ANSI standardne kovane prirubnice sa zavarenim vratom: specifikacije i primjena

An ANSI standardni zavareni vrat kovana prirubnica je preferirani izbor za zahtjevne primjene cjevovoda jer je konusna glavčina osigurava gladak prijelaz naprezanja s lica prirubnice na stijenku cijevi, eliminirajući nagli prekid koji uzrokuje turbulenciju i kvar uslijed zamora kod drugih vrsta prirubnica . Prirubnica je pričvršćena na cijev sučeonim zavarom s punim prodiranjem na kraju glavčine, stvarajući spoj koji je jak kao i sama cijev i može se radiografski pregledati kako bi se potvrdio integritet zavara. Ova značajka dizajna, u kombinaciji s orijentacijom protoka zrna postignutom postupkom kovanja, čini prirubnicu sa zavarenim vratom jedinim tipom prirubnice koji je univerzalno prihvaćen za kritične usluge visokog tlaka, visoke temperature i cikličkog opterećenja u naftnoj, petrokemijskoj industriji i industriji proizvodnje električne energije. Kada su specificirane prema ANSI standardu—najčešće ASME B16.5 za veličine cijevi do 24 inča i ASME B16.47 za veće promjere—dimenzije prirubnice, vrijednosti tlaka i temperature i zahtjevi za materijalom potpuno su standardizirani, osiguravajući zamjenjivost s ventilima, priključcima i opremom bilo kojeg proizvođača širom svijeta.

Prednost kovanja: zašto je protok zrna važan

Proces kovanja iz temelja mijenja unutarnju strukturu čelika na način na koji se lijevanje ili strojna obrada ploče ne mogu ponoviti. Kovana prirubnica počinje kao trupac od čelika - lijevani ingot ili kontinuirano lijevani bloom koji je bio toplo obrađen kako bi se zatvorila unutarnja poroznost - i oblikovan je pod ogromnom silom pritiska između kalupa za kovanje. Ova deformacija izdužuje nemetalne uključke i granice zrna u smjeru strujanja metala, stvarajući uzorak kontinuiranog toka zrna koji prati konturu prirubnice . Usklađena zrnata struktura otporna je na širenje pukotine okomito na primijenjeno naprezanje, dajući kovanoj prirubnici superiornu otpornost na zamor i udarnu žilavost u usporedbi s lijevanom ili pločasto izrezanom prirubnicom gdje je orijentacija zrna nasumična ili okomita na primarni smjer naprezanja.

Konkretno za prirubnicu zavarenog vrata, postupak kovanja je dizajniran tako da linije protoka zrna teku kontinuirano od prirubnice licem prema gore kroz suženu glavčinu i u kosinu zavara. To znači da kada je prirubnica čeono zavarena na cijev, protok zrna u prirubnici i u cijevi je poravnat, stvarajući metalurški homogen spoj . Odsutnost slabog graničnog sloja—karakteristika lijevanih struktura gdje se površinska hladna zona susreće sa stupastom zrnatom zonom—znači da ne postoji preferirani put kvara. Za kritične usluge kao što je usluga vodika, obrada kiselog plina ili visokotemperaturna para, ova kontinuirana struktura zrna je neophodna za sprječavanje krtosti i pucanja koje može započeti na mikrostrukturnim diskontinuitetima.

ANSI / ASME B16.5 Tlačna klasa i sustav dimenzija

ANSI standard koji regulira prirubnice za zavarivanje grla—sada objavljuje ASME as ASME B16.5 — organizira prirubnice u klase tlaka koje definiraju maksimalni dopušteni radni tlak pri danoj temperaturi za dati materijal. Standardne klase tlaka za prirubnice zavarenog vrata su 150, 300, 400, 600, 900, 1500 i 2500. Broj klase nije radni tlak u psi; to je oznaka koja je u korelaciji s tablicom tlaka i temperature. Prirubnica klase 300 od ugljičnog čelika (ASTM A105) na temperaturi okoline ima ograničenje radnog tlaka od približno 740 psi (51 bar) , dok je ista prirubnica na 400°C (750°F) smanjena na približno 635 psi (44 bara). Na krajnjem kraju, prirubnica klase 2500 od legiranog čelika može izdržati pritiske veće od 6000 psi na temperaturi okoline.

Dimenzionalne karakteristike koje razlikuju svaku klasu tlaka su debljina prirubnice, promjer glavčine na dnu, promjer kruga vijka i broj i veličina rupa za vijke . Kako se klasa tlaka povećava, te se dimenzije povećavaju kako bi podnijele veća mehanička opterećenja, iako nazivna veličina cijevi ostaje ista. Donja tablica ilustrira kako se ključne dimenzije skaliraju s klasom tlaka za uobičajenu prirubnicu za zavareni vrat od 4 inča (DN 100).

