Инженеры и специалисты по закупкам сталкиваются с важными решениями при определении фланцы из углеродистой стали для промышленных трубопроводных систем. Эти механические компоненты соединяют трубы, клапаны, насосы и оборудование, сохраняя при этом целостность давления и обеспечивая доступ для обслуживания. Понимание спецификаций материалов, стандартов размеров и номинальных значений давления и температуры обеспечивает безопасное и соответствующее требованиям проектирование систем в нефтегазовой, нефтехимической, энергетической и водоочистной сферах.
Понимание основ фланцев из углеродистой стали
Фланцы из углеродистой стали служат точками соединения в трубопроводной инфраструктуре, изготавливаются в основном с помощью процессов ковки для достижения выравнивания зеренной структуры и механической прочности. Состав материала обычно включает содержание углерода до 0,35%, марганец для повышения прочности и контролируемое содержание кремния для раскисления. Эти фланцы подходят для труб номинального диаметра от 15 мм (½ дюйма) до 2000 мм (80 дюймов) при больших диаметрах.
Производственный процесс включает нагрев заготовок из углеродистой стали до температуры ковки, а затем формование их под механическим давлением для достижения необходимой геометрии. Последующие операции механической обработки создают уплотняющие поверхности, отверстия для болтов и конфигурации ступиц. Термическая обработка — нормализация, закалка и отпуск или отжиг — оптимизирует механические свойства для конкретных условий эксплуатации.
Характеристики и классы материалов
Выбор материала напрямую влияет на характеристики фланца при экстремальных давлениях и температурах. Наиболее распространенная спецификация для фланцы из углеродистой стали ASTM А105 охватывает компоненты трубопроводов из кованой углеродистой стали, предназначенные для эксплуатации в условиях окружающей среды и при высоких температурах. Эта спецификация гарантирует максимальную прочность на разрыв 485 МПа (70 фунтов на квадратный дюйм) и предел текучести 250 МПа (36 фунтов на квадратный дюйм) с минимальным удлинением 22%.
В следующей таблице сравниваются распространенные материалы фланцев из углеродистой стали и их эксплуатационные характеристики:
Фланец из углеродистой стали ASTM A105 Материал представляет собой отраслевой стандарт для трубопроводов общего назначения. Спецификация допускает отливки, эквивалентные стандарту ASTM A216 класса WCB, для определенных конфигураций глухих фланцев. Содержание углерода до 0,35% обеспечивает превосходную обрабатываемость и свариваемость, сохраняя при этом достаточную прочность для классов давления до класса 2500. Материал имеет температуру плавления около 1420°C (2590°F) и твердость по Бринеллю в пределах 137-187 HBW. Эти свойства обеспечивают совместимость со стандартными операциями резки, сверления и сварки, обеспечивая при этом достаточную износостойкость болтовых соединений. Для применений при температуре ниже -29°C требуется материал ASTM A350 LF2 для предотвращения хрупкого разрушения. Эта спецификация требует проведения испытаний на удар при определенных температурах для проверки прочности на надрез. Класс 1 обеспечивает стандартную способность работать при низких температурах, а класс 2 предлагает улучшенные свойства для работы в тяжелых криогенных условиях. Фланцы ASTM A105 не требуют термической обработки, за исключением особых условий: фланцы класса выше 300, фланцы специальной конструкции с неизвестными параметрами давления или температуры или фланцы с NPS более 4 дюймов в классе 300 и выше. При необходимости варианты термообработки включают отжиг, нормализацию и отпуск без нормализации или закалку и отпуск для достижения заданных механических свойств. Выбор геометрии фланца зависит от требований к трубопроводной системе, класса давления и условий технического обслуживания. Каждый тип предлагает определенные преимущества для конкретных применений: от конфигураций приварной шейки под высоким давлением до экономичных надеваемых конструкций [^74^]. В следующей сравнительной таблице представлены характеристики основных типов фланцев: Приварной фланец из углеродистой стали Конфигурации обеспечивают высочайшую структурную целостность для требовательных приложений. Коническая конструкция ступицы соответствует толщине стенки трубы, постепенно распределяя напряжения и устраняя резкие разрывы. Стыковая сварка создает соединения с полным проваром, прочность которых равна прочности основной трубы. Эти фланцы доминируют в критически важных технологических трубопроводах, паровых системах высокого давления и в углеводородных системах, где надежность имеет первостепенное значение. Надвижные фланцы скользят по внешнему диаметру приямка и фиксируются угловыми сварными швами как на внутренней, так и на внешней поверхностях фланца. Такая конструкция упрощает центровку и сокращает время установки, что делает ее экономически эффективной для общепромышленных и водопроводных