Flange forgiate standard: tipologie e applicazioni

Cosa sono le flange forgiate standard e perché la qualità dei materiali è importante

Flange forgiate standard sono componenti di connessione per tubi lavorati con precisione e prodotti attraverso il processo di forgiatura, un metodo di produzione in cui le billette di acciaio riscaldate vengono modellate sotto forza di compressione utilizzando matrici e presse, allineando la struttura delle venature del metallo lungo i contorni della parte finita. Questo allineamento del flusso dei grani, inerente alla forgiatura e assente nei componenti fusi, è ciò che conferisce alle flange forgiate la loro caratteristica combinazione di elevata resistenza alla trazione, resistenza alla fatica e tenacità agli urti che le rende il metodo di connessione preferito nelle impegnative applicazioni di tubazioni industriali in cui pressione, temperatura e mezzi corrosivi pongono requisiti estremi all'integrità del giunto.

Il materiale di partenza per le flange forgiate standard, ovvero acciaio forgiato di alta qualità, viene selezionato e testato per soddisfare i requisiti di proprietà meccaniche delle specifiche del materiale applicabile prima dell'inizio della forgiatura. I gradi di materiali comuni includono acciaio al carbonio ASTM A105 per servizio pressione-temperatura standard, acciaio inossidabile ASTM A182 F304 e F316 per servizio corrosivo in lavorazioni chimiche e ambienti marini, acciaio legato ASTM A182 F11 e F22 per servizio ad alta temperatura nella produzione di energia e nella raffinazione del petrolio e acciaio inossidabile duplex ASTM A182 F51 per servizio combinato ad alta pressione e ad alto contenuto di cloruri nella produzione offshore di petrolio e gas naturale. Ciascun tipo di materiale comporta specifici requisiti minimi di resistenza allo snervamento, resistenza alla trazione, durezza ed energia d'urto che la forgiatura deve soddisfare prima dell'inizio della lavorazione, garantendo che la flangia finita offra le prestazioni meccaniche richieste dalla progettazione del sistema di tubazioni.

Il processo di forgiatura stesso, che si tratti di forgiatura a stampo aperto per flange più grandi o di forgiatura a stampo chiuso per dimensioni standard, affina la struttura dei grani dell'acciaio, elimina la porosità interna e i vuoti presenti nel materiale fuso e produce un componente con un rapporto resistenza/peso più elevato rispetto a una fusione equivalente. Ciò è di fondamentale importanza nelle applicazioni di lavorazione del petrolio, del gas naturale e dei prodotti chimici, dove i guasti dei giunti flangiati non sono semplicemente eventi di manutenzione ma potenziali fonti di incendi catastrofici, rilasci tossici e contaminazione ambientale che comportano gravi conseguenze sulla sicurezza e sulla regolamentazione.

Tipi di flange forgiate standard e loro geometria di connessione

La gamma di flange forgiate standard La gamma disponibile copre cinque tipi di connessione primari, ciascuno ottimizzato per uno specifico metodo di collegamento del tubo, ambiente applicativo e contesto di installazione. Selezionare il tipo di flangia corretto per una determinata condizione di servizio è importante quanto selezionare la classe di pressione e il grado del materiale corretti: la geometria della connessione influisce direttamente sulla qualità della saldatura, sulla resistenza del giunto, sulla facilità di ispezione e sull'idoneità al servizio del fluido coinvolto.

Flange del collo saldate

La flangia weld neck è il tipo di flangia forgiata standard più resistente e versatile, caratterizzata da un lungo mozzo conico che passa agevolmente dalla faccia della flangia allo spessore della parete del tubo attraverso un giunto saldato di testa. Il mozzo conico distribuisce le sollecitazioni lontano dal giunto saldato e nel corpo della flangia, rendendo le flange con collo saldato la scelta preferita per condizioni di servizio cicliche, ad alta pressione e ad alta temperatura nella raffinazione del petrolio, nella trasmissione di gas naturale e nelle tubazioni di reattori chimici ad alta pressione. Il giunto saldato di testa prodotto sulla connessione flangia-tubo è a completa penetrazione ed ispezionabile radiograficamente, soddisfacendo i più elevati requisiti di qualità di saldatura dei codici dei recipienti a pressione e delle tubazioni, tra cui ASME B31.3 per tubazioni per impianti chimici e ASME B31.8 per sistemi di trasmissione del gas.

