Mặt bích rèn cổ hàn tiêu chuẩn ANSI: Thông số kỹ thuật & ứng dụng

Một Mặt bích rèn cổ hàn tiêu chuẩn ANSI là sự lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng đường ống đòi hỏi khắt khe vì nó Trục côn cung cấp sự chuyển đổi ứng suất trơn tru từ mặt mặt bích sang thành ống, loại bỏ sự gián đoạn đột ngột gây ra nhiễu loạn và hư hỏng do mỏi ở các loại mặt bích khác . Mặt bích được gắn vào đường ống bằng mối hàn giáp mép xuyên thấu hoàn toàn ở đầu trục, tạo ra mối nối chắc chắn như chính đường ống và có thể được kiểm tra bằng tia X để xác minh tính toàn vẹn của mối hàn. Đặc điểm thiết kế này, kết hợp với định hướng dòng hạt đạt được thông qua quá trình rèn, làm cho mặt bích cổ hàn trở thành loại mặt bích duy nhất được chấp nhận phổ biến cho các dịch vụ tải trọng tuần hoàn, nhiệt độ cao và áp suất cao quan trọng trong ngành dầu khí, hóa dầu và sản xuất điện. Khi được chỉ định theo tiêu chuẩn ANSI—phổ biến nhất là ASME B16.5 cho kích thước ống lên tới 24 inch và ASME B16.47 cho đường kính lớn hơn—kích thước mặt bích, xếp hạng áp suất-nhiệt độ và yêu cầu vật liệu đều được chuẩn hóa đầy đủ, đảm bảo khả năng thay thế lẫn nhau với van, phụ kiện và thiết bị từ bất kỳ nhà sản xuất nào trên toàn thế giới.

Lợi thế rèn: Tại sao dòng chảy hạt lại quan trọng

Quá trình rèn về cơ bản làm thay đổi cấu trúc bên trong của thép theo cách mà việc đúc hoặc gia công từ tấm không thể tái tạo được. Mặt bích rèn bắt đầu như một phôi thép — một phôi đúc hoặc một khối đúc liên tục đã được gia công nóng để đóng độ xốp bên trong — và được tạo hình dưới lực nén cực lớn giữa các khuôn rèn. Biến dạng này kéo dài các tạp chất phi kim loại và ranh giới hạt theo hướng dòng kim loại, tạo ra một mô hình dòng hạt liên tục theo đường viền của mặt bích . Cấu trúc hạt thẳng hàng chống lại sự lan truyền vết nứt vuông góc với ứng suất tác dụng, giúp mặt bích rèn có khả năng chống mỏi và độ bền va đập vượt trội so với mặt bích đúc hoặc cắt tấm trong đó hướng hạt là ngẫu nhiên hoặc vuông góc với hướng ứng suất chính.

Đặc biệt đối với mặt bích cổ hàn, quy trình rèn được thiết kế sao cho các đường dòng hạt chạy liên tục từ mặt bích hướng lên trên qua trục côn và vào góc xiên của mối hàn. Điều này có nghĩa là khi mặt bích được hàn giáp mép với ống, dòng hạt trong mặt bích và trong ống thẳng hàng, tạo ra một khớp đồng nhất về mặt luyện kim . Sự vắng mặt của lớp ranh giới yếu—một đặc điểm của cấu trúc đúc nơi vùng lạnh bề mặt gặp vùng hạt dạng cột—có nghĩa là không có đường phá hủy ưu tiên. Đối với các dịch vụ quan trọng như dịch vụ hydro, xử lý khí chua hoặc hơi nước ở nhiệt độ cao, cấu trúc hạt liên tục này là cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng giòn và nứt có thể bắt đầu khi có sự gián đoạn về cấu trúc vi mô.

