Kołnierze kute ze standardową szyjką ANSI: dane techniczne i zastosowania

An Kuty kołnierz z szyjką spawaną zgodny ze standardem ANSI jest preferowanym wyborem w przypadku wymagających zastosowań związanych z rurociągami, ponieważ jest stożkowa piasta zapewnia płynne przejście naprężeń z czoła kołnierza na ściankę rury, eliminując nagłą nieciągłość powodującą turbulencje i uszkodzenia zmęczeniowe w innych typach kołnierzy . Kołnierz jest mocowany do rury za pomocą spoiny czołowej o pełnej penetracji na końcu piasty, tworząc połączenie tak mocne jak sama rura i które można sprawdzić radiologicznie w celu sprawdzenia integralności spoiny. Ta cecha konstrukcyjna, w połączeniu z orientacją przepływu ziaren osiągniętą w procesie kucia, sprawia, że ​​kołnierz szyjkowy jest jedynym typem kołnierza powszechnie akceptowanym w krytycznych zastosowaniach związanych z wysokim ciśnieniem, wysoką temperaturą i cyklicznym obciążeniem w przemyśle naftowym, petrochemicznym i energetyce. Jeśli określono zgodnie z normą ANSI — najczęściej ASME B16.5 dla rur o średnicach do 24 cali i ASME B16.47 dla większych średnic — wymiary kołnierzy, wartości znamionowe ciśnienia i temperatury oraz wymagania materiałowe są w pełni znormalizowane, zapewniając wymienność z zaworami, złączkami i wyposażeniem dowolnego producenta na całym świecie.

Zaleta kucia: dlaczego przepływ ziarna ma znaczenie

Proces kucia zasadniczo zmienia wewnętrzną strukturę stali w sposób, którego nie da się odtworzyć podczas odlewania lub obróbki blachy. Kuty kołnierz zaczyna się od kęsa stali — wlewka odlewanego lub nalewki odlewanej w sposób ciągły, który został poddany obróbce na gorąco w celu zamknięcia porowatości wewnętrznej — i jest kształtowany pod ogromną siłą ściskającą pomiędzy matrycami kuźniczymi. Odkształcenie to wydłuża wtrącenia niemetaliczne i granice ziaren w kierunku przepływu metalu, tworząc ciągły wzór przepływu ziaren zgodny z konturem kołnierza . Wyrównana struktura ziaren jest odporna na propagację pęknięć prostopadle do przyłożonego naprężenia, co zapewnia kutemu kołnierzowi doskonałą odporność na zmęczenie i udarność w porównaniu z kołnierzem odlewanym lub ciętym płytowo, gdzie orientacja ziaren jest przypadkowa lub prostopadła do kierunku naprężenia pierwotnego.

W szczególności w przypadku kołnierzy z szyjką spawaną proces kucia jest zaprojektowany w taki sposób, że linie przepływu ziaren biegną w sposób ciągły od czoła kołnierza w górę, przez stożkową piastę i do skosu spoiny. Oznacza to, że gdy kołnierz jest przyspawany doczołowo do rury, przepływ ziaren w kołnierzu i w rurze jest wyrównany, tworząc metalurgicznie jednorodne złącze . Brak słabej warstwy granicznej – charakterystycznej dla konstrukcji odlewanych, w których strefa chłodzenia powierzchni styka się ze strefą ziaren kolumnowych – oznacza, że ​​nie ma preferowanej ścieżki zniszczenia. W przypadku kluczowych usług, takich jak obsługa wodoru, przetwarzanie kwaśnego gazu lub para wysokotemperaturowa, ta ciągła struktura ziarnista jest niezbędna, aby zapobiec kruchości i pękaniu, które mogą inicjować nieciągłości mikrostrukturalne.

