Flange forgiate con collo saldato standard ANSI: specifiche e applicazioni

An Flangia forgiata con collo saldato standard ANSI è la scelta preferita per applicazioni di tubazioni impegnative perché è Il mozzo conico fornisce una transizione graduale delle sollecitazioni dalla faccia della flangia alla parete del tubo, eliminando la brusca discontinuità che causa turbolenza e rottura per fatica in altri tipi di flangia . La flangia è fissata al tubo mediante una saldatura di testa a piena penetrazione all'estremità del mozzo, creando un giunto resistente quanto il tubo stesso e che può essere ispezionato radiograficamente per verificare l'integrità della saldatura. Questa caratteristica di progettazione, combinata con l'orientamento del flusso dei grani ottenuto attraverso il processo di forgiatura, rende la flangia con collo saldato l'unico tipo di flangia universalmente accettato per servizi critici ad alta pressione, alta temperatura e carico ciclico nei settori petrolifero, petrolchimico e di produzione di energia. Quando specificate secondo uno standard ANSI, più comunemente ASME B16.5 per tubi di dimensioni fino a 24 pollici e ASME B16.47 per diametri maggiori, le dimensioni della flangia, i valori di pressione-temperatura e i requisiti dei materiali sono completamente standardizzati, garantendo l'intercambiabilità con valvole, raccordi e apparecchiature di qualsiasi produttore in tutto il mondo.

Il vantaggio della forgiatura: perché il flusso del grano è importante

Il processo di forgiatura altera radicalmente la struttura interna dell'acciaio in modi che la fusione o la lavorazione meccanica da piastra non possono replicare. Una flangia forgiata inizia come una billetta di acciaio (un lingotto fuso o un blumo fuso in continuo che è stato lavorato a caldo per chiudere la porosità interna) e viene modellata sotto un'enorme forza di compressione tra gli stampi di forgiatura. Questa deformazione allunga le inclusioni non metalliche e i bordi dei grani nella direzione del flusso del metallo, creando un modello di flusso continuo del grano che segue il contorno della flangia . La struttura dei grani allineati resiste alla propagazione delle cricche perpendicolarmente alla sollecitazione applicata, conferendo alla flangia forgiata una resistenza alla fatica e una tenacità agli urti superiori rispetto a una flangia fusa o tagliata su piastra in cui l'orientamento dei grani è casuale o perpendicolare alla direzione della sollecitazione primaria.

Nello specifico, per una flangia con collo di saldatura, il processo di forgiatura è progettato in modo che le linee di flusso del grano scorrano continuamente dalla flangia rivolta verso l'alto attraverso il mozzo conico e nello smusso di saldatura. Ciò significa che quando la flangia viene saldata di testa a un tubo, il flusso di grano nella flangia e nel tubo sono allineati, creando un giunto metallurgicamente omogeneo . L'assenza di uno strato limite debole, una caratteristica delle strutture fuse in cui la zona fredda superficiale incontra la zona dei grani colonnari, significa che non esiste un percorso di rottura preferenziale. Per servizi critici come il servizio dell'idrogeno, il trattamento del gas acido o il vapore ad alta temperatura, questa struttura a grani continui è essenziale per prevenire l'infragilimento e la fessurazione che possono verificarsi in corrispondenza delle discontinuità microstrutturali.

ANSI / ASME B16.5 Classe di pressione e sistema dimensionale

Lo standard ANSI che regola le flange del collo di saldatura, ora pubblicato da ASME come ASME B16.5 —organizza le flange in classi di pressione che definiscono la pressione di esercizio massima consentita a una data temperatura per un dato materiale. Le classi di pressione standard per le flange del collo saldato sono 150, 300, 400, 600, 900, 1500 e 2500. Il numero della classe non è la pressione di esercizio in psi; è una designazione correlata a una tabella di valutazione pressione-temperatura. Una flangia di Classe 300 in acciaio al carbonio (ASTM A105) a temperatura ambiente ha un limite di pressione di esercizio di circa 740 psi (51 bar) , mentre la stessa flangia a 400°C (750°F) viene declassata a circa 635 psi (44 bar). All'estremità estrema, una flangia Classe 2500 in acciaio legato può resistere a pressioni superiori a 6.000 psi a temperatura ambiente.

Le caratteristiche dimensionali che contraddistinguono ciascuna classe di pressione sono le spessore della flangia, diametro del mozzo alla base, diametro del cerchio dei bulloni e numero e dimensione dei fori dei bulloni . All'aumentare della classe di pressione, queste dimensioni aumentano per sopportare i maggiori carichi meccanici, anche se la dimensione nominale del tubo rimane la stessa. La tabella seguente illustra la scala delle dimensioni chiave con la classe di pressione per una comune flangia weld neck da 4 pollici (DN 100).

