ANSI standard sveisehalssmidde flenser: spesifikasjoner og bruksområder

An ANSI standard sveisehals smidd flens er det foretrukne valget for krevende rørapplikasjoner fordi dens konisk nav gir en jevn spenningsovergang fra flensflaten til rørveggen, og eliminerer den brå diskontinuiteten som forårsaker turbulens og utmattingssvikt i andre flenstyper . Flensen er festet til røret ved hjelp av en stumpsveis med full penetrering ved navenden, og skaper en skjøt som er like sterk som selve røret og kan inspiseres radiografisk for å verifisere sveisens integritet. Denne designfunksjonen, kombinert med kornflytorienteringen oppnådd gjennom smiingsprosessen, gjør sveisehalsflensen til den eneste flenstypen som er universelt akseptert for kritiske høytrykks-, høytemperatur- og syklisk belastningstjenester i petroleums-, petrokjemisk- og kraftproduksjonsindustrien. Når spesifisert til en ANSI-standard – oftest ASME B16.5 for rørstørrelser opp til 24 tommer og ASME B16.47 for større diametre – er flensdimensjonene, trykk-temperaturklassifiseringene og materialkravene fullstendig standardiserte, noe som sikrer utskiftbarhet med ventiler, fittings og utstyr fra alle produsenter over hele verden.

Fordelen med smiing: Hvorfor kornflyt er viktig

Smiingsprosessen endrer fundamentalt den indre strukturen til stålet på måter som støping eller maskinering fra plate ikke kan replikere. En smidd flens begynner som et emne av stål - en støpt blokk eller en kontinuerlig støpt blomst som har blitt varmbearbeidet for å lukke innvendig porøsitet - og er formet under en enorm trykkkraft mellom smiformene. Denne deformasjonen forlenger de ikke-metalliske inneslutningene og korngrensene i retning av metallstrømmen, og skaper en kontinuerlig kornstrømningsmønster som følger flensens kontur . Den justerte kornstrukturen motstår sprekkutbredelse vinkelrett på den påførte spenningen, og gir den smidde flensen overlegen utmattingsmotstand og støtseighet sammenlignet med en støpt eller plateskåret flens der kornorienteringen er tilfeldig eller vinkelrett på den primære spenningsretningen.

Spesifikt for en sveisehalsflens er smiingsprosessen utformet slik at kornstrømningslinjene går kontinuerlig fra flensen opp gjennom det koniske navet og inn i sveiseskråningen. Dette betyr at når flensen stumpsveises til et rør, er kornstrømmen i flensen og i røret på linje, og skaper en metallurgisk homogen skjøt . Fraværet av et svakt grensesjikt – et kjennetegn ved støpte strukturer der overflatekjølingssonen møter den søyleformede kornsonen – betyr at det ikke er noen fortrinnsvis sviktbane. For kritiske tjenester som hydrogenservice, surgassbehandling eller høytemperaturdamp er denne kontinuerlige kornstrukturen avgjørende for å forhindre sprøhet og sprekker som kan starte ved mikrostrukturelle diskontinuiteter.

ANSI / ASME B16.5 trykkklasse og dimensjonssystem

ANSI-standarden som styrer sveisehalsflenser—nå utgitt av ASME as ASME B16.5 -organiserer flenser i trykkklasser som definerer maksimalt tillatt arbeidstrykk ved en gitt temperatur for et gitt materiale. Standard trykkklassene for sveisehalsflenser er 150, 300, 400, 600, 900, 1500 og 2500. Klassenummeret er ikke arbeidstrykket i psi; det er en betegnelse som korrelerer med en trykk-temperaturvurderingstabell. En klasse 300-flens i karbonstål (ASTM A105) ved omgivelsestemperatur har en arbeidstrykkgrense på ca. 740 psi (51 bar) , mens den samme flensen ved 400°C (750°F) reduseres til omtrent 635 psi (44 bar). I den ytterste enden kan en klasse 2500-flens i legert stål tåle trykk som overstiger 6000 psi ved omgivelsestemperatur.

