ANSI štandardné zvarové kované príruby: Špecifikácie a aplikácie

An ANSI štandardná zvarová kovaná príruba je preferovanou voľbou pre náročné potrubné aplikácie, pretože má kužeľový náboj poskytuje hladký prechod napätia z čela príruby na stenu potrubia, čím sa eliminuje náhla diskontinuita, ktorá spôsobuje turbulencie a únavové zlyhanie pri iných typoch prírub . Príruba je pripevnená k potrubiu pomocou tupého zvaru na konci náboja, čím sa vytvorí spoj, ktorý je rovnako pevný ako samotná rúra a možno ho skontrolovať rádiograficky na overenie integrity zvaru. Táto konštrukčná vlastnosť v kombinácii s orientáciou toku zrna dosiahnutého procesom kovania robí z príruby zvarového hrdla jediný typ príruby univerzálne akceptovaný pre kritické vysokotlakové, vysokoteplotné a cyklické služby v ropnom, petrochemickom a energetickom priemysle. Keď sú špecifikované podľa normy ANSI – najčastejšie ASME B16.5 pre veľkosti rúr do 24 palcov a ASME B16.47 pre väčšie priemery – rozmery prírub, tlakovo-teplotné menovité hodnoty a materiálové požiadavky sú plne štandardizované, čo zaisťuje zameniteľnosť s ventilmi, armatúrami a zariadeniami od akéhokoľvek výrobcu na celom svete.

Výhoda kovania: Prečo záleží na toku obilia

Proces kovania zásadne mení vnútornú štruktúru ocele takým spôsobom, že odlievanie alebo obrábanie z plechu nemôže replikovať. Kovaná príruba začína ako predvalok z ocele – odlievaný ingot alebo kontinuálne odlievaný blok, ktorý bol opracovaný za tepla, aby sa uzavrela vnútorná pórovitosť – a tvaruje sa pri obrovskej tlakovej sile medzi kovacími zápustkami. Táto deformácia predĺži nekovové inklúzie a hranice zŕn v smere toku kovu, čím sa vytvorí kontinuálny vzor toku zrna, ktorý sleduje obrys príruby . Zarovnaná štruktúra zŕn odoláva šíreniu trhlín kolmo na aplikované napätie, čo dáva kovanej prírube vynikajúcu odolnosť proti únave a rázovú húževnatosť v porovnaní s prírubou odlievanou alebo rezanou doskou, kde je orientácia zŕn náhodná alebo kolmá na smer primárneho napätia.

Špecificky pre prírubu zvarového hrdla je proces kovania navrhnutý tak, že línie toku zrna prebiehajú nepretržite od čelnej strany príruby nahor cez kužeľový náboj a do zvarového úkosu. To znamená, že keď je príruba privarená na tupo k rúre, prúd zŕn v prírube a v rúre sa vyrovná, čím sa vytvorí metalurgicky homogénny spoj . Neprítomnosť slabej hraničnej vrstvy – charakteristika liatych štruktúr, kde sa povrchová chladiaca zóna stretáva so zónou stĺpcového zrna – znamená, že neexistuje žiadna preferenčná cesta zlyhania. Pre kritické služby, ako je obsluha vodíka, spracovanie kyslého plynu alebo vysokoteplotná para, je táto súvislá štruktúra zŕn nevyhnutná, aby sa zabránilo krehnutiu a praskaniu, ktoré môže začať pri mikroštrukturálnych diskontinuitách.

