ANSI Standart Kaynak Boyunlu Dövme Flanşlar: Özellikler ve Uygulamalar

bir ANSI standart kaynak boyunlu dövme flanş zorlu boru uygulamaları için tercih edilen seçimdir çünkü konik göbek, flanş yüzünden boru duvarına yumuşak bir gerilim geçişi sağlayarak diğer flanş türlerinde türbülansa ve yorulma arızasına neden olan ani süreksizliği ortadan kaldırır . Flanş, boruya göbek ucunda tam nüfuzlu alın kaynağı ile bağlanır, böylece borunun kendisi kadar güçlü ve kaynak bütünlüğünün doğrulanması için radyografik olarak incelenebilen bir bağlantı oluşturulur. Bu tasarım özelliği, dövme işlemiyle elde edilen tane akış yönelimi ile birleştiğinde kaynak boyunlu flanşı, petrol, petrokimya ve enerji üretim endüstrilerindeki kritik yüksek basınç, yüksek sıcaklık ve döngüsel yükleme hizmetleri için evrensel olarak kabul edilen tek flanş tipi haline getirir. Bir ANSI standardına göre belirlendiğinde (en yaygın olarak 24 inç'e kadar boru boyutları için ASME B16.5 ve daha büyük çaplar için ASME B16.47) flanş boyutları, basınç-sıcaklık değerleri ve malzeme gereksinimleri tamamen standartlaştırılarak dünya çapındaki herhangi bir üreticinin vanaları, bağlantı parçaları ve ekipmanlarıyla değiştirilebilirlik sağlanır.

Dövme Avantajı: Tahıl Akışı Neden Önemlidir?

Dövme işlemi, çeliğin iç yapısını, döküm veya plakadan işlemenin kopyalanamayacağı şekilde temelden değiştirir. Dövme flanş, bir çelik kütüğü (döküm külçe veya iç gözenekliliği kapatmak için sıcak işlenmiş sürekli döküm blum) olarak başlar ve dövme kalıpları arasındaki muazzam basınç kuvveti altında şekillendirilir. Bu deformasyon, metalik olmayan kalıntıları ve tanecik sınırlarını metal akışı yönünde uzatarak, flanşın konturunu takip eden sürekli tanecik akış modeli . Hizalanmış tane yapısı, uygulanan gerilime dik olarak çatlak yayılmasına direnir ve dövme flanşa, tane yöneliminin rastgele veya birincil gerilim yönüne dik olduğu döküm veya plaka kesimli flanşla karşılaştırıldığında üstün yorulma direnci ve darbe dayanıklılığı sağlar.

Özellikle kaynak boyunlu bir flanş için dövme işlemi, tanecik akış hatlarının flanş yüzünden yukarı doğru konik göbek boyunca ve kaynak eğimine doğru sürekli olarak akacağı şekilde tasarlanmıştır. Bu, flanş bir boruya alın kaynağıyla kaynaklandığında, flanştaki ve borudaki tanecik akışının hizalanarak bir metalurjik olarak homojen bağlantı . Zayıf bir sınır tabakasının yokluğu (yüzey soğuk bölgesinin sütunlu tane bölgesiyle buluştuğu döküm yapıların bir özelliği) tercihli bir hasar yolunun olmadığı anlamına gelir. Hidrojen hizmeti, ekşi gaz işleme veya yüksek sıcaklıkta buhar gibi kritik hizmetler için bu sürekli tane yapısı, mikroyapısal süreksizliklerde başlayabilen gevrekleşme ve çatlamayı önlemek için gereklidir.