Provrt prirubnice zavarenog vrata je strojno obrađen kako bi odgovarao nazivna debljina stijenke cijevi spojne cijevi. To znači da su za danu nominalnu veličinu cijevi dostupne prirubnice s različitim promjerima provrta kako bi odgovarale rasporedu standardnih, ekstra čvrstih (XS) i dvostrukih ekstra čvrstih (XXS) cijevi. Tolerancija provrta navedena je u standardu, a kosi zavar na kraju glavčine je strojno obrađen do kuta od 37,5 stupnjeva s korijenskom površinom od približno 1,6 mm, prema ASME B16.25, kako bi se stvorio standardni V-utor za sučeoni zavareni spoj.

Klase materijala i njihova temperaturno-tlačna ovojnica

Materijal od kojeg je kovana prirubnica zavarenog vrata određuje granice temperature i tlaka gotove komponente i njenu otpornost na specifične mehanizme korozije. ASME B16.5 upućuje na ASTM specifikacije materijala, a tablice tlaka i temperature organizirane su po grupama materijala. Izbor materijala je odluka koja se temelji na projektirana temperatura, projektni tlak, kemija fluida i potencijalni mehanizmi pucanja u okolišu kao što je sulfidno naprezanje pucanja u kiselom radu ili kloridno naprezanje korozijskog pucanja u austenitnim nehrđajućim čelicima izloženim vrućim kloridima.

Najčešće specificirani materijali za kovanje za prirubnice ANSI zavarenog vrata i njihova tipična područja primjene su:

• ASTM A105 (ugljični čelik): Standardni materijal za opću industrijsku upotrebu od -29°C do 425°C (-20°F do 800°F). Nije prikladno za produljeno izlaganje iznad 425°C zbog grafitizacije, ili za temperature ispod ništice ispod temperature prijelaza rastezljivog u krhko bez ispitivanja udarom. Koristi se za usluge pare, vode, ulja i nekorozivnih ugljikovodika. Ovo je najčešći i najekonomičniji materijal za kovani prirubnicu, koji predstavlja većinu ugrađenih prirubnica za zavareni vrat u nekorozivnoj uporabi.
• ASTM A350 LF2 (niskotemperaturni ugljični čelik): Ugljični čelik s kontroliranom kemijom i praksom finog zrna, Charpyjev udar testiran na -46°C (-50°F). Koristi se za sustave cjevovoda koji rade u hladnim klimatskim uvjetima i u rukovanju ukapljenim plinom gdje bi A105 bio u opasnosti od krhkog loma. Lice prirubnice obično je opremljeno uzdignutom stranom ili spojnom oblogom u obliku prstena prema specifikaciji.
• ASTM A182 F304/F304L i F316/F316L (austenitni nehrđajući čelik): Standardni materijali za korozivne kemijske usluge, preradu hrane i farmaceutske primjene. Ocjene "L" (niska razina ugljika, maksimalno 0,03% ugljika) specificirane su za zavarene proizvode i za rad iznad 425°C gdje su nestabilizirane razine osjetljive na osjetljivost i interkristalnu koroziju. F316/F316L, sa svojim dodatkom molibdena od 2-3%, pruža poboljšanu otpornost na rupičastu koroziju u okruženjima koja sadrže kloride u usporedbi s F304.
• ASTM A182 F11 i F22 (čelik od legure kroma i molibdena): Radni materijali za rad na visokim temperaturama u rafinerijama i elektranama, s 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) i 2,25% Cr-1% Mo (F22). Ovi materijali zadržavaju svoju vlačnu čvrstoću na temperaturama do 600°C (1100°F) i otporni su na napad vodika u radu s vodikom na visokim temperaturama kada se koriste unutar Nelsonovih krivulja za određenu vrstu legure. Prirubnice u rafinerijskoj hidroprocesnoj jedinici koja radi na 450°C s visokim parcijalnim tlakom vodika obično su F22 otkovci.
• ASTM A182 F51 / F53 (Dupleks i Super Dupleks nehrđajući čelik): Upotrebljava se u okruženjima za naftu i plin u moru, morskoj vodi i kemijskim procesima gdje je potrebna kombinacija visoke čvrstoće i izuzetne otpornosti na piting klorida. F53 (super duplex, 25% Cr) ima PREN (Ekvivalentni broj otpornosti na udubljenja) iznad 40, osiguravajući otpornost na koroziju pukotina od morske vode na sobnoj temperaturi.

