و 2500 هستند. این عنوانی است که با جدول درجه بندی فشار-دما مرتبط است. فلنج کلاس 300 در فولاد کربنی (ASTM A105) در دمای محیط دارای محدودیت فشار کاری تقریباً است. 740 psi (51 bar) ، در حالی که همان فلنج در دمای 400 درجه سانتیگراد (750 درجه فارنهایت) تقریباً به 635 psi (44 بار) کاهش می یابد. در نهایت، فلنج کلاس 2500 در فولاد آلیاژی می تواند فشارهای بیش از 6000 psi را در دمای محیط تحمل کند.

مشخصات ابعادی که هر کلاس فشار را متمایز می کند عبارتند از: ضخامت فلنج، قطر توپی در پایه، قطر دایره پیچ و تعداد و اندازه سوراخ‌های پیچ . با افزایش کلاس فشار، این ابعاد برای تحمل بارهای مکانیکی بیشتر افزایش می‌یابد، حتی اگر اندازه اسمی لوله ثابت بماند. جدول زیر نشان می دهد که چگونه ابعاد کلید با کلاس فشار برای فلنج گردن جوش معمولی 4 اینچی (DN 100) مقیاس می شود.

سوراخ فلنج گردن جوش برای مطابقت با آن ماشین کاری شده است ضخامت اسمی دیواره لوله از لوله اتصال این بدان معناست که برای یک اندازه اسمی لوله معین، فلنج هایی با قطر سوراخ های مختلف برای مطابقت با برنامه های لوله استاندارد، فوق قوی (XS) و دوبل فوق قوی (XXS) در دسترس هستند. تحمل سوراخ در استاندارد مشخص شده است و مخروط جوش در انتهای توپی با زاویه 37.5 درجه با سطح ریشه تقریباً 1.6 میلی متر در هر ASME B16.25 ماشینکاری می شود تا یک شیار V استاندارد برای اتصال لب به لب ایجاد شود.

درجات مواد و پاکت دما و فشار آنها

ماده ای که فلنج گردن جوش از آن ساخته می شود، محدودیت دما و فشار قطعه نهایی و مقاومت آن را در برابر مکانیسم های خوردگی خاص تعیین می کند. ASME B16.5 به مشخصات مواد ASTM اشاره می کند و جداول درجه بندی فشار و دما بر اساس گروه مواد سازماندهی شده است. انتخاب مواد یک تصمیم بر اساس است دمای طراحی، فشار طراحی، شیمی سیال و پتانسیل مکانیزم های ترک خوردگی محیطی مانند ترک خوردگی تنش سولفید در سرویس ترش یا ترک خوردگی تنش کلریدی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی که در معرض کلریدهای داغ قرار دارند.

متداول ترین مواد آهنگری مشخص شده برای فلنج های گردن جوش ANSI و پاکت های کاربردی معمولی آنها عبارتند از:

• ASTM A105 (فولاد کربن): مواد استاندارد برای خدمات صنعتی عمومی از -29 درجه سانتیگراد تا 425 درجه سانتیگراد (20- درجه فارنهایت تا 800 درجه فارنهایت). برای قرار گرفتن در معرض طولانی مدت بالای 425 درجه سانتیگراد به دلیل گرافیت شدن، یا برای دماهای زیر صفر زیر دمای انتقال شکل پذیر به شکننده بدون آزمایش ضربه مناسب نیست. برای خدمات بخار، آب، روغن و هیدروکربن های غیر خورنده استفاده می شود. این رایج ترین و مقرون به صرفه ترین مواد فلنج آهنگری است که نشان دهنده اکثر فلنج های گردن جوش نصب شده در سرویس های غیر خورنده است.
• ASTM A350 LF2 (فولاد کربنی با دمای پایین): یک فولاد کربنی با شیمی کنترل شده و عملکرد دانه ریز، ضربه چارپی که در دمای -46 درجه سانتی گراد (50- درجه فارنهایت) آزمایش شده است. برای سیستم های لوله کشی که در آب و هوای سرد کار می کنند و در جابجایی گاز مایع که در آن A105 در معرض خطر شکستگی است استفاده می شود. صفحه فلنج معمولاً با یک صفحه برجسته یا یک اتصال حلقه ای مطابق با مشخصات ارائه می شود.
• ASTM A182 F304/F304L و F316/F316L (فولاد ضد زنگ آستنیتی): مواد استاندارد برای خدمات شیمیایی خورنده، فرآوری مواد غذایی و کاربردهای دارویی. گریدهای "L" (کم کربن، حداکثر 0.03٪ کربن) برای تولیدات جوش داده شده و برای خدمات بالاتر از 425 درجه سانتیگراد که در آن گریدهای تثبیت نشده مستعد حساسیت و خوردگی بین دانه ای هستند، مشخص شده است. F316/F316L، با افزودن 2 تا 3 درصد مولیبدن، مقاومت بهتری در برابر خوردگی حفره ای در محیط های حاوی کلرید در مقایسه با F304 ایجاد می کند.
• ASTM A182 F11 و F22 (فولاد آلیاژی کروم-مولیبدن): مواد اولیه برای خدمات با دمای بالا در پالایشگاه ها و نیروگاه ها، با گریدهای 1.25% Cr-0.5% Mo (F11) و 2.25% Cr-1% Mo (F22). این مواد استحکام کششی خود را در دماهای تا 600 درجه سانتیگراد (1100 درجه فارنهایت) حفظ می کنند و هنگام استفاده در منحنی های نلسون برای درجه آلیاژ خاص، در برابر حمله هیدروژنی در سرویس هیدروژنی با دمای بالا مقاومت می کنند. فلنج های یک واحد هیدروفرآوری پالایشگاه که در دمای 450 درجه سانتیگراد با فشار جزئی هیدروژن بالا کار می کند، معمولاً فورج F22 هستند.
• ASTM A182 F51 / F53 (فولاد ضد زنگ دوبلکس و سوپر دوبلکس): در محیط های نفت و گاز دریایی، آب دریا و محیط های فرآیند شیمیایی که ترکیبی از استحکام بالا و مقاومت استثنایی در حفره های کلرید مورد نیاز است استفاده می شود. F53 (سوپر دوبلکس، 25% کروم) دارای PREN (عدد معادل مقاومت حفره‌ای) بالای 40 است که در برابر خوردگی شکاف آب دریا در دمای محیط ایمنی ایجاد می‌کند.

انواع صفحه فلنج و انتخاب واشر

رو به فلنج - هندسه سطح آب بندی روی سطح فلنج - بر اساس کلاس فشار، ویژگی های سیال و نوع واشر انتخاب می شود. استاندارد ANSI چندین نوع روبرو را تعریف می کند که هر کدام دارای یک دامنه کاربردی خاص هستند. رایج ترین روکش های روی فلنج های گردن جوش عبارتند از:

صورت برجسته (RF)

روکش استاندارد برای فلنج های کلاس 150 و 300، متشکل از یک فلات برجسته تقریباً ارتفاع 1.6 میلی متر (1/16 اینچ) برای کلاس 150 و 300 و 6.4 میلی متر (1/4 اینچ) ارتفاع برای کلاس 400 و بالاتر. صفحه برجسته بار پیچ را روی یک ناحیه واشر کوچکتر متمرکز می کند و فشار تماس را افزایش می دهد و آب بندی را بهبود می بخشد. پرداخت سطحی صورت برجسته توسط استاندارد به صورت a مشخص شده است الگوی شیار متحدالمرکز یا مارپیچی دندانه دار با زبری سطح 3.2 تا 6.3 میکرومتر Ra (125 تا 250 میکرواینچ AA). این روکش دندانه دار به مواد نرم واشر می خورد و از بیرون آمدن آن از مفصل فلنج تحت فشار جلوگیری می کند.

