ANSI standard svejsehals smedede flanger: Specifikationer og applikationer

An ANSI standard svejsehals smedet flange er det foretrukne valg til krævende rørapplikationer, fordi dens konisk nav giver en jævn spændingsovergang fra flangefladen til rørvæggen, hvilket eliminerer den pludselige diskontinuitet, der forårsager turbulens og udmattelsesfejl i andre flangetyper . Flangen er fastgjort til røret ved hjælp af en stumpsvejsning med fuld penetration ved navenden, hvilket skaber en samling, der er lige så stærk som selve røret og kan inspiceres radiografisk for at verificere svejseintegriteten. Denne designfunktion, kombineret med kornstrømmens orientering opnået gennem smedningsprocessen, gør svejsehalsflangen til den eneste flangetype, der er universelt accepteret til kritiske højtryks-, højtemperatur- og cykliske belastningstjenester i olie-, petrokemiske og elproduktionsindustrien. Når specificeret til en ANSI-standard - oftest ASME B16.5 for rørstørrelser op til 24 tommer og ASME B16.47 for større diametre - er flangedimensionerne, tryk-temperaturklassificeringerne og materialekravene fuldt standardiserede, hvilket sikrer udskiftelighed med ventiler, fittings og udstyr fra enhver producent i hele verden.

Smedefordelen: Hvorfor kornflow er vigtigt

Smedningsprocessen ændrer fundamentalt stålets indre struktur på måder, som støbning eller bearbejdning fra plade ikke kan kopiere. En smedet flange begynder som en barre af stål - en støbt barre eller en kontinuerligt støbt blomst, der er blevet varmbearbejdet for at lukke den indre porøsitet - og er formet under en enorm trykkraft mellem smedningsmatricer. Denne deformation forlænger de ikke-metalliske indeslutninger og korngrænserne i retningen af metalstrømmen, hvilket skaber en kontinuerligt kornstrømningsmønster, der følger flangens kontur . Den justerede kornstruktur modstår revneudbredelse vinkelret på den påførte spænding, hvilket giver den smedede flange overlegen træthedsmodstand og slagsejhed sammenlignet med en støbt eller pladeskåret flange, hvor kornorienteringen er tilfældig eller vinkelret på den primære spændingsretning.

Specifikt til en svejsehalsflange er smedningsprocessen designet således, at kornstrømningslinjerne løber kontinuerligt fra flangen med forsiden op gennem det tilspidsede nav og ind i svejsefasen. Det betyder, at når flangen stumpsvejses til et rør, bliver kornstrømmen i flangen og i røret justeret, hvilket skaber en metallurgisk homogen samling . Fraværet af et svagt grænselag - et kendetegn ved støbte strukturer, hvor overfladens kølezone møder den søjleformede kornzone - betyder, at der ikke er nogen foretrukken fejlvej. For kritiske tjenester såsom brintservice, surgasbehandling eller højtemperaturdamp er denne kontinuerlige kornstruktur essentiel for at forhindre skørhed og revner, der kan starte ved mikrostrukturelle diskontinuiteter.

ANSI / ASME B16.5 Trykklasse og dimensionssystem

ANSI-standarden, der styrer svejsehalsflanger - nu udgivet af ASME as ASME B16.5 — organiserer flanger i trykklasser, der definerer det maksimalt tilladte arbejdstryk ved en given temperatur for et givet materiale. Standardtrykklasserne for svejsehalsflanger er 150, 300, 400, 600, 900, 1500 og 2500. Klassenummeret er ikke arbejdstrykket i psi; det er en betegnelse, der korrelerer med en tryk-temperaturvurderingstabel. En klasse 300 flange i kulstofstål (ASTM A105) ved omgivelsestemperatur har en arbejdstrykgrænse på ca. 740 psi (51 bar) , mens den samme flange ved 400°C (750°F) nedsættes til ca. 635 psi (44 bar). I den yderste ende kan en klasse 2500-flange i legeret stål modstå tryk, der overstiger 6.000 psi ved omgivelsestemperatur.