Dimensjonsegenskapene som skiller hver trykkklasse er flenstykkelse, navdiameteren ved basen, boltsirkeldiameteren og antall og størrelse på boltehullene . Når trykkklassen øker, øker disse dimensjonene for å håndtere de større mekaniske belastningene, selv om den nominelle rørstørrelsen forblir den samme. Tabellen nedenfor illustrerer hvordan nøkkeldimensjonene skala med trykkklasse for en vanlig 4-tommers (DN 100) sveisehalsflens.

Boringen til en sveisehalsflens er maskinert for å matche nominell rørveggtykkelse av forbindelsesrøret. Dette betyr at for en gitt nominell rørstørrelse er flenser med forskjellige boringsdiametere tilgjengelige for å matche standard, ekstrasterke (XS) og doble ekstrasterke (XXS) rørplaner. Boringstoleransen er spesifisert i standarden, og sveisefasen ved navenden er maskinert til en vinkel på 37,5 grader med en rotflate på ca. 1,6 mm, i henhold til ASME B16.25, for å lage et standard V-spor for stumpsveiseskjøten.

Materialkvaliteter og deres temperatur-trykkkonvolutt

Materialet som en sveisehalsflens er smidd av, bestemmer temperatur- og trykkgrensene for den ferdige komponenten og dens motstand mot spesifikke korrosjonsmekanismer. ASME B16.5 refererer til ASTM materialspesifikasjoner, og trykk-temperaturklassifiseringstabellene er organisert etter materialgruppe. Valget av materialet er en beslutning basert på designtemperatur, designtrykket, væskekjemien og potensialet for miljømessige sprekkmekanismer slik som sulfidspenningssprekker i sur service eller kloridspennings-korrosjonssprekker i austenittiske rustfrie stål utsatt for varme klorider.

De mest spesifiserte smimaterialene for ANSI sveisehalsflenser og deres typiske applikasjonskonvolutter er:

• ASTM A105 (karbonstål): Standardmaterialet for generell industriell service fra -29°C til 425°C (-20°F til 800°F). Ikke egnet for langvarig eksponering over 425°C på grunn av grafitisering, eller for temperaturer under null under overgangstemperaturen duktil til sprø uten slagtesting. Brukes til damp, vann, olje og ikke-korrosive hydrokarbontjenester. Dette er det vanligste og mest økonomiske smidde flensmaterialet, og representerer flertallet av installerte sveisehalsflenser i ikke-korrosiv bruk.
• ASTM A350 LF2 (lavtemperatur karbonstål): Et karbonstål med kontrollert kjemi og finkornspraksis, Charpy-støttestet ved -46°C (-50°F). Brukes til rørsystemer som opererer i kaldt klima og ved håndtering av flytende gass der A105 er i fare for sprø brudd. Flensflaten er vanligvis utstyrt med en hevet flate eller en ringformet skjøt i henhold til spesifikasjonen.
• ASTM A182 F304/F304L og F316/F316L (austenittisk rustfritt stål): Standardmaterialene for etsende kjemiske tjenester, matforedling og farmasøytiske applikasjoner. "L"-kvalitetene (lavt karbon, maksimalt 0,03 % karbon) er spesifisert for sveisede fabrikasjoner og for bruk over 425°C der de ustabiliserte kvalitetene er utsatt for sensibilisering og intergranulær korrosjon. F316/F316L, med molybdentilsetning på 2-3 %, gir forbedret motstand mot gropkorrosjon i kloridholdige miljøer sammenlignet med F304.
• ASTM A182 F11 og F22 (krom-molybden legert stål): Arbeidshestens materialer for høytemperaturservice i raffinerier og kraftverk, med 1,25 % Cr-0,5 % Mo (F11) og 2,25 % Cr-1 % Mo (F22). Disse materialene beholder sin strekkstyrke ved temperaturer opp til 600°C (1100°F) og motstår hydrogenangrep i høytemperatur hydrogentjeneste når de brukes innenfor Nelson-kurvene for den spesifikke legeringskvaliteten. Flensene i en hydroprosesseringsenhet ved raffinerier som opererer ved 450°C med høyt hydrogenpartialtrykk er typisk F22-smiinger.
• ASTM A182 F51 / F53 (dupleks og super dupleks rustfritt stål): Brukes i offshore olje- og gass-, sjøvannshåndterings- og kjemiske prosessmiljøer der kombinasjonen av høy styrke og eksepsjonell motstand mot kloridgroper er nødvendig. F53 (super dupleks, 25 % Cr) har et PREN (pitting Resistance Equivalent Number) over 40, noe som gir immunitet mot korrosjon av sjøvannssprekker ved omgivelsestemperaturer.

