ANSI standardní kované příruby se svařovacím hrdlem: Specifikace a aplikace

An Kovaná příruba se standardním svarovým hrdlem ANSI je preferovanou volbou pro náročné potrubní aplikace, protože jeho kuželový náboj zajišťuje hladký přechod napětí z čela příruby na stěnu trubky, čímž se eliminuje náhlá diskontinuita, která způsobuje turbulence a únavové selhání u jiných typů přírub . Příruba je připevněna k trubce pomocí tupého svaru s plným průvarem na konci náboje, čímž se vytvoří spoj, který je stejně pevný jako samotná trubka a může být rentgenologicky kontrolován pro ověření integrity svaru. Tato konstrukční vlastnost v kombinaci s orientací toku zrna dosaženou procesem kování dělá z příruby svarového hrdla jediný typ příruby univerzálně akceptovaný pro kritické vysokotlaké, vysokoteplotní a cyklické zatěžovací služby v ropném, petrochemickém a energetickém průmyslu. Při specifikaci podle normy ANSI – nejčastěji ASME B16.5 pro trubky o velikosti do 24 palců a ASME B16.47 pro větší průměry – jsou rozměry přírub, jmenovité hodnoty tlaku a teploty a požadavky na materiál plně standardizovány, což zajišťuje zaměnitelnost s ventily, armaturami a vybavením od jakéhokoli výrobce na celém světě.

Výhoda kování: Proč záleží na toku zrna

Proces kování zásadně mění vnitřní strukturu oceli způsobem, který nelze napodobit litím nebo obráběním z plechu. Kovaná příruba začíná jako ocelový předvalek – litý ingot nebo kontinuálně litý blok, který byl zpracován za tepla, aby se uzavřela vnitřní pórovitost – a je tvarován pod nesmírnou tlakovou silou mezi kovacími zápustkami. Tato deformace prodlužuje nekovové vměstky a hranice zrn ve směru toku kovu a vytváří kontinuální vzor toku zrna, který sleduje obrys příruby . Zarovnaná struktura zrna odolává šíření trhlin kolmo k aplikovanému napětí, což dává kované přírubě vynikající odolnost proti únavě a rázovou houževnatost ve srovnání s přírubou odlévanou nebo řezanou plechem, kde je orientace zrna náhodná nebo kolmá ke směru primárního napětí.

Speciálně pro přírubu svařovacího hrdla je proces kování navržen tak, že linie toku zrna probíhají nepřetržitě od čela příruby nahoru přes kuželový náboj a do svarové úkosy. To znamená, že když je příruba přivařena na tupo k trubce, proud zrna v přírubě a v trubce se vyrovná, čímž vznikne metalurgicky homogenní spoj . Absence slabé mezní vrstvy – charakteristika litých struktur, kde se povrchová chladící zóna setkává se sloupcovou zrnitostí – znamená, že neexistuje žádná preferenční cesta k porušení. Pro kritické služby, jako je obsluha vodíku, zpracování kyselého plynu nebo vysokoteplotní pára, je tato kontinuální struktura zrna nezbytná, aby se zabránilo křehnutí a praskání, které může iniciovat mikrostrukturální diskontinuity.

Systém tlakové třídy a rozměrů ANSI / ASME B16.5

Norma ANSI, která řídí svařovací hrdlové příruby – nyní publikovaná společností ASME as ASME B16.5 —organizuje příruby do tlakových tříd, které definují maximální přípustný pracovní tlak při dané teplotě pro daný materiál. Standardní tlakové třídy pro přivařovací hrdlové příruby jsou 150, 300, 400, 600, 900, 1500 a 2500. Číslo třídy není pracovní tlak v psi; je to označení, které koreluje s tabulkou tlak-teplota. Příruba třídy 300 z uhlíkové oceli (ASTM A105) má při okolní teplotě limit pracovního tlaku přibližně 740 psi (51 barů) , zatímco stejná příruba při 400 °C (750 °F) je snížena na přibližně 635 psi (44 bar). Na extrémním konci může příruba třídy 2500 z legované oceli odolat tlaku přesahujícímu 6 000 psi při teplotě okolí.

Rozměrové charakteristiky, které odlišují jednotlivé tlakové třídy, jsou tloušťka příruby, průměr náboje na základně, průměr kruhu šroubu a počet a velikost otvorů pro šrouby . S rostoucí tlakovou třídou se tyto rozměry zvětšují, aby zvládly větší mechanické zatížení, i když jmenovitá velikost potrubí zůstává stejná. Níže uvedená tabulka ukazuje, jak se klíčové rozměry měří s třídou tlaku pro běžnou 4palcovou (DN 100) přivařovací přírubu s hrdlem.