систем. Однако требование двойного сварного шва и более низкая усталостная прочность по сравнению с конструкциями приварной шейки ограничивают пригодность для циклической эксплуатации или сильных колебаний давления [^74^]. Глухие фланцы служат прочными затворами для концов трубопроводов, патрубков сосудов и точек изоляции. Эти дискообразные компоненты без центральных отверстий выдерживают полное давление в системе и облегчают гидростатические испытания. Конфигурация соединения с выступающей поверхностью или кольцевого типа обеспечивает правильную посадку прокладки. Глухие фланцы легко снимаются для дальнейшего расширения линии или доступа для обслуживания. Фланцы под приварку в раструбе подходят для труб меньшего диаметра (обычно NPS 2 и ниже) через внутренние раструбы, в которые можно вставлять трубы. Угловая сварка по внешнему диаметру ступицы создает герметичные соединения, подходящие для работы под высоким давлением при небольших диаметрах отверстий. Резьбовые фланцы имеют внутреннюю резьбу NPT для несварных соединений, обычно применяемую в опасных зонах, где сварка создает риск возгорания. Переработка углеводородов под высоким давлением требует конфигурации сварных швов для обеспечения структурной целостности. В системах водоподготовки и отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в целях экономии используются надвижные фланцы. Операции, требующие интенсивного технического обслуживания, выигрывают от использования фланцев с соединением внахлест со сменными заглушками. Инженеры по спецификациям должны оценить циклическое изменение давления, температурные переходы и требования к проверкам при выборе типов фланцев. Глобальные стандарты фланцев обеспечивают взаимозаменяемость и соответствие международным проектам. Двумя преобладающими системами являются ASME/ANSI B16.5 для рынков Северной Америки и ЭН 1092-1/DIN для европейских применений. В следующей таблице сравниваются основные стандарты размеров: Размеры фланца ANSI B16.5 определяют наиболее распространенную геометрию фланца в глобальном масштабе. Стандарт охватывает номинальные размеры труб от ½ дюйма до 24 дюймов для классов давления от 150 до 2500. Каждое обозначение класса представляет собой определенную комбинацию наружного диаметра, диаметра окружности болтов, количества болтов и толщины фланца. К основным размерным параметрам относятся: В европейских стандартах используются обозначения (номинальное давление), а не классы. Фланец PN16 из углеродистой стали спецификации представляют собой наиболее распространенный европейский класс давления, примерно эквивалентный классу ANSI 150. Стандарт EN 1092-1 объединяет предыдущие стандарты DIN, NF и BS в единую европейскую норму. Обозначения типа согласно EN 1092-1 включают: Хотя прямая эквивалентность между системами PN и классов является приблизительной, следующие соотношения определяют спецификацию: PN6 соответствует классу 75, PN10/16 — классу 150, PN25/40 — классу 300, PN63 — классу 600 и PN100 — классу 900. Инженерам следует проверять точные номинальные значения давления и температуры, а не полагаться на номинальные эквиваленты. Номинальные классы давления определяют максимально допустимое рабочее давление при эталонных температурах, при этом для повышенных условий эксплуатации требуется снижение номинальных характеристик. Эти номиналы обеспечивают целостность фланцев при комбинированной механической и термической нагрузке. В следующей таблице представлены номинальные значения давления и температуры для фланцев из углеродистой стали ASTM A105: Номинальное давление фланца из углеродистой стали Выбор требует анализа максимального рабочего давления и температуры. Класс 150 подходит для водяных систем низкого давления и общепромышленных трубопроводов с давлением до 285 фунтов на квадратный дюйм в условиях окружающей среды. Класс 300 выдерживает умеренное давление до 740 фунтов на квадратный дюйм для технологических трубопроводов и сжатого воздуха. Для работы с углеводородами под высоким давлением требуется класс 600 (1480 фунтов на квадратный дюйм) или выше. Для применений со сверхвысоким давлением i, включая сопла реакторов, указывается класс 1500 или 2500. Допустимое давление значительно снижается с увеличением рабочей температуры. При температуре 800°F (427°C) фланец класса 300 ASTM A105 сохраняет только 55 % номинального давления окружающей среды. Это снижение характеристик отражает снижение предела текучести материала при повышенных температурах. Проектировщики систем должны указывать фланцы на основе фактических условий эксплуатации, а не номинальных классов. ASME B16.5 объединяет материалы в группы с конкретными таблицами давления и температуры. Углеродистые стали, включая ASTM A10,5, относятся к группе материалов 1.1. Низколегированные стали относятся к группам с 1,2 по 1,18, а нержавеющие стали — к группам с 2,1 по 2,12. Каждая группа демонстрирует различные зависимости прочности от температуры, требующие