Кований фланець проти пластинчастого: потік зерна, міцність і відповідність нормам ASME

Вибір між кованим фланцем і пластинчастим фланцем виглядає як рішення про покупку, але насправді це рішення щодо матеріалів і коду. Акований фланецьформується шляхом стиснення гарячої сталі або заготовки з нікелевого сплаву під тиском у штампах, тому внутрішня кристалічна структура металу повторює контур деталі. Апластинчастий фланецьпросто вирізається - плазмою, лазером або кисневим паливом - з плоского катаного пластинчастого диска, а потім обробляється за розміром.

Два фланці можуть мати ідентичні розміри ASME B16.5 і виглядати однаково, закріплені болтами в одну лінію. Внутрішньо вони не є однією частиною. Цей посібник пояснює різницю простою мовою, кількісно визначає різницю в міцності та, що найважливіше, пояснює, коли код ASME взагалі дозволяє пластинчатий фланець.

Ковані фланці мають безперервний потік зерна, що повторює контур, і є кодом за замовчуванням для ступицевих з’єднань, що утримують тиск; пластинчасті фланці дешевші, але, відповідно до ASME B16.5, обмежені глухими фланцями та певними малими перехідними фланцями без втулок.

Що таке кований фланець і як він виготовляється?

Кований фланець формують пресуванням і забиванням гарячого металу в штампах, а не вирізанням його з плоскої плити.

Щоб зробити його, заготовку з нержавіючої сталі або нікелевого сплаву нагрівають до температури кування, потім висаджують і пресують або забивають у матрицю, яка наближається до готового фланця. Деталь підрізається, обробляється до розміру B16.5/B16.47, термічно оброблюється (відпалюється в розчині для аустенітних нержавіючих і нікелевих сплавів) і перевіряється - як правило, за допомогою ультразвуку, методом проникнення рідини або магнітно-порошкових досліджень - перед маркуванням і штампуванням.

Деформація стиснення робить три корисні речі одночасно: вона закриває внутрішню пористість і порожнечі, що залишилися після плавлення, вона розбиває грубе зерно, що залишилося після лиття, на дрібне зерно рівномірного розміру, і розтягує домішки в «стрингери», які слідують напрямку, у якому штовхнувся метал. Нержавіючі ковані фланці виготовляються відповідно до ASTM A182 (наприклад F304/L, F316/L, F51 дуплекс); Кування з нікелевих сплавів відповідають ASTM B564 (сплав 600/600, сплав 625, сплав C276, сплав 800, сплав 400).

Що таке пластинчастий фланець і як він виготовляється?

Пластинчастий фланець - це плоский диск, вирізаний з листового прокату та облицьований на токарному верстаті - немає ковки та формованої втулки.

Виробництво просте: виберіть пластину необхідного класу (нержавіюча сталь відповідно до ASTM A240; плита з нікелевого сплаву відповідно до специфікації пластин серії B), виріжте круглу заготовку плазмою, кисневим паливом або лазером, просвердліть коло болта та обробіть ущільнювальну поверхню. Оскільки пластична деформація не відбувається, пластинчаста заготовка не може утворювати конус зварної шийки або посилену втулку; частина залишається такою ж плоскою, як пластина, з якої вона вийшла.

Компроміс очевидний: брак матеріалу низький, механічна обробка мінімальна, а час виготовлення короткий. Обмеження настільки ж очевидні - готовий диск має лише ті властивості, які вже мав прокатанний лист, у всіх напрямках. Таким чином, пластинчасті фланці найчастіше з’являються як глухі фланці, опорні фланці великого діаметра для з’єднань внахлест, а також для обслуговування низького тиску.

Що таке «потік зерна» і чому це важливо?

Потік зерен – це напрямок, у якому розтягуються мікроскопічні кристали металу та сторони домішок; метал міцний уздовж волокон і слабкий поперек - так само, як дерев'яна дошка міцна уздовж волокон.