ANSI / ASME B16.5 Klasy ciśnienia i system wymiarów

Norma ANSI regulująca kołnierze szyjkowe do spawania – obecnie opublikowana przez ASME as ASME B16.5 —organizuje kołnierze w klasy ciśnienia, które określają maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze w danej temperaturze dla danego materiału. Standardowe klasy ciśnienia dla kołnierzy szyjkowych do spawania to 150, 300, 400, 600, 900, 1500 i 2500. Numer klasy nie jest ciśnieniem roboczym w psi; jest to oznaczenie powiązane z tabelą wartości ciśnienia i temperatury. Kołnierz klasy 300 ze stali węglowej (ASTM A105) ma w temperaturze otoczenia dopuszczalne ciśnienie robocze wynoszące około 740 psi (51 barów) , podczas gdy ten sam kołnierz w temperaturze 400°C (750°F) obniża się do około 635 psi (44 barów). Na skrajnym końcu kołnierz klasy 2500 ze stali stopowej może wytrzymać ciśnienie przekraczające 6000 psi w temperaturze otoczenia.

Cechy wymiarowe wyróżniające każdą klasę ciśnienia to: grubość kołnierza, średnica piasty u podstawy, średnica okręgu śrubowego oraz liczba i rozmiar otworów na śruby . Wraz ze wzrostem klasy ciśnienia wymiary te zwiększają się, aby wytrzymać większe obciążenia mechaniczne, mimo że nominalny rozmiar rury pozostaje taki sam. Poniższa tabela ilustruje skalę kluczowych wymiarów wraz z klasą ciśnienia dla typowego 4-calowego (DN 100) kołnierza szyjkowego.

Otwór kołnierza szyjkowego spawanego jest obrabiany maszynowo tak, aby pasował do nominalna grubość ścianki rury rury łączącej. Oznacza to, że dla danego nominalnego rozmiaru rury dostępne są kołnierze o różnych średnicach otworu, pasujące do rur standardowych, bardzo wytrzymałych (XS) i podwójnie bardzo wytrzymałych (XXS). Tolerancja otworu jest określona w normie, a skos spoiny na końcu piasty jest obrabiany pod kątem 37,5 stopnia z powierzchnią grani około 1,6 mm, zgodnie z ASME B16.25, w celu utworzenia standardowego rowka V dla złącza spawanego doczołowo.

Gatunki materiałów i ich zakres temperaturowo-ciśnieniowy

Materiał, z którego odkuwany jest kołnierz szyjkowy, określa granice temperatury i ciśnienia gotowego elementu oraz jego odporność na określone mechanizmy korozyjne. ASME B16.5 odwołuje się do specyfikacji materiałowych ASTM, a tabele wartości ciśnienia i temperatury są uporządkowane według grup materiałów. Wybór materiału jest decyzją podejmowaną na podstawie temperatura projektowa, ciśnienie projektowe, skład chemiczny płynu i potencjał mechanizmów pękania w środowisku takie jak pękanie naprężeniowe siarczkowe w środowisku kwaśnym lub pękanie korozyjne naprężeniowe chlorkowe w austenitycznych stalach nierdzewnych narażonych na działanie gorących chlorków.

Najczęściej określanymi materiałami do odkuwania kołnierzy szyjkowych ANSI i typowymi obszarami ich zastosowań są:

