ANSI standaard gesmede flenzen met lasnek: specificaties en toepassingen

Een ANSI standaard gesmede flens met lasnek is de voorkeurskeuze voor veeleisende leidingtoepassingen omdat het De taps toelopende naaf zorgt voor een soepele spanningsovergang van het flensvlak naar de buiswand, waardoor de abrupte discontinuïteit wordt geëlimineerd die turbulentie en vermoeidheidsbreuken veroorzaakt bij andere flenstypen . De flens is aan de buis bevestigd door middel van een stompe las met volledige penetratie aan het naafuiteinde, waardoor een verbinding ontstaat die net zo sterk is als de buis zelf en die radiografisch kan worden geïnspecteerd om de lasintegriteit te verifiëren. Dit ontwerpkenmerk, gecombineerd met de korrelstroomoriëntatie die wordt bereikt door het smeedproces, maakt de lasnekflens het enige flenstype dat universeel wordt geaccepteerd voor kritische hogedruk-, hoge temperatuur- en cyclische belastingsdiensten in de aardolie-, petrochemische en energieopwekkingsindustrieën. Wanneer gespecificeerd volgens een ANSI-norm (meestal ASME B16.5 voor buismaten tot 24 inch en ASME B16.47 voor grotere diameters) zijn de flensafmetingen, druk-temperatuurwaarden en materiaalvereisten volledig gestandaardiseerd, waardoor uitwisselbaarheid met kleppen, fittingen en apparatuur van elke fabrikant wereldwijd wordt gegarandeerd.

Het smeedvoordeel: waarom de graanstroom belangrijk is

Het smeedproces verandert de interne structuur van het staal fundamenteel op een manier die niet mogelijk is bij het gieten of machinaal bewerken van plaat. Een gesmede flens begint als een staaf staal – een gegoten staaf of een continu gegoten bloem die heet is bewerkt om de interne porositeit te dichten – en wordt gevormd onder een enorme drukkracht tussen smeedmatrijzen. Deze vervorming verlengt de niet-metalen insluitsels en de korrelgrenzen in de richting van de metaalstroom, waardoor een continu graanstroompatroon dat de contouren van de flens volgt . De uitgelijnde korrelstructuur weerstaat scheurvoortplanting loodrecht op de uitgeoefende spanning, waardoor de gesmede flens superieure weerstand tegen vermoeidheid en slagvastheid krijgt in vergelijking met een gegoten of uit platen gesneden flens waarbij de korreloriëntatie willekeurig is of loodrecht op de primaire spanningsrichting.

Specifiek voor een lasnekflens is het smeedproces zo ontworpen dat de graanstroomlijnen continu vanaf de flens naar boven door de taps toelopende naaf en in de lasafschuining lopen. Dit betekent dat wanneer de flens aan een buis wordt gelast, de graanstroom in de flens en in de buis op één lijn wordt gebracht, waardoor een metallurgisch homogene verbinding . De afwezigheid van een zwakke grenslaag – een kenmerk van gegoten constructies waar de koude zone van het oppervlak de kolomvormige korrelzone ontmoet – betekent dat er geen preferentieel faalpad is. Voor kritieke diensten zoals waterstofservice, zuurgasverwerking of hogetemperatuurstoom is deze continue korrelstructuur essentieel om de verbrossing en barsten te voorkomen die kunnen ontstaan ​​bij microstructurele discontinuïteiten.

ANSI / ASME B16.5 Drukklasse en dimensiesysteem

De ANSI-norm die betrekking heeft op lasnekflenzen, nu gepubliceerd door ASME als ASME B16.5 —organiseert flenzen in drukklassen die de maximaal toegestane werkdruk bij een bepaalde temperatuur voor een bepaald materiaal definiëren. De standaarddrukklassen voor lasnekflenzen zijn 150, 300, 400, 600, 900, 1500 en 2500. Het klassenummer is niet de werkdruk in psi; het is een aanduiding die correleert met een druk-temperatuurtabel. Een klasse 300 flens van koolstofstaal (ASTM A105) heeft bij omgevingstemperatuur een werkdruklimiet van ongeveer 740 psi (51 bar) , terwijl dezelfde flens bij 400°C (750°F) wordt verlaagd tot ongeveer 635 psi (44 bar). Aan het uiterste uiteinde is een klasse 2500-flens van gelegeerd staal bestand tegen drukken van meer dan 6.000 psi bij omgevingstemperatuur.

De dimensionale kenmerken die elke drukklasse onderscheiden zijn de flensdikte, de naafdiameter aan de basis, de diameter van de boutcirkel en het aantal en de grootte van de boutgaten . Naarmate de drukklasse toeneemt, nemen deze afmetingen toe om de grotere mechanische belastingen aan te kunnen, ook al blijft de nominale buismaat hetzelfde. De onderstaande tabel illustreert hoe de belangrijkste afmetingen schalen met de drukklasse voor een gewone 4-inch (DN 100) lasnekflens.