Подумайте про дерево. Розпиляйте стовбур і побачите концентричні кільця росту - це "кінцеве зерно". Розпиляйте стовбур і волокна пройдіть по довжині дошки; ця плита не згинається вздовж волокон і легко розколюється поперек. Сталь поводиться так само. Під час обробки металу - прокатки або кування - його зерна і крихітні неметалічні включення розмазуються в довгі "стрингери", які слідують робочому напрямку. Вантаж, що транспортується паралельно цьому шляху зерна, переноситься добре; навантаження, яке тягне поперек зерна або оголює обрізані кінці зерна, створює природну смугу для тріщин.

Чим насправді відрізняється потік зерна між ними?

У кованому фланці зерно безперервно обертається навколо отвору, маточини та кола болта; у пластинчастому фланці зерно проходить рівно і раптово закінчується на кожній обробленій поверхні.

Кування виштовхує матеріал заготовки назовні та вгору в матрицю, тому деформоване зерно повторює контур фланця, як кільця росту в різьбленій чаші. Немає відкритої поперечної поверхні на отворі чи втулці; основні напруги (натяг болта, внутрішній тиск, вигин маточини) діють разом з лініями потоку.

Пластинчатий фланець буває різним. Пластина була розкатана пласко, тому всі її лінії зернистості проходять горизонтально, паралельно двом великим граням. Коли цех розточує центр і повертає зовнішній діаметр, це зерно скорочується та оголює «кінцеве зерно» на отворі, поверхні втулки та поверхні ущільнення. Ці відкриті кінці знаходяться саме там, де в першу чергу відкриваються ламінування, вставні стрингери та втомні тріщини.

Що міцніше - кована чи плита?

На опублікованому аркуші даних з мінімальними специфікаціями ці два можуть виглядати однаково; в експлуатації поковка значно міцніша, більш стійка до втоми та міцна через свою товщину.

Мінімальна механіка фактично близька. ASTM A182 F316 (кований) і ASTM A240 Grade 316 (плита) визначають мінімальну міцність на розрив приблизно 515 МПа (75 фунтів на кв. дюйм) і мінімальну міцність приблизно 205 МПа (30 фунтів на кв. дюйм). Тож порівняння технічних характеристик саме по собі не виявляє технічної прогалини.

Перевага підробки проявляється там, де її не охоплює мінімальна кількість:

• Жорсткість.Гаряча обробка очищає грубе зерно в литі, підвищуючи ударну в’язкість Шарпі з V-подібним виїмкою – здатність поглинати удари без руйнування.
• Обґрунтованість.Зварювальні шви з силою стиснення закривають внутрішні порожнечі, труби та пористість, які можуть залишитися в пластині; Ультразвукова якість набагато стабільніша.
• Сила робочого напрямку.Поковки зазвичай демонструють приблизно на 10–15% вищу міцність у робочому напрямку, ніж мінімальна відпалена пластина, оскільки розмір зерен уточнюється, а дефекти закриваються.
• Наскрізна товщина.Пластина є найслабшою через свою власну товщину (напрямок "Z") - точно в напрямку попереднього натягу болта та тиску прокладки. Ламінування та стрингери діють як уже існуючі тріщини під таким навантаженням.
• Втома.Термічні цикли та циклічні зміни тиску поширюють тріщини перпендикулярно до зерна. Безперервні ковані лінії потоку відвертають тріщини; зерно торця пластини дає їм прямий шлях.

Чи змінює шлях виробництва стійкість до корозії?

Так, особливо в нержавіючих і нікелевих сплавах, тому що пластинчасті фланці залишають відкриті кінцеві зерна на поверхні ущільнення та отворі, де починається корозія.

Прокатка розтягує сульфідні та оксидні включення в стрингери, які лежать відкритими на будь-якій поверхні розрізу. Оголені торцеві зерна на контактній поверхні прокладки та на отворі є класичним місцем ініціації точкової, щілинної корозії та хлоридного корозійного розтріскування – саме з тими режимами руйнування, які інженери борються в 304/316 та в нікелевих сплавах, що працюють з морською водою, розсолами та кислотними хімічними процесами. Кований фланець обертає зерно навколо цих поверхонь, тому поверхня ущільнення несе довге зерно, а не кінцеве зерно.