• ASTM A105 (stal węglowa): Standardowy materiał do ogólnych zastosowań przemysłowych od -29°C do 425°C (-20°F do 800°F). Nie nadaje się do długotrwałej ekspozycji w temperaturze powyżej 425°C z powodu grafityzacji lub w temperaturach poniżej zera poniżej temperatury przejścia od ciągliwości do kruchości bez próby udarności. Stosowany do mediów parowych, wodnych, olejowych i niekorozyjnych węglowodorów. Jest to najpopularniejszy i najbardziej ekonomiczny materiał na kute kołnierze, stanowiący większość instalowanych kołnierzy z szyjką spawaną w warunkach niekorozyjnych.
• ASTM A350 LF2 (stal węglowa niskotemperaturowa): Stal węglowa o kontrolowanym składzie chemicznym i drobnoziarnistości, poddana próbie udarności Charpy'ego w temperaturze -46°C (-50°F). Stosowany w systemach rurociągów pracujących w zimnym klimacie i przy transporcie skroplonego gazu, gdzie A105 byłby narażony na kruche pękanie. Powierzchnia kołnierza jest zazwyczaj wyposażona w wypukłą powierzchnię lub złącze pierścieniowe, zgodnie ze specyfikacją.
• ASTM A182 F304/F304L i F316/F316L (austenityczna stal nierdzewna): Standardowe materiały do zastosowań w chemikaliach korozyjnych, przetwórstwie spożywczym i zastosowaniach farmaceutycznych. Gatunki „L” (niskowęglowe, maksymalnie 0,03% węgla) są przeznaczone do wyrobów spawanych i pracy w temperaturze powyżej 425°C, gdzie gatunki niestabilizowane są podatne na uczulenie i korozję międzykrystaliczną. F316/F316L z 2-3% dodatkiem molibdenu zapewnia lepszą odporność na korozję wżerową w środowiskach zawierających chlorki w porównaniu do F304.
• ASTM A182 F11 i F22 (stal stopowa chromowo-molibdenowa): Podstawowe materiały do pracy w wysokich temperaturach w rafineriach i elektrowniach, zawierające gatunki 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) i 2,25% Cr-1% Mo (F22). Materiały te zachowują swoją wytrzymałość na rozciąganie w temperaturach do 600°C (1100°F) i są odporne na atak wodoru w środowisku wodoru w wysokiej temperaturze, jeśli są stosowane w obrębie krzywych Nelsona dla określonego gatunku stopu. Kołnierze w rafineryjnej instalacji do hydroobróbki pracującej w temperaturze 450°C przy wysokim ciśnieniu cząstkowym wodoru to zazwyczaj odkuwki F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (stal nierdzewna duplex i super duplex): Stosowany w przybrzeżnych środowiskach związanych z ropą i gazem, wodą morską i procesami chemicznymi, gdzie wymagane jest połączenie wysokiej wytrzymałości i wyjątkowej odporności na wżery chlorkowe. F53 (super duplex, 25% Cr) ma PREN (liczba równoważna odporności wżerowej) powyżej 40, zapewniając odporność na korozję szczelinową w wodzie morskiej w temperaturze otoczenia.

Typy przylg kołnierzy i dobór uszczelek

Okładzina kołnierza — geometria powierzchni uszczelniającej na powierzchni kołnierza — jest wybierana na podstawie klasy ciśnienia, właściwości płynu i typu uszczelki. Standard ANSI definiuje kilka typów interfejsów, każdy z określoną domeną aplikacji. Najczęstsze okładziny kołnierzy szyjkowych do spawania to:

Podniesiona twarz (RF)

Standardowa okładzina kołnierzy klasy 150 i 300, składająca się w przybliżeniu z podwyższonego płaskowyżu Wysokość 1,6 mm (1/16 cala) dla klasy 150 i 300 i 6,4 mm (1/4 cala) wysokości dla klasy 400 i wyższej. Uniesiona powierzchnia skupia obciążenie śruby na mniejszej powierzchni uszczelki, zwiększając nacisk kontaktowy i poprawiając uszczelnienie. Wykończenie powierzchni wypukłej powierzchni jest określone w normie jako a ząbkowany koncentryczny lub spiralny wzór rowka o chropowatości powierzchni od 3,2 do 6,3 µm Ra (125 do 250 mikrocalów AA). To ząbkowane wykończenie wgryza się w miękki materiał uszczelki i zapobiega jego wyciskaniu ze złącza kołnierzowego pod ciśnieniem.

Złącze pierścieniowe (RTJ)

Standardowa okładzina kołnierzy wysokociśnieniowych od klasy 600 do klasy 2500 do zastosowań krytycznych. Powierzchnia czołowa kołnierza posiada precyzyjnie obrobiony rowek, w który można włożyć solidną, metalową uszczelkę pierścieniową — zwykle o przekroju owalnym lub ośmiokątnym — wykonaną z materiału bardziej miękkiego niż materiał kołnierza. Po dokręceniu śrub uszczelka pierścieniowa odkształca się plastycznie w rowku, tworząc tzw uszczelnienie metal-metal wytrzymujące ciśnienia przekraczające 10 000 psi i temperatury przekraczające 500°C . Uszczelka RTJ to jedyny typ uszczelki dopuszczony do stosowania w instalacjach z parą wysokociśnieniową, wodą zasilającą kocioł i węglowodorami, gdzie wydmuchanie uszczelki mogłoby mieć katastrofalne skutki. Standardowymi materiałami uszczelek pierścieniowych są żelazo miękkie (do kołnierzy ze stali węglowej), stal nierdzewna 304 lub 316 oraz różne stopy niklu do zastosowań korozyjnych i wysokotemperaturowych.