Hệ thống kích thước và cấp áp suất ANSI / ASME B16.5

Tiêu chuẩn ANSI quản lý mặt bích cổ hàn—hiện được ASME công bố là ASME B16.5 —tổ chức các mặt bích thành các lớp áp suất xác định áp suất làm việc tối đa cho phép ở nhiệt độ nhất định đối với vật liệu nhất định. Các cấp áp suất tiêu chuẩn cho mặt bích cổ hàn là 150, 300, 400, 600, 900, 1500 và 2500. Số cấp này không phải là áp suất làm việc tính bằng psi; nó là một chỉ định tương quan với bảng đánh giá nhiệt độ áp suất. Mặt bích Loại 300 bằng thép cacbon (ASTM A105) ở nhiệt độ môi trường xung quanh có giới hạn áp suất làm việc xấp xỉ 740 psi (51 thanh) , trong khi cùng một mặt bích ở 400°C (750°F) được giảm áp suất xuống khoảng 635 psi (44 bar). Ở mức cao nhất, mặt bích Loại 2500 bằng thép hợp kim có thể chịu được áp suất vượt quá 6.000 psi ở nhiệt độ môi trường.

Các đặc điểm kích thước để phân biệt từng loại áp suất là độ dày mặt bích, đường kính trục ở đế, đường kính vòng tròn bu lông, số lượng và kích thước của các lỗ bu lông . Khi cấp áp suất tăng lên, các kích thước này cũng tăng lên để xử lý tải trọng cơ học lớn hơn, mặc dù kích thước ống danh nghĩa vẫn giữ nguyên. Bảng dưới đây minh họa cách chia tỷ lệ kích thước chính với cấp áp suất cho mặt bích cổ hàn 4 inch (DN 100) thông thường.

Lỗ của mặt bích cổ hàn được gia công để phù hợp với độ dày thành ống danh nghĩa của ống nối. Điều này có nghĩa là đối với một kích thước ống danh nghĩa nhất định, các mặt bích có đường kính lỗ khoan khác nhau có sẵn để phù hợp với danh mục ống tiêu chuẩn, siêu bền (XS) và siêu bền gấp đôi (XXS). Dung sai lỗ khoan được quy định trong tiêu chuẩn và góc xiên mối hàn ở đầu trục được gia công thành góc 37,5 độ với mặt gốc khoảng 1,6 mm, theo ASME B16.25, để tạo rãnh chữ V tiêu chuẩn cho mối hàn đối đầu.

Các loại vật liệu và phong bì nhiệt độ-áp suất của chúng

Vật liệu mà mặt bích cổ hàn được rèn sẽ xác định giới hạn nhiệt độ và áp suất của thành phần đã hoàn thiện và khả năng chống lại các cơ chế ăn mòn cụ thể của nó. ASME B16.5 tham khảo các thông số kỹ thuật của vật liệu ASTM và các bảng xếp hạng nhiệt độ-áp suất được sắp xếp theo nhóm vật liệu. Việc lựa chọn vật liệu là một quyết định dựa trên nhiệt độ thiết kế, áp suất thiết kế, tính chất hóa học của chất lỏng và khả năng xảy ra các cơ chế nứt môi trường chẳng hạn như nứt ứng suất sunfua trong dịch vụ chua hoặc nứt do ăn mòn ứng suất clorua trong thép không gỉ austenit tiếp xúc với clorua nóng.

Các vật liệu rèn được chỉ định phổ biến nhất cho mặt bích cổ hàn ANSI và các ứng dụng điển hình của chúng là:

• ASTM A105 (Thép cacbon): Vật liệu tiêu chuẩn cho dịch vụ công nghiệp nói chung từ -29°C đến 425°C (-20°F đến 800°F). Không thích hợp để tiếp xúc kéo dài ở nhiệt độ trên 425°C do quá trình than chì hóa hoặc ở nhiệt độ dưới 0 dưới nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn mà không thử va đập. Được sử dụng cho các dịch vụ hơi nước, nước, dầu và hydrocarbon không ăn mòn. Đây là vật liệu mặt bích rèn phổ biến và kinh tế nhất, đại diện cho phần lớn các mặt bích cổ hàn được lắp đặt trong dịch vụ không ăn mòn.
• ASTM A350 LF2 (Thép cacbon nhiệt độ thấp): Một loại thép carbon được kiểm soát hóa học và thực hành hạt mịn, tác động Charpy được thử nghiệm ở -46°C (-50°F). Được sử dụng cho các hệ thống đường ống hoạt động ở vùng khí hậu lạnh và xử lý khí hóa lỏng nơi A105 có nguy cơ bị gãy giòn. Mặt bích thường được trang bị mặt nâng lên hoặc mặt khớp kiểu vòng theo thông số kỹ thuật.
• ASTM A182 F304/F304L và F316/F316L (Thép không gỉ Austenitic): Các vật liệu tiêu chuẩn cho các ứng dụng hóa chất ăn mòn, chế biến thực phẩm và dược phẩm. Các loại "L" (cacbon thấp, tối đa 0,03% cacbon) được chỉ định cho các chế tạo hàn và cho dịch vụ ở nhiệt độ trên 425°C trong đó các loại không ổn định dễ bị nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt. F316/F316L, với lượng bổ sung molypden từ 2-3%, giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn rỗ trong môi trường chứa clorua so với F304.
• ASTM A182 F11 và F22 (Thép hợp kim Crom-Molypden): Vật liệu phù hợp cho dịch vụ nhiệt độ cao trong các nhà máy lọc dầu và nhà máy điện, với các loại 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) và 2,25% Cr-1% Mo (F22). Những vật liệu này duy trì độ bền kéo ở nhiệt độ lên tới 600°C (1100°F) và chống lại sự tấn công của hydro trong dịch vụ hydro ở nhiệt độ cao khi được sử dụng trong đường cong Nelson cho loại hợp kim cụ thể. Các mặt bích trong đơn vị xử lý hydro của nhà máy lọc dầu hoạt động ở 450°C với áp suất riêng phần hydro cao thường là vật rèn F22.
• ASTM A182 F51/F53 (Thép không gỉ song công và siêu song công): Được sử dụng trong môi trường dầu khí ngoài khơi, xử lý nước biển và xử lý hóa học, nơi cần có sự kết hợp giữa độ bền cao và khả năng chống rỗ clorua đặc biệt. F53 (siêu song công, 25% Cr) có PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) trên 40, mang lại khả năng chống ăn mòn kẽ hở nước biển ở nhiệt độ môi trường.

Các loại mặt bích và lựa chọn miếng đệm

Mặt bích—hình dạng của bề mặt bịt kín trên mặt mặt bích—được chọn dựa trên loại áp suất, đặc tính chất lỏng và loại đệm. Tiêu chuẩn ANSI xác định một số loại bề mặt, mỗi loại có một miền ứng dụng cụ thể. Các mặt phổ biến nhất trên mặt bích cổ hàn là:

Mặt nâng lên (RF)

Bề mặt tiêu chuẩn cho mặt bích Loại 150 và 300, bao gồm một cao nguyên được nâng lên khoảng Cao 1,6 mm (1/16 inch) cho Loại 150 và 300 và cao 6,4 mm (1/4 inch) đối với Loại 400 trở lên. Mặt nâng lên tập trung tải trọng của bu lông vào một vùng đệm nhỏ hơn, tăng áp lực tiếp xúc và cải thiện độ kín. Bề mặt hoàn thiện của mặt nâng được quy định theo tiêu chuẩn là mẫu rãnh răng cưa đồng tâm hoặc xoắn ốc với độ nhám bề mặt từ 3,2 đến 6,3 µm Ra (125 đến 250 microinch AA). Lớp hoàn thiện có răng cưa này ăn vào vật liệu đệm mềm và ngăn không cho nó bị đẩy ra khỏi khớp mặt bích dưới áp lực.

Khớp kiểu vòng (RTJ)

Bề mặt tiêu chuẩn cho mặt bích áp suất cao từ Loại 600 đến Loại 2500 trong dịch vụ quan trọng. Mặt bích có rãnh được gia công chính xác để tiếp nhận một vòng đệm kim loại rắn—thường có mặt cắt ngang hình bầu dục hoặc hình bát giác—được làm từ vật liệu mềm hơn vật liệu mặt bích. Khi các bu lông được siết chặt, vòng đệm bị biến dạng dẻo vào rãnh, tạo ra Vòng đệm kim loại với kim loại có khả năng chịu được áp suất vượt quá 10.000 psi và nhiệt độ vượt quá 500°C . Miếng đệm RTJ là loại miếng đệm duy nhất được chấp nhận cho các dịch vụ hơi nước, nồi hơi áp suất cao và hydrocarbon mà việc nổ miếng đệm sẽ gây ra hậu quả thảm khốc. Vật liệu đệm vòng tiêu chuẩn là sắt mềm (đối với mặt bích bằng thép carbon), thép không gỉ 304 hoặc 316 và các hợp kim niken khác nhau dành cho các dịch vụ ăn mòn và nhiệt độ cao.