Vývrt příruby svařovacího hrdla je obroben tak, aby odpovídal jmenovitá tloušťka stěny trubky spojovacího potrubí. To znamená, že pro danou jmenovitou velikost potrubí jsou k dispozici příruby s různými průměry vrtání, které odpovídají standardnímu, extra silnému (XS) a dvojitému extra silnému (XXS) potrubí. Tolerance díry je specifikována v normě a úkos svaru na konci náboje je obroben do úhlu 37,5 stupně s čelní plochou přibližně 1,6 mm podle ASME B16.25, aby se vytvořila standardní V-drážka pro tupý svarový spoj.

Druhy materiálů a jejich teplotně-tlaková obálka

Materiál, ze kterého je vykována příruba svarového hrdla, určuje teplotní a tlakové limity hotové součásti a její odolnost vůči specifickým korozním mechanismům. ASME B16.5 odkazuje na materiálové specifikace ASTM a tabulky hodnot tlaku a teploty jsou uspořádány podle skupin materiálů. Výběr materiálu je rozhodnutím na základě návrhovou teplotu, návrhový tlak, chemii kapaliny a potenciál pro mechanismy praskání v prostředí jako je praskání sulfidovým namáháním v kyselém provozu nebo korozní praskání chloridy v austenitických nerezových ocelích vystavených působení horkých chloridů.

Nejčastěji specifikované kovací materiály pro ANSI přivařovací příruby a jejich typické aplikační obálky jsou:

• ASTM A105 (uhlíková ocel): Standardní materiál pro všeobecné průmyslové použití od -29 °C do 425 °C (-20 °F až 800 °F). Není vhodné pro dlouhodobé vystavení teplotám nad 425 °C kvůli grafitizaci nebo pro teploty pod nulou pod teplotou přechodu z tvárnosti ke křehkosti bez rázové zkoušky. Používá se pro páru, vodu, olej a nekorozivní uhlovodíky. Jedná se o nejběžnější a nejekonomičtější materiál kované příruby, který představuje většinu instalovaných přírub s přivařovacím hrdlem v nekorozivním provozu.
• ASTM A350 LF2 (nízkoteplotní uhlíková ocel): Uhlíková ocel s řízenou chemií a jemnozrnnou praxí, rázová houževnatost Charpy při -46°C (-50°F). Používá se pro potrubní systémy pracující v chladném klimatu a při manipulaci se zkapalněným plynem, kde by A105 hrozilo křehkým lomem. Čelo příruby je typicky opatřeno zvýšeným čelem nebo obložením prstencového spoje podle specifikace.
• ASTM A182 F304/F304L a F316/F316L (austenitická nerezová ocel): Standardní materiály pro korozní chemické provozy, zpracování potravin a farmaceutické aplikace. Třídy "L" (nízkouhlíkové, maximálně 0,03 % uhlíku) jsou určeny pro svařované výrobky a pro provoz nad 425 °C, kde jsou nestabilizované druhy náchylné k senzibilizaci a mezikrystalové korozi. F316/F316L s přídavkem molybdenu 2-3% poskytuje zlepšenou odolnost proti důlkové korozi v prostředích obsahujících chloridy ve srovnání s F304.
• ASTM A182 F11 a F22 (chrom-molybdenová legovaná ocel): Tažné materiály pro vysokoteplotní provoz v rafinériích a elektrárnách s jakostí 1,25 % Cr-0,5 % Mo (F11) a 2,25 % Cr-1 % Mo (F22). Tyto materiály si zachovávají svou pevnost v tahu při teplotách až 600 °C (1100 °F) a odolávají působení vodíku ve vysokoteplotním provozu vodíku, jsou-li použity v rámci Nelsonových křivek pro konkrétní druh slitiny. Příruby v rafinérské hydrozpracovací jednotce pracující při 450 °C s vysokým parciálním tlakem vodíku jsou typicky výkovky F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (duplexní a super duplexní nerezová ocel): Používá se v prostředí těžby ropy a zemního plynu, mořské vody a chemických procesů, kde je vyžadována kombinace vysoké pevnosti a výjimečné odolnosti proti důlkové korozi. F53 (super duplex, 25 % Cr) má PREN (ekvivalentní číslo odolnosti proti důlkové korozi) vyšší než 40, což zajišťuje odolnost vůči štěrbinové korozi mořské vody při okolních teplotách.

