Care sunt diferitele tipuri de flanșe utilizate în sistemele de conducte?

Flanșele sunt printre cele mai fundamentale componente ale oricărui sistem de conducte, oferind îmbinările mecanice care conectează conductele, supapele, pompele și echipamentele într-un mod care este atât sigur structural, cât și – critic – demontabil pentru inspecție, întreținere sau modificare. În industriile care variază de la petrol și gaze și petrochimice până la tratarea apei, produse farmaceutice și generarea de energie, selectarea corectă a tipului de flanșă, a clasei de presiune, a căptușelii și a materialului este la fel de importantă ca specificațiile țevii în sine. O flanșă nepotrivită sau nominală incorect este un potențial punct de scurgere, o nerespectare a reglementărilor și, în cazul serviciului la presiune înaltă sau la temperatură ridicată, un pericol grav pentru siguranță. Acest articol acoperă principalele tipuri de flanșe utilizate în sistemele de conducte, caracteristicile lor tehnice, standardele aplicabile și criteriile practice care ghidează selecția corectă a flanșei.

Ce este o flanșă de conducte și de ce contează selecția tipului?

A flanșă de conducte este un disc, inel sau guler forjat, turnat sau prelucrat din metal care este atașat la un capăt de țeavă, un corp de supapă sau o duză de echipament și prins cu șuruburi pe o flanșă de îmbinare pentru a forma o îmbinare etanșă la presiune. Îmbinarea este etanșată de o garnitură comprimată între cele două fețe ale flanșei de forța de strângere a șuruburilor. Flanșa transferă sarcini mecanice între elementele conectate - inclusiv presiunea internă, forțele de dilatare termică, sarcinile de greutate și vibrațiile - permitând în același timp dezasamblarea îmbinării fără tăiere sau sudură.

Selectarea tipului de flanșă contează deoarece diferitele tipuri sunt potrivite pentru metode de conectare fundamental diferite, condiții de funcționare de presiune și temperatură, grosimi pereților conductei și ușurință de instalare și dezasamblare. Folosirea unei flanșe cu alunecare într-o linie de abur de înaltă presiune sau a unei flanșe de sudură cu mufă pe o țeavă cu orificiu mare, creează nepotriviri între capacitatea structurală a flanșei și cerințele impuse acesteia. Standardele de reglementare - cel mai frecvent ASME B16.5, ASME B16.47, EN 1092-1 și API 6A - definesc cerințele dimensionale, de clasa de presiune și de material pentru fiecare tip de flanșă, iar conformitatea cu aceste standarde este obligatorie în majoritatea industriilor reglementate.

Principalele tipuri de flanșe utilizate în conducte

Fiecare tip de flanșă are o metodă distinctă de atașare la țeavă și un set specific de caracteristici structurale. Cele șapte tipuri descrise mai jos acoperă marea majoritate a îmbinărilor cu flanșe întâlnite în sistemele de conducte industriale și comerciale.

Flanșă pentru gât de sudură

Flanșa gâtului de sudură este cel mai robust din punct de vedere structural și cel mai larg specificat tip de flanșă pentru aplicații de înaltă presiune, temperatură înaltă și ciclice. Dispune de un butuc lung, conic, care trece treptat de la corpul flanșei la grosimea peretelui țevii, distribuind tensiunea uniform și minimizând concentrația de tensiuni la îmbinarea sudură. Flanșa este atașată de țeavă printr-o sudură cap la cap cu penetrare completă, care asigură cea mai puternică integritate posibilă a îmbinării și permite examinarea radiografică a sudurii pentru verificarea calității. Flanșele gâtului de sudură sunt specificația standard în liniile de service critice în petrol și gaze, generare de energie și procesare chimică. Costul lor mai mare și timpul de instalare mai mare în comparație cu alte tipuri sunt justificate de performanța mecanică superioară și de fiabilitatea pe termen lung pe care le oferă în condiții de service solicitante.