De dimensionelle egenskaber, der adskiller hver trykklasse, er flangetykkelse, navdiameteren ved bunden, boltcirkeldiameteren og antallet og størrelsen af bolthullerne . Efterhånden som trykklassen stiger, øges disse dimensioner for at klare de større mekaniske belastninger, selvom den nominelle rørstørrelse forbliver den samme. Tabellen nedenfor illustrerer, hvordan nøgledimensionerne skaleres med trykklasse for en almindelig 4-tommer (DN 100) svejsehalsflange.

Boringen af en svejsehalsflange er bearbejdet til at matche nominel rørvægstykkelse af forbindelsesrøret. Dette betyder, at der for en given nominel rørstørrelse er flanger med forskellige boringsdiametre tilgængelige for at matche standard, ekstrastærke (XS) og dobbelte ekstra stærke (XXS) rørskemaer. Boringstolerancen er specificeret i standarden, og svejsefasen ved navenden er bearbejdet til en 37,5 graders vinkel med en rodflade på ca. 1,6 mm, i henhold til ASME B16.25, for at skabe en standard V-rille til stødsvejsesamlingen.

Materialekvaliteter og deres temperatur-trykkuvert

Materialet, hvorfra en svejsehalsflange er smedet, bestemmer temperatur- og trykgrænserne for den færdige komponent og dens modstand mod specifikke korrosionsmekanismer. ASME B16.5 refererer til ASTM-materialespecifikationerne, og tryk-temperaturklassificeringstabellerne er organiseret efter materialegruppe. Udvælgelsen af materialet er en beslutning baseret på designtemperatur, designtrykket, væskekemien og potentialet for miljømæssige revnemekanismer såsom sulfidspændingsrevner i sur service eller chloridspændingskorrosionsrevner i austenitiske rustfrie stål udsat for varme klorider.

De mest almindeligt specificerede smedningsmaterialer til ANSI svejsehalsflanger og deres typiske applikationskonvolutter er:

• ASTM A105 (kulstofstål): Standardmaterialet til generel industriservice fra -29°C til 425°C (-20°F til 800°F). Ikke egnet til langvarig eksponering over 425°C på grund af grafitisering eller til temperaturer under nul under overgangstemperaturen duktilt til skørt uden slagtest. Anvendes til damp, vand, olie og ikke-ætsende kulbrintetjenester. Dette er det mest almindelige og økonomiske smedede flangemateriale, der repræsenterer størstedelen af installerede svejsehalsflanger i ikke-ætsende drift.
• ASTM A350 LF2 (lavtemperatur kulstofstål): Et kulstofstål med kontrolleret kemi og finkornet praksis, Charpy slagtestet ved -46°C (-50°F). Anvendes til rørsystemer, der arbejder i kolde klimaer og til håndtering af flydende gas, hvor A105 risikerer at blive sprødt. Flangefladen er typisk forsynet med en hævet flade eller en ringformet samling i henhold til specifikationen.
• ASTM A182 F304/F304L og F316/F316L (austenitisk rustfrit stål): Standardmaterialerne til ætsende kemisk service, fødevareforarbejdning og farmaceutiske applikationer. "L"-kvaliteterne (lavt kulstof, maksimalt 0,03 % kulstof) er specificeret til svejste fabrikationer og til service over 425°C, hvor de ustabiliserede kvaliteter er modtagelige for sensibilisering og intergranulær korrosion. F316/F316L giver med sin molybdæntilsætning på 2-3 % forbedret modstandsdygtighed over for grubetæring i kloridholdige miljøer sammenlignet med F304.
• ASTM A182 F11 og F22 (krom-molybdænlegeret stål): Arbejdshestens materialer til højtemperaturservice i raffinaderier og kraftværker med 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) og 2,25% Cr-1% Mo (F22) kvaliteter. Disse materialer bevarer deres trækstyrke ved temperaturer op til 600°C (1100°F) og modstår brintangreb i højtemperaturbrintbrug, når de bruges inden for Nelson-kurverne for den specifikke legeringskvalitet. Flangerne i en raffinaderi-hydroprocessenhed, der arbejder ved 450°C med højt brintpartialtryk, er typisk F22-smedninger.
• ASTM A182 F51 / F53 (duplex og super duplex rustfrit stål): Anvendes i offshore olie- og gas-, havvandshåndterings- og kemiske procesmiljøer, hvor kombinationen af høj styrke og enestående modstand mod kloridgruber er påkrævet. F53 (super duplex, 25 % Cr) har et PREN (pitting Resistance Equivalent Number) over 40, hvilket giver immunitet over for korrosion af havvandsspalter ved omgivende temperaturer.