ANSI / ASME B16.5 Systém tlakovej triedy a rozmerov

Norma ANSI, ktorou sa riadia zvarové hrdlové príruby – teraz publikovaná spoločnosťou ASME as ASME B16.5 —organizuje príruby do tlakových tried, ktoré definujú maximálny povolený pracovný tlak pri danej teplote pre daný materiál. Štandardné tlakové triedy pre zvarové hrdlové príruby sú 150, 300, 400, 600, 900, 1500 a 2500. Číslo triedy nie je pracovný tlak v psi; ide o označenie, ktoré koreluje s tabuľkou tlak-teplota. Príruba triedy 300 z uhlíkovej ocele (ASTM A105) pri teplote okolia má limit pracovného tlaku približne 740 psi (51 barov) , zatiaľ čo rovnaká príruba pri 400 °C (750 °F) je znížená na približne 635 psi (44 barov). Na extrémnom konci môže príruba triedy 2500 z legovanej ocele vydržať tlaky presahujúce 6 000 psi pri teplote okolia.

Rozmerové charakteristiky, ktoré odlišujú jednotlivé tlakové triedy, sú hrúbka príruby, priemer náboja na základni, priemer kruhu skrutiek a počet a veľkosť otvorov pre skrutky . S rastúcou tlakovou triedou sa tieto rozmery zväčšujú, aby zvládli väčšie mechanické zaťaženie, aj keď menovitá veľkosť potrubia zostáva rovnaká. Nasledujúca tabuľka ilustruje, ako sa stupnica kľúčových rozmerov s triedou tlaku pre bežnú 4-palcovú (DN 100) zvarovú prírubu hrdla.

Otvor príruby zvarového hrdla je opracovaný tak, aby zodpovedal menovitá hrúbka steny potrubia spojovacieho potrubia. To znamená, že pre danú nominálnu veľkosť potrubia sú k dispozícii príruby s rôznymi priemermi dier, ktoré zodpovedajú štandardným, extra pevným (XS) a dvojitým extra silným (XXS) typom rúr. Tolerancia otvoru je špecifikovaná v norme a zvarový úkos na konci náboja je opracovaný do 37,5-stupňového uhla s čelnou plochou približne 1,6 mm, podľa ASME B16.25, aby sa vytvorila štandardná V-drážka pre tupý zvarový spoj.

Druhy materiálov a ich teplotno-tlaková obálka

Materiál, z ktorého je vykovaná príruba zvarového hrdla, určuje teplotné a tlakové limity hotového komponentu a jeho odolnosť voči špecifickým koróznym mechanizmom. ASME B16.5 odkazuje na špecifikácie materiálu ASTM a tabuľky hodnotenia tlaku a teploty sú usporiadané podľa skupín materiálov. Výber materiálu je rozhodnutím na základe návrhovú teplotu, návrhový tlak, chémiu tekutín a potenciál pre environmentálne mechanizmy praskania ako je praskanie sulfidovým napätím v kyslom prostredí alebo korózne praskanie chloridom v austenitických nehrdzavejúcich oceliach vystavených pôsobeniu horúcich chloridov.

Najčastejšie špecifikované kovacie materiály pre ANSI zvarové hrdlové príruby a ich typické aplikačné obálky sú:

• ASTM A105 (uhlíková oceľ): Štandardný materiál pre všeobecné priemyselné použitie od -29 °C do 425 °C (-20 °F až 800 °F). Nie je vhodný na dlhodobé vystavenie nad 425 °C v dôsledku grafitizácie alebo na teploty pod nulou pod teplotou prechodu z ťažného na krehký bez rázovej skúšky. Používa sa na paru, vodu, olej a nekorozívne uhľovodíkové služby. Toto je najbežnejší a najhospodárnejší materiál kovaných prírub, ktorý predstavuje väčšinu inštalovaných prírub navarových hrdel v nekorozívnom prevádzke.
• ASTM A350 LF2 (nízkoteplotná uhlíková oceľ): Uhlíková oceľ s kontrolovanou chémiou a jemnou zrnitosťou, Charpy testovaná pri teplote -46°C (-50°F). Používa sa pre potrubné systémy pracujúce v chladnom podnebí a pri manipulácii so skvapalneným plynom, kde by A105 hrozilo krehkým lomom. Čelo príruby je typicky vybavené zvýšeným čelom alebo prstencovým spojom podľa špecifikácie.
• ASTM A182 F304/F304L a F316/F316L (austenitická nehrdzavejúca oceľ): Štandardné materiály pre korozívne chemické služby, spracovanie potravín a farmaceutické aplikácie. Druhy "L" (nízky obsah uhlíka, maximálne 0,03 % uhlíka) sú určené pre zvárané výrobky a pre prevádzku nad 425 °C, kde sú nestabilizované druhy náchylné na senzibilizáciu a medzikryštalickú koróziu. F316/F316L s prídavkom molybdénu 2-3% poskytuje lepšiu odolnosť proti bodovej korózii v prostrediach s obsahom chloridov v porovnaní s F304.
• ASTM A182 F11 a F22 (chróm-molybdénová legovaná oceľ): Ťažné materiály pre vysokoteplotnú prevádzku v rafinériách a elektrárňach s 1,25 % Cr-0,5 % Mo (F11) a 2,25 % Cr-1 % Mo (F22). Tieto materiály si zachovávajú svoju pevnosť v ťahu pri teplotách až do 600 °C (1100 °F) a odolávajú pôsobeniu vodíka vo vysokoteplotnej prevádzke vodíka, keď sa používajú v rámci Nelsonových kriviek pre konkrétny druh zliatiny. Príruby v jednotke na hydrospracovanie rafinérie pracujúcej pri 450 °C s vysokým parciálnym tlakom vodíka sú typicky výkovky F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (duplexná a super duplexná nehrdzavejúca oceľ): Používa sa pri ťažbe ropy a zemného plynu na mori, pri manipulácii s morskou vodou a pri chemických procesoch, kde sa vyžaduje kombinácia vysokej pevnosti a výnimočnej odolnosti voči chloridom. F53 (super duplex, 25 % Cr) má PREN (ekvivalentné číslo odolnosti proti pittingu) nad 40, čo poskytuje odolnosť voči štrbinovej korózii morskou vodou pri okolitých teplotách.

Typy čela prírub a výber tesnení

Obloženie príruby – geometria tesniacej plochy na čele príruby – sa vyberá na základe tlakovej triedy, charakteristík kvapaliny a typu tesnenia. Štandard ANSI definuje niekoľko typov obkladov, z ktorých každý má špecifickú aplikačnú doménu. Najbežnejšie povrchy na zvarových hrdlových prírubách sú:

Zvýšená tvár (RF)

Štandardné obloženie pre príruby triedy 150 a 300, pozostávajúce približne z vyvýšenej plató Výška 1,6 mm (1/16 palca) pre triedu 150 a 300 a 6,4 mm (1/4 palca) na výšku pre triedu 400 a vyššie. Zvýšená plocha koncentruje zaťaženie skrutky na menšiu plochu tesnenia, čím sa zvyšuje kontaktný tlak a zlepšuje sa tesnenie. Povrchová úprava vyvýšeného líca je špecifikovaná normou ako a zúbkovaný koncentrický alebo špirálový drážkový vzor s drsnosťou povrchu 3,2 až 6,3 um Ra (125 až 250 mikropalcov AA). Tento zúbkovaný povrch sa zahryzne do mäkkého tesniaceho materiálu a bráni jeho vytlačeniu z prírubového spoja pod tlakom.

Kĺb krúžkového typu (RTJ)

Štandardné obloženie pre vysokotlakové príruby od triedy 600 do triedy 2500 v kritickej prevádzke. Čelo príruby má presne opracovanú drážku, do ktorej je možné vložiť pevné kovové prstencové tesnenie – zvyčajne oválne alebo osemhranné v priereze – vyrobené z materiálu, ktorý je mäkší ako materiál príruby. Pri dotiahnutí skrutiek sa prstencové tesnenie plasticky deformuje do drážky, čím sa vytvorí a tesnenie kov na kov, ktoré je schopné udržať tlaky presahujúce 10 000 psi a teploty nad 500 °C . Tesnenie RTJ je jediným typom tesnenia akceptovaným pre vysokotlakovú paru, napájaciu vodu kotla a uhľovodíkové služby, kde by prasknutie tesnenia malo katastrofálne následky. Štandardnými materiálmi krúžkových tesnení sú mäkké železo (pre príruby z uhlíkovej ocele), nehrdzavejúca oceľ 304 alebo 316 a rôzne zliatiny niklu pre korozívne a vysokoteplotné služby.