специальных рейтинговых таблиц. Правильная спецификация фланца требует определения расчетного давления, расчетной температуры, материала трубы и внешней нагрузки. Расчетное давление должно превышать максимальное рабочее давление на соответствующий запас прочности. Температурные соображения включают как непрерывную работу, так и переходные условия во время запуска или сценариев отказа. Припуски на коррозию могут потребовать более толстых фланцев, чем стандартные размеры. Конфигурация уплотняющей поверхности влияет на выбор прокладки и ее допустимое давление. Приподнятая лицевая панель (RF) — это стандартная конфигурация для общего обслуживания, обеспечивающая приподнятые посадочные поверхности на 2–7 мм. Flat Face (FF) подходит для применений с низким давлением и полнолицевыми прокладками. В соединении кольцевого типа (RTJ) используются прецизионно обработанные канавки для металлических кольцевых прокладок, работающих при высоких давлениях и температурах, где обычные прокладки не работают. Правильные процедуры крепления болтов обеспечивают целостность фланцевого соединения. Рекомендации ASME PCC-1 определяют последовательность болтов, значения моментов затяжки и процедуры повторной затяжки. Выбор прокладки должен соответствовать отделке поверхности фланца, классу давления и совместимости с технологической жидкостью. Спирально-навитые прокладки подходят для фланцев RF в большинстве промышленных применений, тогда как для канавок RTJ требуются соответствующие овальные или восьмиугольные кольцевые прокладки. Проверка качества включает проверку размеров в соответствии с ASME B16.5, сертификацию материалов по спецификациям ASTM и неразрушающий контроль для критически важных применений. Гидростатические испытания при давлении, превышающем расчетное в 1,5 раза, подтверждают целостность системы. Пакеты документации должны включать сертификаты испытаний материалов (MTC), записи о термообработке и отчеты о неразрушающих испытаниях в соответствии с EN 10204 3.1 или 3.2. ASTM A105N указывает на ненормализованную обработку, тогда как стандартный A105 может поставляться в кованом состоянии. Нормализация улучшает зернистую структуру, улучшает однородность механических свойств и повышает ударную вязкость. A105N требуется для фланцев класса выше 300, фланцев специальной конструкции или любого фланца, размер которого превышает 4 дюйма NPS в классе 300 и выше. Обозначение «N» обеспечивает постоянство свойств по всему компоненту и рекомендуется для применений, связанных с циклическим изменением температуры или ударной нагрузкой. Прямая размерная взаимозаменяемость фланцев ANSI B16.5 и EN 1092-1 ограничена. Хотя PN16 соответствует классу 150, а PN40 соответствует классу 300, диаметры окружности болтов, размеры болтов и толщина фланцев различаются. Фланец класса 150 нельзя прикрепить болтами к фланцу PN16 даже при эквивалентном номинальном давлении. В проектах, требующих смешанных стандартов, должны быть указаны переходные фланцы или полная стандартизация системы. Для нового строительства ANSI B16.5 доминирует в североамериканских и мировых нефтегазовых проектах, тогда как EN 1092-1 преобладает в европейских водоочистных и общепромышленных приложениях. При температуре 300°C (572°F) фланцы ASTM A105 требуют значительного снижения номинальных характеристик по сравнению с номинальными значениями окружающей среды. Класс 150 рассчитан на давление примерно 140 фунтов на квадратный дюйм (9,7 бар) при этой температуре, что недостаточно для работы при давлении 20 бар. Класс 300 сохраняет работоспособность при давлении около 550 фунтов на квадратный дюйм (38 бар) при температуре 300°C, обеспечивая достаточный запас для рабочего давления 20 бар с соответствующими коэффициентами безопасности. Приварные фланцы класса 300 с выступающими поверхностями и спирально-навитыми прокладками представляют собой минимальную спецификацию. Для критически важных операций с паром рассмотрите класс 600 для дополнительного запаса против переходных процессов давления и долгосрочных эффектов ползучести. Фланцы с приварной шейкой обязательны для эксплуатации в условиях высокого давления, высоких температур или циклических операций. Коническая втулка обеспечивает распределение напряжений, эквивалентное самой трубе, устраняя концентрацию напряжений, присущую конструкциям со скользящим соединением. Укажите сварную шейку для класса 600 и выше, паровые системы с давлением выше 10 бар, работу с углеводородами с циклическим изменением давления и любое применение, требующее сопротивления усталости. Накидные фланцы подходят для систем общего водоснабжения, воздушных систем низкого давления и для применений, где экономичность установки перевешивает проблемы усталости. Стыковое сварное соединение приварных фланцев также обеспечивает возможность полного радиографического контроля, в то время как накладные угловые сварные швы предлагают ограниченные возможности неразрушающего контроля.