Це одна з причин, чому специфікації для експлуатації в кислих умовах (NACE MR0175 / ISO 15156), офшорні та підводні специфікації майже повсюдно вимагають поковок. У корозійних умовах різниця у вартості полягає не лише в матеріалі – це ризик витоку на болтовому з’єднанні, що обертається.

Чи законні пластинчасті фланці відповідно до ASME B16.5?

Майже для кожного типу фланця, який фактично приєднується до труби, ASME B16.5 вимагає литого або кованого матеріалу; пластина допустима кодом лише для глухих фланців і деяких невеликих перехідних фланців без маточин.

Сфера застосування ASME B16.5 є явною. Стандарт охоплює «фланці та фланцеві фітинги, виготовлені з литих або кованих матеріалів», і окремо дозволяє «глухі фланці та певні перехідні фланці, виготовлені з литих, кованих або пластинчастих матеріалів». Друге речення — це весь юридичний світ для плити. У практичному плані:

• Глухі фланці:кришка, яка закриває кінець лінії - тут пластина використовується регулярно і правильно.
• Фланці перехідні без маточин:ті, чий менший вихідний отвір падає нижче граничного розміру в таблиці 6 B16.5, тому код не вимагає концентратора.
• Заборонено з таблички:фланці зі зварюваною шийкою (WN), різьбові (THD), фланці з розтрубним зварюванням (SW), насувні (SO) і фланці з втулковим з’єднанням внахлест є «фланцевими фітингами» і повинні бути литими або кованими. "Накладна пластина", виготовлена ​​з диска, не відповідає B16.5 як фітинг, що підтримує тиск, навіть якщо його розміри збігаються.

Нікелеві сплави мають більш суворі показники. Випадки ASME B16 (наприклад, B16 Case 21 для UNS N06674) стверджують, що, за винятком глухих фланців і перехідних фланців без втулок, фланці повинні виготовлятися лише з поковок відповідно до ASTM B564. Для великих діаметрів ASME B16.47 (від NPS 26 до NPS 60; серія A відповідає MSS SP-44, серія B — API 605) також надає перевагу поковкам для використання втулки, хоча великі пластинчасті глухі фланці є звичайними для низького тиску, некритичних каналів і води.

Технічна примітка: виробник може обробити пластину «спеціально», але для цього деталь буде виходити за межі B16.5 і вимагає задокументованого технічного схвалення відповідно до застосовного коду трубопроводів (ASME B31.3) або коду посудини під тиском (ASME BPVC, розділ VIII). Це не замінник.

Які специфікації матеріалів ASTM насправді застосовуються?

Для нержавіючих кованих фланців відповідайте ASTM A182, а пластини – ASTM A240; для нікелевих сплавів поковки відповідають стандарту ASTM B564, а пластини – відповідно до специфікацій пластин серії B – ви не можете сертифікувати ковку з пластини.

• Нержавіючі поковки:ASTM A182 - ковані/катані фланці, фітинги та деталі клапанів для роботи при високих температурах: F304/L, F316/L, F321, F347, F51/F55 дуплекс.
• Нержавіюча пластина:ASTM A240 - хромова та хромонікелева нержавіюча пластина, лист і стрічка для посудин під тиском: Gr 304/L, Gr 316/L.
• Поковки з нікелевих сплавів:ASTM B564 - поковки з нікелевих сплавів: UNS N06600 (сплав 600), N06625 (сплав 625), N10276 (сплав C276), N08800 (сплав 800), N04400 (сплав 400).
• Пластина з нікелевого сплаву:наприклад, ASTM B424 (пластина зі сплаву 800), B575 (пластина зі сплаву C276), B463 (пластина зі сплаву 20). Форма товару повинна відповідати специфікації. Кування класу B564 не може бути виготовлено шляхом різання пластини B575 і подальшого штампування як кування; звіт про випробування млина повинен показувати правильну форму та правильну термічну обробку.