Płaska twarz (FF)

Stosowany głównie do kołnierzy żeliwnych klasy 125 oraz do połączeń z króćcami urządzeń o płaskiej powierzchni czołowej, gdzie kołnierz z wypukłą powierzchnią czołową wyginałby się i pękał współpracujący kołnierz żeliwny podczas dokręcania śrub. W przypadku kołnierzy z płaską powierzchnią czołową stosuje się uszczelkę pełnopowierzchniową, sięgającą do okręgu śruby, w celu równomiernego rozłożenia obciążenia śruby na całej powierzchni czołowej.

Procedura zgrzewania doczołowego i kontrola strefy wpływu ciepła

Montaż kołnierza szyjkowego do spawania na rurze wymaga: spoina czołowa z pełnym wpustem, z pojedynczym rowkiem V łączący obrobiony skos na końcu piasty kołnierzowej z pasującym skosem na końcu rury. Spoinę zazwyczaj wykonuje się metodą spawania łukiem wolframowym w gazie (GTAW) dla warstwy graniowej, aby zapewnić całkowitą penetrację i czystą, wolną od tlenków powierzchnię grani, a następnie wykonuje się spawanie łukiem metalowym w osłonie (SMAW) lub spawanie łukiem rdzeniowym (FCAW) dla warstw wypełniających i zaślepiających. Specyfikacja procedury spawania (WPS) musi być zgodna z sekcją IX ASME, a spawacz musi mieć kwalifikacje do określonego materiału, grubości i pozycji.

Krytycznym czynnikiem spawalniczym w przypadku kołnierzy szyjkowych do spawania jest kontrola strefy wpływu ciepła (HAZ) w piaście kołnierzowej . Piasta kołnierzowa w pobliżu spoiny podlega złożonemu cyklowi termicznemu, który może zmienić jej mikrostrukturę, wywołać naprężenia szczątkowe, a w przypadku niektórych stali stopowych utworzyć twardą, kruchą strefę martenzytyczną, jeśli szybkość chłodzenia jest zbyt duża. Do kołnierzy ze stali stopowej chromowo-molibdenowej (ASTM A182 F11, F22), wstępne podgrzanie do 200°C do 300°C (400°F do 575°F) jest obowiązkowe przed spawaniem, aby spowolnić szybkość chłodzenia i zapobiec tworzeniu się martenzytu, oraz obróbka cieplna po spawaniu (PWHT) w temperaturze 675°C do 730°C (1250°F do 1350°F) przez jedną godzinę na 25 mm grubości spoiny, aby odpuścić SWC, złagodzić naprężenia szczątkowe i przywrócić odporność materiału na pękanie. PWHT spawanego zespołu kołnierz-rura przeprowadza się na gotowej spoinie, a twardość strefy HAZ sprawdza się za pomocą przenośnego badania twardości zgodnie z normą ASTM E110 w celu potwierdzenia, że ​​twardość jest poniżej określonego maksimum — zazwyczaj 225 HBW dla P-No. 4 i nr P. Stale stopowe 5A w służbie rafinerii.