Flangefladetyper og pakningsvalg

Flangefladen - geometrien af tætningsfladen på flangefladen - vælges baseret på trykklassen, væskekarakteristika og pakningstypen. ANSI-standarden definerer flere fronttyper, hver med et specifikt applikationsdomæne. De mest almindelige belægninger på svejsehalsflanger er:

Hævet ansigt (RF)

Standardbeklædningen til klasse 150 og 300 flanger, bestående af et hævet plateau ca. 1,6 mm (1/16 tomme) høj for klasse 150 og 300 og 6,4 mm (1/4 tomme) høj for klasse 400 og derover. Den hævede flade koncentrerer boltbelastningen på et mindre pakningsområde, hvilket øger kontakttrykket og forbedrer tætningen. Overfladefinishen på den hævede flade er specificeret af standarden som en takket koncentrisk eller spiralformet rillemønster med en overfladeruhed på 3,2 til 6,3 µm Ra (125 til 250 mikroinch AA). Denne takkede finish bider sig ind i det bløde pakningsmateriale og forhindrer det i at blive ekstruderet ud af flangesamlingen under tryk.

Ring-type led (RTJ)

Standardbeklædningen til højtryksflanger fra klasse 600 til klasse 2500 i kritisk service. Flangefladen har en præcisionsbearbejdet rille, der accepterer en solid metalringpakning - typisk oval eller ottekantet i tværsnit - lavet af et materiale, der er blødere end flangematerialet. Når boltene spændes, deformeres ringpakningen plastisk ind i rillen, hvilket skaber en metal-til-metal tætning, der er i stand til at indeholde tryk på over 10.000 psi og temperaturer over 500°C . RTJ-pakningen er den eneste pakningstype, der accepteres til højtryksdamp, kedelfødevand og kulbrintetjenester, hvor en pakningsudblæsning ville have katastrofale konsekvenser. Standard ringpakningsmaterialerne er blødt jern (til flanger af kulstofstål), 304 eller 316 rustfrit stål og forskellige nikkellegeringer til ætsende og høje temperaturer.

Fladt ansigt (FF)

Anvendes primært til klasse 125 støbejernsflanger og til tilslutninger til flade udstyrsdyser, hvor en forhøjet fladeflange ville bøje og knække den tilhørende støbejernsflange, når boltene spændes. En fuldfladepakning, der strækker sig til boltcirklen, bruges med flade fladeflanger for at fordele boltbelastningen jævnt over hele fladeområdet.

Stumsvejsningsproceduren og varmepåvirket zonekontrol

Installationen af en svejsehalsflange på et rør kræver en fuld-penetration, enkelt-V-rille stødsvejsning der forbinder den bearbejdede affasning for enden af flangenavet med den matchende affasning på rørenden. Svejsningen udføres typisk ved hjælp af gas-wolfram-buesvejsning (GTAW)-processen til rodpassagen for at sikre fuldstændig gennemtrængning og en ren, oxidfri rodoverflade, efterfulgt af afskærmet metalbuesvejsning (SMAW) eller flux-kernet lysbuesvejsning (FCAW) til fyldnings- og hættegennemgangene. Svejseprocedurespecifikationen (WPS) skal være kvalificeret i henhold til ASME Sektion IX, og svejseren skal være kvalificeret til det specifikke materiale, tykkelse og position.

Den kritiske svejseovervejelse for svejsehalsflanger er kontrol af den varmepåvirkede zone (HAZ) i flangenavet . Flangenavet nær svejsningen er underlagt en kompleks termisk cyklus, der kan ændre dens mikrostruktur, inducere restspændinger og, for visse legerede ståltyper, skabe en hård, sprød martensitisk zone, hvis afkølingshastigheden er for høj. For flanger af krom-molybdænlegeret stål (ASTM A182 F11, F22), forvarmning til 200°C til 300°C (400°F til 575°F) er obligatorisk før svejsning for at sænke afkølingshastigheden og forhindre martensitdannelse, og en post-svejsevarmebehandling (PWHT) ved 675°C til 730°C (1250°F til 1350°F) i en time pr. 25 mm svejsetykkelse er påkrævet for at temperere HAZ'en, afhjælpe resterende spændinger og genskabe materialets sejhed. PWHT af en svejset flange-rørsamling udføres på den færdige svejsning, og hårdheden af ​​HAZ verificeres ved bærbar hårdhedstest i henhold til ASTM E110 for at bekræfte, at hårdheden er under det specificerede maksimum - typisk 225 HBW for P-nr. 4 og P-nr. 5A legeret stål i raffinaderiservice.