Vrste površine prirubnice i odabir brtve

Obloga prirubnice—geometrija brtvene površine na prednjoj strani prirubnice—odabire se na temelju tlačne klase, karakteristika tekućine i vrste brtve. ANSI standard definira nekoliko tipova obloga, svaki sa specifičnom domenom primjene. Najčešće obloge na prirubnicama zavarenog vrata su:

Uzdignuto lice (RF)

Standardna obloga za prirubnice klase 150 i 300, koja se sastoji od uzdignutog platoa otprilike 1,6 mm (1/16 inča) visine za klasu 150 i 300 i 6,4 mm (1/4 inča) visine za klasu 400 i više. Uzdignuta površina koncentrira opterećenje vijka na manju površinu brtve, povećavajući kontaktni pritisak i poboljšavajući brtvljenje. Površinska obrada ispupčene površine navedena je standardom kao a nazubljeni koncentrični ili spiralni uzorak utora s površinskom hrapavošću od 3,2 do 6,3 µm Ra (125 do 250 mikroinča AA). Ova nazubljena završna obrada ugriza se u mekani materijal brtve i sprječava njegovo istiskivanje iz prirubničkog spoja pod pritiskom.

Prstenasti zglob (RTJ)

Standardna obloga za visokotlačne prirubnice od klase 600 do klase 2500 u kritičnim uvjetima rada. Lice prirubnice ima precizno strojno obrađen utor koji prihvaća čvrstu metalnu prstenastu brtvu—obično ovalnog ili osmerokutnog presjeka—izrađenu od materijala koji je mekši od materijala prirubnice. Kada su vijci zategnuti, prstenasta brtva se plastično deformira u utor, stvarajući brtva metal-metal koja može izdržati tlakove veće od 10 000 psi i temperature iznad 500°C . RTJ brtva jedina je vrsta brtve prihvaćena za visokotlačnu paru, napojnu vodu za kotlove i ugljikovodike, gdje bi eksplozija brtve imala katastrofalne posljedice. Standardni materijali za prstenaste brtve su meko željezo (za prirubnice od ugljičnog čelika), nehrđajući čelik 304 ili 316 i razne legure nikla za korozivne i visokotemperaturne radove.

Ravno lice (FF)

Koristi se primarno za prirubnice od lijevanog željeza klase 125 i za spojeve na mlaznice opreme s ravnom površinom gdje bi uzdignuta prirubnica savijala i pucala prirubnicu od lijevanog željeza kada se zategnu vijci. Brtva koja pokriva cijelu površinu, koja se proteže do kruga vijka, koristi se s ravnim prirubnicama za ravnomjernu raspodjelu opterećenja vijka po cijelom području čela.

Postupak sučeonog zavarivanja i kontrola zone utjecaja topline

Ugradnja prirubnice zavarenog vrata na cijev zahtijeva a sučeoni zavar s jednim V utorom s punim prodiranjem koji spaja strojno obrađenu kosinu na kraju glavčine prirubnice s odgovarajućom kosinom na kraju cijevi. Zavarivanje se obično izvodi upotrebom postupka plinskolučnog zavarivanja s volframom (GTAW) za korijenski prolaz kako bi se osiguralo potpuno prodiranje i čista korijenska površina bez oksida, nakon čega slijedi elektrolučno zavarivanje zaštićenim metalom (SMAW) ili elektrolučno zavarivanje punjenom jezgrom (FCAW) za prolaze ispune i poklopca. Specifikacija postupka zavarivanja (WPS) mora biti kvalificirana prema ASME Odjeljku IX, a zavarivač mora biti kvalificiran za određeni materijal, debljinu i položaj.

Kritično razmatranje zavarivanja za prirubnice zavarenog vrata je kontrola zone utjecaja topline (ZUT) u glavčini prirubnice . Čvorište prirubnice u blizini zavara podložno je složenom toplinskom ciklusu koji može promijeniti njegovu mikrostrukturu, izazvati zaostala naprezanja i, za određene legirane čelike, stvoriti tvrdu, lomljivu martenzitnu zonu ako je brzina hlađenja prebrza. Za čelične prirubnice od legure kroma i molibdena (ASTM A182 F11, F22), predgrijavanje na 200°C do 300°C (400°F do 575°F) je obavezno prije zavarivanja kako bi se usporila brzina hlađenja i spriječilo stvaranje martenzita, a potrebna je toplinska obrada nakon zavarivanja (PWHT) na 675°C do 730°C (1250°F do 1350°F) u trajanju od jednog sata za svakih 25 mm debljine zavara kako bi se ublažila ZUT, smanjila zaostala naprezanja i vratila žilavost materijala na lom. PWHT zavarenog sklopa prirubnice i cijevi izvodi se na dovršenom zavaru, a tvrdoća ZUT-a se provjerava prijenosnim ispitivanjem tvrdoće prema ASTM E110 kako bi se potvrdilo da je tvrdoća ispod navedenog maksimuma—obično 225 HBW za P-br. 4 i P-br. 5A legirani čelici u rafineriji.