Kontrola, testowanie i dokumentacja jakościowa

Kołnierz z szyjką spawaną wyprodukowany zgodnie z normą ANSI jest dostarczany z zestawem obowiązkowych i opcjonalnych dokumentów jakościowych, które weryfikują jego zgodność ze specyfikacjami materiałowymi i wymiarowymi. The Raport z testu materiału (MTR) lub certyfikat walcowni jest dokumentem podstawowym, poświadczającym liczbę cieplną odkuwki, jej skład chemiczny, wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, wydłużenie i zmniejszenie powierzchni z próby rozciągania oraz jego twardość. W przypadku kołnierzy ze stali węglowej niskotemperaturowej (A350 LF2) MTR uwzględnia także wyniki próby udarności Charpy’ego w kształcie litery V w określonej temperaturze badania. W przypadku kołnierzy ze stali nierdzewnej MTR uwzględnia wyniki testu korozji międzykrystalicznej, jeśli jest to określone. MTR musi być identyfikowalny z kołnierzem na podstawie numeru cieplnego wybitego na obwodzie kołnierza wraz z gatunkiem materiału, klasą ciśnienia, nominalnym rozmiarem rury i znakiem identyfikacyjnym producenta zgodnie z wymaganiami dotyczącymi oznakowania ASME B16.5.

Badanie nieniszczące gotowego kołnierza obejmuje kontrola wzrokowa obrobionych powierzchni, okładziny i skosu spoiny dla zakładek, szwów, pęknięć i innych nieciągłości powierzchni według MSS SP-55. W przypadku kołnierzy do zastosowań krytycznych określono dodatkowe NDE: badanie penetracyjne cieczy (PT) lub badanie cząstek magnetycznych (MT) powierzchni czołowej kołnierza, przejścia piasta w czoło oraz skos spoiny zgodnie z ASME B16.5, paragraf 8.3; oraz badanie ultradźwiękowe (UT) całej objętości odkuwki zgodnie z normą ASTM A388 lub obowiązującą specyfikacją kucia ASTM w celu wykrycia defektów wewnętrznych, takich jak wtrącenia, puste przestrzenie lub laminowanie. Kryteria akceptacji tych badań są określone przez obowiązującą normę ASTM dotyczącą kucia i dodatkowe wymagania nabywcy.

Moment dokręcania śrub, docisk uszczelki i montaż bez wycieków

Wymagany jest montaż złącza kołnierzowego z szyjką spawaną ANSI kontrolowane dokręcenie śrub określonym momentem obrotowym lub naprężeniem śruby aby osiągnąć ściskanie uszczelki niezbędne do uzyskania szczelnego uszczelnienia bez nadmiernego naprężania kołnierza, śrub lub uszczelki. Śruby są dokręcane w kolejności krzyżowej — zwanej także wzorem gwiazdy — w co najmniej trzech przejściach ze wzrastającym momentem obrotowym: 30%, 60% i 100% docelowego momentu obrotowego. To stopniowe dokręcanie zapewnia równomierne dociśnięcie uszczelki i zapobiega napinaniu się kołnierza, co mogłoby spowodować powstanie szczeliny w kształcie klina, której uszczelka nie jest w stanie wypełnić.

Docelowy moment obrotowy śruby oblicza się na podstawie naprężenia osadzenia uszczelki, powierzchni styku uszczelki, granicy plastyczności materiału śruby oraz współczynnika tarcia gwintów śrub i powierzchni nośnej nakrętki. Docelowe naprężenie śruby jest typowo Granica plastyczności materiału śruby od 40% do 70%. do uszczelek standardowych, przy czym dolna granica zakresu jest stosowana do uszczelek miękkich, takich jak sprasowane włókno lub PTFE, a górna granica do uszczelek metalowych i spiralnie zwijanych. Smarowanie gwintów śrub i powierzchni nośnych nakrętek wysokociśnieniowym środkiem przeciwzatarciowym jest niezbędne, aby uzyskać stałą zależność pomiędzy momentem obrotowym i napięciem śruby; niesmarowane gwinty mogą zużywać 50% lub więcej przyłożonego momentu obrotowego podczas tarcia, co powoduje napięcie wstępne śruby znacznie niższe niż wartość obliczona. W przypadku krytycznych połączeń kołnierzowych w rurociągach procesowych ASME B31.3 procedura dokręcania śrub stanowi udokumentowaną część procesu zapewnienia jakości, a wartości momentu obrotowego śrub są rejestrowane w raporcie integralności połączenia kołnierzowego.