Спецификация материала Стандарт АСТМ Предел прочности Предел текучести Температурный диапазон Основные приложения A105 АСТМ А105 ≥485 МПа ≥250 МПа От -29°С до 425°С Общепромышленный, нефтегазовый A105N (Nнормализованный АСТМ А105 ≥485 МПа ≥250 МПа От -29°С до 425°С Улучшенная зернистая структура А350 LF2 Класс 1 АСТМ А350 ≥485 МПа От -46°С до 343°С Низкотемпературное обслуживание А350 LF2 Класс 2 АСТМ А350 ≥485 МПа ≥260 МПа От -46°С до 343°С Криогенные применения А694 Ф52-Ф70 АСТМ А694 ≥455-585 МПа ≥360-485 МПа От -29°С до 260°С Высокопроизводительная трансмиссия ASTM A105 Кованая углеродистая сталь
ASTM A350 LF2, низкая температура
Требования к термообработке
Типы фланцев и конструктивные конфигурации
Тип фланца Способ подключения Способность давления Усталостная устойчивость Сложность установки Основные приложения Сварная шейка Стыковая сварка Класс 150-2500 Отлично Высокая (требует сварки) Критический процесс, высокое давление без шнуровки Угловой шов (внутри/снаружи) Класс 150-2500 Умеренный Низкий (легкое выравнивание) Общее обслуживание, гидротехнические сооружения Слепой Только на болтах Класс 150-2500 Н/Д (закрытие) Низкий Завершение линии, изоляция Муфтовая сварка Угловой сварной шов в раструбе Класс 150-1500 Хорошо Умеренный Малый диаметр, высокое давление Резьбовой NPT-соединение Класс 150-600 Ограниченный Низкий (no welding) Бессварные применения коленный сустав Стыковая сварка (stub end) Класс 150-2500 Умеренный Умеренный Требуется частый демонтаж Фланцы с приварной горловиной
Накладные фланцы
Глухие фланцы
Фланцы под приварку враструб и резьбовые фланцы
Соответствие приложений
Стандарты размеров и классификации
Стандартный Диапазон размеров Обозначение давления Тип фланцаs Covered Географическое распространение АСМЭ Б16.5 NPS от ½ до 24 дюймов Класс 150-2500 WN, SO, BL, SW, TH, LJ Северная Америка, Мировая нефть/газ АСМЭ Б16.47 NPS от 26 до 60 дюймов Класс 75-900 ВН, БЛ Трубопроводы большого диаметра EN 1092-1 от Ду 10 до Ду 4000 от Ру 2,5 до Ру 400 Тип 01, 02, 05, 11, 12, 13 Европа, Международные проекты ДИН 2631-2638 от Ду 10 до Ду 4000 от Ру 6 до Ру 100 Приварная шейка, надеваемая, глухая Германия, Унаследованные системы ДЖИС Б2220 от 10 А до 1500 А 5К, 10К, 16К, 20К, 30К, 40К ТАК, БЛ, ВН Япония, Азиатско-Тихоокеанский регион Стандарты ASME/ANSI B16.5
Стандарты EN 1092-1 и DIN
PN и эквиваленты рейтинга класса
Номинальные значения давления и температуры
Класс ASME Давление при 100°F (псиг.) Давление при 400°F (псиг.) Давление при 800°F (псиг.) Максимальная температура 150 285 200 80 538°С 300 740 635 410 538°С 400 985 845 550 538°С 600 1480 1265 825 538°С 900 2220 1900 1235 538°С 1500 3705 3170 2055 538°С 2500 6170 5280 3430 538°С Рейтинги от класса 150 до класса 2500
Факторы снижения температуры
Классификация групп материалов
Методика отбора для закупок B2B
Расчет системных требований
Выбор типа лица (RF, FF, RTJ)
Вопросы установки и качества
Требования к болтам и прокладкам
Стандарты контроля и испытаний
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между ASTM A105 и A105N фланцы из углеродистой стали ?
Как мне конвертировать между Размеры фланца ANSI B16.5 и стандарты DIN/EN?
Что номинальное давление фланца из углеродистой стали нужно ли мне использовать пар под давлением 20 бар при температуре 300°C?
Когда мне следует указать приварные фланцы из углеродистой стали по сравнению со съемными фланцами?
Ссылки
Previous