Plochá tvár (FF)

Používa sa predovšetkým pre liatinové príruby triedy 125 a na pripojenia k tryskám zariadení s plochým čelom, kde by sa zvýšená príruba ohýbala a praskla protiľahlú liatinovú prírubu pri uťahovaní skrutiek. Celoplošné tesnenie, siahajúce až po kružnicu skrutiek, sa používa s plochými čelnými prírubami na rovnomerné rozloženie zaťaženia skrutky po celej čelnej ploche.

Postup zvárania na tupo a regulácia tepelne ovplyvnených zón

Inštalácia zvarovej príruby na potrubie vyžaduje a plný penetračný tupý zvar s jednou V drážkou ktorá spája opracované skosenie na konci prírubového náboja s príslušným skosením na konci rúry. Zvar sa zvyčajne vykonáva pomocou procesu zvárania plynovým volfrámovým oblúkom (GTAW) pre koreňový prechod, aby sa zabezpečila úplná penetrácia a čistý povrch koreňa bez oxidov, po ktorom nasleduje oblúkové zváranie v tienidle (SMAW) alebo oblúkové zváranie tavivom (FCAW) pre výplňový a uzáverový priechod. Špecifikácia postupu zvárania (WPS) musí byť kvalifikovaná podľa ASME oddiel IX a zvárač musí byť kvalifikovaný pre špecifický materiál, hrúbku a polohu.

Kritickým aspektom zvárania pre zvarové hrdlové príruby je ovládanie tepelne ovplyvnenej zóny (HAZ) v náboji príruby . Náboj príruby v blízkosti zvaru je vystavený zložitému tepelnému cyklu, ktorý môže zmeniť jeho mikroštruktúru, vyvolať zvyškové napätia a v prípade niektorých legovaných ocelí vytvoriť tvrdú, krehkú martenzitickú zónu, ak je rýchlosť chladenia príliš vysoká. Pre oceľové príruby z chróm-molybdénovej zliatiny (ASTM A182 F11, F22), predhriatie na 200 °C až 300 °C (400 °F až 575 °F) je povinné pred zváraním, aby sa spomalila rýchlosť ochladzovania a zabránilo sa tvorbe martenzitu, a tepelné spracovanie po zváraní (PWHT) pri 675 °C až 730 °C (1250 °F až 1350 °F) počas jednej hodiny na 25 mm hrúbky zvaru je potrebné na temperovanie HAZ, uvoľnenie zvyškových napätí a obnovenie lomovej húževnatosti materiálu. PWHT zostavy zváranej príruby a potrubia sa vykonáva na dokončenom zvare a tvrdosť HAZ sa overuje prenosným testovaním tvrdosti podľa ASTM E110, aby sa potvrdilo, že tvrdosť je pod špecifikovaným maximom – zvyčajne 225 HBW pre č. 4 a P-č. 5A legované ocele v rafinérskych službách.