Flensflatetyper og pakningsvalg

Flensflaten – geometrien til tetningsflaten på flensflaten – velges basert på trykkklassen, væskekarakteristikkene og pakningstypen. ANSI-standarden definerer flere fronttyper, hver med et spesifikt applikasjonsdomene. De vanligste overflatene på sveisehalsflenser er:

Hevet ansikt (RF)

Standardbelegget for klasse 150 og 300 flenser, bestående av et hevet platå ca. 1,6 mm (1/16 tomme) høy for klasse 150 og 300 og 6,4 mm (1/4 tomme) høy for klasse 400 og høyere. Den hevede overflaten konsentrerer boltbelastningen til et mindre pakningsområde, øker kontakttrykket og forbedrer tetningen. Overflatefinishen til den forhøyede overflaten er spesifisert av standarden som en takket konsentrisk eller spiralformet spormønster med en overflateruhet på 3,2 til 6,3 µm Ra (125 til 250 mikrotommer AA). Denne taggete finishen biter seg inn i det myke pakningsmaterialet og forhindrer at det ekstruderes ut av flensskjøten under trykk.

Ring-type skjøt (RTJ)

Standardbelegget for høytrykksflenser fra klasse 600 til klasse 2500 i kritisk service. Flensflaten har et presisjonsbearbeidet spor som aksepterer en solid metallringpakning - typisk oval eller åttekantet i tverrsnitt - laget av et materiale som er mykere enn flensmaterialet. Når boltene er strammet, deformeres ringpakningen plastisk inn i sporet, og skaper en metall-til-metall-tetning som er i stand til å inneholde trykk over 10 000 psi og temperaturer over 500 °C . RTJ-pakningen er den eneste pakningstypen som er akseptert for høytrykksdamp, kjeletilførselsvann og hydrokarbontjenester der en pakningsutblåsning ville ha katastrofale konsekvenser. Standard ringpakningsmaterialer er mykt jern (for karbonstålflenser), 304 eller 316 rustfritt stål og forskjellige nikkellegeringer for korrosive og høytemperaturtjenester.

Flat Face (FF)

Brukes primært for klasse 125 støpejernsflenser og for tilkoblinger til flate utstyrsdyser der en forhøyet flateflens vil bøye seg og sprekke den sammenfallende støpejernsflensen når boltene strammes. En heldekkende pakning, som strekker seg til boltsirkelen, brukes med flate flate flenser for å fordele boltbelastningen jevnt over hele flateområdet.

Stumpsveisingsprosedyren og varmepåvirket sonekontroll

Installasjonen av en sveisehalsflens på et rør krever en full-penetrering, enkelt-V-spor stumpsveis som forbinder den maskinerte skråkanten på enden av flensnavet til den matchende skråkanten på rørenden. Sveisingen utføres vanligvis ved bruk av gass wolfram buesveising (GTAW)-prosessen for rotpassasjen for å sikre fullstendig penetrasjon og en ren, oksidfri rotoverflate, etterfulgt av skjermet metallbuesveising (SMAW) eller fluks-kjernebuesveising (FCAW) for fyll- og hettepassasjene. Sveiseprosedyrespesifikasjonen (WPS) må være kvalifisert i henhold til ASME seksjon IX, og sveiseren må være kvalifisert for det spesifikke materialet, tykkelsen og posisjonen.

Det kritiske sveisehensynet for sveisehalsflenser er kontroll av den varmepåvirkede sonen (HAZ) i flensnavet . Flensnavet nær sveisen er utsatt for en kompleks termisk syklus som kan endre mikrostrukturen, indusere restspenninger og, for visse legeringsstål, skape en hard, sprø martensittisk sone hvis kjølehastigheten er for høy. For flenser av krom-molybdenlegert stål (ASTM A182 F11, F22), forvarming til 200 °C til 300 °C (400 °F til 575 °F) er obligatorisk før sveising for å redusere kjølehastigheten og forhindre martensittdannelse, og en post-sveis varmebehandling (PWHT) ved 675°C til 730°C (1250°F til 1350°F) i én time per 25 mm sveisetykkelse er nødvendig for å temperere HAZ, avlaste restspenninger og gjenopprette materialets hardhet. PWHT for en sveiset flens-rørsammenstilling utføres på den fullførte sveisen, og hardheten til HAZ verifiseres ved bærbar hardhetstesting i henhold til ASTM E110 for å bekrefte at hardheten er under spesifisert maksimum - typisk 225 HBW for P-nr. 4 og P-nr. 5A legert stål i raffineritjeneste.

