ANSI szabványos hegesztett nyakú kovácsolt karimák: Műszaki adatok és alkalmazások

An ANSI szabványos hegesztett nyakú kovácsolt karima az előnyben részesített választás az igényes csővezetéki alkalmazásokhoz, mert A kúpos agy sima feszültségátmenetet biztosít a karima felületétől a csőfalig, kiküszöbölve a hirtelen megszakításokat, amelyek turbulenciát és fáradási hibákat okoznak más karimatípusoknál . A karimát egy teljesen áthatoló tompahegesztéssel rögzítik a csőhöz az agy végén, olyan kötést hozva létre, amely ugyanolyan erős, mint maga a cső, és röntgenvizsgálattal ellenőrizhető a hegesztési varrat integritása érdekében. Ez a tervezési jellemző, kombinálva a kovácsolási eljárással elért szemcseáramlási irányultsággal, a hegesztési nyakkarimát teszi az egyetlen olyan karimatípussá, amely általánosan elfogadott kritikus nagynyomású, magas hőmérsékletű és ciklikus terhelésű szolgáltatásokhoz a kőolaj-, petrolkémiai és energiatermelő iparban. Ha egy ANSI szabvány szerint határozzák meg – leggyakrabban ASME B16.5 csőméretig 24 hüvelykig és ASME B16.47 nagyobb átmérőjűekhez –, a karima méretei, a nyomás-hőmérséklet-értékek és az anyagkövetelmények teljes mértékben szabványosak, biztosítva a cserélhetőséget bármely gyártó szelepeivel, szerelvényeivel és berendezéseivel a világon.

A kovácsolás előnye: Miért fontos a gabonaáramlás?

A kovácsolási folyamat alapvetően megváltoztatja az acél belső szerkezetét oly módon, hogy a lemezből történő öntés vagy megmunkálás nem reprodukálható. A kovácsolt karima acél tuskóként kezdődik – öntött tuskó vagy folyamatosan öntött tömb, amelyet melegen megmunkáltak a belső porozitás lezárására –, és a kovácsolószerszámok között hatalmas nyomóerő hatására formálódnak. Ez az alakváltozás megnyújtja a nemfémes zárványokat és a szemcsehatárokat a fémáramlás irányában, ami egy folyamatos szemcseáramlási mintázat, amely követi a karima kontúrját . Az igazított szemcseszerkezet ellenáll a repedés terjedésének az alkalmazott feszültségre merőlegesen, így a kovácsolt karima kifáradási ellenállása és ütésállósága jobb, mint egy öntött vagy lemezből vágott karimához, ahol a szemcse orientációja véletlenszerű vagy merőleges az elsődleges feszültség irányára.

Kifejezetten egy hegesztési nyakkarima esetében a kovácsolási eljárást úgy tervezték meg, hogy a szemcseáramlási vonalak folyamatosan futnak a karimától felfelé a kúpos agyon és a hegesztési kúpig. Ez azt jelenti, hogy amikor a karimát tompahegesztettük a csőhöz, a szemcseáramlás a karimában és a csőben egy vonalba kerül, így kohászatilag homogén kötés . A gyenge határréteg hiánya – az öntött szerkezetek jellemzője, ahol a felületi hidegzóna találkozik az oszlopos szemcsezónával – azt jelenti, hogy nincs preferenciális tönkremeneteli út. Az olyan kritikus szolgáltatásoknál, mint a hidrogénszolgáltatás, a savanyúgáz-feldolgozás vagy a magas hőmérsékletű gőz, ez a folytonos szemcseszerkezet elengedhetetlen a mikroszerkezeti megszakadások esetén kialakuló ridegedés és repedés megakadályozásához.