ANSI/ASME B16.5 Basınç Sınıfı ve Boyut Sistemi

Kaynak boyunlu flanşları yöneten ANSI standardı - artık ASME tarafından şu şekilde yayınlanmaktadır: ASME B16.5 — Flanşları, belirli bir malzeme için belirli bir sıcaklıkta izin verilen maksimum çalışma basıncını tanımlayan basınç sınıflarına göre düzenler. Kaynak boyunlu flanşlar için standart basınç sınıfları 150, 300, 400, 600, 900, 1500 ve 2500'dür. Sınıf numarası psi cinsinden çalışma basıncı değildir; basınç-sıcaklık derecelendirme tablosuna karşılık gelen bir tanımlamadır. Ortam sıcaklığında karbon çeliğinden (ASTM A105) yapılmış Sınıf 300 flanşın çalışma basıncı sınırı yaklaşık olarak 740 psi (51 bar) 400°C'de (750°F) aynı flanşın gücü yaklaşık 635 psi'ye (44 bar) düşürülür. En uç noktada, alaşımlı çelikten yapılmış Sınıf 2500 flanş, ortam sıcaklığında 6.000 psi'yi aşan basınçlara dayanabilir.

Her basınç sınıfını birbirinden ayıran boyutsal özellikler şunlardır: flanş kalınlığı, tabandaki göbek çapı, cıvata daire çapı ve cıvata deliklerinin sayısı ve boyutu . Basınç sınıfı arttıkça, nominal boru boyutu aynı kalsa bile bu boyutlar daha büyük mekanik yükleri kaldırabilecek şekilde artar. Aşağıdaki tablo, ortak bir 4 inçlik (DN 100) kaynak boyunlu flanş için temel boyutların basınç sınıfına göre nasıl ölçeklendiğini göstermektedir.

Kaynak boyunlu flanşın deliği, flanşa uyacak şekilde işlenir. nominal boru et kalınlığı bağlantı borusundan. Bu, belirli bir nominal boru boyutu için standart, ekstra güçlü (XS) ve çift ekstra güçlü (XXS) boru programlarına uyacak şekilde farklı delik çaplarına sahip flanşların mevcut olduğu anlamına gelir. Delik toleransı standartta belirtilmiştir ve alın kaynak bağlantısı için standart bir V-oluğu oluşturmak amacıyla göbek ucundaki kaynak eğimi, ASME B16.25'e göre yaklaşık 1,6 mm'lik bir kök yüzüyle 37,5 derecelik bir açıyla işlenir.

Malzeme Sınıfları ve Sıcaklık-Basınç Zarfı

Kaynak boyunlu flanşın dövüldüğü malzeme, bitmiş bileşenin sıcaklık ve basınç sınırlarını ve belirli korozyon mekanizmalarına karşı direncini belirler. ASME B16.5, ASTM malzeme spesifikasyonlarına atıfta bulunur ve basınç-sıcaklık derecelendirme tabloları malzeme grubuna göre düzenlenir. Malzeme seçimi, duruma göre verilen bir karardır. tasarım sıcaklığı, tasarım basıncı, akışkan kimyası ve çevresel çatlama mekanizmaları potansiyeli ekşi serviste sülfür stres çatlaması veya sıcak klorürlere maruz kalan östenitik paslanmaz çeliklerde klorür stres korozyon çatlaması gibi.

ANSI kaynak boyunlu flanşlar için en yaygın olarak belirtilen dövme malzemeleri ve bunların tipik uygulama alanları şunlardır:

• ASTM A105 (Karbon Çelik): -29°C ila 425°C (-20°F ila 800°F) arası genel endüstriyel hizmetlere yönelik standart malzeme. Grafitleşme nedeniyle 425°C'nin üzerindeki uzun süre maruz kalmaya veya darbe testi yapılmadan süneklikten kırılganlığa geçiş sıcaklığının altındaki sıfırın altındaki sıcaklıklara uygun değildir. Buhar, su, yağ ve aşındırıcı olmayan hidrokarbon hizmetleri için kullanılır. Bu, aşındırıcı olmayan hizmetlerde kurulu kaynak boyunlu flanşların çoğunluğunu temsil eden en yaygın ve ekonomik dövme flanş malzemesidir.
• ASTM A350 LF2 (Düşük Sıcaklık Karbon Çeliği): Kontrollü kimyaya ve ince taneli uygulamaya sahip bir karbon çeliği, Charpy darbesi -46°C'de (-50°F) test edilmiştir. A105'in kırılgan kırılma riski altında olacağı soğuk iklimlerde ve sıvılaştırılmış gaz elleçlemede çalışan boru sistemleri için kullanılır. Flanş yüzü tipik olarak spesifikasyona göre yükseltilmiş bir yüz veya halka tipi bir bağlantı yüzeyi ile donatılmıştır.
• ASTM A182 F304/F304L ve F316/F316L (Östenitik Paslanmaz Çelik): Aşındırıcı kimyasal hizmet, gıda işleme ve farmasötik uygulamalar için standart malzemeler. "L" kaliteleri (düşük karbon, maksimum %0,03 karbon), kaynaklı imalatlar ve stabilize edilmemiş kalitelerin hassaslaşmaya ve tanecikler arası korozyona duyarlı olduğu 425°C'nin üzerindeki servisler için belirtilmiştir. F316/F316L, %2-3 oranında molibden ilavesiyle, klorür içeren ortamlarda F304'e kıyasla çukurlaşma korozyonuna karşı daha iyi direnç sağlar.
• ASTM A182 F11 ve F22 (Krom-Molibden Alaşımlı Çelik): Rafinerilerde ve enerji santrallerinde yüksek sıcaklıkta hizmet için %1,25 Cr-%0,5 Mo (F11) ve %2,25 Cr-%1 Mo (F22) kalitelerine sahip güçlü malzemeler. Bu malzemeler, çekme mukavemetlerini 600°C'ye (1100°F) kadar sıcaklıklarda korur ve belirli alaşım kalitesi için Nelson eğrileri dahilinde kullanıldığında yüksek sıcaklıktaki hidrojen hizmetinde hidrojen saldırısına karşı direnç gösterir. 450°C'de yüksek hidrojen kısmi basıncıyla çalışan bir rafineri hidroproses ünitesindeki flanşlar tipik olarak F22 dövmedir.
• ASTM A182 F51 / F53 (Dubleks ve Süper Dubleks Paslanmaz Çelik): Yüksek mukavemet ve olağanüstü klorür çukurlaşması direnci kombinasyonunun gerekli olduğu açık deniz petrol ve gaz, deniz suyu elleçleme ve kimyasal proses ortamlarında kullanılır. F53 (süper dubleks, %25 Cr), 40'ın üzerinde bir PREN'e (Çukurlanma Direnci Eşdeğer Sayısı) sahiptir ve ortam sıcaklıklarında deniz suyu çatlak korozyonuna karşı bağışıklık sağlar.

Flanş Yüzü Tipleri ve Conta Seçimi

Flanş yüzü (flanş yüzündeki sızdırmazlık yüzeyinin geometrisi) basınç sınıfına, akışkan özelliklerine ve conta tipine göre seçilir. ANSI standardı, her biri belirli bir uygulama alanına sahip olan çeşitli kaplama türlerini tanımlar. Kaynak boyunlu flanşlarda en yaygın kaplamalar şunlardır:

Yükseltilmiş Yüz (RF)

Yaklaşık olarak yükseltilmiş bir platodan oluşan, Sınıf 150 ve 300 flanşlar için standart kaplama Sınıf 150 ve 300 için 1,6 mm (1/16 inç) yükseklik ve Sınıf 400 ve üzeri için 6,4 mm (1/4 inç) yükseklik. Yükseltilmiş yüz, cıvata yükünü daha küçük bir conta alanına yoğunlaştırarak temas basıncını artırır ve sızdırmazlığı iyileştirir. Yükseltilmiş yüzün yüzey kalitesi standart tarafından şu şekilde belirtilir: tırtıklı eşmerkezli veya spiral oluk deseni 3,2 ila 6,3 µm Ra (125 ila 250 mikroinç AA) yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Bu tırtıklı kaplama yumuşak conta malzemesini ısırır ve basınç altında flanş bağlantısından dışarı çıkmasını önler.