Flange slip-on

Le flange slip-on scorrono sull'estremità del tubo e sono fissate tramite saldature d'angolo sia sulla faccia che sul foro della flangia, fornendo un giunto più semplice e meno costoso rispetto alle flange a collo di saldatura al costo di una durata a fatica leggermente inferiore e di una resistenza ridotta. Sono ampiamente utilizzati nelle tubazioni di servizi a bassa pressione, nei sistemi di raffreddamento dell'acqua e nelle linee di processo non critiche negli impianti di lavorazione chimica e nelle raffinerie di petrolio dove la semplicità dell'allineamento e la lunghezza ridotta del mozzo semplificano l'installazione in pipe rack congestionati. Le flange slip-on hanno una durata a fatica inferiore di circa un terzo rispetto alle flange equivalenti con collo saldato sotto carico ciclico e generalmente non sono specificate per servizi a cicli elevati o per linee che trasportano fluidi pericolosi a pressione e temperatura elevate.

Flange saldate a presa

Le flange con saldatura a tasca sono progettate per tubazioni di piccolo diametro, in genere NPS 2 e inferiori, in cui l'estremità del tubo si inserisce in una presa ricavata nel foro della flangia ed è fissata mediante una singola saldatura d'angolo sulla faccia della presa. Il manicotto fornisce un allineamento preciso del tubo e una geometria di saldatura coerente che è particolarmente utile nella strumentazione di piccolo diametro e nelle tubazioni di servizio dove l'allineamento manuale dei giunti saldati di testa è difficile. Un requisito di installazione critico per le flange a saldare è lo spazio di 1,6 mm che deve essere mantenuto tra l'estremità del tubo e il fondo del bicchiere prima della saldatura: questo spazio impedisce che il bicchiere agisca come concentrazione di sollecitazioni e si crepa durante i cicli di dilatazione termica. Le flange a saldare sono specificate nei servizi di trattamento di gas naturale, petrolio e prodotti chimici per linee ad alta pressione di piccolo diametro, compresi collegamenti di strumenti, circuiti di bypass e punti di iniezione chimica.

Flange filettate

Le flange filettate utilizzano filettature coniche NPT o BSP lavorate nel foro della flangia per collegarsi alle estremità dei tubi filettate esternamente senza saldatura, rendendole adatte per applicazioni in cui la saldatura è vietata, comprese tubazioni che trasportano gas o vapori infiammabili dove la saldatura durante la manutenzione crea rischio di accensione, o dove è richiesto un rapido montaggio e smontaggio per l'accesso alla manutenzione. Le flange filettate sono limitate a valori di pressione-temperatura inferiori rispetto ai tipi saldati a causa della concentrazione di sollecitazioni inerente alle connessioni filettate e sono generalmente limitate alla Classe 600 e inferiore nella maggior parte dei codici di tubazione. Sono ampiamente utilizzati nei servizi petroliferi e di gas naturale per collettori di strumenti di piccolo diametro, connessioni di manometri e linee di servizio a bassa pressione nelle classificazioni di aree pericolose.

Flange cieche

Le flange cieche sono dischi solidi, senza foro per il tubo, utilizzati per chiudere l'estremità di un sistema di tubazioni, un ugello di un recipiente a pressione o un corpo di valvola in un punto in cui è previsto un futuro accesso o estensione. Sono soggette all'intero stress di flessione della pressione contenuta lungo il diametro della faccia non supportata, rendendole uno dei tipi di flangia forgiata standard più sollecitati nonostante la loro geometria apparentemente semplice. Le flange cieche sono componenti essenziali per l'isolamento delle condutture di petrolio e gas naturale, la chiusura degli ugelli dei reattori di trattamento chimico durante la manutenzione e i test di pressione di nuovi sistemi di tubazioni in cui le chiusure terminali temporanee devono essere dimensionate per la pressione di prova del sistema.

Conformità agli standard internazionali: ANSI, DIN, JIS e GB

Le flange forgiate standard traggono gran parte del loro valore commerciale dal rispetto degli standard dimensionali e dei materiali riconosciuti a livello internazionale che garantiscono l'intercambiabilità tra flange di diversi produttori e la compatibilità con apparecchiature di accoppiamento fornite da diverse fonti globali. Le quattro famiglie di standard principali - ANSI/ASME (americano), DIN (tedesco/europeo), JIS (giapponese) e GB (cinese) - definiscono ciascuna i tipi di faccia della flangia, le dimensioni del cerchio dei bulloni, il numero e le dimensioni dei fori dei bulloni, l'altezza della faccia rialzata e i valori di pressione-temperatura per ciascuna dimensione nominale del tubo e classe di pressione nell'ambito dello standard.

Per i progetti multinazionali (piattaforme petrolifere offshore, treni di liquefazione del GNL, gasdotti transfrontalieri per il gas naturale e impianti di trattamento chimico orientati all'esportazione) la capacità di fornire flange forgiate standard conformi a più standard contemporaneamente rappresenta un vantaggio significativo in termini di approvvigionamento. Un produttore di flange certificato per fornire prodotti conformi ad ANSI, DIN, JIS e GB da un unico impianto di produzione semplifica la qualificazione del fornitore, riduce i rischi relativi ai tempi di consegna derivanti dall'approvvigionamento da più fonti e fornisce un unico punto di responsabilità per la conformità dimensionale e dei materiali in tutti gli standard di flangia specificati nelle classi di materiali delle tubazioni del progetto.