Flanșă Slip-On

Flanșa cu alunecare alunecă peste exteriorul țevii și este atașată cu două suduri de filet - una la fața butucului și una în spatele orificiului flanșei. Alezajul său este puțin mai mare decât diametrul exterior al țevii, permițând introducerea țevii înainte de sudare, ceea ce simplifică alinierea în timpul instalării. Flansele cu alunecare sunt mai mici ca cost și mai ușor de montat decât flanșele gâtului de sudură, făcându-le populare în conductele de utilități, sistemele de joasă presiune și liniile de service non-critice. Cu toate acestea, rezistența lor structurală este mai mică decât flanșele gâtului de sudură - de obicei evaluate la aproximativ două treimi din echivalentul gâtului de sudură sub aceeași clasă de presiune - deoarece sudurile de filet nu asigură o penetrare completă a peretelui conductei. În general, acestea sunt limitate la serviciul ASME Clasele 150 și 300 în aplicații necritice.

Flanșă de sudură priză

Flanșele de sudură cu mufă sunt utilizate exclusiv pe țevile cu diametru mic, de obicei alezaj nominal de 2 inchi (50 mm) și mai jos. Țeava este introdusă într-o priză prelucrată în orificiul flanșei și se aplică o sudură de filet la butuc. Un mic spațiu de aproximativ 1,6 mm este lăsat în mod deliberat între capătul țevii și umărul prizei înainte de sudare pentru a permite dilatarea termică și pentru a preveni fisurarea sudurii. Flanșele de sudură cu mufă oferă un orificiu interior mai curat decât flanșele cu alunecare pentru țevi de dimensiuni mici, ceea ce reduce turbulențele și eroziunea în serviciul de mare viteză. Ele sunt utilizate în liniile hidraulice de înaltă presiune, conexiunile instrumentelor și conductele de injecție chimică, unde integritatea alezajului mic este critică. Ele nu sunt potrivite pentru servicii de nămol sau fluide corozive în care crăpătura de la golul dintre mufă și țeavă ar putea prinde material.

Flanșă filetată

Flanșele filetate se conectează la țeavă printr-un filet interior conic sau paralel, mai degrabă decât prin sudură, ceea ce le face singurul tip de flanșă comun care nu necesită sudură pentru atașare. Ele sunt utilizate în sisteme de utilitate de joasă presiune, conexiuni de instrumente și aplicații în servicii nepericuloase în care prezența gazelor inflamabile sau explozive face operațiunile de sudare nepractice. Flanșele filetate sunt mecanic mai slabe decât tipurile sudate și sunt susceptibile la scurgeri sub ciclul termic sau vibrații, care slăbesc progresiv angrenajul filetat. Din acest motiv, multe specificații interzic utilizarea lor în servicii de peste 300°F (150°C) sau în servicii cu gaze și lichide inflamabile. În mediile în care se aplică restricții de sudură, dar este necesară o integritate mai mare, o configurație cu filet și etanșare sudată - aplicarea unei suduri de etanșare peste îmbinarea filetată - oferă o fiabilitate îmbunătățită.

Flanșă oarbă

O flanșă oarbă este un disc solid fără orificiu care este utilizat pentru a închide capătul unei țevi, duze sau deschideri ale vasului. Este înșurubat de o față a flanșei de îmbinare cu o garnitură, creând o închidere complet cu presiune nominală care poate fi îndepărtată atunci când este necesar accesul la linie. Flanșele oarbe sunt utilizate la capetele conductelor pentru viitoarele conexiuni de expansiune, la deschiderile de inspecție a vasului, la punctele de testare a presiunii și ca închideri permanente la capetele racordurilor redundante. Acestea trebuie să fie evaluate la clasa completă de presiune a sistemului și sunt supuse unei solicitări de încovoiere semnificative din cauza presiunii interne care acționează asupra suprafeței lor nesusținute, motiv pentru care grosimea peretelui flanșei oarbe crește substanțial cu dimensiuni mai mari ale alezajului și clase de presiune mai mari.