Halka Tipi Bağlantı (RTJ)

Kritik hizmetlerde Sınıf 600'den Sınıf 2500'e kadar yüksek basınçlı flanşlar için standart kaplama. Flanş yüzü, flanş malzemesinden daha yumuşak bir malzemeden yapılmış, tipik olarak oval veya sekizgen kesitli, katı metal halka contayı kabul eden hassas işlenmiş bir oluğa sahiptir. Cıvatalar sıkıldığında, halka contası plastik olarak deforme edilerek oluğa dönüşür ve 10.000 psi'yi aşan basınçları ve 500°C'nin üzerindeki sıcaklıkları taşıyabilen metalden metale conta . RTJ contası, conta patlamasının felaketle sonuçlanabileceği yüksek basınçlı buhar, kazan besleme suyu ve hidrokarbon hizmetleri için kabul edilen tek conta türüdür. Standart halka conta malzemeleri yumuşak demir (karbon çeliği flanşlar için), 304 veya 316 paslanmaz çelik ve aşındırıcı ve yüksek sıcaklıktaki hizmetler için çeşitli nikel alaşımlarından oluşur.

Düz Yüz (FF)

Öncelikle Sınıf 125 dökme demir flanşlar için ve yükseltilmiş yüzeyli flanşın cıvatalar sıkıldığında eşleşen dökme demir flanşının bükülüp çatlamasına neden olan düz yüzlü ekipman nozüllerine bağlantılar için kullanılır. Cıvata yükünü tüm yüzey alanına eşit şekilde dağıtmak için düz yüzeyli flanşlarla birlikte cıvata dairesine kadar uzanan tam yüzeyli bir conta kullanılır.

Alın Kaynak Prosedürü ve Isıdan Etkilenen Bölge Kontrolü

Kaynak boyunlu flanşın bir boruya montajı, tam nüfuziyetli, tek V kanallı alın kaynağı flanş göbeğinin ucundaki işlenmiş eğimi boru ucundaki eşleşen eğime birleştiren parçadır. Kaynak, tipik olarak, tam nüfuziyet ve temiz, oksitsiz bir kök yüzeyi sağlamak üzere kök paso için gaz tungsten ark kaynağı (GTAW) işlemi kullanılarak gerçekleştirilir, ardından dolgu ve kapak pasoları için korumalı metal ark kaynağı (SMAW) veya özlü ark kaynağı (FCAW) yapılır. Kaynak prosedürü spesifikasyonu (WPS), ASME Bölüm IX'a uygun olmalıdır ve kaynakçı belirli malzeme, kalınlık ve konum için kalifiye olmalıdır.

Kaynak boyunlu flanşlar için kritik kaynak hususu, flanş göbeğindeki ısıdan etkilenen bölgenin (HAZ) kontrolü . Kaynağın yakınındaki flanş göbeği, mikro yapısını değiştirebilen, artık gerilimlere neden olabilen ve bazı alaşımlı çelikler için soğuma hızı çok hızlıysa sert, kırılgan bir martensitik bölge oluşturabilen karmaşık bir termal döngüye maruz kalır. Krom-molibden alaşımlı çelik flanşlar için (ASTM A182 F11, F22), 200°C ila 300°C'ye (400°F ila 575°F) ön ısıtma zorunludur Soğuma hızını yavaşlatmak ve martenzit oluşumunu önlemek için kaynak öncesinde ve HAZ'ı temperlemek, kalan gerilimleri azaltmak ve malzemenin kırılma dayanıklılığını eski haline getirmek için 25 mm kaynak kalınlığı başına bir saat süreyle 675°C ila 730°C'de (1250°F ila 1350°F) kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT) gerekir. Kaynaklı flanş-boru tertibatının PWHT'si tamamlanmış kaynak üzerinde gerçekleştirilir ve HAZ'ın sertliği, sertliğin belirtilen maksimumun (P-No için tipik olarak 225 HBW) altında olduğunu doğrulamak için ASTM E110'a göre taşınabilir sertlik testiyle doğrulanır. 4 ve P-No. Rafineri hizmetinde 5A alaşımlı çelikler.