Prestazioni in servizio estremo: ambienti ad alta temperatura, alta pressione e corrosivi

Le condizioni di servizio riscontrate nella raffinazione del petrolio, nella lavorazione del gas naturale e nella lavorazione chimica rappresentano alcuni degli ambienti più severi che i componenti dei sistemi di tubazioni devono sopportare in un servizio industriale continuo. Le flange forgiate standard in queste applicazioni devono mantenere prestazioni di tenuta affidabili e integrità strutturale in tutti gli intervalli di temperatura, dal servizio GNL criogenico a -162 °C attraverso condizioni di processo ambientali fino a flussi di processo di raffineria ad alta temperatura a 550 °C, a pressioni dal vuoto alla Classe 2500 (circa 420 bar a temperatura ambiente) e a contatto con mezzi che vanno dal gas naturale secco al greggio acido umido contenente idrogeno solforato, cloruri e acidi organici che attaccano aggressivamente l'acciaio al carbonio e molti materiali inossidabili. leghe di acciaio.

Il mantenimento di prestazioni affidabili in servizio ad alta temperatura richiede un'attenzione particolare al comportamento di scorrimento del materiale della flangia e dei bulloni (la tendenza dei metalli a deformarsi lentamente sotto sollecitazione sostenuta a temperatura elevata) che può causare il rilassamento del carico del bullone e la progressiva riduzione dello stress della guarnizione che alla fine porta a perdite del giunto della flangia senza alcun cambiamento esterno nelle condizioni operative. La selezione dei materiali per il servizio ad alta temperatura dà priorità ai gradi di acciaio legato con aggiunte di cromo e molibdeno (F11, F22, F91) che forniscono una resistenza allo scorrimento viscoso significativamente migliore rispetto alle flange in acciaio al carbonio A105 semplici, mantenendo un carico adeguato dei bulloni e uno stress di sede della guarnizione attraverso anni di servizio continuo ad alta temperatura in ambienti di lavorazione petrolifera e chimica.

Negli ambienti di servizio corrosivi, in particolare il servizio di gas acido e greggio acido comune nella produzione e raffinazione del petrolio, la selezione dei materiali deve inoltre affrontare il rischio di cracking da stress da solfuro (SSC). NACE MR0175/ISO 15156 definisce i limiti di durezza e i requisiti di qualificazione dei materiali per i componenti metallici nel servizio di petrolio e gas naturale contenente H₂S e le flange forgiate standard specificate per il servizio acido devono essere conformi a questi requisiti, in genere limitando le flange in acciaio al carbonio e legato a una durezza massima di 22 HRC e limitando alcuni gradi di lega che sono suscettibili all'SSC indipendentemente dal livello di durezza.

Precisione dimensionale, prestazioni di tenuta e controllo di qualità

Le prestazioni di tenuta di un giunto flangiato dipendono da tre fattori in misura più o meno uguale: selezione e compressione della guarnizione, applicazione del carico del bullone, precisione dimensionale della faccia della flangia e finitura superficiale. Le flange forgiate standard conformi ad ANSI B16.5, DIN EN 1092-1 o standard equivalenti definiscono le tolleranze dimensionali e i requisiti di finitura frontale che, se soddisfatti, consentono un comportamento prevedibile della guarnizione e una tenuta affidabile nell'intero intervallo di valori di pressione-temperatura della classe di flangia. Le flange che non soddisfano queste tolleranze, anche entro i limiti di superamento/fallimento di un'ispezione visiva superficiale, creano una compressione irregolare della guarnizione che si traduce in percorsi di perdita alla pressione di esercizio, in particolare durante il ciclo termico che carica e scarica ripetutamente la guarnizione mentre il sistema di tubazioni si riscalda e si raffredda.