De boring van een lasnekflens wordt machinaal bewerkt zodat deze overeenkomt met de nominale buiswanddikte van de verbindingsleiding. Dit betekent dat voor een gegeven nominale buismaat flenzen met verschillende boringdiameters beschikbaar zijn, passend bij standaard, extra sterke (XS) en dubbele extra sterke (XXS) buisschema's. De boringtolerantie is gespecificeerd in de norm en de lasafschuining aan het naafuiteinde is machinaal bewerkt tot een hoek van 37,5 graden met een basisvlak van ongeveer 1,6 mm, conform ASME B16.25, om een standaard V-groef voor de stuiklasverbinding te creëren.

Materiaalkwaliteiten en hun temperatuur-druk-envelop

Het materiaal waaruit een lasnekflens wordt gesmeed, bepaalt de temperatuur- en drukgrenzen van het voltooide onderdeel en de weerstand ervan tegen specifieke corrosiemechanismen. ASME B16.5 verwijst naar de ASTM-materiaalspecificaties en de tabellen met druk-temperatuurclassificaties zijn gerangschikt per materiaalgroep. De selectie van het materiaal is een beslissing op basis van de ontwerptemperatuur, de ontwerpdruk, de vloeistofchemie en het potentieel voor kraakmechanismen in de omgeving zoals spanningsscheuren door sulfide bij zuur gebruik of spanningscorrosie door chloride in austenitisch roestvast staal blootgesteld aan hete chloriden.

De meest gespecificeerde smeedmaterialen voor ANSI-lasnekflenzen en hun typische toepassingsbereiken zijn:

• ASTM A105 (koolstofstaal): Het standaardmateriaal voor algemene industriële toepassingen van -29°C tot 425°C (-20°F tot 800°F). Niet geschikt voor langdurige blootstelling boven 425°C als gevolg van grafitisering, of voor temperaturen onder het vriespunt onder de overgangstemperatuur van ductiel naar bros zonder impacttesten. Gebruikt voor stoom-, water-, olie- en niet-corrosieve koolwaterstofdiensten. Dit is het meest voorkomende en economische gesmede flensmateriaal en vertegenwoordigt het merendeel van de geïnstalleerde lasnekflenzen in niet-corrosieve toepassingen.
• ASTM A350 LF2 (koolstofstaal bij lage temperatuur): Een koolstofstaal met gecontroleerde chemie en fijne korrelvorming, Charpy-slagtest bij -46°C (-50°F). Gebruikt voor leidingsystemen die in koude klimaten werken en bij de behandeling van vloeibaar gas, waarbij de A105 het risico loopt op brosse breuk. Het flensvlak is doorgaans voorzien van een verhoogd vlak of een ringvormig verbindingsvlak volgens de specificatie.
• ASTM A182 F304/F304L en F316/F316L (austenitisch roestvrij staal): De standaardmaterialen voor corrosieve chemische toepassingen, voedselverwerking en farmaceutische toepassingen. De "L"-kwaliteiten (laag koolstofgehalte, maximaal 0,03% koolstof) zijn gespecificeerd voor gelaste constructies en voor gebruik boven 425°C, waarbij de niet-gestabiliseerde kwaliteiten gevoelig zijn voor sensibilisatie en intergranulaire corrosie. F316/F316L biedt, met zijn molybdeentoevoeging van 2-3%, een verbeterde weerstand tegen putcorrosie in chloridehoudende omgevingen vergeleken met F304.
• ASTM A182 F11 en F22 (chroom-molybdeen gelegeerd staal): De werkpaardmaterialen voor gebruik bij hoge temperaturen in raffinaderijen en energiecentrales, met kwaliteiten van 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) en 2,25% Cr-1% Mo (F22). Deze materialen behouden hun treksterkte bij temperaturen tot 600 °C (1100 °F) en zijn bestand tegen waterstofaantasting bij waterstof bij hoge temperaturen wanneer ze worden gebruikt binnen de Nelson-curven voor de specifieke legeringskwaliteit. De flenzen in een hydroverwerkingseenheid van een raffinaderij die werkt bij 450°C en een hoge partiële waterstofdruk zijn doorgaans F22-smeedstukken.
• ASTM A182 F51 / F53 (duplex en super duplex roestvrij staal): Gebruikt in offshore olie- en gasindustrie, zeewaterbehandeling en chemische procesomgevingen waar de combinatie van hoge sterkte en uitzonderlijke weerstand tegen chlorideputjes vereist is. F53 (super duplex, 25% Cr) heeft een PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) van meer dan 40 en biedt immuniteit tegen spleetcorrosie door zeewater bij omgevingstemperaturen.