Flanșă de îmbinare

Flanșa îmbinării suprapuse este utilizată împreună cu un fiting de capăt - o secțiune scurtă de țeavă cu o rază prelucrată la un capăt care asigură suprafața de etanșare. Flanșa îmbinării suprapuse alunecă liber peste capătul ștuț și nu este sudată pe țeavă; în schimb, capătul butuc este sudat cap la cap pe țeavă, iar flanșa liberă se sprijină pe raza capătului ștuț. Acest aranjament permite flanșei să se rotească liber în jurul țevii, ceea ce simplifică foarte mult alinierea orificiilor șuruburilor în timpul instalării, în special în zonele aglomerate sau unde conexiunile echipamentelor nu sunt poziționate precis. Flanșele de îmbinare suprapusă sunt, de asemenea, avantajoase din punct de vedere economic în sistemele de conducte din aliaj scumpe, deoarece numai capătul de țeavă - componenta în contact cu fluidul - trebuie să fie fabricat din material aliaj, în timp ce flanșa de suport poate fi oțel carbon standard.

Flanșă cu orificiu

Flanșele cu orificiu sunt o variantă specializată a designului gâtului de sudură sau al flanșei cu alunecare, care încorporează găuri filetate de presiune prelucrate în corpul flanșei de ambele părți ale unei plăci cu orificii. Placa cu orificii - un disc perforat cu precizie - este prinsă între perechea de flanșe cu orificii și creează o diferență de presiune calibrată pe măsură ce fluidul trece prin orificiul restricționat. Această presiune diferențială este măsurată prin găurile de robinet și utilizată pentru a calcula debitul volumetric sau masic. Ansamblurile de flanșă cu orificiu sunt o tehnologie standard de măsurare a debitului în aplicații de petrol și gaze, procesare chimică și tratare a apei, iar cerințele lor dimensionale și de prelucrare sunt specificate în ASME MFC-3M și ISO 5167.

Comparația tipului de flanșă în funcție de criteriile cheie

Următorul tabel oferă o comparație practică a principalelor tipuri de flanșe în funcție de criteriile cele mai relevante pentru deciziile de selecție în proiectarea conductelor industriale.

Tipurile de fețe ale flanșei și rolul lor în etanșarea îmbinărilor

Fața flanșei este suprafața prelucrată care intră în contact cu garnitura și creează etanșarea la presiune. Selectarea tipului greșit de față pentru o anumită condiție de service sau material de garnitură este o cauză comună a scurgerii îmbinării. Cele patru tipuri de fețe cele mai utilizate în conductele industriale au fiecare mecanisme de etanșare și domenii de aplicare distincte.

Fața ridicată (RF)

Fața înălțată este cel mai comun tip de față de flanșă în conductele de proces și tipul implicit de față pentru flanșele ASME B16.5 din Clasa 150 până la Clasa 2500. Suprafața de așezare este un inel ridicat - de obicei 1,6 mm înălțime pentru Clasa 150 și 300 și 6,4 mm înălțime pentru Clasa 600 și mai sus - care se concentrează pe zona de strângere a garniturii. Finisajul standard al suprafeței pentru flanșele cu suprafață ridicată este un finisaj zimțat concentric sau spiralat cu o rugozitate de 3,2 până la 6,3 µm Ra, care asigură interblocare mecanică cu garnituri moi și semimetalice. Flanșele cu suprafață înălțată sunt compatibile cu întreaga gamă de garnituri plate, spiralate și tip inel, utilizate în procesul general de service.

Față plată (FF)

Flanșa cu față plată are suprafața de așezare la același nivel cu fața corpului flanșei, fără zonă ridicată. Este utilizat atunci când se împerechează cu echipamente cu flanșă - cum ar fi supape din fontă, pompe și echipamente nemetalice - unde o față înălțată ar impune sarcini de îndoire neuniforme asupra componentei de cuplare și ar risca să o crape. Flanșele cu față plată folosesc garnituri cu față completă care se extind până la cercul șuruburilor și mai departe, distribuind sarcina șurubului pe întreaga suprafață a flanșei și prevenind încărcarea pe margine pe care o garnitură inelă ar crea-o pe o flanșă de împerechere fragilă.

