ANSI-Standard-Schweißhalsflansche: Spezifikationen und Anwendungen

Ein ANSI-Standard-Schweißhals-Schmiedeflansch ist die bevorzugte Wahl für anspruchsvolle Rohrleitungsanwendungen Die konische Nabe sorgt für einen sanften Spannungsübergang von der Flanschfläche zur Rohrwand und eliminiert so die abrupte Diskontinuität, die bei anderen Flanschtypen zu Turbulenzen und Ermüdungsversagen führt . Der Flansch wird durch eine vollständig durchdringende Stumpfschweißung am Nabenende mit dem Rohr verbunden. Dadurch entsteht eine Verbindung, die so stark ist wie das Rohr selbst und zur Überprüfung der Schweißnahtintegrität radiologisch geprüft werden kann. Dieses Konstruktionsmerkmal, kombiniert mit der durch den Schmiedeprozess erzielten Kornflussausrichtung, macht den Vorschweißflansch zum einzigen Flanschtyp, der allgemein für kritische Hochdruck-, Hochtemperatur- und zyklische Belastungsanwendungen in der Erdöl-, Petrochemie- und Energieerzeugungsindustrie akzeptiert wird. Bei der Spezifikation nach einem ANSI-Standard – am häufigsten ASME B16.5 für Rohrgrößen bis zu 24 Zoll und ASME B16.47 für größere Durchmesser – sind die Flanschabmessungen, Druck-Temperatur-Werte und Materialanforderungen vollständig standardisiert und gewährleisten so die Austauschbarkeit mit Ventilen, Armaturen und Geräten aller Hersteller weltweit.

Der Schmiedevorteil: Warum der Kornfluss wichtig ist

Der Schmiedeprozess verändert die innere Struktur des Stahls grundlegend in einer Weise, die durch Gießen oder Bearbeiten aus Blech nicht reproduziert werden kann. Ein geschmiedeter Flansch beginnt als Stahlbarren – ein Gussbarren oder ein kontinuierlich gegossener Block, der warmumgeformt wurde, um die innere Porosität zu schließen – und wird unter enormer Druckkraft zwischen Schmiedegesenken geformt. Durch diese Verformung werden die nichtmetallischen Einschlüsse und die Korngrenzen in Richtung des Metallflusses verlängert, wodurch ein kontinuierliches Kornflussmuster, das der Kontur des Flansches folgt . Die ausgerichtete Kornstruktur verhindert eine Rissausbreitung senkrecht zur angelegten Spannung und verleiht dem geschmiedeten Flansch eine höhere Ermüdungsbeständigkeit und Schlagzähigkeit im Vergleich zu einem gegossenen oder plattengeschnittenen Flansch, bei dem die Kornorientierung zufällig oder senkrecht zur primären Spannungsrichtung ist.

Speziell für einen Schweißhalsflansch ist der Schmiedeprozess so konzipiert, dass die Kornflusslinien kontinuierlich von der Flanschfläche nach oben durch die konische Nabe bis in die Schweißfase verlaufen. Das bedeutet, dass beim Stumpfschweißen des Flansches an ein Rohr der Kornfluss im Flansch und im Rohr ausgerichtet wird und ein entsteht metallurgisch homogene Verbindung . Das Fehlen einer schwachen Grenzschicht – ein Merkmal von Gussstrukturen, bei denen die Oberflächenkühlzone auf die säulenförmige Kornzone trifft – bedeutet, dass es keinen bevorzugten Versagenspfad gibt. Für kritische Anwendungen wie Wasserstoffversorgung, Sauergasverarbeitung oder Hochtemperaturdampf ist diese kontinuierliche Kornstruktur von wesentlicher Bedeutung, um Versprödung und Rissbildung zu verhindern, die an mikrostrukturellen Diskontinuitäten entstehen können.