Як порівняти вартість і час виконання?

Пластинчасті фланці дешевші та швидше виходять з полиці; ковані фланці коштують дорожче, але є єдиним варіантом, що відповідає вимогам коду для втулок, високого тиску або критичного обслуговування.

Заготівлю пластини вирізають із товарного листа з формою, майже наближеною до чистої, і невеликою механічною обробкою, тому собівартість одиниці є низькою, а робочі дні короткими – перевага, яка зростає у великих тонких діаметрах. Кування потребує часу на виготовлення заготовки, пресування та матриці, термічної обробки та неруйнівного дослідження, тому ціна за штуку вища, а доставка довша, хоча вартість одиниці зменшується з обсягом, оскільки інструменти амортизуються.

Погляд на загальну вартість – це те, що зазвичай вирішує суперечку. Пластинчастий фланець, який не відповідає вимогам коду, протікає чи тріскається на ранній стадії циклічної чи корозійної роботи, несе витрати на заміну, відключення та безпеку, які затьмарюють початкову економію. Таким чином, вказівка ​​найдешевшого варіанту за штуку є раціональною лише там, де це дозволяють і кодекс, і мито.

Отже, коли ви повинні вказати ковані чи пластини?

Указуйте ковані, коли йдеться про тиск, температуру, циклічне навантаження, корозійну роботу або тип фланця з втулкою; резервна пластина для некритичного режиму сліпого та низького тиску, дозволеного кодом.

Вибирайте ковані, коли:

• тип фланця – зварна горловина, насувний, різьбовий, розетковий зварний або внахлест із втулкою – B16.5 вимагає цього в будь-якому випадку;
• рейтинг має клас 300 і вище, або послуга є високотемпературною, кріогенною або термічно/тискною;
• обов'язкове обслуговування (NACE MR0175), офшорне, підводне або ядерне;
• ви зварюєте технологічні труби зі сплаву нікелю (B564) у хлоридній або кислотній роботі;
• поверхня прокладки повинна протистояти впливу кінцевих зерен на критичне з'єднання з низьким витоком.

Виберіть табличку (в межах коду), коли:

• вам потрібен глухий фланець для перевірки або порожній кінець у класі 150, нешкідлива експлуатація;
• робота пов’язана з роботою з повітрям, водою або повітроводами з низьким тиском великого діаметра (наприклад, глуха підкладка B16.47);
• це тимчасова або допоміжна послуга, де кування буде завищено;
• будь-які відхилення від B16.5 охоплюються задокументованим інженерним схваленням відповідно до B31.3 або BPVC Розділ VIII.

Пліч-о-пліч Резюме

Таблиця 1 містить порівняння для прямого використання специфікації.

Таблиця 1 - Порівняння кованих і пластинчастих фланців за виробництвом, кодом, продуктивністю та вартістю.

Часті запитання

Чим відрізняється кований фланець від пластинчастого?

Кований фланець виготовляється гарячим способом із заготовки, щоб металеве зерно повторювало контур фланця; пластинчастий фланець вирізається з плоского прокату. Ковані фланці міцніші, більш стійкі до втоми та вимагають коду для роботи під тиском втулки; пластинчасті фланці дешевші, але обмежені ASME B16.5 сліпими та певними перехідними фланцями без втулки.

Чи відповідають пластинчасті фланці ASME B16.5?

Лише для глухих фланців і перехідних фланців без втулок розміром нижче порогового значення B16.5. Усі інші фланці зі втулкою – приварні горловини, насувні, різьбові, приварні – мають бути виготовлені з литого або кованого матеріалу.

Що міцніше, кований або пластинчастий фланець?

Для того самого сплаву (наприклад, 316) опубліковані мінімальні межі розтягування та текучості можуть бути однаковими, але кування забезпечує вищу ударну в’язкість, довший термін служби втоми та надійну міцність по товщині, оскільки гаряча обробка очищає зерно та закриває внутрішні пустоти.