Flensvlaktypes en pakkingselectie

De flensbekleding – de geometrie van het afdichtingsoppervlak op het flensvlak – wordt geselecteerd op basis van de drukklasse, de vloeistofeigenschappen en het pakkingtype. De ANSI-standaard definieert verschillende soorten bekleding, elk met een specifiek toepassingsdomein. De meest voorkomende bekledingen op lasnekflenzen zijn:

Verhoogd gezicht (RF)

De standaard bekleding voor klasse 150 en 300 flenzen, bestaande uit ongeveer een verhoogd plateau 1,6 mm (1/16 inch) hoog voor klasse 150 en 300 en 6,4 mm (1/4 inch) hoog voor klasse 400 en hoger. Het verhoogde oppervlak concentreert de boutbelasting op een kleiner pakkingoppervlak, waardoor de contactdruk toeneemt en de afdichting wordt verbeterd. De oppervlakteafwerking van het verhoogde vlak wordt door de norm gespecificeerd als a gekarteld concentrisch of spiraalvormig groefpatroon met een oppervlakteruwheid van 3,2 tot 6,3 µm Ra (125 tot 250 microinch AA). Deze gekartelde afwerking bijt zich in het zachte pakkingmateriaal en voorkomt dat dit onder druk uit de flensverbinding wordt geëxtrudeerd.

Ringvormige verbinding (RTJ)

De standaard bekleding voor hogedrukflenzen van klasse 600 tot en met klasse 2500 in kritieke omstandigheden. Het flensvlak heeft een nauwkeurig bewerkte groef waarin een massieve metalen ringpakking past – doorgaans ovaal of achthoekig in dwarsdoorsnede – gemaakt van een materiaal dat zachter is dan het flensmateriaal. Wanneer de bouten worden vastgedraaid, wordt de ringpakking plastisch vervormd in de groef, waardoor een metaal-op-metaal afdichting die een druk van meer dan 10.000 psi en temperaturen boven 500 °C kan weerstaan . De RTJ-pakking is het enige pakkingtype dat wordt geaccepteerd voor hogedrukstoom, ketelvoedingswater en koolwaterstoftoepassingen waarbij een uitbarsting van de pakking catastrofale gevolgen zou hebben. De standaard materialen voor ringpakkingen zijn zacht ijzer (voor koolstofstalen flenzen), 304 of 316 roestvrij staal en verschillende nikkellegeringen voor corrosieve en hoge temperaturen.

Vlak gezicht (FF)

Hoofdzakelijk gebruikt voor gietijzeren flenzen van klasse 125 en voor verbindingen met spuitmonden met platte voorkant, waarbij een verhoogde vlakflens de bijpassende gietijzeren flens zou buigen en barsten wanneer de bouten worden vastgedraaid. Bij platte flenzen wordt een volvlakpakking gebruikt, die zich uitstrekt tot aan de boutcirkel, om de boutbelasting gelijkmatig over het gehele vlak te verdelen.

De stomplasprocedure en de regeling van door hitte beïnvloede zones

De installatie van een lasnekflens op een buis vereist een volledige penetratie, stomplas met enkele V-groef die de machinaal bewerkte afschuining aan het uiteinde van de flensnaaf verbindt met de bijpassende afschuining op het buisuiteinde. De las wordt doorgaans uitgevoerd met behulp van het gaswolfraambooglassen (GTAW)-proces voor de grondlaag om volledige penetratie en een schoon, oxidevrij grondoppervlak te garanderen, gevolgd door booglassen met afgeschermd metaal (SMAW) of booglassen met gevulde kern (FCAW) voor de vul- en kappassages. De lasprocedurespecificatie (WPS) moet gekwalificeerd zijn volgens ASME Sectie IX, en de lasser moet gekwalificeerd zijn voor het specifieke materiaal, de dikte en de positie.

De kritische lasoverweging voor lasnekflenzen is de controle van de hittebeïnvloede zone (HAZ) in de flensnaaf . De flensnaaf nabij de las is onderworpen aan een complexe thermische cyclus die de microstructuur ervan kan veranderen, restspanningen kan veroorzaken en, voor bepaalde gelegeerde staalsoorten, een harde, broze martensitische zone kan creëren als de afkoelsnelheid te hoog is. Voor flenzen van chroom-molybdeen gelegeerd staal (ASTM A182 F11, F22), voorverwarmen tot 200°C tot 300°C (400°F tot 575°F) is verplicht vóór het lassen om de afkoelsnelheid te vertragen en martensietvorming te voorkomen, en een warmtebehandeling na het lassen (PWHT) bij 675 ° C tot 730 ° C (1250 ° F tot 1350 ° F) gedurende één uur per 25 mm lasdikte is vereist om de HAZ te temperen, restspanningen te verlichten en de breuktaaiheid van het materiaal te herstellen. De PWHT van een gelaste flens-buisconstructie wordt uitgevoerd op de voltooide las, en de hardheid van de HAZ wordt geverifieerd door draagbare hardheidstests volgens ASTM E110 om te bevestigen dat de hardheid onder het gespecificeerde maximum ligt - doorgaans 225 HBW voor P-nr. 4 en P-nr. 5A-gelegeerd staal in raffinaderijdienst.