ANSI / ASME B16.5 Druckklassen- und Abmessungssystem

Der ANSI-Standard, der Vorschweißflansche regelt – jetzt veröffentlicht von ASME as ASME B16.5 – ordnet Flansche in Druckklassen ein, die den maximal zulässigen Arbeitsdruck bei einer bestimmten Temperatur für ein bestimmtes Material definieren. Die Standarddruckklassen für Vorschweißflansche sind 150, 300, 400, 600, 900, 1500 und 2500. Die Klassennummer ist nicht der Arbeitsdruck in psi; Es handelt sich um eine Bezeichnung, die einer Druck-Temperatur-Bewertungstabelle entspricht. Ein Flansch der Klasse 300 aus Kohlenstoffstahl (ASTM A105) hat bei Umgebungstemperatur eine Arbeitsdruckgrenze von ca 740 psi (51 bar) , während derselbe Flansch bei 400 °C (750 °F) auf etwa 635 psi (44 bar) herabgesetzt wird. Am äußersten Ende kann ein Flansch der Klasse 2500 aus legiertem Stahl Drücken von mehr als 6.000 psi bei Umgebungstemperatur standhalten.

Die Dimensionsmerkmale, die jede Druckklasse unterscheiden, sind die Flanschdicke, der Nabendurchmesser an der Basis, der Lochkreisdurchmesser sowie die Anzahl und Größe der Bolzenlöcher . Mit zunehmender Druckklasse erhöhen sich diese Abmessungen, um den größeren mechanischen Belastungen standzuhalten, auch wenn die Nennweite des Rohres gleich bleibt. Die folgende Tabelle zeigt, wie sich die Hauptabmessungen mit der Druckklasse für einen üblichen 4-Zoll-Vorschweißflansch (DN 100) skalieren.

Die Bohrung eines Vorschweißflansches wird passend bearbeitet Nennwandstärke des Rohres des Verbindungsrohres. Das bedeutet, dass für eine gegebene Rohrnenngröße Flansche mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern verfügbar sind, die den Rohrplänen Standard, extrastark (XS) und doppelt extrastark (XXS) entsprechen. Die Bohrungstoleranz ist in der Norm festgelegt und die Schweißfase am Nabenende wird gemäß ASME B16.25 in einem 37,5-Grad-Winkel mit einer Grundfläche von ca. 1,6 mm bearbeitet, um eine Standard-V-Nut für die Stumpfschweißverbindung zu erzeugen.

Materialqualitäten und ihr Temperatur-Druck-Umfeld

Das Material, aus dem ein Vorschweißflansch geschmiedet wird, bestimmt die Temperatur- und Druckgrenzen des fertigen Bauteils und seine Beständigkeit gegenüber bestimmten Korrosionsmechanismen. ASME B16.5 verweist auf die ASTM-Materialspezifikationen und die Druck-Temperatur-Bewertungstabellen sind nach Materialgruppen geordnet. Die Auswahl des Materials ist eine Entscheidung auf der Grundlage der Auslegungstemperatur, Auslegungsdruck, Flüssigkeitschemie und das Potenzial für umgebungsbedingte Rissbildungsmechanismen B. Sulfid-Spannungsrisse bei saurem Betrieb oder Chlorid-Spannungskorrosionsrisse in austenitischen Edelstählen, die heißen Chloriden ausgesetzt sind.

Die am häufigsten spezifizierten Schmiedematerialien für ANSI-Vorschweißflansche und ihre typischen Anwendungsbereiche sind:

• ASTM A105 (Kohlenstoffstahl): Das Standardmaterial für den allgemeinen industriellen Einsatz bei -29 °C bis 425 °C (-20 °F bis 800 °F). Aufgrund der Graphitisierung nicht für eine längere Belastung über 425 °C oder für Minustemperaturen unterhalb der Übergangstemperatur von duktil zu spröde ohne Schlagprüfung geeignet. Wird für Dampf-, Wasser-, Öl- und nicht korrosive Kohlenwasserstoffanwendungen verwendet. Dies ist das gebräuchlichste und wirtschaftlichste Material für geschmiedete Flansche und stellt den Großteil der im korrosionsfreien Betrieb installierten Vorschweißflansche dar.
• ASTM A350 LF2 (Niedrigtemperatur-Kohlenstoffstahl): Ein Kohlenstoffstahl mit kontrollierter Chemie und feiner Körnung, Charpy-Schlagzähigkeitstest bei -46 °C (-50 °F). Wird für Rohrleitungssysteme in kalten Klimazonen und bei der Handhabung von Flüssiggas verwendet, bei denen bei A105 die Gefahr eines Sprödbruchs besteht. Die Flanschfläche ist in der Regel je nach Spezifikation mit einer erhabenen Fläche oder einer Ringverbindungsfläche versehen.
• ASTM A182 F304/F304L und F316/F316L (Austenitischer Edelstahl): Die Standardmaterialien für korrosive chemische Anwendungen, Lebensmittelverarbeitung und pharmazeutische Anwendungen. Die „L“-Qualitäten (kohlenstoffarm, maximal 0,03 % Kohlenstoff) sind für Schweißkonstruktionen und für den Einsatz über 425 °C spezifiziert, wo die nicht stabilisierten Qualitäten anfällig für Sensibilisierung und interkristalline Korrosion sind. F316/F316L bietet mit seinem Molybdänzusatz von 2–3 % im Vergleich zu F304 eine verbesserte Beständigkeit gegen Lochfraß in chloridhaltigen Umgebungen.
• ASTM A182 F11 und F22 (Chrom-Molybdän-legierter Stahl): Die Arbeitsmaterialien für den Hochtemperaturbetrieb in Raffinerien und Kraftwerken mit den Sorten 1,25 % Cr-0,5 % Mo (F11) und 2,25 % Cr-1 % Mo (F22). Diese Materialien behalten ihre Zugfestigkeit bei Temperaturen bis zu 600 °C (1100 °F) und widerstehen dem Wasserstoffangriff im Hochtemperatur-Wasserstoffbetrieb, wenn sie innerhalb der Nelson-Kurven für die jeweilige Legierungssorte verwendet werden. Die Flansche in einer Hydroaufbereitungsanlage einer Raffinerie, die bei 450 °C und hohem Wasserstoffpartialdruck betrieben wird, sind typischerweise F22-Schmiedeteile.
• ASTM A182 F51 / F53 (Duplex- und Super-Duplex-Edelstahl): Wird in Offshore-Öl- und Gas-, Meerwasser- und chemischen Prozessumgebungen eingesetzt, wo eine Kombination aus hoher Festigkeit und außergewöhnlicher Chlorid-Lochfraßbeständigkeit erforderlich ist. F53 (Superduplex, 25 % Cr) hat einen PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) von über 40 und bietet somit Immunität gegen Spaltkorrosion durch Meerwasser bei Umgebungstemperaturen.

Flanschflächentypen und Dichtungsauswahl

Die Flanschfläche – die Geometrie der Dichtfläche auf der Flanschfläche – wird basierend auf der Druckklasse, den Fluideigenschaften und dem Dichtungstyp ausgewählt. Der ANSI-Standard definiert mehrere Verkleidungstypen mit jeweils einem spezifischen Anwendungsbereich. Die gebräuchlichsten Deckschichten an Vorschweißflanschen sind:

Erhöhtes Gesicht (RF)

Die Standardverkleidung für Flansche der Klassen 150 und 300 besteht ungefähr aus einem erhöhten Plateau 1,6 mm (1/16 Zoll) hoch für Klasse 150 und 300 und 6,4 mm (1/4 Zoll) hoch für Klasse 400 und höher. Die erhabene Fläche konzentriert die Schraubenlast auf eine kleinere Dichtungsfläche, wodurch der Kontaktdruck erhöht und die Abdichtung verbessert wird. Die Oberflächenbeschaffenheit der erhabenen Fläche wird in der Norm als angegeben gezacktes konzentrisches oder spiralförmiges Rillenmuster mit einer Oberflächenrauheit von 3,2 bis 6,3 µm Ra (125 bis 250 Mikrozoll AA). Diese gezahnte Oberfläche greift in das weiche Dichtungsmaterial ein und verhindert, dass es unter Druck aus der Flanschverbindung herausgedrückt wird.