اتصال نوع حلقه (RTJ)

روکش استاندارد برای فلنج های فشار قوی از کلاس 600 تا کلاس 2500 در سرویس های حیاتی. صفحه فلنج دارای یک شیار با ماشینکاری دقیق است که یک واشر حلقه فلزی جامد - معمولاً بیضی یا هشت ضلعی در مقطع - می‌پذیرد که از ماده‌ای نرم‌تر از مواد فلنج ساخته شده است. هنگامی که پیچ ها سفت می شوند، واشر حلقه به شکل پلاستیکی در شیار تغییر شکل می دهد و ایجاد یک شیار می کند. مهر و موم فلز به فلز که قادر به تحمل فشار بیش از 10000 psi و دمای بیش از 500 درجه سانتیگراد است. . واشر RTJ تنها نوع واشر مورد قبول برای خدمات بخار فشار بالا، آب تغذیه دیگ بخار و خدمات هیدروکربنی است که در آن فوران واشر عواقب فاجعه باری به همراه خواهد داشت. مواد استاندارد واشر حلقه عبارتند از آهن نرم (برای فلنج های فولاد کربنی)، فولاد ضد زنگ 304 یا 316 و آلیاژهای مختلف نیکل برای خدمات خورنده و در دمای بالا.

صورت صاف (FF)

عمدتاً برای فلنج‌های چدنی کلاس 125 و برای اتصال به نازل‌های تجهیزات سطح صاف استفاده می‌شود که در آن فلنج صورت برجسته خم می‌شود و هنگام سفت شدن پیچ‌ها، فلنج چدنی جفت شده را ترک می‌کند. یک واشر تمام وجه، که تا دایره پیچ گسترش می یابد، با فلنج های صفحه صاف برای توزیع یکنواخت بار پیچ در کل ناحیه صورت استفاده می شود.

روش جوشکاری لب به لب و کنترل منطقه متاثر از حرارت

نصب فلنج گردن جوش بر روی لوله نیاز به یک جوش لب به لب با نفوذ کامل، تک V شیار که مورب ماشینکاری شده در انتهای توپی فلنج را به مخروط مطابق انتهای لوله می پیوندد. جوش معمولاً با استفاده از فرآیند جوشکاری قوسی تنگستن گاز (GTAW) برای عبور ریشه انجام می‌شود تا از نفوذ کامل و سطح ریشه تمیز و بدون اکسید اطمینان حاصل شود و به دنبال آن جوش قوس فلزی محافظ (SMAW) یا جوشکاری با هسته شار (FCAW) برای عبور پر و کلاهک انجام می‌شود. مشخصات روش جوشکاری (WPS) باید مطابق با بخش IX ASME باشد و جوشکار باید برای مواد، ضخامت و موقعیت خاص واجد شرایط باشد.

ملاحظات مهم جوشکاری برای فلنج های گردن جوش این است کنترل منطقه متاثر از حرارت (HAZ) در هاب فلنج . توپی فلنج در نزدیکی جوش در معرض یک چرخه حرارتی پیچیده است که می تواند ریزساختار آن را تغییر دهد، تنش های پسماند را ایجاد کند، و برای فولادهای آلیاژی خاص، در صورتی که سرعت خنک سازی خیلی سریع باشد، یک منطقه مارتنزیتی سخت و شکننده ایجاد کند. برای فلنج های فولادی با آلیاژ کروم-مولیبدن (ASTM A182 F11, F22) پیش گرم کردن در دمای 200 تا 300 درجه سانتیگراد (400 درجه فارنهایت تا 575 درجه فارنهایت) الزامی است قبل از جوشکاری برای کاهش سرعت سرد شدن و جلوگیری از تشکیل مارتنزیت، و عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) در دمای 675 درجه سانتیگراد تا 730 درجه سانتیگراد (1250 درجه فارنهایت تا 1350 درجه فارنهایت) به مدت یک ساعت در هر 25 میلیمتر ضخامت جوش مورد نیاز است. PWHT یک مجموعه لوله فلنج جوش داده شده روی جوش تکمیل شده انجام می شود، و سختی HAZ با آزمایش سختی قابل حمل بر اساس ASTM E110 تأیید می شود تا تأیید شود که سختی کمتر از حداکثر تعیین شده است - معمولاً 225 HBW برای P-No. 4 و P-No. فولادهای آلیاژی 5A در خدمات پالایشگاهی.