ANSI / ASME B16.5 nyomásosztály és méretrendszer

A hegesztési nyakkarimákat szabályozó ANSI szabvány – amelyet most az ASME as tesz közzé ASME B16.5 - a karimákat nyomásosztályokba rendezi, amelyek meghatározzák az adott anyaghoz adott hőmérsékleten megengedett legnagyobb üzemi nyomást. A hegesztési nyakkarimák szabványos nyomásosztályai 150, 300, 400, 600, 900, 1500 és 2500. Az osztályszám nem az üzemi nyomás psi-ben; ez egy nyomás-hőmérséklet besorolási táblázatnak megfelelő megnevezés. A 300-as osztályú szénacél karima (ASTM A105) környezeti hőmérsékleten üzemi nyomáshatára kb. 740 psi (51 bar) , míg ugyanez a karima 400 °C-on (750 °F) körülbelül 635 psi-re (44 bar) csökken. A szélső végén a 2500 osztályú ötvözött acél karima ellenáll a 6000 psi-t meghaladó nyomásnak környezeti hőmérsékleten.

Az egyes nyomásosztályokat megkülönböztető méretjellemzők a a karima vastagsága, az agy átmérője az alapnál, a csavar kör átmérője, valamint a csavarfuratok száma és mérete . A nyomásosztály növekedésével ezek a méretek nőnek a nagyobb mechanikai terhelések kezeléséhez, még akkor is, ha a névleges csőméret változatlan marad. Az alábbi táblázat szemlélteti, hogy a kulcsméretek hogyan skálázhatók a nyomásosztályokkal egy általános 4 hüvelykes (DN 100) hegesztési nyakkarimához.

A hegesztési nyakperem furata úgy van megmunkálva, hogy illeszkedjen a névleges csőfalvastagság az összekötő csőről. Ez azt jelenti, hogy adott névleges csőmérethez különböző furatátmérőjű karimák állnak rendelkezésre a szabványos, az extra erős (XS) és a dupla extra erős (XXS) csőmenetrendhez. A furattűrést a szabvány határozza meg, és az agy végén lévő hegesztési szöget 37,5 fokos szögben megmunkálják, körülbelül 1,6 mm-es gyökérfelülettel, az ASME B16.25 szerint, hogy szabványos V-hornyot hozzon létre a tompahegesztési kötés számára.

Anyagminőségek és hőmérséklet-nyomás-borítékuk

Az anyag, amelyből a hegesztési nyakkarimát kovácsolják, meghatározza a kész alkatrész hőmérséklet- és nyomáshatárait, valamint az adott korróziós mechanizmusokkal szembeni ellenállását. Az ASME B16.5 hivatkozik az ASTM anyagspecifikációira, a nyomás-hőmérséklet minősítési táblázatok pedig anyagcsoportonként vannak rendezve. Az anyag kiválasztása a döntés alapján történik a tervezési hőmérséklet, a tervezési nyomás, a folyadék kémiája és a környezeti repedési mechanizmusok lehetősége mint például a szulfidos feszültségrepedés savanyú üzemben vagy a kloridos feszültségkorróziós repedés forró kloridoknak kitett ausztenites rozsdamentes acéloknál.

Az ANSI hegesztett nyakkarimák leggyakrabban meghatározott kovácsolóanyagai és tipikus alkalmazási borítékai a következők:

• ASTM A105 (szénacél): Az általános ipari szolgáltatások szabványos anyaga -29°C és 425°C között (-20°F és 800°F között). Nem alkalmas 425°C feletti hosszan tartó expozícióra a grafitosítás miatt, vagy 0 m alatti hőmérsékletekre, amelyek a képlékeny-törékeny átalakulási hőmérséklet alatt vannak ütésvizsgálat nélkül. Gőz-, víz-, olaj- és nem korrozív szénhidrogén-szolgáltatásokhoz használják. Ez a legelterjedtebb és leggazdaságosabb kovácsolt karimaanyag, amely a korróziómentes üzemben beépített hegesztési nyakkarimák többségét képviseli.
• ASTM A350 LF2 (alacsony hőmérsékletű szénacél): Ellenőrzött kémiával és finomszemcsés gyakorlattal rendelkező szénacél, Charpy ütésvizsgálattal -46°C-on (-50°F). Hideg éghajlaton és cseppfolyósított gáz kezelésében működő csőrendszerekhez használják, ahol az A105 rideg törés kockázatával jár. A karima felületét jellemzően emelt felülettel vagy gyűrűs csatlakozási felülettel látják el a specifikáció szerint.
• ASTM A182 F304/F304L és F316/F316L (ausztenites rozsdamentes acél): Szabványos anyagok korrozív vegyi szolgáltatásokhoz, élelmiszer-feldolgozáshoz és gyógyszerészeti alkalmazásokhoz. Az "L" fokozatok (alacsony széntartalmú, maximum 0,03% széntartalom) hegesztett gyártásokhoz és 425°C feletti üzemelésekhez vannak megadva, ahol a nem stabilizált minőségek érzékenyek az érzékenységre és a szemcseközi korrózióra. Az F316/F316L 2-3%-os molibdén hozzáadásával az F304-hez képest jobb ellenállást biztosít a pontkorrózióval szemben kloridtartalmú környezetben.
• ASTM A182 F11 és F22 (króm-molibdén ötvözött acél): A finomítók és erőművek magas hőmérsékletű kiszolgálására szolgáló igásló anyagok 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) és 2,25% Cr-1% Mo (F22) minőséggel. Ezek az anyagok megőrzik szakítószilárdságukat 600°C (1100°F) hőmérsékletig, és ellenállnak a hidrogéntámadásnak magas hőmérsékletű hidrogénüzemben, ha az adott ötvözetminőség Nelson-görbéjén belül használják őket. A 450°C-on, nagy hidrogén parciális nyomással üzemelő finomítói hidrofeldolgozó egység karimája jellemzően F22 kovácsolás.
• ASTM A182 F51 / F53 (duplex és szuper duplex rozsdamentes acél): Tengeri olaj- és gázipari, tengervízkezelési és kémiai folyamatok környezetében használják, ahol a nagy szilárdság és a kivételes kloridos lyukállóság kombinációja szükséges. Az F53 (szuper duplex, 25% Cr) PREN-értéke (Pitting Resistance Equivalent Number) 40 feletti, így környezeti hőmérsékleten védettséget biztosít a tengervíz réskorróziójával szemben.

Karima homloktípusok és tömítések kiválasztása

A karima felületét – a tömítőfelület geometriáját a karima felületén – a nyomásosztály, a folyadék jellemzői és a tömítés típusa alapján kell kiválasztani. Az ANSI szabvány több homlokzati típust definiál, mindegyikhez egy adott alkalmazási tartomány tartozik. A hegesztési nyakkarimák leggyakoribb burkolatai a következők:

Felemelt arc (RF)

A 150-es és 300-as osztályú karimák szabványos burkolata, amely kb. 1,6 mm (1/16 hüvelyk) magas a 150-es és 300-as osztályokhoz és 6,4 mm (1/4 hüvelyk) magas a 400-as és magasabb osztályokhoz. A megemelt felület a csavarterhelést egy kisebb tömítési területre koncentrálja, növelve az érintkezési nyomást és javítva a tömítést. Az emelt felület felületkezelését a szabvány a fogazott koncentrikus vagy spirális horonyminta felületi érdesség 3,2-6,3 µm Ra (125-250 mikroinch AA). Ez a fogazott felület beleharap a puha tömítés anyagába, és megakadályozza, hogy nyomás hatására kinyomódjon a karimás csatlakozásból.