Inspektion, test og kvalitetsdokumentation

En svejsehalsflange fremstillet i henhold til en ANSI-standard leveres med et sæt obligatoriske og valgfri kvalitetsdokumenter, der bekræfter, at den er i overensstemmelse med materiale- og dimensionsspecifikationerne. Den Materialetestrapport (MTR) eller møllecertifikat er det primære dokument, der attesterer smedningens varmenummer, dets kemiske sammensætning, dets trækstyrke, flydespænding, forlængelse og reduktion af areal fra en trækprøve og dets hårdhed. For lavtemperatur-kulstofstålflanger (A350 LF2) inkluderer MTR også Charpy V-notch slagtestresultater ved den specificerede testtemperatur. For flanger af rustfrit stål inkluderer MTR de intergranulære korrosionstestresultater, når det er specificeret. MTR'en skal kunne spores til flangen med varmenummeret, som er stemplet på flangens periferi sammen med materialekvaliteten, trykklassen, den nominelle rørstørrelse og producentens identifikationsmærke i henhold til mærkningskravene i ASME B16.5.

Ikke-destruktiv undersøgelse af den færdige flange omfatter visuel inspektion af de bearbejdede overflader, beklædningen og svejsefasen til omgange, sømme, revner og andre overfladediskontinuiteter i henhold til MSS SP-55. For kritiske serviceflanger er yderligere NDE specificeret: væskegennemtrængningsundersøgelse (PT) eller magnetisk partikelundersøgelse (MT) af flangefladen, nav-til-flade overgangen og svejseaffasningen i henhold til ASME B16.5 afsnit 8.3; og ultralydsundersøgelse (UT) af hele smedevolumenet i henhold til ASTM A388 eller den gældende ASTM-smedningsspecifikation for at detektere interne defekter såsom indeslutninger, hulrum eller lamineringer. Acceptkriterierne for disse undersøgelser er defineret af den gældende ASTM-smedningsstandard og købers supplerende krav.

Boltmoment, pakningskompression og lækagefri samling

Samlingen af en ANSI svejsehalsflangesamling kræver kontrolleret bolttilspænding til et specificeret moment eller boltspænding for at opnå den pakningskompression, der er nødvendig for en lækagefri tætning uden at overbelaste flangen, boltene eller pakningen. Boltene spændes i en krydsmønstersekvens - også kaldet et stjernemønster - i mindst tre omgange med stigende drejningsmoment: 30 %, 60 % og 100 % af målmomentet. Denne progressive tilspænding sikrer, at pakningen komprimeres ensartet og forhindrer flangen i at spænde, hvilket ville skabe et kileformet mellemrum, som pakningen ikke kan fylde.

Målboltens drejningsmoment beregnes ud fra pakningens sædespænding, pakningens kontaktareal, boltmaterialets flydestyrke og friktionskoefficienten for boltgevindene og møtrikkens lejeflade. Målboltspændingen er typisk 40 % til 70 % af boltmaterialets flydespænding til standardpakninger, med den nederste ende af området, der bruges til bløde pakninger som komprimeret fiber eller PTFE, og den højere ende til metal- og spiralviklede pakninger. Smøring af boltgevindene og møtrikkens bærende overflader med en højtryks-anti-fastsætningsblanding er afgørende for at opnå et konsistent forhold mellem drejningsmoment og boltspænding; usmurte gevind kan forbruge 50 % eller mere af det påførte moment i friktion, hvilket resulterer i en boltforspænding, der er væsentligt lavere end den beregnede værdi. For kritiske flangesamlinger i ASME B31.3 procesrør er boltstramningsproceduren en dokumenteret del af kvalitetssikringsprocessen, og boltmomentværdierne registreres på en flangesamlingsintegritetsrapport.