Il foro di una flangia a collo saldato è lavorato per adattarsi al spessore nominale della parete del tubo del tubo di collegamento. Ciò significa che, per una determinata dimensione nominale del tubo, sono disponibili flange con diametri del foro diversi per adattarsi alle schedulazioni dei tubi standard, extra resistenti (XS) e doppi extra resistenti (XXS). La tolleranza del foro è specificata nello standard e lo smusso di saldatura all'estremità del mozzo viene lavorato con un angolo di 37,5 gradi con una faccia della radice di circa 1,6 mm, secondo ASME B16.25, per creare una scanalatura a V standard per il giunto saldato di testa.

Gradi dei materiali e relativo involucro temperatura-pressione

Il materiale da cui viene forgiata una flangia a collo di saldatura determina i limiti di temperatura e pressione del componente finito e la sua resistenza a specifici meccanismi di corrosione. ASME B16.5 fa riferimento alle specifiche dei materiali ASTM e le tabelle dei valori di pressione-temperatura sono organizzate per gruppo di materiali. La selezione del materiale è una decisione basata sul temperatura di progetto, pressione di progetto, chimica del fluido e potenziale di meccanismi di cracking ambientale come la tensocorrosione da solfuri in servizio acido o la tensocorrosione da cloruri negli acciai inossidabili austenitici esposti a cloruri caldi.

I materiali di forgiatura più comunemente specificati per le flange del collo di saldatura ANSI e i loro campi di applicazione tipici sono:

• ASTM A105 (acciaio al carbonio): Il materiale standard per servizi industriali generali da -29°C a 425°C (da -20°F a 800°F). Non adatto per esposizioni prolungate superiori a 425°C a causa della grafitizzazione o per temperature inferiori allo zero al di sotto della temperatura di transizione da duttile a fragile senza test di impatto. Utilizzato per servizi con vapore, acqua, olio e idrocarburi non corrosivi. Questo è il materiale per flange forgiate più comune ed economico, che rappresenta la maggior parte delle flange con collo saldato installate in servizio non corrosivo.
• ASTM A350 LF2 (acciaio al carbonio a bassa temperatura): Un acciaio al carbonio con chimica controllata e pratica della grana fine, test di impatto Charpy a -46°C (-50°F). Utilizzato per sistemi di tubazioni che operano in climi freddi e nella movimentazione di gas liquefatti dove l'A105 sarebbe a rischio di frattura fragile. La faccia della flangia è generalmente dotata di una faccia rialzata o di un rivestimento del giunto ad anello secondo le specifiche.
• ASTM A182 F304/F304L e F316/F316L (acciaio inossidabile austenitico): I materiali standard per servizi chimici corrosivi, lavorazione alimentare e applicazioni farmaceutiche. I gradi "L" (a basso contenuto di carbonio, massimo 0,03% di carbonio) sono specificati per fabbricazioni saldate e per servizio a temperature superiori a 425°C dove i gradi non stabilizzati sono suscettibili alla sensibilizzazione e alla corrosione intergranulare. F316/F316L, con l'aggiunta di molibdeno del 2-3%, fornisce una migliore resistenza alla corrosione per vaiolatura in ambienti contenenti cloruri rispetto a F304.
• ASTM A182 F11 e F22 (acciaio legato al cromo-molibdeno): I materiali più utilizzati per il servizio ad alta temperatura nelle raffinerie e nelle centrali elettriche, con gradi 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) e 2,25% Cr-1% Mo (F22). Questi materiali mantengono la loro resistenza alla trazione a temperature fino a 600°C (1100°F) e resistono all'attacco dell'idrogeno nel servizio con idrogeno ad alta temperatura se utilizzati all'interno delle curve di Nelson per il grado di lega specifico. Le flange in un'unità di idroprocessamento di una raffineria operante a 450°C con elevata pressione parziale dell'idrogeno sono tipicamente forgiate F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (acciaio inossidabile duplex e super duplex): Utilizzato nel settore petrolifero e del gas offshore, nella movimentazione dell'acqua di mare e in ambienti di processi chimici in cui è richiesta la combinazione di elevata resistenza ed eccezionale resistenza alla vaiolatura del cloruro. F53 (super duplex, 25% Cr) ha un PREN (numero equivalente di resistenza alla vaiolatura) superiore a 40, garantendo immunità alla corrosione interstiziale dell'acqua di mare a temperatura ambiente.