Il rigoroso controllo di qualità nella produzione di flange forgiate standard comprende l'intera sequenza di produzione, dalla verifica del materiale in entrata fino all'esame dimensionale e non distruttivo finale. Le seguenti fasi di controllo qualità sono una pratica standard nella produzione di flange conformi per applicazioni di lavorazione di petrolio, gas naturale e prodotti chimici:

• Identificazione del materiale e PMI (Positive Material Identification): Verifica tramite spettrometro XRF della composizione della lega su ciascuna colata del materiale di forgiatura in entrata, con risultati confrontati con i requisiti delle specifiche del materiale prima che la forgiatura venga autorizzata. Questo passaggio elimina lo scambio di materiali, una nota causa principale di guasti alle tubazioni di alto profilo nel servizio petrolchimico.
• Controllo dimensionale: CMM o misurazione manuale del diametro del foro, del diametro esterno della flangia, del diametro del cerchio dei bulloni, della posizione e del diametro dei fori dei bulloni, del diametro della superficie rialzata, dello spessore della flangia e delle dimensioni del mozzo rispetto alla tabella dimensionale dello standard applicabile, con risultati registrati su rapporti di ispezione dimensionale riconducibili al calore di produzione e al numero di lotto.
• Misura della finitura della faccia della flangia: Misurazione con profilometro della finitura superficiale della faccia rialzata o della scanalatura del giunto anulare per confermare la conformità ai requisiti ASME B16.5 - tipicamente 125–250 µin Ra per flange a faccia rialzata con finitura seghettata a spirale - necessari per un posizionamento affidabile della guarnizione morbida e un servizio senza perdite.
• Test di durezza: Test di durezza Brinell o Rockwell di ogni flangia o campione di lotto termico per verificare la conformità ai requisiti delle specifiche dei materiali e, per le flange per servizio acido, ai limiti di durezza NACE MR0175.
• Esami non distruttivi (NDE): Test con particelle magnetiche (MT) o test con liquidi penetranti (PT) delle superfici delle flange per rilevare difetti di rottura della superficie; test ad ultrasuoni (UT) di forgiati per discontinuità interne in flange con specifiche superiori o di dimensioni maggiori dove l'esame volumetrico è richiesto dalla specifica di acquisto o dal codice applicabile.

Selezione di flange forgiate standard per requisiti di progetto specifici

Una selezione efficace della flangia per progetti di lavorazione di petrolio, gas naturale e prodotti chimici richiede un approccio strutturato che affronti contemporaneamente classe di pressione, qualità del materiale, tipo di flangia, tipo di superficie e conformità agli standard anziché trattare ciascuna variabile in modo indipendente. Il seguente quadro di selezione fornisce un punto di partenza pratico per gli ingegneri delle tubazioni e i team di approvvigionamento che specificano flange forgiate standard per nuovi progetti o forniture sostitutive:

• Determinare la classe di pressione determinante: Calcolare la classe di pressione richiesta dalla pressione operativa massima consentita (MAOP) e dalla temperatura massima di progetto del servizio, utilizzando le tabelle di pressione-temperatura in ASME B16.5 o lo standard applicabile. Selezionare sempre la classe di pressione standard immediatamente superiore al requisito calcolato: le flange non devono mai essere utilizzate alla condizione di pressione-temperatura nominale massima come margine di progettazione.
• Selezionare il grado del materiale in base al servizio del fluido: Acciaio al carbonio A105 per servizio non corrosivo, a temperatura moderata; acciaio inossidabile F304/F316 per servizi di trattamento chimico corrosivo; acciaio legato F11/F22 per servizi energetici e petroliferi a temperature elevate; duplex F51 per servizi offshore ad alto contenuto di cloruri. Confermare i requisiti di conformità NACE MR0175 per qualsiasi servizio contenente concentrazioni di H₂S superiori alla soglia.
• Scegli il tipo di flangia in base alla severità del servizio: Collo saldato per servizio ad alta pressione, alta temperatura e ciclico; slip-on per servizi di pubblica utilità a bassa pressione; saldatura a bicchiere per linee di strumentazione ad alta pressione di piccolo diametro; filettato per applicazioni senza zone di saldatura; tenda per punti di terminazione e isolamento del sistema.
• Confermare la conformità agli standard per la giurisdizione del progetto: Specificare ANSI/ASME per progetti nordamericani e internazionali, DIN/EN per progetti europei, JIS per progetti giapponesi e alcuni progetti asiatici e GB per progetti nazionali cinesi. Per i progetti multinazionali, specificare lo standard primario con requisiti di equivalenza per standard alternativi dove è richiesta l'intercambiabilità tra le catene di fornitura globali.
• Valutare soluzioni personalizzate per esigenze non standard: Per le applicazioni in cui le dimensioni standard, le classi di pressione o i gradi dei materiali non soddisfano i requisiti specifici del progetto o delle condizioni di lavoro, tra cui il servizio a temperature estreme, i mezzi corrosivi aggressivi o la geometria dell'ugello specifica dell'apparecchiatura, le flange forgiate standard personalizzate prodotte secondo disegni e specifiche dei materiali specificati dal cliente forniscono la flessibilità ingegneristica per soddisfare le diverse esigenze di progetto senza compromettere gli standard di lavorazione di precisione e di controllo qualità che definiscono prestazioni affidabili della flangia in ambienti di servizio critici.
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