Muayene, Test Etme ve Kalite Belgelendirmesi

ANSI standardına göre üretilen bir kaynak boyunlu flanş, malzeme ve boyut spesifikasyonlarına uygunluğunu doğrulayan bir dizi zorunlu ve isteğe bağlı kalite belgesiyle birlikte sunulur. Malzeme Test Raporu (MTR) veya değirmen sertifikası, dövmenin ısı numarasını, kimyasal bileşimini, çekme mukavemetini, akma mukavemetini, uzama ve çekme testinden alanın azaltılmasını ve sertliğini belgeleyen birincil belgedir. Düşük sıcaklıklı karbon çeliği flanşlar (A350 LF2) için MTR ayrıca belirtilen test sıcaklığında Charpy V çentik darbe testi sonuçlarını da içerir. Paslanmaz çelik flanşlar için MTR, belirtildiğinde tanecikler arası korozyon testi sonuçlarını içerir. MTR, flanşın çevresine damgalanan ısı numarası ile malzeme kalitesi, basınç sınıfı, nominal boru boyutu ve ASME B16.5 işaretleme gerekliliklerine göre üreticinin tanımlama işareti ile flanşa kadar izlenebilir olmalıdır.

Bitmiş flanşın tahribatsız muayenesi şunları içerir: işlenmiş yüzeylerin, kaplamanın ve kaynak ağzının görsel muayenesi MSS SP-55'e göre bindirmeler, dikişler, çatlaklar ve diğer yüzey süreksizlikleri için. Kritik hizmet flanşları için ek NDE belirtilir: ASME B16.5 paragraf 8.3'e göre flanş yüzünün, göbekten yüze geçişin ve kaynak eğiminin sıvı penetrant muayenesi (PT) veya manyetik parçacık muayenesi (MT); ve kalıntılar, boşluklar veya laminasyonlar gibi dahili kusurları tespit etmek için ASTM A388 veya geçerli ASTM dövme spesifikasyonuna göre tüm dövme hacminin ultrasonik muayenesi (UT). Bu incelemelere ilişkin kabul kriterleri, geçerli ASTM dövme standardı ve alıcının ek gereklilikleri tarafından tanımlanır.

Cıvata Torku, Conta Sıkıştırması ve Sızıntısız Montaj

ANSI kaynak boyunlu flanş bağlantısının montajı şunları gerektirir: belirli bir torka veya cıvata gerilimine göre kontrollü cıvata sıkma Flanşı, cıvataları veya contayı aşırı zorlamadan sızdırmaz bir conta için gerekli conta sıkıştırmasını elde etmek. Cıvatalar, yıldız düzeni olarak da adlandırılan çapraz desenli bir sırayla, artan torkun en az üç geçişinde sıkılır: hedef torkun %30'u, %60'ı ve %100'ü. Bu aşamalı sıkma, contanın eşit şekilde sıkıştırılmasını sağlar ve flanşın, contanın dolduramayacağı kama şeklinde bir boşluk oluşturacak şekilde bükülmesini önler.

Hedef cıvata torku, conta oturma gerilimi, conta temas alanı, cıvata malzemesi akma mukavemeti ve cıvata dişleri ile somun yatak yüzeyinin sürtünme katsayısından hesaplanır. Hedef cıvata gerilimi tipik olarak Cıvata malzemesinin akma dayanımının %40 ila %70'i standart contalar için; aralığın alt ucu sıkıştırılmış fiber veya PTFE gibi yumuşak contalar için kullanılırken üst uç metal ve spiral sarımlı contalar için kullanılır. Cıvata dişlerinin ve somun yatak yüzeylerinin yüksek basınçlı tutukluk önleyici bir bileşikle yağlanması, tork ve cıvata gerilimi arasında tutarlı bir ilişki elde etmek için çok önemlidir; yağlanmamış dişler sürtünme nedeniyle uygulanan torkun %50'sini veya daha fazlasını tüketebilir, bu da hesaplanan değerden önemli ölçüde daha düşük bir cıvata ön yüküne neden olur. ASME B31.3 proses borularındaki kritik flanşlı bağlantılar için cıvata sıkma prosedürü, kalite güvence sürecinin belgelenmiş bir parçasıdır ve cıvata tork değerleri, flanş bağlantı bütünlüğü raporuna kaydedilir.