Inspectie, testen en kwaliteitsdocumentatie

Een lasnekflens vervaardigd volgens een ANSI-norm wordt geleverd met een reeks verplichte en optionele kwaliteitsdocumenten die verifiëren of deze voldoet aan de materiaal- en maatspecificaties. De Materiaaltestrapport (MTR) of molencertificaat is het primaire document dat het warmtegetal van het smeedstuk, de chemische samenstelling, de treksterkte, vloeigrens, rek en verkleining van het gebied na een trekproef, en de hardheid ervan certificeert. Voor koolstofstalen flenzen bij lage temperaturen (A350 LF2) bevat de MTR ook de Charpy V-notch impacttestresultaten bij de gespecificeerde testtemperatuur. Voor roestvrijstalen flenzen omvat de MTR de interkristallijne corrosietestresultaten, indien gespecificeerd. De MTR moet herleidbaar zijn tot de flens aan de hand van het hittenummer, dat op de omtrek van de flens is gestempeld, samen met de materiaalkwaliteit, de drukklasse, de nominale buismaat en het identificatiemerk van de fabrikant volgens de markeringsvereisten van ASME B16.5.

Niet-destructief onderzoek van de afgewerkte flens omvat visuele inspectie van de bewerkte oppervlakken, de bekleding en de lasafschuining voor overlappingen, naden, scheuren en andere onregelmatigheden in het oppervlak volgens MSS SP-55. Voor flenzen voor kritische toepassingen is aanvullende NDE gespecificeerd: vloeistofpenetrantonderzoek (PT) of magnetisch deeltjesonderzoek (MT) van het flensvlak, de overgang tussen naaf en vlak en de lasafschuining volgens ASME B16.5 paragraaf 8.3; en ultrasoon onderzoek (UT) van het gehele smeedvolume volgens ASTM A388 of de toepasselijke ASTM-smeedspecificatie om interne defecten zoals insluitsels, holtes of lamineringen te detecteren. De acceptatiecriteria voor deze onderzoeken worden gedefinieerd door de toepasselijke ASTM-smeedstandaard en de aanvullende eisen van de koper.

Boutkoppel, pakkingcompressie en lekvrije montage

Voor de montage van een ANSI-lasnekflensverbinding zijn gecontroleerd aandraaien van bouten tot een gespecificeerd koppel of boutspanning om de pakkingcompressie te bereiken die nodig is voor een lekvrije afdichting zonder de flens, de bouten of de pakking te overbelasten. De bouten worden vastgedraaid in een kruispatroon (ook wel een sterpatroon genoemd) in ten minste drie stappen met toenemend koppel: 30%, 60% en 100% van het beoogde koppel. Dit progressieve aandraaien zorgt ervoor dat de pakking gelijkmatig wordt samengedrukt en voorkomt dat de flens gaat spannen, waardoor een wigvormige opening ontstaat die de pakking niet kan opvullen.

Het beoogde boutkoppel wordt berekend op basis van de zitspanning van de pakking, het contactoppervlak van de pakking, de vloeigrens van het boutmateriaal en de wrijvingscoëfficiënt van de boutdraden en het lageroppervlak van de moer. De beoogde boutspanning is doorgaans 40% tot 70% van de vloeigrens van het boutmateriaal voor standaardpakkingen, waarbij de onderkant van het bereik wordt gebruikt voor zachte pakkingen zoals gecomprimeerde vezels of PTFE en de hogere kant voor metalen en spiraalgewonden pakkingen. Het smeren van de schroefdraad van de bout en de lageroppervlakken van de moer met een anti-vastloopmiddel onder hoge druk is essentieel om een ​​consistente relatie tussen koppel en boutspanning te bereiken; ongesmeerde schroefdraad kan 50% of meer van het toegepaste koppel in wrijving verbruiken, wat resulteert in een boutvoorspanning die aanzienlijk lager is dan de berekende waarde. Voor kritische flensverbindingen in ASME B31.3-procesleidingen is de procedure voor het aanhalen van bouten een gedocumenteerd onderdeel van het kwaliteitsborgingsproces en worden de waarden van de boutkoppels vastgelegd in een integriteitsrapport van de flensverbindingen.