Inšpekcia, testovanie a dokumentácia kvality

Zváracia príruba vyrobená podľa normy ANSI sa dodáva so súborom povinných a voliteľných dokumentov kvality, ktoré overujú jej súlad s materiálovými a rozmerovými špecifikáciami. The Správa o teste materiálu (MTR) alebo certifikát mlyna je primárnym dokumentom, ktorý osvedčuje tepelné číslo výkovku, jeho chemické zloženie, jeho pevnosť v ťahu, medzu klzu, predĺženie a zmenšenie plochy zo skúšky ťahom a jeho tvrdosť. Pre príruby z nízkoteplotnej uhlíkovej ocele (A350 LF2) MTR zahŕňa aj výsledky Charpyho V-zárezovej rázovej skúšky pri špecifikovanej skúšobnej teplote. Pre príruby z nehrdzavejúcej ocele zahŕňa MTR výsledky testu medzikryštalickej korózie, ak je to špecifikované. MTR musí byť vysledovateľné k prírube podľa tepelného čísla, ktoré je vyrazené na obvode príruby spolu s triedou materiálu, tlakovou triedou, menovitým rozmerom potrubia a identifikačnou značkou výrobcu podľa požiadaviek na označovanie ASME B16.5.

Nedeštruktívne preskúmanie hotovej príruby zahŕňa vizuálna kontrola opracovaných plôch, lícovania a zvaru pre presahy, švy, trhliny a iné povrchové diskontinuity podľa MSS SP-55. Pre príruby pre kritickú prevádzku je špecifikovaná dodatočná NDE: skúška penetráciou kvapaliny (PT) alebo skúška magnetických častíc (MT) čela príruby, prechodu medzi nábojom a zvarom a skosenia zvaru podľa ASME B16.5 odsek 8.3; a ultrazvukové vyšetrenie (UT) celého objemu výkovku podľa ASTM A388 alebo príslušnej špecifikácie kovania ASTM na zistenie vnútorných defektov, ako sú inklúzie, dutiny alebo laminácie. Kritériá prijatia pre tieto skúšky sú definované platnou normou ASTM pre kovanie a dodatočnými požiadavkami kupujúceho.

Uťahovací moment skrutiek, kompresia tesnení a zostava bez úniku

Vyžaduje si montáž ANSI zvarového hrdla prírubového spoja kontrolované uťahovanie skrutiek na stanovený krútiaci moment alebo napätie skrutiek na dosiahnutie stlačenia tesnenia potrebného na utesnenie bez úniku bez nadmerného namáhania príruby, skrutiek alebo tesnenia. Skrutky sa uťahujú v krížovom slede – tiež nazývanom hviezdicový vzor – najmenej v troch prechodoch so zvyšujúcim sa krútiacim momentom: 30 %, 60 % a 100 % cieľového krútiaceho momentu. Toto progresívne uťahovanie zaisťuje rovnomerné stlačenie tesnenia a zabraňuje natiahnutiu príruby, čo by vytvorilo klinovitú medzeru, ktorú tesnenie nedokáže vyplniť.

Cieľový krútiaci moment skrutky sa vypočíta z namáhania tesnenia, kontaktnej plochy tesnenia, medze klzu materiálu skrutky a koeficientu trenia závitov skrutky a povrchu ložiska matice. Cieľové napätie skrutky je zvyčajne 40 % až 70 % medze klzu materiálu skrutky pre štandardné tesnenia, pričom spodná časť radu sa používa pre mäkké tesnenia, ako je stlačené vlákno alebo PTFE, a horná hranica pre kovové a špirálovo vinuté tesnenia. Mazanie závitov skrutiek a dosadacích plôch matíc vysokotlakovou zmesou proti zadieraniu je nevyhnutné na dosiahnutie konzistentného vzťahu medzi krútiacim momentom a napätím skrutiek; nemazané závity môžu spotrebovať 50 % alebo viac použitého krútiaceho momentu pri trení, čo má za následok predpätie skrutky, ktoré je výrazne nižšie ako vypočítaná hodnota. Pre kritické prírubové spoje v procesnom potrubí ASME B31.3 je postup uťahovania skrutiek zdokumentovanou súčasťou procesu zabezpečenia kvality a hodnoty krútiaceho momentu skrutiek sú zaznamenané v správe o integrite prírubového spoja.