Tipi di facce della flangia e selezione delle guarnizioni

Il rivestimento della flangia, ovvero la geometria della superficie di tenuta sulla faccia della flangia, viene selezionato in base alla classe di pressione, alle caratteristiche del fluido e al tipo di guarnizione. Lo standard ANSI definisce diversi tipi di rivestimento, ciascuno con un dominio di applicazione specifico. I rivestimenti più comuni sulle flange del collo saldato sono:

Volto sollevato (RF)

Il rivestimento standard per le flange delle classi 150 e 300, costituito da un plateau rialzato approssimativamente 1,6 mm (1/16 di pollice) di altezza per le classi 150 e 300 e 6,4 mm (1/4 di pollice) di altezza per la Classe 400 e superiore. La faccia rialzata concentra il carico del bullone su un'area più piccola della guarnizione, aumentando la pressione di contatto e migliorando la tenuta. La finitura superficiale della faccia in rilievo è specificata dalla norma come a motivo a scanalatura concentrica o a spirale seghettata con una rugosità superficiale compresa tra 3,2 e 6,3 µm Ra (da 125 a 250 micropollici AA). Questa finitura seghettata morde il materiale morbido della guarnizione e impedisce che venga estruso dal giunto della flangia sotto pressione.

Giunto ad anello (RTJ)

Il rivestimento standard per flange ad alta pressione dalla Classe 600 alla Classe 2500 in servizio critico. La faccia della flangia ha una scanalatura lavorata con precisione che accetta una solida guarnizione ad anello in metallo, generalmente di sezione trasversale ovale o ottagonale, realizzata con un materiale più morbido del materiale della flangia. Quando i bulloni vengono serrati, la guarnizione dell'anello si deforma plasticamente nella scanalatura, creando una tenuta metallo-metallo in grado di contenere pressioni superiori a 10.000 psi e temperature superiori a 500°C . La guarnizione RTJ è l'unico tipo di guarnizione accettato per vapore ad alta pressione, acqua di alimentazione di caldaie e servizi di idrocarburi in cui uno scoppio della guarnizione avrebbe conseguenze catastrofiche. I materiali standard per le guarnizioni degli anelli sono ferro dolce (per flange in acciaio al carbonio), acciaio inossidabile 304 o 316 e varie leghe di nichel per servizi corrosivi e ad alta temperatura.

Faccia piatta (FF)

Utilizzato principalmente per flange in ghisa Classe 125 e per collegamenti a ugelli di apparecchiature a faccia piatta in cui una flangia a faccia rialzata piegherebbe e spezzerebbe la flangia in ghisa di accoppiamento quando i bulloni vengono serrati. Una guarnizione su tutta la superficie, che si estende fino al cerchio del bullone, viene utilizzata con le flange a faccia piatta per distribuire uniformemente il carico del bullone su tutta l'area della faccia.

La procedura di saldatura di testa e il controllo della zona interessata dal calore

L'installazione di una flangia weld neck su un tubo richiede a Saldatura di testa con scanalatura a V singola a penetrazione totale che unisce lo smusso lavorato all'estremità del mozzo della flangia allo smusso corrispondente sull'estremità del tubo. La saldatura viene generalmente eseguita utilizzando il processo di saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW) per la passata di radice per garantire la completa penetrazione e una superficie della radice pulita e priva di ossidi, seguito dalla saldatura ad arco di metallo schermato (SMAW) o dalla saldatura ad arco con nucleo animato (FCAW) per i passaggi di riempimento e di copertura. La specifica della procedura di saldatura (WPS) deve essere qualificata secondo ASME Sezione IX e il saldatore deve essere qualificato per il materiale, lo spessore e la posizione specifici.

La considerazione critica sulla saldatura per le flange del collo saldato è la controllo della zona termicamente alterata (HAZ) nel mozzo flangiato . Il mozzo flangiato vicino alla saldatura è soggetto a un ciclo termico complesso che può alterarne la microstruttura, indurre tensioni residue e, per alcuni acciai legati, creare una zona martensitica dura e fragile se la velocità di raffreddamento è troppo rapida. Per flange in acciaio legato al cromo-molibdeno (ASTM A182 F11, F22), il preriscaldamento da 200°C a 300°C (da 400°F a 575°F) è obbligatorio prima della saldatura per rallentare la velocità di raffreddamento e prevenire la formazione di martensite, ed è necessario un trattamento termico post-saldatura (PWHT) da 675°C a 730°C (da 1250°F a 1350°F) per un'ora per 25 mm di spessore della saldatura per temperare la HAZ, alleviare le tensioni residue e ripristinare la resistenza alla frattura del materiale. Il PWHT di un assieme di tubi flangiati saldati viene eseguito sulla saldatura completata e la durezza della HAZ viene verificata mediante test di durezza portatili secondo ASTM E110 per confermare che la durezza è inferiore al massimo specificato, in genere 225 HBW per P-No. 4 e P-No. Acciai legati 5A al servizio di raffineria.