Mặt phẳng (FF)

Được sử dụng chủ yếu cho mặt bích gang loại 125 và để kết nối với các đầu phun thiết bị có mặt phẳng trong đó mặt bích nhô lên sẽ uốn cong và làm nứt mặt bích bằng gang khi siết chặt các bu lông. Một miếng đệm toàn mặt, kéo dài đến vòng tròn bu lông, được sử dụng với mặt bích phẳng để phân bổ tải trọng bu lông đều trên toàn bộ diện tích mặt.

Quy trình hàn giáp mối và kiểm soát vùng chịu ảnh hưởng nhiệt

Việc lắp đặt mặt bích cổ hàn vào đường ống đòi hỏi phải có Mối hàn giáp mép rãnh chữ V đơn, xuyên thấu hoàn toàn nối góc xiên được gia công ở cuối trục mặt bích với góc xiên phù hợp trên đầu ống. Mối hàn thường được thực hiện bằng cách sử dụng quy trình hàn hồ quang vonfram khí (GTAW) cho đường hàn gốc để đảm bảo sự xuyên thấu hoàn toàn và bề mặt chân răng sạch, không chứa oxit, sau đó là hàn hồ quang kim loại được che chắn (SMAW) hoặc hàn hồ quang lõi thuốc trợ dung (FCAW) cho các đường hàn và nắp. Thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) phải đủ tiêu chuẩn theo ASME Phần IX và thợ hàn phải đủ tiêu chuẩn về vật liệu, độ dày và vị trí cụ thể.

Việc xem xét hàn quan trọng đối với mặt bích cổ hàn là kiểm soát vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong trung tâm mặt bích . Trung tâm mặt bích gần mối hàn phải chịu một chu trình nhiệt phức tạp có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của nó, gây ra ứng suất dư và đối với một số loại thép hợp kim nhất định, tạo ra vùng martensitic cứng, giòn nếu tốc độ làm nguội quá nhanh. Đối với mặt bích thép hợp kim crom-molypden (ASTM A182 F11, F22), bắt buộc phải làm nóng trước ở nhiệt độ 200°C đến 300°C (400°F đến 575°F) trước khi hàn để làm chậm tốc độ làm mát và ngăn ngừa sự hình thành martensite, đồng thời cần xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) ở 675°C đến 730°C (1250°F đến 1350°F) trong một giờ cho mỗi 25 mm độ dày mối hàn để tôi luyện HAZ, giảm ứng suất dư và khôi phục độ dẻo dai khi gãy của vật liệu. PWHT của cụm ống mặt bích hàn được thực hiện trên mối hàn đã hoàn thiện và độ cứng của HAZ được xác minh bằng thử nghiệm độ cứng di động theo tiêu chuẩn ASTM E110 để xác nhận rằng độ cứng dưới mức tối đa được chỉ định—thường là 225 HBW đối với P-No. 4 và P-Không. Thép hợp kim 5A phục vụ nhà máy lọc dầu.

Tài liệu kiểm tra, thử nghiệm và chất lượng

Mặt bích cổ hàn được sản xuất theo tiêu chuẩn ANSI được cung cấp một bộ tài liệu chất lượng bắt buộc và tùy chọn để xác minh sự tuân thủ của nó với các thông số kỹ thuật về vật liệu và kích thước. các Báo cáo thử nghiệm vật liệu (MTR) hoặc chứng chỉ nhà máy là tài liệu chính, chứng nhận nhiệt độ rèn, thành phần hóa học, độ bền kéo, cường độ năng suất, độ giãn dài và giảm diện tích từ thử nghiệm độ bền kéo và độ cứng của nó. Đối với mặt bích bằng thép cacbon nhiệt độ thấp (A350 LF2), MTR cũng bao gồm kết quả thử nghiệm tác động khía chữ V Charpy ở nhiệt độ thử nghiệm quy định. Đối với mặt bích bằng thép không gỉ, MTR bao gồm các kết quả thử nghiệm ăn mòn giữa các hạt khi được chỉ định. MTR phải có thể truy nguyên được mặt bích bằng số nhiệt, được đóng dấu trên ngoại vi của mặt bích cùng với loại vật liệu, cấp áp suất, kích thước ống danh nghĩa và dấu nhận dạng của nhà sản xuất theo yêu cầu đánh dấu của ASME B16.5.