Typy čel přírub a výběr těsnění

Obložení příruby – geometrie těsnící plochy na čele příruby – se volí na základě tlakové třídy, charakteristik kapaliny a typu těsnění. Standard ANSI definuje několik typů obkladů, z nichž každý má specifickou aplikační doménu. Nejběžnější povrchy na přírubách svařovacího hrdla jsou:

Zvednutý obličej (RF)

Standardní obložení pro příruby třídy 150 a 300, sestávající přibližně z vyvýšeného plató Výška 1,6 mm (1/16 palce) pro třídu 150 a 300 a 6,4 mm (1/4 palce) na výšku pro třídu 400 a vyšší. Zvýšená plocha koncentruje zatížení šroubu na menší plochu těsnění, zvyšuje kontaktní tlak a zlepšuje těsnění. Povrchová úprava zvýšeného líce je normou specifikována jako a vroubkovaný soustředný nebo spirálový vzor drážky s drsností povrchu 3,2 až 6,3 um Ra (125 až 250 mikropalců AA). Tento vroubkovaný povrch se zakousne do měkkého materiálu těsnění a zabrání jeho vytlačení z přírubového spoje pod tlakem.

Kloub prstencového typu (RTJ)

Standardní obložení pro vysokotlaké příruby od třídy 600 do třídy 2500 v kritickém provozu. Čelo příruby má přesně obrobenou drážku, která přijímá pevné kovové kroužkové těsnění – obvykle oválného nebo osmihranného průřezu – vyrobené z materiálu, který je měkčí než materiál příruby. Při dotažení šroubů se kroužkové těsnění plasticky deformuje do drážky, čímž vznikne a těsnění kov na kov, které je schopné udržet tlaky přesahující 10 000 psi a teploty nad 500 °C . Těsnění RTJ je jediným typem těsnění akceptovaným pro vysokotlakou páru, napájecí vodu kotle a uhlovodíky, kde by prasknutí těsnění mělo katastrofální následky. Standardní materiály těsnění kroužků jsou měkké železo (pro příruby z uhlíkové oceli), nerezová ocel 304 nebo 316 a různé slitiny niklu pro korozivní a vysokoteplotní provozy.

Plochý obličej (FF)

Používá se především pro litinové příruby třídy 125 a pro připojení k tryskám zařízení s plochým čelem, kde by příruba s vyvýšeným čelem ohnula a popraskala protilehlou litinovou přírubu při utahování šroubů. Celoplošné těsnění, zasahující až ke kružnici šroubu, se používá s plochými čelními přírubami pro rovnoměrné rozložení zatížení šroubu po celé ploše čela.

Postup svařování na tupo a ovládání tepelně ovlivněných zón

Instalace přivařovací hrdlové příruby na trubku vyžaduje a plný průvar, tupý svar s jednou V drážkou který spojuje obrobený úkos na konci náboje příruby s odpovídajícím úkosem na konci trubky. Svar se typicky provádí pomocí procesu svařování plynovým wolframovým obloukem (GTAW) pro kořenový průchod, aby se zajistilo úplné proniknutí a čistý povrch kořene bez oxidů, následuje obloukové svařování v ochranném obalu (SMAW) nebo obloukové svařování s tavidlem (FCAW) pro výplňový a uzávěrový průchod. Specifikace postupu svařování (WPS) musí být kvalifikována podle ASME sekce IX a svářeč musí být kvalifikovaný pro konkrétní materiál, tloušťku a polohu.

Kritickým aspektem svařování u přírub svarových hrdel je ovládání tepelně ovlivněné zóny (HAZ) v náboji příruby . Náboj příruby v blízkosti svaru je vystaven složitému tepelnému cyklu, který může změnit jeho mikrostrukturu, vyvolat zbytková napětí a u některých legovaných ocelí vytvořit tvrdou, křehkou martenzitickou zónu, pokud je rychlost ochlazování příliš vysoká. Pro ocelové příruby z chrom-molybdenové slitiny (ASTM A182 F11, F22), předehřátí na 200 °C až 300 °C (400 °F až 575 °F) je povinné před svařováním, aby se zpomalila rychlost ochlazování a zabránilo se tvorbě martenzitu, a tepelné zpracování po svařování (PWHT) při 675 °C až 730 °C (1250 °F až 1350 °F) po dobu jedné hodiny na 25 mm tloušťky svaru je nutné pro temperování HAZ, zmírnění zbytkových napětí a obnovení lomové houževnatosti materiálu. PWHT svařované sestavy příruba-trubka se provádí na dokončeném svaru a tvrdost HAZ se ověřuje přenosným testováním tvrdosti podle ASTM E110, aby se potvrdilo, že tvrdost je pod specifikovaným maximem – obvykle 225 HBW pro č. P. 4 a P-No. 5A legované oceli v rafinérském provozu.

