Фланці з нержавіючої сталі під приварку для високого тиску: дизайн, матеріали та перевірка

Чому фланець з привареною шийкою вибрано для високого тиску

У системах трубопроводів високого тиску з нержавіючої сталі фланцеве з’єднання часто є найбільш вразливим місцем у лінії. З усіх типів фланців найчастіше вибирають фланець зі зварюваною шийкою, коли високий тиск, суворі температури або вимагає високого рівня безперервності конструкції. Його відмінною рисою є конічна втулка, яка приварюється до труби встик. Маточина поступово передає напругу від труби до корпусу фланця, що зменшує концентрацію напруги, яка виникає в місці з’єднання труби з плоским фланцем. Це робить конструкцію зварної горловини добре придатною для циклічної експлуатації, теплового розширення та високого внутрішнього тиску.

Стиковий зварний шов між трубою та втулкою можна повністю рентгенографувати, що означає, що з’єднання можна перевірити за тим же стандартом, що й сама труба. Відсутність різьбового з’єднання, з’єднання внахлест або насувної конструкції забезпечує таке поєднання ефективності перенесення навантаження та можливості перевірки. Тому для систем з нержавіючої сталі на хімічних заводах, нафтопереробних заводах, у системах впорскування води під високим тиском і при обробці високої чистоти фланець зварної горловини є інженерним вибором за замовчуванням, коли вимогливі умови проектування.

Сорти та характеристики кованих матеріалів

Фланці високого тиску виготовляються куванням, а не вирізанням з плити, оскільки кування покращує зернисту структуру та надає матеріалу кращі властивості по товщині. Фланці з нержавіючої сталі підпадають під дію стандарту ASTM A182, який включає загальні марки F304, F304L, F316 і F316L, а також стабілізовані марки F321 і F347 і високолеговані марки, такі як F310. Для роботи під високим тиском часто віддають перевагу маркам з низьким вмістом вуглецю 304L і 316L, оскільки вони стійкі до сенсибілізації та міжкристалітної корозії в зоні термічного впливу зварного шва, за умови, що вміст вуглецю відповідає межі низького вмісту вуглецю.

Для використання в діапазоні температур вище аустенітної нержавіючої сталі або там, де хлориди створюють ризик корозійного розтріскування під напругою, вибір матеріалу повинен перевірити інженер з корозії. Матеріал фланця, матеріал болтів і матеріал труби також повинні бути металургійно сумісними. Загальноприйнятим правилом належної практики є визначення ковки фланця того самого або більш стійкого до корозії класу, ніж труба, щоб фланець не став слабким місцем з’єднання. Подвійно сертифікований матеріал, наприклад 304/304L, широко доступний і спрощує закупівлю, одночасно задовольняючи вимоги міцності та стійкості до корозії.

Класи тиску, облицювання та прокладки

Фланці з нержавіючої сталі для високого тиску виготовляються відповідно до стандартів розмірів, таких як ASME B16.5, який визначає номінальні значення тиску та температури для класів 150, 300, 600, 900, 1500 і 2500, і ASME B16.47 для великих діаметрів. Клас має бути обраний таким чином, щоб номінальний показник фланця при розрахунковій температурі дорівнював або перевищував розрахунковий тиск, а таблиці номінальних показників уже включали запаси надійності, які вимагаються нормами. У системах високого тиску клас 600 і вище типовий для технологічних ліній, тоді як класи 1500 і 2500 з’являються в таких додатках, як впорскування води під високим тиском, обслуговування водню та надкритичні процеси.

Облицювання фланця підбирається відповідно до прокладки. Підняті торцеві фланці зі спіральними або кільцевими прокладками є найпоширенішими для використання з нержавіючої сталі під високим тиском. Облицювання кільцевих з’єднань (RTJ) із восьмикутними канавками використовуються при найвищих тисках і температурах, оскільки ущільнення металу до металу, яке вони створюють, надзвичайно надійне, коли з’єднання правильно закріплено болтами. Яке б покриття не було обрано, поверхня прокладки має бути чистою, неушкодженою та не мати слідів інструменту, тому що будь-яка подряпина на поверхні ущільнювача є потенційним шляхом витоку. Таким чином, захист для облицювання є не обов’язковою опцією, а вимогою якості.

Практика зварювання та з’єднання болтів

Для стикового зварювання втулки до труби потрібна кваліфікована процедура та зварювальник, кваліфікований відповідно до відповідного коду, наприклад, розділ IX ASME. Підготовка шва, присадний метал і попередній нагрів повинні відповідати марці матеріалу, а для аустенітної нержавіючої сталі температура між проходами контролюється, щоб уникнути погіршення зварного шва. Після зварювання слід оглянути кореневий і верхній проходи, а для критичних умов експлуатації весь зварний шов рентгенографувати. Якщо трубопровідну систему необхідно травити або пасивувати, зону зварювання необхідно очистити від теплового відтінку, щоб знову утворилася захисна оксидна плівка та видалив збіднений хромом шар.

Болти заслуговують такої ж уваги, як і сам фланець. Шпильки та гайки мають бути відповідного класу матеріалу, а мастило має бути сумісним з використанням. При роботі під високим тиском болтове з’єднання затягується динамометричним ключем або гідравлічним натягувачем до розрахункового попереднього натягу в послідовності, яка зберігає паралель поверхні фланця. Недостатнє затягування спричиняє протікання та розрив; надмірне затягування може послабити болти або пошкодити облицювання. Правильна ціль – це попереднє натяг, яке фіксує прокладку та підтримує з’єднання під дією внутрішнього тиску та теплового розширення.

Перевірка та гарантія якості

Якість фланця високого тиску встановлюється в три етапи. По-перше, у кузні: матеріал має бути простежуваним за його нагріванням, із сертифікованим хімічним аналізом і механічними властивостями, а для критичної експлуатації поковки перевіряються ультразвуком, щоб підтвердити внутрішню міцність. По-друге, на машинному цеху: критичні розміри, оздоблення торця, конусність втулки та коло болта перевіряються на відповідність стандарту, а фланець маркується матеріалом, розміром, класом і числом нагріву, щоб відстежуватись у польових умовах. По-третє, у польових умовах: поверхні фланців перевіряються перед установкою, зварний шов перевіряється після зварювання, а завершене з’єднання випробовується тиском як частина випробування системи.

Для фланців з нержавіючої сталі позитивна ідентифікація матеріалу (PMI) є широко використовуваним запобіжним заходом, оскільки візуальний вигляд 304 і 316 ідентичний, і змішування двох є реальним ризиком у великих проектах. Випробування PMI за допомогою портативного рентгенівського флуоресцентного аналізатора підтверджує, що фланець, труба та наповнювач зварювального шва відповідають класу, про який вони заявлені. Це недороге випробування, яке запобігає дорогій несправності, і багато специфікацій проекту роблять його обов’язковим для кожного тепла в системі трубопроводів.

Часті запитання