Imbinare tip inel (RTJ)

Flanșele de îmbinare de tip inel au o canelură trapezoidală sau ovală prelucrată cu precizie în fața flanșei în care este așezată o garnitură inelă metalică solidă - de obicei fier moale, oțel cu conținut scăzut de carbon, oțel inoxidabil 316 sau Inconel. Pe măsură ce șuruburile sunt strânse, garnitura inelului este deformată plastic în canelură, creând o etanșare metal-metal de integritate extrem de ridicată. Îmbinările RTJ sunt specificate pentru servicii de înaltă presiune, temperatură înaltă și gaz acid în cazul în care cerințele de fiabilitate depășesc ceea ce pot oferi garniturile moi sau semimetalice. Ele sunt standard în conductele de proces de înaltă integritate, submarine și de înaltă integritate și necesită prelucrare de precizie atât a canelurii, cât și a inelului pentru a-și atinge performanța nominală.

Tongue and Groove (T&G)

Flanșele cu limbă și canelura sunt perechi împerecheate în care o față a flanșei are o limbă ridicată, iar cealaltă are o canelură potrivită prelucrată în față. Garnitura se așează în întregime în canelura, unde este constrânsă pe toate părțile, prevenind explozia garniturii în condiții de suprapresiune. Îmbinările T&G asigură o retenție superioară a garniturii și sunt utilizate în capacele schimbătoarelor de căldură, capacele supapelor și conexiunile de proces de înaltă integritate, unde riscul de explozie a garniturii trebuie redus la minimum. Deoarece cele două jumătăți trebuie să fie perechi de potrivire, flanșele cu lambă și canelura nu sunt interschimbabile cu flanșe standard cu față ridicată de aceeași dimensiune și clasă de presiune.

Clasele de presiune a flanșei și ce înseamnă acestea

Conform ASME B16.5 — standardul dominant pentru flanșele de țevi în America de Nord și referit pe scară largă la nivel internațional — flanșele sunt desemnate prin clasa de presiune: 150, 300, 600, 900, 1500 și 2500. Aceste numere de clasă nu reprezintă o presiune fixă; mai degrabă, ele definesc evaluarea presiune-temperatura a flanșei, care scade pe măsură ce temperatura crește din cauza reducerii limitei de curgere a materialului la temperaturi ridicate.

De exemplu, o flanșă Clasa 300 din oțel carbon ASTM A105 este evaluată la aproximativ 51,1 bar (740 psi) la temperatura ambiantă, dar numai 14,4 bar (210 psi) la 450°C (850°F). Prin urmare, clasa de presiune corectă pentru un anumit serviciu trebuie selectată atât pe baza presiunii maxime de funcționare, cât și a temperaturii maxime de funcționare, utilizând tabelele de evaluare presiune-temperatura din ASME B16.5 sau tabelele echivalente EN 1092-1 pentru flansele standard europene. Subdimensionarea clasei de presiune pentru temperatura reală de serviciu este una dintre cele mai importante erori în specificațiile flanșei.

Materiale comune pentru flanșe și aplicațiile lor

Selectarea materialului flanșei trebuie să fie compatibilă atât cu fluidul de proces, cât și cu mediul extern și trebuie să mențină proprietățile mecanice adecvate pe întregul interval de temperatură de funcționare.