Inspeksjon, testing og kvalitetsdokumentasjon

En sveisehalsflens produsert i henhold til en ANSI-standard leveres med et sett med obligatoriske og valgfrie kvalitetsdokumenter som bekrefter at den samsvarer med material- og dimensjonsspesifikasjonene. Den Materialtestrapport (MTR) eller møllesertifikat er det primære dokumentet, som bekrefter varmenummeret til smiingen, dens kjemiske sammensetning, dens strekkstyrke, flytestyrke, forlengelse og reduksjon av areal fra en strekktest, og dens hardhet. For flenser av karbonstål med lav temperatur (A350 LF2), inkluderer MTR også Charpy V-notch slagtestresultater ved spesifisert testtemperatur. For flenser i rustfritt stål inkluderer MTR intergranulære korrosjonstestresultater når spesifisert. MTR-en må kunne spores til flensen med varmenummeret, som er stemplet på periferien av flensen sammen med materialkvaliteten, trykkklassen, den nominelle rørstørrelsen og produsentens identifikasjonsmerke i henhold til merkingskravene til ASME B16.5.

Ikke-destruktiv undersøkelse av ferdig flens inkluderer visuell inspeksjon av de maskinerte overflatene, belegget og sveisefasen for runder, sømmer, sprekker og andre overflatediskontinuiteter i henhold til MSS SP-55. For kritiske flenser er ytterligere NDE spesifisert: væskepenetrantundersøkelse (PT) eller magnetisk partikkelundersøkelse (MT) av flensflaten, nav-til-flate-overgangen og sveiseavfasingen i henhold til ASME B16.5 paragraf 8.3; og ultralydundersøkelse (UT) av hele smivolumet i henhold til ASTM A388 eller gjeldende ASTM smiingspesifikasjon for å oppdage interne defekter som inneslutninger, hulrom eller lamineringer. Akseptkriteriene for disse undersøkelsene er definert av gjeldende ASTM-smiingsstandard og kjøpers tilleggskrav.

Boltmoment, pakningskompresjon og lekkasjefri montering

Montering av en ANSI sveisehalsflensskjøt krever kontrollert bolttiltrekking til et spesifisert moment eller boltspenning for å oppnå den pakningskompresjonen som er nødvendig for en lekkasjefri tetning uten å overbelaste flensen, boltene eller pakningen. Boltene strammes i en kryssmønstersekvens – også kalt et stjernemønster – i minst tre omganger med økende dreiemoment: 30 %, 60 % og 100 % av målmomentet. Denne progressive strammingen sikrer at pakningen komprimeres jevnt og hindrer flensen i å spenne, noe som vil skape et kileformet gap som pakningen ikke kan fylle.

Målboltens dreiemoment beregnes fra pakningens setespenning, pakningens kontaktareal, boltmaterialets flytestyrke og friksjonskoeffisienten til boltgjengene og mutterens lageroverflate. Målboltspenningen er typisk 40 % til 70 % av boltmaterialets flytestyrke for standardpakninger, med den nedre enden av området som brukes for myke pakninger som komprimert fiber eller PTFE og den høyere enden for metall- og spiralviklede pakninger. Smøring av boltgjengene og mutterlageroverflatene med en høytrykks anti-festeblanding er avgjørende for å oppnå et konsistent forhold mellom dreiemoment og boltspenning; usmurte gjenger kan forbruke 50 % eller mer av det påførte dreiemomentet i friksjon, noe som resulterer i en boltforspenning som er betydelig lavere enn den beregnede verdien. For kritiske flensforbindelser i ASME B31.3 prosessrør, er boltstrammingsprosedyren en dokumentert del av kvalitetssikringsprosessen, og boltemomentverdiene er registrert på en flensskjøts integritetsrapport.