Gyűrűs csatlakozás (RTJ)

A nagynyomású karimák szabványos burkolata a 600-as osztálytól a 2500-as osztályig kritikus üzemben. A karima felületén van egy precíziós megmunkálású horony, amely befogadja a tömör fémgyűrűs tömítést – jellemzően ovális vagy nyolcszögletű keresztmetszetű –, amely a karima anyagánál puhább anyagból készül. A csavarok meghúzásakor a gyűrűs tömítés plasztikusan deformálódik a horonyba, ami a fém-fém tömítés, amely képes elviselni a 10 000 psi-t meghaladó nyomást és 500 °C-ot meghaladó hőmérsékletet . Az RTJ tömítés az egyetlen olyan tömítéstípus, amelyet nagynyomású gőz-, kazán-tápvíz- és szénhidrogén-szolgáltatásokhoz fogadnak el, ahol a tömítés kifújása katasztrofális következményekkel járna. A szabványos gyűrűtömítés anyagok a lágyvas (szénacél karimákhoz), 304 vagy 316 rozsdamentes acél, valamint különböző nikkelötvözetek korrozív és magas hőmérsékletű szolgáltatásokhoz.

Lapos arc (FF)

Elsősorban 125-ös osztályú öntöttvas karimákhoz és lapos felületű berendezés fúvókákhoz való csatlakozásokhoz használatos, ahol a megemelt felületű karima meghajlítaná és megrepedezné az illeszkedő öntöttvas karimát a csavarok meghúzásakor. A teljes felületet lefedő tömítést, amely a csavarkörig nyúlik, lapos felületű karimákkal használják a csavarterhelés egyenletes elosztására a teljes homlokfelületen.

A tompahegesztési eljárás és a hőhatású zóna szabályozása

A hegesztési nyakkarima csőre szereléséhez a teljes behatolású, egy V-hornyú tompahegesztés amely összeköti a karimaagy végén lévő megmunkált ferde élt a csővégen lévő megfelelő ferde szöggel. A hegesztést jellemzően gáz wolfram ívhegesztés (GTAW) eljárással végzik el a gyökérátvezetéshez, hogy biztosítsák a teljes behatolást és a tiszta, oxidmentes gyökérfelületet, majd ezt követi az árnyékolt fém ívhegesztés (SMAW) vagy a fluxusos ívhegesztés (FCAW) a töltő- és sapkamenetekhez. A hegesztési eljárás specifikációját (WPS) az ASME IX. szakasza szerint kell minősíteni, a hegesztőt pedig az adott anyagra, vastagságra és pozícióra kell minősíteni.

A hegesztési nyakperemeknél a kritikus hegesztési szempont az a hőhatás zóna (HAZ) vezérlése a karima agyában . A hegesztési varrat közelében lévő peremagy összetett hőciklusnak van kitéve, amely megváltoztathatja a mikroszerkezetét, maradék feszültségeket indukálhat, és bizonyos ötvözött acélok esetében kemény, rideg martenzites zónát hoz létre, ha a hűtési sebesség túl gyors. Króm-molibdén ötvözött acél karimákhoz (ASTM A182 F11, F22), előmelegítés 200°C és 300°C (400°F és 575°F) között kötelező hegesztés előtt a hűtési sebesség lassítása és a martenzitképződés megakadályozása érdekében, valamint hegesztés utáni hőkezelés (PWHT) 675 °C és 730 °C között (1250 °F és 1350 °F között) egy órán keresztül 25 mm hegesztési vastagságonként a HAZ temperálásához, a maradék feszültségek enyhítéséhez és az anyag törékenységének helyreállításához. A hegesztett karimás-csőszerelvény PWHT-jét az elkészült varraton hajtják végre, és a HAZ keménységét az ASTM E110 szerinti hordozható keménységi teszttel igazolják, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy a keménység a megadott maximum alatt van – jellemzően 225 HBW a P-szám esetén. 4 és P-sz. 5A ötvözött acélok finomítói szolgálatban.