Kiểm tra không phá hủy mặt bích đã hoàn thiện bao gồm kiểm tra trực quan các bề mặt gia công, bề mặt và góc xiên của mối hàn cho các mối nối, đường nối, vết nứt và các điểm không liên tục trên bề mặt khác trên MSS SP-55. Đối với các mặt bích dịch vụ quan trọng, NDE bổ sung được chỉ định: kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (PT) hoặc kiểm tra hạt từ tính (MT) của mặt mặt bích, sự chuyển tiếp từ trục sang mặt và góc xiên mối hàn theo ASME B16.5 đoạn 8.3; và kiểm tra siêu âm (UT) toàn bộ khối lượng rèn theo tiêu chuẩn ASTM A388 hoặc thông số kỹ thuật rèn hiện hành của ASTM để phát hiện các khuyết tật bên trong như tạp chất, lỗ rỗng hoặc lớp mỏng. Tiêu chí chấp nhận cho các cuộc kiểm tra này được xác định theo tiêu chuẩn rèn ASTM hiện hành và các yêu cầu bổ sung của người mua.

Mômen xoắn của bu lông, lực nén của miếng đệm và lắp ráp không bị rò rỉ

Việc lắp ráp mối nối mặt bích cổ hàn ANSI yêu cầu Siết chặt bu-lông được kiểm soát theo mô-men xoắn hoặc ứng suất xác định của bu-lông để đạt được độ nén cần thiết của miếng đệm để miếng đệm không bị rò rỉ mà không tạo áp lực quá lớn lên mặt bích, bu lông hoặc miếng đệm. Các bu lông được siết chặt theo trình tự mô hình chéo—còn được gọi là mô hình ngôi sao—trong ít nhất ba lần tăng mô-men xoắn: 30%, 60% và 100% mô-men xoắn mục tiêu. Việc siết chặt dần dần này đảm bảo rằng miếng đệm được nén đồng đều và ngăn không cho mặt bích bị lệch, điều này sẽ tạo ra một khe hở hình nêm mà miếng đệm không thể lấp đầy.

Mô-men xoắn mục tiêu của bu lông được tính toán từ ứng suất tựa của miếng đệm, diện tích tiếp xúc của miếng đệm, cường độ chảy của vật liệu bu lông và hệ số ma sát của ren bu lông và bề mặt ổ trục đai ốc. Ứng suất bu lông mục tiêu thường là 40% đến 70% cường độ chảy của vật liệu bu lông đối với các miếng đệm tiêu chuẩn, trong đó phạm vi cấp dưới được sử dụng cho các miếng đệm mềm như sợi nén hoặc PTFE và cấp cao hơn dành cho các miếng đệm bằng kim loại và vết xoắn ốc. Bôi trơn các ren bu lông và bề mặt ổ trục đai ốc bằng hợp chất chống kẹt áp suất cao là điều cần thiết để đạt được mối quan hệ nhất quán giữa mô-men xoắn và độ căng của bu lông; ren không được bôi trơn có thể tiêu thụ 50% mô-men xoắn tác dụng trở lên khi ma sát, dẫn đến tải trước của bu-lông thấp hơn đáng kể so với giá trị tính toán. Đối với các mối nối mặt bích quan trọng trong đường ống quy trình ASME B31.3, quy trình siết chặt bu lông là một phần được ghi lại trong quy trình đảm bảo chất lượng và các giá trị mô-men xoắn của bu lông được ghi lại trên báo cáo tính toàn vẹn của mối nối mặt bích.