Зазор 1/16 дюйма, который решает все: руководство для инженера по фланцам труб, привариваемых в раструбы

Каждый фланец трубы с раструбной сваркойпокидает завод с одной невидимой характеристикой, которую большинство инженеров никогда не измеряют на-площадке: компенсационный зазор 1,6 мм (1/16-дюйма) между концом трубы и буртиком раструба. Это число, предусмотренное ASME B31.1, параграф. 127.3 и ASME B31.3, параграф. 311.2.4 -, является единственной наиболее важной установочной переменной для этого типа фланцев. Сделайте это правильно, и соединение сможет пережить всю систему трубопроводов. Сделайте это неправильно или соедините его с неподходящим материалом в агрессивной среде, и вы столкнетесь с усталостным растрескиванием, щелевой коррозией или внеплановым остановом в течение нескольких месяцев.

В этом руководстве не просто объясняется, что такое фланец трубы, приваренный в раструбе -, оно объясняет инженерную физику, лежащую в основе зазора 1,6 мм, логику выбора материала, которая превращает известную слабость в управляемый риск, а также конкретные условия, при которых этот тип фланца является подходящим инструментом для работы, а когда - нет. Прочитав, вы получите обоснованную схему выбора и поймете закономерности отказов, которые застают врасплох большинство инженеров по трубопроводам.

1.1 Основной механизм

A фланец трубы с раструбной сваркойпредставляет собой кованый-стальной диск с расточенным гнездом со стороны трубы. Труба вставляется в это гнездо и фиксируется одним угловым сварным швом по внешней окружности ступицы. Внутренний выступ муфты одновременно выполняет две функции: фиксирует трубу на правильной глубине вставки и - после намеренного отвода трубы на 1,6 мм - создает контролируемый кольцевой зазор на конце трубы.

Этот пробел не является упущением. Это несущая-машина. При наплавке углового шва под воздействием тепла местная температура металла трубы повышается до 1400–1500 градусов. Нержавеющая сталь марки 316 имеет коэффициент теплового расширения примерно 16 × 10⁻⁶ м/м·град. Для трубы DN25 с глубиной вставки 100 мм разница температур окружающей среды и сварочной ванны в 1200 градусов приводит к осевому расширению примерно 1,9 мм. Без зазора труба сильно прижимается к заплечику раструба, сварной шов остывает под действием ограниченной сжимающей нагрузки, а остаточное растягивающее напряжение остается зафиксированным в соединении. Каждый последующий термический цикл накапливает усталостные повреждения из этого начального состояния.

1.2 Усталостная прочность - Преимущество 50 %

Согласно проектным данным ASME B16.5, усталостная прочность раструбного сварного соединения на 50 % выше, чем у двойного -сварного соединения-на фланце. Это преимущество существует потому, что раструб удерживает конец трубы в радиальном направлении, уменьшая передачу изгибающего момента в сварной шов, а также потому, что один внешний угловой шов имеет более благоприятную геометрию концентрации напряжений, чем внутренний выступ сварного шва накладного-фланца. Однако это преимущество условно: оно предполагает правильное соблюдение зазора в 1,6 мм. Небольшой разрыв сводит на нет преимущество и меняет сравнение на противоположное.

2.1 Почему зазор создает риск коррозии

Тот же кольцевой зазор, который предотвращает усталостное растрескивание, создает ограниченную щель. В щелевой геометрии кислород потребляется в результате реакции коррозии быстрее, чем он может быть восполнен за счет диффузии из объемной жидкости. В результате образуется локально обедненная, подкисленная и хлоридная-микросреда-среда - — классическая электрохимическая установка для щелевой коррозии. Вот почему параграф . 311.2.4 ASME B31.3 явно ограничивает раструбные сварные соединения в условиях, склонных к щелевой коррозии или в тех случаях, когда разрушение щелей жидкостью может ускориться.

2.2 Выбор материала как основное средство смягчения последствий

Щелевую коррозию нельзя исключить из геометрии раструбного сварного шва, но ею можно управлять путем выбора материала. Ключевым параметром является эквивалентное число сопротивления точечной коррозии (PREN), определяемое как: PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N. Более высокие значения PREN указывают на большую устойчивость к локальной коррозии.

2.3 Реальный-случай мирового сбоя

Анализ отказов за 2019 год, опубликованный в журналеАнализ инженерных отказов(ScienceDirect, номер документа: 10.1016/j.engfailanal.2019.104297) задокументировал фланец из нержавеющей стали, приваренный в раструб для эксплуатации в морской воде, который вышел из строя из-за щелевой-микробиологической коррозии (MIC). Материал фланца представлял собой супердуплекс UNS S32760 - с PREN 40+ -, а его состав и микроструктура соответствовали стандартам ASTM A182. Неисправность возникла не из-за недостатка материала, а из-за самой геометрии щели, которая создавала застойные условия, благоприятные для сульфатвосстанавливающих бактерий. Исследование пришло к выводу, что даже высоколегированная-нержавеющая сталь подвержена образованию щелей MIC, когда геометрия соединения по своей природе-формирует щели.