Ringgelenk (RTJ)

Die Standardbeschichtung für Hochdruckflansche der Klassen 600 bis 2500 im kritischen Einsatz. Die Flanschfläche verfügt über eine präzisionsgefertigte Nut, die eine massive Metallringdichtung – typischerweise ovaler oder achteckiger Querschnitt – aus einem Material aufnimmt, das weicher als das Flanschmaterial ist. Beim Anziehen der Schrauben wird der Dichtungsring plastisch in die Nut hinein verformt, wodurch ein Metall-auf-Metall-Dichtung, die Drücken über 10.000 psi und Temperaturen über 500 °C standhalten kann . Die RTJ-Dichtung ist der einzige Dichtungstyp, der für Hochdruckdampf-, Kesselspeisewasser- und Kohlenwasserstoffanwendungen zugelassen ist, bei denen ein Durchbrennen der Dichtung katastrophale Folgen hätte. Die Standardmaterialien für Ringdichtungen sind Weicheisen (für Kohlenstoffstahlflansche), Edelstahl 304 oder 316 und verschiedene Nickellegierungen für korrosive und Hochtemperaturanwendungen.

Flaches Gesicht (FF)

Wird hauptsächlich für Gusseisenflansche der Klasse 125 und für Verbindungen mit Gerätedüsen mit flacher Stirnfläche verwendet, bei denen sich ein Flansch mit erhöhter Stirnfläche verbiegen und den zugehörigen Gusseisenflansch zerreißen würde, wenn die Schrauben festgezogen werden. Eine vollflächige Dichtung, die sich bis zum Lochkreis erstreckt, wird mit Flanschen mit flacher Stirnfläche verwendet, um die Schraubenlast gleichmäßig über die gesamte Stirnfläche zu verteilen.

Das Stumpfschweißverfahren und die Wärmeeinflusszonenkontrolle

Die Installation eines Vorschweißflansches an einem Rohr erfordert a Volldurchdringende Einzel-V-Nut-Stumpfschweißung Das verbindet die bearbeitete Abschrägung am Ende der Flanschnabe mit der passenden Abschrägung am Rohrende. Die Schweißung erfolgt in der Regel mit dem Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) für die Wurzellage, um eine vollständige Durchdringung und eine saubere, oxidfreie Wurzeloberfläche zu gewährleisten. Anschließend erfolgt das Schutzgasschweißen (SMAW) oder das Fülldraht-Lichtbogenschweißen (FCAW) für die Füll- und Decklagen. Die Schweißverfahrensspezifikation (WPS) muss gemäß ASME Abschnitt IX qualifiziert sein und der Schweißer muss für das spezifische Material, die Dicke und die Position qualifiziert sein.

Der entscheidende Schweißaspekt bei Vorschweißflanschen ist die Kontrolle der Wärmeeinflusszone (HAZ) in der Flanschnabe . Die Flanschnabe in der Nähe der Schweißnaht unterliegt einem komplexen thermischen Zyklus, der ihre Mikrostruktur verändern, Eigenspannungen induzieren und bei bestimmten legierten Stählen eine harte, spröde martensitische Zone erzeugen kann, wenn die Abkühlgeschwindigkeit zu schnell ist. Für Flansche aus Chrom-Molybdän-legiertem Stahl (ASTM A182 F11, F22), Vorheizen auf 200 °C bis 300 °C (400 °F bis 575 °F) ist zwingend erforderlich vor dem Schweißen, um die Abkühlgeschwindigkeit zu verlangsamen und Martensitbildung zu verhindern, und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) bei 675 °C bis 730 °C (1250 °F bis 1350 °F) für eine Stunde pro 25 mm Schweißnahtdicke ist erforderlich, um die HAZ zu temperieren, Restspannungen abzubauen und die Bruchzähigkeit des Materials wiederherzustellen. Der PWHT einer geschweißten Flansch-Rohr-Baugruppe wird an der fertigen Schweißnaht durchgeführt, und die Härte der HAZ wird durch tragbare Härtetests gemäß ASTM E110 überprüft, um zu bestätigen, dass die Härte unter dem angegebenen Maximum liegt – typischerweise 225 HBW für P-Nr. 4 und P-Nr. 5A-Legierungsstähle im Raffineriebetrieb.