Ellenőrzés, tesztelés és minőségi dokumentáció

Az ANSI szabvány szerint gyártott hegesztési nyakperemhez kötelező és választható minőségi dokumentumok tartoznak, amelyek igazolják, hogy megfelel az anyag- és méretspecifikációknak. A Anyagvizsgálati jelentés (MTR) vagy malomtanúsítvány az elsődleges okmány, amely igazolja a kovácsmű hőszámát, kémiai összetételét, szakítószilárdságát, folyáshatárát, nyúlását, szakítóvizsgálatból származó területcsökkenését, keménységét. Az alacsony hőmérsékletű szénacél karimák (A350 LF2) esetében az MTR tartalmazza a Charpy V-bevágásos ütési vizsgálati eredményeit is a megadott vizsgálati hőmérsékleten. A rozsdamentes acél karimák esetében az MTR tartalmazza a szemcseközi korróziós vizsgálat eredményeit, ha előírják. Az MTR-nek a karimáig nyomon követhetőnek kell lennie a perem kerületére bélyegzett hőszámmal, az anyagminőséggel, a nyomásosztályral, a névleges csőmérettel és a gyártó azonosító jelével az ASME B16.5 jelölési követelményei szerint.

A kész karima roncsolásmentes vizsgálata magában foglalja a megmunkált felületek, a burkolat és a hegesztési ferde szemrevételezés átlapolásokhoz, varratokhoz, repedésekhez és egyéb felületi megszakadásokhoz MSS SP-55 szerint. A kritikus szolgáltatású karimák esetében további NDE van előírva: folyadék behatolás vizsgálata (PT) vagy mágneses részecskék vizsgálata (MT) a karima felületén, az agy-felület átmenet és a hegesztési kúp az ASME B16.5 8.3. bekezdése szerint; és a teljes kovácsolási térfogat ultrahangos vizsgálata (UT) az ASTM A388 vagy az alkalmazandó ASTM kovácsolási specifikáció szerint a belső hibák, például zárványok, üregek vagy rétegeltségek kimutatására. E vizsgálatok elfogadási kritériumait a vonatkozó ASTM kovácsolási szabvány és a vevő kiegészítő követelményei határozzák meg.

Csavarnyomaték, tömítés kompresszió és szivárgásmentes összeszerelés

Az ANSI hegesztett nyaki karimás kötés összeszerelése szükséges szabályozott csavarhúzás meghatározott nyomatékkal vagy csavarfeszültséggel hogy elérje a szivárgásmentes tömítéshez szükséges tömítés összenyomását a karima, a csavarok vagy a tömítés túlfeszítése nélkül. A csavarokat keresztmintás sorrendben – csillagmintának is nevezik – legalább három menetben, növekvő nyomatékkal húzzák meg: a célnyomaték 30%-a, 60%-a és 100%-a. Ez a fokozatos meghúzás biztosítja, hogy a tömítés egyenletesen összenyomódjon, és megakadályozza, hogy a karima felcsavarjon, ami ék alakú rést hozna létre, amelyet a tömítés nem tud kitölteni.

A célcsavarnyomatékot a tömítés illeszkedési feszültségéből, a tömítés érintkezési felületéből, a csavar anyagának folyáshatárából, valamint a csavarmenetek és az anya csapágyfelületének súrlódási tényezőjéből számítják ki. A célcsavarfeszültség jellemzően A csavar anyagának folyáshatárának 40-70%-a szabványos tömítésekhez, a tartomány alsó végét a lágy tömítésekhez, például a sűrített szálhoz vagy a PTFE-hez, a felső végét pedig a fém és a spirálisan tekercselt tömítésekhez használják. A csavarmenetek és az anyák csapágyfelületeinek kenése nagynyomású beragadásgátló keverékkel elengedhetetlen a nyomaték és a csavarfeszesség közötti következetes kapcsolat eléréséhez; a kenetlen menetek a súrlódás során az alkalmazott nyomaték 50%-át vagy annál többet fogyaszthatnak, így a csavar előfeszítése lényegesen alacsonyabb a számított értéknél. Az ASME B31.3 technológiai csővezetékek kritikus karimás csatlakozásai esetén a csavarok meghúzási eljárása a minőségbiztosítási folyamat dokumentált része, és a csavarok nyomatékértékei a karimás csatlakozások integritási jelentésében vannak rögzítve.