• ASTM A105 (oțel carbon): Materialul standard pentru flanșe din oțel carbon în serviciul general de proces până la aproximativ 425°C. Folosit în petrol și gaze, apă, abur și servicii chimice non-corozive. Cost redus și disponibil pe scară largă în toate clasele și tipurile de presiune.
• ASTM A182 F316/F316L (oțel inoxidabil): Folosit pentru servicii chimice corozive, aplicații alimentare și farmaceutice și medii marine. Gradul 316 asigură o bună rezistență generală la coroziune; 316L (scăzut de carbon) este specificat acolo unde trebuie prevenită sensibilizarea de la căldura de sudare.
• ASTM A182 F11 / F22 (oțel aliat): Oțeluri aliate cu crom-molibden utilizate la temperaturi înalte de peste 425°C în generarea de abur, reformare și conducte de încălzire prin ardere, unde oțelul carbon își pierde rezistența mecanică.
• ASTM A350 LF2 (oțel carbon la temperatură joasă): Oțel carbon testat la impact pentru servicii criogenice și la temperaturi scăzute până la -46°C, utilizat în instalații GNL, sisteme de refrigerare și conducte exterioare cu climă rece.
• Oțel inoxidabil duplex și super duplex (F51, F53): Folosit în medii extrem de corozive, inclusiv servicii de apă de mare, conducte submarine și fluxuri chimice bogate în cloruri, unde oțelurile inoxidabile austenitice standard ar suferi fisurare prin coroziune prin tensiuni sau coroziune prin pitting.

Cum să alegeți flanșa potrivită pentru sistemul dvs. de conducte

Selectarea corectă a flanșei necesită o evaluare sistematică a mai multor parametri în combinație, mai degrabă decât optimizarea pentru un singur criteriu, cum ar fi costul sau disponibilitatea.

• Definiți cu precizie condițiile de serviciu: Stabiliți presiunea maximă de funcționare, temperatura maximă de funcționare, compoziția fluidului, inclusiv orice constituenți corozivi și caracterul de încărcare ciclică sau dinamică a serviciului înainte de a selecta orice componentă a flanșei.
• Selectați tipul de flanșă în funcție de cerințele structurale: Utilizați flanșe de gât de sudură pentru toate liniile de serviciu de înaltă presiune, temperatură înaltă, ciclice sau periculoase. Utilizați flanșe cu alunecare numai în servicii de utilitate sau cu criticitate scăzută, unde reducerea costurilor este justificată și integritatea structurală mai scăzută este acceptabilă în cadrul codului aplicabil.
• Determinați clasa de presiune din tabelele de rating P-T: Căutați evaluarea presiune-temperatura pentru materialul ales în ASME B16.5 sau EN 1092-1 la temperatura de serviciu reală, nu la temperatura ambiantă. Aplicați factorul de siguranță corespunzător cerut de codul de proiectare aplicabil.
• Potriviți tipul feței cu selecția garniturii și echipamentul de asociere: Utilizați fața înălțată cu înfășurare spirală sau garnituri inelare pentru serviciul general al procesului. Folosiți fața plată atunci când se împerechează cu fontă sau echipamente cu flanșe nemetalice. Utilizați RTJ pentru servicii de înaltă presiune sau acru acolo unde este necesară etanșarea metal-metal.
• Verificați compatibilitatea materialului: Confirmați că materialul flanșei este compatibil atât cu fluidul de proces - luând în considerare coroziunea, eroziunea și fisurarea prin coroziune sub tensiune - și mediul extern, inclusiv izolația sub riscul de coroziune a placajului și compatibilitatea cu protecția catodică pentru serviciul îngropat sau scufundat.

Concluzie

Flanșele pentru sistemele de conducte cuprind o gamă mult mai largă de decizii de inginerie decât rolul lor aparent simplu, așa cum ar putea sugera conectorii de conducte. Alegerea dintre gât de sudură, slip-on, sudură prin mufă, filet, oarbă, îmbinare suprapusă sau flanșă cu orificiu determină integritatea structurală a îmbinării, ușurința instalării și întreținerii și adecvarea conexiunii pentru mediul de service specific. Combinată cu tipul corect de față pentru garnitură și echipamentul de îmbinare, clasa de presiune adecvată pentru temperatura de funcționare și o specificație a materialului potrivită cu fluidul de proces și condițiile de mediu, alegerea corectă a flanșei asigură un sistem de conducte care funcționează în siguranță și fiabil pe toată durata de viață, fără sarcină inutilă de întreținere sau risc de defecțiune..