بازرسی، آزمایش، و مستندات کیفیت

فلنج گردن جوش ساخته شده بر اساس استاندارد ANSI با مجموعه ای از اسناد کیفیت اجباری و اختیاری ارائه می شود که مطابقت آن با مشخصات مواد و ابعاد را تأیید می کند. را گزارش تست مواد (MTR) گواهی آسیاب سند اولیه است که شماره حرارت آهنگری، ترکیب شیمیایی، استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و کاهش سطح حاصل از آزمایش کششی و سختی آن را تأیید می کند. برای فلنج‌های فولاد کربنی با دمای پایین (A350 LF2)، MTR همچنین شامل نتایج آزمایش ضربه‌ای Charpy V-notch در دمای تست مشخص می‌شود. برای فلنج های فولادی ضد زنگ، MTR در صورت مشخص شدن، نتایج تست خوردگی بین دانه ای را شامل می شود. MTR باید با شماره حرارتی که در حاشیه فلنج همراه با درجه مواد، کلاس فشار، اندازه اسمی لوله و علامت شناسایی سازنده بر اساس الزامات علامت گذاری ASME B16.5 درج شده است، قابل ردیابی باشد.

بررسی غیر مخرب فلنج تمام شده شامل بازرسی بصری سطوح ماشینکاری شده، روکش و مخروط جوش برای دور، درز، ترک، و دیگر ناپیوستگی های سطح در MSS SP-55. برای فلنج های سرویس حیاتی، NDE اضافی مشخص شده است: بررسی مایع نافذ (PT) یا بررسی ذرات مغناطیسی (MT) سطح فلنج، انتقال توپی به چهره، و مورب جوش بر اساس ASME B16.5 بند 8.3. و معاینه اولتراسونیک (UT) کل حجم آهنگری در ASTM A388 یا مشخصات آهنگری ASTM قابل اجرا برای تشخیص عیوب داخلی مانند آخال ها، حفره ها، یا لمینیت ها. معیارهای پذیرش برای این معاینات توسط استاندارد آهنگری ASTM قابل اجرا و الزامات تکمیلی خریدار تعریف شده است.

گشتاور پیچ، فشرده سازی واشر و مونتاژ بدون نشتی

مونتاژ یک اتصال فلنج گردن جوش ANSI نیاز دارد سفت شدن کنترل شده پیچ تا یک گشتاور مشخص یا تنش پیچ برای دستیابی به فشرده سازی واشر لازم برای آب بندی بدون نشتی بدون فشار بیش از حد به فلنج، پیچ و مهره یا واشر. پیچ ها در یک دنباله الگوی متقاطع - که الگوی ستاره ای نیز نامیده می شود - در حداقل سه مرحله افزایش گشتاور سفت می شوند: 30٪، 60٪ و 100٪ گشتاور هدف. این سفت شدن تدریجی تضمین می کند که واشر به طور یکنواخت فشرده شده و از خمیده شدن فلنج جلوگیری می کند که باعث ایجاد شکاف گوه ای می شود که واشر نمی تواند آن را پر کند.

گشتاور پیچ هدف از تنش نشستن واشر، سطح تماس واشر، استحکام تسلیم مواد پیچ ​​و ضریب اصطکاک رزوه‌های پیچ و سطح بلبرینگ مهره محاسبه می‌شود. تنش پیچ هدف معمولاً است 40٪ تا 70٪ از استحکام تسلیم مواد پیچ برای واشرهای استاندارد، با انتهای پایین محدوده برای واشرهای نرم مانند فیبر فشرده یا PTFE و انتهای بالاتر برای واشرهای فلزی و مارپیچی استفاده می شود. روانکاری رزوه های پیچ و سطوح مهره ای با یک ترکیب ضد گیره با فشار بالا برای دستیابی به یک رابطه ثابت بین گشتاور و کشش پیچ ضروری است. رزوه های روغن کاری نشده می توانند 50٪ یا بیشتر از گشتاور اعمال شده را در اصطکاک مصرف کنند و در نتیجه یک پیش بار پیچ به طور قابل توجهی کمتر از مقدار محاسبه شده است. برای اتصالات فلنجی حیاتی در لوله‌کشی فرآیند ASME B31.3، روش سفت کردن پیچ بخشی مستند از فرآیند تضمین کیفیت است و مقادیر گشتاور پیچ در گزارش یکپارچگی اتصال فلنج ثبت می‌شود.