Dokumentace inspekce, testování a kvality

Příruba s přivařovacím hrdlem vyrobená podle normy ANSI je dodávána se sadou povinných a volitelných dokumentů kvality, které ověřují její shodu s materiálovými a rozměrovými specifikacemi. The Zpráva o zkoušce materiálu (MTR) nebo válcovací certifikát je primární dokument, potvrzující tepelné číslo výkovku, jeho chemické složení, jeho pevnost v tahu, mez kluzu, tažnost a zmenšení plochy ze zkoušky tahem a jeho tvrdost. Pro příruby z nízkoteplotní uhlíkové oceli (A350 LF2) zahrnuje MTR také výsledky Charpyho V-vrubové rázové zkoušky při specifikované zkušební teplotě. U přírub z nerezové oceli zahrnuje MTR výsledky testu mezikrystalové koroze, pokud je to specifikováno. MTR musí být dohledatelné k přírubě tepelným číslem, které je vyraženo na obvodu příruby spolu se třídou materiálu, tlakovou třídou, jmenovitou velikostí potrubí a identifikační značkou výrobce podle požadavků na značení ASME B16.5.

Nedestruktivní zkouška hotové příruby zahrnuje vizuální kontrola obrobených ploch, lícování a svaru pro překrytí, švy, praskliny a další povrchové nespojitosti podle MSS SP-55. Pro příruby pro kritický provoz je specifikována další NDE: zkouška pronikáním kapaliny (PT) nebo zkouška magnetickými částicemi (MT) čela příruby, přechodu mezi nábojem a svarem a úkosu podle ASME B16.5, odstavec 8.3; a ultrazvukové vyšetření (UT) celého objemu výkovku podle ASTM A388 nebo příslušné specifikace ASTM kování pro detekci vnitřních defektů, jako jsou vměstky, dutiny nebo laminace. Kritéria přijatelnosti pro tyto zkoušky jsou definovány příslušnou normou ASTM pro kování a doplňkovými požadavky kupujícího.

Utahovací moment šroubů, komprese těsnění a sestava bez úniku

Vyžaduje montáž ANSI svarového přírubového spoje řízené utahování šroubů na stanovený moment nebo napětí šroubu pro dosažení komprese těsnění nutné pro těsnění bez úniku bez nadměrného namáhání příruby, šroubů nebo těsnění. Šrouby jsou utahovány v křížovém vzoru – také nazývaném hvězdicový vzor – alespoň ve třech průchodech rostoucího krouticího momentu: 30 %, 60 % a 100 % cílového krouticího momentu. Toto postupné utahování zajišťuje rovnoměrné stlačení těsnění a zabraňuje natažení příruby, což by vytvořilo klínovitou mezeru, kterou těsnění nemůže vyplnit.

Cílový krouticí moment šroubu se vypočítá z napětí v sedle těsnění, kontaktní plochy těsnění, meze kluzu materiálu šroubu a koeficientu tření závitů šroubu a dosedací plochy matice. Cílové napětí šroubu je obvykle 40 % až 70 % meze kluzu materiálu šroubu pro standardní těsnění, přičemž spodní část řady se používá pro měkká těsnění, jako je stlačené vlákno nebo PTFE, a horní část pro kovová a spirálově vinutá těsnění. Mazání závitů šroubů a dosedacích ploch matic vysokotlakou směsí proti zadření je nezbytné pro dosažení konzistentního vztahu mezi kroutícím momentem a napětím šroubu; nemazané závity mohou spotřebovat 50 % nebo více aplikovaného točivého momentu při tření, což má za následek předpětí šroubu, které je výrazně nižší než vypočítaná hodnota. U kritických přírubových spojů v procesním potrubí ASME B31.3 je postup utahování šroubů zdokumentovanou součástí procesu zajištění kvality a hodnoty točivého momentu šroubu jsou zaznamenány ve zprávě o integritě přírubového spoje.