Инженерное значение:Одного материального обновления недостаточно для самых агрессивных услуг. Если жидкость содержит сульфатвосстанавливающие -бактерии (SRB), галогениды в концентрации выше 1000 ppm или застойную морскую воду, еще раз рассмотрите, подходит ли геометрия раструбного сварного шва - независимо от сплава -. Приварные фланцы с шейкой и стыковыми-сварными соединениями полностью исключают щель.

3.1 Габаритные характеристики

3.2 Сравнение международных стандартов

Вместо того, чтобы перечислять свойства и оставлять решение о выборе читателю, в этом разделе представлена ​​структурированная пятиэтапная-структура, которая отражает то, как инженеру по трубопроводам следует подходить к решению о том, следует ли использовать фланец трубы, приваренный в раструб для конкретного применения.

Шаг 1 - Проверка размера трубы

Сварные соединения враструб определены для размеров от NPS 1/2" до NPS 4" в соответствии с ASME B16.5. Геометрия выше NPS 4 дюймов становится экономически -неэффективной по сравнению со сварной шейкой и не подпадает под действие основных стандартов. Для класса 1500 практический верхний предел составляет NPS 2-1/2 дюйма. Для критической циклической эксплуатации (например, паровой удар, выпуск поршневого насоса) ограничьтесь значением NPS 1-1/2 дюйма независимо от класса давления. Если размер вашей трубы превышает NPS 1-1/2 дюйма и работа является циклической, укажите приварную муфту.

Шаг 2 - Классификация жидкости

Шаг 3 - Подтвердите класс давления и температуру

Сопоставьте-рабочее давление и температуру со значениями ASME B16.5, таблица 2-1.1 (для аустенитной нержавеющей стали) или EN 1092-1 PN. Помните, что номинальное давление снижается при повышении температуры. SS316L при 200 градусах имеет примерно 65% номинала окружающей среды. Фланцы под приварку в раструбе не соответствуют классу ASME 2500 -. Если для вашего процесса требуется класс 2500, укажите приварную шейку.

Шаг 4 - Оценка требований к проверке

Поскольку геометрия углового сварного шва препятствует радиографическому контролю (RT), раструбные сварные соединения проверяются магнитопорошковым (MPI) или методом цветной дефектоскопии (LPI). Если в спецификациях вашего проекта требуется 100 % RT всех сварных швов -, обычных для работы с жидкостями категории M в соответствии с ASME B31.3, раструбная сварка - трубопроводов класса 1 атомной или морской промышленности не допускается. Укажите сварную шейку с соединением под сварку встык.

Шаг 5 - Проверка материала и обработки поверхности после-сварки

После сварки зона термического-влияния (ЗТВ) теряет пассивный слой оксида хрома. Для марок SS304/316 травление и пассивация после-сварки в соответствии с ASTM A380/ASTM A967 восстанавливают полную коррозионную стойкость. Для дуплексных марок контроль тепловложения (менее или равный 1,5 кДж/мм) и межпроходная температура (менее или равна 150 градусам) имеют решающее значение для поддержания фазового баланса аустенита/феррита. Запросите подтверждение того, что спецификации процедур сварки (WPS) охватывают эти параметры.

5.1 Последовательность установки

Следующая последовательность действий применима ко всем фланцам труб из нержавеющей стали, приваренным в раструб, согласно ASME B31.1 и ASME B31.3:

5.2 Три наиболее распространенные ошибки поля

Ошибка 1 -. Пропуск пробела:Сварщики, испытывающие нехватку времени, часто пропускают этап отвода. Это самая частая причина растрескивания после-установки, особенно при работе с паром при высокой-температуре. Зазор не является обязательным -, это требование норм ASME B31.1 и B31.3.

Ошибка 2 - Угловой сварной шов недостаточного размера:Минимальный размер участка углового сварного шва составляет 1,4 × толщина стенки трубы, а не сама толщина стенки трубы. Сварные швы меньшего размера снижают усталостную долговечность на 30–50 % и являются частым признаком дефектов при проверке.

Ошибка 3 - Нет обработки поверхности после-сварки:Сварка обесцвечивает нержавеющую сталь и повреждает пассивный слой. Оставление теплового оттенка на сварном шве и ЗТВ фланцев из нержавеющей стали, эксплуатируемых в условиях коррозии, функционально эквивалентно установке неправильного материала. Травление + пассивация согласно ASTM A380 восстанавливает полную коррозионную стойкость.

Этот раздел так же важен, как и любая таблица технических характеристик. Техническая ценность руководства заключается не только в том, что он сообщает вам, когда использовать продукт, но и в том, что он четко указывает на его ограничения.

ASME B31.1-2022: Силовые трубопроводы (раструбная сварка: параграф . 127.3)

ASME B31.3-2022: Технологические трубопроводы (ограничение на сварку враструб: параграф . 311.2.4)

Анализ отказов раструба из нержавеющей стали-приварного фланца из-за щелевой микробиологической коррозии (MIC) - Анализ инженерных отказов, ScienceDirect, 2019. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104297.

Исследование неисправностей сварного соединения трубы из нержавеющей стали 321-с-фланцем (хлоридный SCC на нефтеперерабатывающем заводе) - Анализ инженерных отказов, ScienceDirect, 2017. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2016.12.008.