Ispezione, test e documentazione di qualità

Una flangia weld neck prodotta secondo uno standard ANSI viene fornita con una serie di documenti di qualità obbligatori e facoltativi che ne verificano la conformità alle specifiche materiali e dimensionali. Il Rapporto di prova sui materiali (MTR) o certificato di fabbrica è il documento principale, che certifica il numero di calore della forgiatura, la sua composizione chimica, la sua resistenza alla trazione, resistenza allo snervamento, allungamento e riduzione dell'area da una prova di trazione e la sua durezza. Per le flange in acciaio al carbonio a bassa temperatura (A350 LF2), l'MTR include anche i risultati della prova di impatto Charpy con intaglio a V alla temperatura di prova specificata. Per le flange in acciaio inossidabile, l'MTR include i risultati del test di corrosione intergranulare quando specificato. L'MTR deve essere riconducibile alla flangia tramite il numero di calore, che è stampato sulla periferia della flangia insieme al grado del materiale, alla classe di pressione, alla dimensione nominale del tubo e al marchio di identificazione del produttore secondo i requisiti di marcatura di ASME B16.5.

Include l'esame non distruttivo della flangia finita ispezione visiva delle superfici lavorate, del rivestimento e dello smusso di saldatura per sovrapposizioni, giunture, crepe e altre discontinuità superficiali secondo MSS SP-55. Per le flange per servizi critici, è specificata un'ulteriore NDE: esame con liquidi penetranti (PT) o esame con particelle magnetiche (MT) della faccia della flangia, della transizione mozzo-faccia e dello smusso di saldatura secondo ASME B16.5 paragrafo 8.3; ed esame ultrasonico (UT) dell'intero volume di forgiatura secondo ASTM A388 o la specifica di forgiatura ASTM applicabile per rilevare difetti interni come inclusioni, vuoti o laminazioni. I criteri di accettazione per questi esami sono definiti dallo standard di forgiatura ASTM applicabile e dai requisiti supplementari dell'acquirente.

Coppia dei bulloni, compressione della guarnizione e assemblaggio senza perdite

L'assemblaggio di un giunto a flangia con collo saldato ANSI richiede serraggio controllato dei bulloni a una coppia o a una sollecitazione specificata per ottenere la compressione della guarnizione necessaria per una tenuta senza perdite senza sollecitare eccessivamente la flangia, i bulloni o la guarnizione. I bulloni vengono serrati secondo uno schema a croce, chiamato anche schema a stella, in almeno tre passaggi di coppia crescente: 30%, 60% e 100% della coppia target. Questo serraggio progressivo garantisce una compressione uniforme della guarnizione ed evita l'inclinazione della flangia, che creerebbe uno spazio a forma di cuneo che la guarnizione non riuscirebbe a riempire.

La coppia target del bullone viene calcolata dalla sollecitazione di inserimento della guarnizione, dall'area di contatto della guarnizione, dal carico di snervamento del materiale del bullone e dal coefficiente di attrito delle filettature del bullone e della superficie di appoggio del dado. La sollecitazione del bullone target è in genere Dal 40% al 70% del carico di snervamento del materiale del bullone per guarnizioni standard, con l'estremità inferiore della gamma utilizzata per guarnizioni morbide come fibra compressa o PTFE e l'estremità superiore per guarnizioni metalliche e a spirale. La lubrificazione delle filettature dei bulloni e delle superfici di appoggio dei dadi con un composto antigrippaggio ad alta pressione è essenziale per ottenere un rapporto coerente tra coppia e tensione dei bulloni; le filettature non lubrificate possono consumare il 50% o più della coppia applicata in attrito, determinando un precarico del bullone significativamente inferiore al valore calcolato. Per i giunti flangiati critici nelle tubazioni di processo ASME B31.3, la procedura di serraggio dei bulloni è una parte documentata del processo di garanzia della qualità e i valori di coppia dei bulloni vengono registrati su un rapporto sull'integrità del giunto flangiato.