Inspektion, Prüfung und Qualitätsdokumentation

Ein nach ANSI-Standard hergestellter Vorschweißflansch wird mit einer Reihe obligatorischer und optionaler Qualitätsdokumente geliefert, die die Übereinstimmung mit den Material- und Maßspezifikationen bestätigen. Die Materialprüfbericht (MTR) oder Mühlenzertifikat ist das Hauptdokument, das die Schmelzenzahl des Schmiedestücks, seine chemische Zusammensetzung, seine Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Flächenreduzierung aus einem Zugversuch sowie seine Härte bescheinigt. Für Tieftemperatur-Flansche aus Kohlenstoffstahl (A350 LF2) umfasst die MTR auch die Ergebnisse des Charpy-V-Kerbschlagtests bei der angegebenen Testtemperatur. Für Edelstahlflansche umfasst die MTR die Ergebnisse der Tests zur interkristallinen Korrosion, sofern angegeben. Die MTR muss anhand der Schmelzennummer, die am Rand des Flansches eingeprägt ist, zusammen mit der Materialqualität, der Druckklasse, der Nennrohrgröße und dem Herstellerkennzeichen gemäß den Kennzeichnungsanforderungen von ASME B16.5 auf den Flansch rückverfolgbar sein.

Die zerstörungsfreie Prüfung des fertigen Flansches umfasst Sichtprüfung der bearbeiteten Flächen, der Deckschicht und der Schweißnaht für Überlappungen, Nähte, Risse und andere Oberflächenunregelmäßigkeiten gemäß MSS SP-55. Für kritische Flansche ist eine zusätzliche NDE spezifiziert: Flüssigkeitseindringprüfung (PT) oder Magnetpartikelprüfung (MT) der Flanschfläche, des Naben-zu-Fläche-Übergangs und der Schweißfase gemäß ASME B16.5 Absatz 8.3; und Ultraschallprüfung (UT) des gesamten Schmiedevolumens gemäß ASTM A388 oder der geltenden ASTM-Schmiedespezifikation, um interne Defekte wie Einschlüsse, Hohlräume oder Laminierungen zu erkennen. Die Akzeptanzkriterien für diese Untersuchungen werden durch die geltende ASTM-Schmiedenorm und die ergänzenden Anforderungen des Käufers definiert.

Schraubendrehmoment, Dichtungskompression und leckagefreie Montage

Die Montage einer ANSI-Vorschweißflanschverbindung erfordert Kontrolliertes Anziehen der Schrauben auf ein bestimmtes Drehmoment oder eine bestimmte Schraubenspannung um die für eine leckagefreie Abdichtung erforderliche Dichtungskompression zu erreichen, ohne den Flansch, die Schrauben oder die Dichtung zu stark zu beanspruchen. Die Schrauben werden kreuzweise – auch Sternmuster genannt – in mindestens drei Durchgängen mit zunehmendem Drehmoment angezogen: 30 %, 60 % und 100 % des Zieldrehmoments. Dieses progressive Anziehen stellt sicher, dass die Dichtung gleichmäßig komprimiert wird und verhindert, dass sich der Flansch verzieht, wodurch ein keilförmiger Spalt entstehen würde, den die Dichtung nicht ausfüllen kann.

Das angestrebte Schraubendrehmoment wird aus der Dichtungssitzspannung, der Dichtungskontaktfläche, der Streckgrenze des Schraubenmaterials und dem Reibungskoeffizienten der Schraubengewinde und der Mutterauflagefläche berechnet. Die angestrebte Schraubenspannung beträgt typischerweise 40 % bis 70 % der Streckgrenze des Schraubenmaterials für Standarddichtungen, wobei das untere Ende des Bereichs für weiche Dichtungen wie komprimierte Fasern oder PTFE und das obere Ende für Metall- und Spiraldichtungen verwendet wird. Die Schmierung der Schraubengewinde und der Mutternauflageflächen mit einem Hochdruck-Anti-Seize-Mittel ist unerlässlich, um ein konsistentes Verhältnis zwischen Drehmoment und Schraubenspannung zu erreichen; Ungeschmierte Gewinde können 50 % oder mehr des aufgebrachten Drehmoments durch Reibung verbrauchen, was zu einer Schraubenvorspannung führt, die deutlich unter dem berechneten Wert liegt. Bei kritischen Flanschverbindungen in ASME B31.3-Prozessrohren ist das Verfahren zum Anziehen der Schrauben ein dokumentierter Teil des Qualitätssicherungsprozesses, und die Schraubendrehmomentwerte werden in einem Integritätsbericht der Flanschverbindung aufgezeichnet.