Inspekcija, testiranje i dokumentacija o kvaliteti

Prirubnica za zavareni vrat proizvedena prema ANSI standardu isporučuje se sa skupom obveznih i izbornih dokumenata o kvaliteti koji provjeravaju njezinu usklađenost sa specifikacijama materijala i dimenzija. The Izvješće o ispitivanju materijala (MTR) ili potvrda mlina je primarni dokument, koji potvrđuje toplinski broj otkivka, njegov kemijski sastav, njegovu vlačnu čvrstoću, granicu tečenja, istezanje i smanjenje površine iz vlačnog ispitivanja i njegovu tvrdoću. Za niskotemperaturne prirubnice od ugljičnog čelika (A350 LF2), MTR također uključuje rezultate ispitivanja udarca Charpy V-zareza na navedenoj ispitnoj temperaturi. Za prirubnice od nehrđajućeg čelika, MTR uključuje rezultate ispitivanja interkristalne korozije kada je navedeno. MTR mora biti sljediv do prirubnice pomoću toplinskog broja, koji je utisnut na periferiji prirubnice zajedno s razredom materijala, klasom tlaka, nominalnom veličinom cijevi i identifikacijskom oznakom proizvođača prema zahtjevima označavanja ASME B16.5.

Nerazorno ispitivanje gotove prirubnice uključuje vizualni pregled strojno obrađenih površina, obloge i kosine zavara za preklope, šavove, pukotine i druge površinske diskontinuitete prema MSS SP-55. Za kritične radne prirubnice specificiran je dodatni NDE: ispitivanje tekućim penetrantom (PT) ili ispitivanje magnetskim česticama (MT) površine prirubnice, prijelaza glavčine u lice i kosine zavara prema ASME B16.5 paragrafu 8.3; i ultrazvučno ispitivanje (UT) cijelog volumena kovanja prema ASTM A388 ili primjenjivoj ASTM specifikaciji kovanja za otkrivanje unutarnjih nedostataka kao što su inkluzije, šupljine ili laminacije. Kriteriji prihvatljivosti za ova ispitivanja definirani su primjenjivim standardom kovanja ASTM i dodatnim zahtjevima kupca.

Zakretni moment vijka, kompresija brtve i montaža bez curenja

Sastavljanje prirubničkog spoja ANSI zavarenog vrata zahtijeva kontrolirano zatezanje vijka na specificirani moment ili naprezanje vijka kako bi se postigla kompresija brtve neophodna za brtvljenje bez curenja bez pretjeranog naprezanja prirubnice, vijaka ili brtve. Vijci se zatežu u križnom nizu—koji se također naziva zvjezdasti uzorak—u najmanje tri prolaza rastućeg momenta: 30%, 60% i 100% ciljnog momenta. Ovo progresivno zatezanje osigurava da je brtva ravnomjerno stisnuta i sprječava napinjanje prirubnice, što bi stvorilo klinasti razmak koji brtva ne može ispuniti.

Ciljani zakretni moment vijka izračunava se iz naprezanja naleganja brtve, kontaktne površine brtve, čvrstoće tečenja materijala vijka i koeficijenta trenja navoja vijka i ležajne površine matice. Ciljano naprezanje vijka je obično 40% do 70% granice razvlačenja materijala vijka za standardne brtve, s nižim krajem raspona koji se koristi za meke brtve poput komprimiranih vlakana ili PTFE-a, a višim krajem za metalne i spiralno namotane brtve. Podmazivanje navoja vijaka i ležajnih površina matica visokotlačnim pripravkom protiv zapinjanja ključno je za postizanje dosljednog odnosa između zakretnog momenta i napetosti vijaka; nepodmazani navoji mogu potrošiti 50% ili više primijenjenog momenta trenja, što rezultira predopterećenjem vijka koje je znatno niže od izračunate vrijednosti. Za kritične prirubničke spojeve u ASME B31.3 procesnim cjevovodima, postupak zatezanja vijaka je dokumentirani dio procesa osiguranja kvalitete, a vrijednosti zakretnog momenta vijaka bilježe se u izvješću o integritetu prirubničkog spoja.