ANSI 표준 웰드 넥 단조 플랜지: 사양 및 용도

안 ANSI 표준 용접 넥 단조 플랜지 까다로운 배관 응용 분야에 선호되는 선택입니다. 테이퍼형 허브는 플랜지 면에서 파이프 벽까지 원활한 응력 전이를 제공하여 다른 플랜지 유형에서 난류 및 피로 파괴를 유발하는 갑작스러운 불연속성을 제거합니다. . 플랜지는 허브 끝 부분의 완전 관통 맞대기 용접으로 파이프에 부착되어 파이프 자체만큼 강한 조인트를 만들고 방사선 검사를 통해 용접 무결성을 확인할 수 있습니다. 단조 공정을 통해 달성된 입자 흐름 방향과 결합된 이 설계 기능은 웰드 넥 플랜지를 석유, 석유화학 및 발전 산업의 중요한 고압, 고온 및 순환 하중 서비스에 보편적으로 허용되는 유일한 플랜지 유형으로 만듭니다. ANSI 표준(가장 일반적으로 최대 24인치 파이프의 경우 ASME B16.5, 더 큰 직경의 경우 ASME B16.47)에 따라 지정되면 플랜지 치수, 압력 온도 등급 및 재료 요구 사항이 완전히 표준화되어 전 세계 모든 제조업체의 밸브, 피팅 및 장비와의 호환성이 보장됩니다.

단조의 장점: 입자 흐름이 중요한 이유

단조 공정은 강판의 주조나 기계 가공이 복제할 수 없는 방식으로 강철의 내부 구조를 근본적으로 변경합니다. 단조 플랜지는 내부 다공성을 막기 위해 열간 가공된 주조 잉곳 또는 연속 주조 블룸인 강철 빌릿으로 시작되며 단조 다이 사이의 엄청난 압축력에 의해 형성됩니다. 이러한 변형은 비금속 개재물과 결정립 경계를 금속 흐름 방향으로 늘려서 플랜지의 윤곽을 따르는 연속적인 입자 흐름 패턴 . 정렬된 입자 구조는 적용된 응력에 수직으로 균열 전파를 방지하여 단조 플랜지에 입자 방향이 무작위이거나 기본 응력 방향에 수직인 주조 또는 판 절단 플랜지에 비해 우수한 피로 저항성과 충격 인성을 제공합니다.

특히 웰드 넥 플랜지의 경우 단조 공정은 곡물 흐름 선이 플랜지 면에서 위쪽으로 테이퍼 허브를 통해 용접 베벨로 연속적으로 흐르도록 설계되었습니다. 이는 플랜지가 파이프에 맞대기 용접될 때 플랜지와 파이프의 입자 흐름이 정렬되어 금속학적으로 균질한 접합 . 표면 냉각 영역이 원주형 결정립 영역과 만나는 주조 구조의 특성인 약한 경계층이 없다는 것은 우선적인 파손 경로가 없음을 의미합니다. 수소 서비스, 산성 가스 처리 또는 고온 증기와 같은 중요한 서비스의 경우 이러한 연속 입자 구조는 미세 구조 불연속에서 시작될 수 있는 취성 및 균열을 방지하는 데 필수적입니다.

ANSI/ASME B16.5 압력 등급 및 치수 시스템

웰드 넥 플랜지를 관리하는 ANSI 표준. 현재 ASME에서 다음과 같이 게시합니다. ASME B16.5 - 주어진 재료에 대해 주어진 온도에서 최대 허용 작동 압력을 정의하는 압력 등급으로 플랜지를 구성합니다. 웰드 넥 플랜지의 표준 압력 등급은 150, 300, 400, 600, 900, 1500 및 2500입니다. 등급 번호는 psi 단위의 작동 압력이 아닙니다. 이는 압력-온도 등급표와 관련된 명칭입니다. 주변 온도에서 탄소강(ASTM A105)으로 제작된 클래스 300 플랜지의 작동 압력 한계는 대략 740psi(51bar) 400°C(750°F)에서는 동일한 플랜지가 약 635psi(44bar)로 감소됩니다. 극단적인 경우 합금강으로 제작된 클래스 2500 플랜지는 주변 온도에서 6,000psi를 초과하는 압력을 견딜 수 있습니다.

각 압력 등급을 구별하는 치수 특성은 다음과 같습니다. 플랜지 두께, 베이스의 허브 직경, 볼트 원 직경, 볼트 구멍의 수와 크기 . 압력 등급이 증가함에 따라 공칭 파이프 크기는 동일하게 유지되더라도 더 큰 기계적 부하를 처리하기 위해 이러한 치수가 증가합니다. 아래 표는 일반적인 4인치(DN 100) 웰드 넥 플랜지의 압력 등급에 따라 주요 치수가 어떻게 조정되는지 보여줍니다.

웰드 넥 플랜지의 보어는 다음과 일치하도록 가공됩니다. 공칭 파이프 벽 두께 연결 파이프의. 이는 주어진 공칭 파이프 크기에 대해 표준, 초강력(XS) 및 이중 초강력(XXS) 파이프 일정에 맞게 다양한 보어 직경의 플랜지를 사용할 수 있음을 의미합니다. 보어 공차는 표준에 지정되어 있으며 ASME B16.25에 따라 허브 끝의 용접 베벨은 루트 면이 약 1.6mm인 37.5도 각도로 가공되어 맞대기 용접 조인트에 대한 표준 V 홈을 만듭니다.

재료 등급 및 온도-압력 범위

웰드 넥 플랜지가 단조되는 재료는 완성된 부품의 온도 및 압력 한계와 특정 부식 메커니즘에 대한 저항성을 결정합니다. ASME B16.5는 ASTM 재료 사양을 참조하며 압력-온도 등급 표는 재료 그룹별로 구성되어 있습니다. 재료의 선택은 다음 사항에 따라 결정됩니다. 설계 온도, 설계 압력, 유체 화학, 환경 균열 메커니즘의 가능성 예를 들어 신맛이 나는 환경에서 황화물 응력 균열이 발생하거나 뜨거운 염화물에 노출된 오스테나이트계 스테인리스강에서 염화물 응력 부식 균열이 발생합니다.

ANSI 웰드 넥 플랜지에 대해 가장 일반적으로 지정되는 단조 재료와 일반적인 적용 범위는 다음과 같습니다.

• ASTM A105(탄소강): -29°C ~ 425°C(-20°F ~ 800°F)의 일반 산업용 표준 소재입니다. 흑연화로 인해 425°C 이상에서 장기간 노출되거나 충격 시험 없이 연성-취성 전이 온도보다 영하의 온도에 적합하지 않습니다. 증기, 물, 기름 및 비부식성 탄화수소 서비스에 사용됩니다. 이는 비부식성 서비스에 설치된 웰드넥 플랜지의 대부분을 대표하는 가장 일반적이고 경제적인 단조 플랜지 재료입니다.
• ASTM A350 LF2(저온 탄소강): 제어된 화학 및 미세 입자 실습을 갖춘 탄소강으로 -46°C(-50°F)에서 샤르피 충격 테스트를 거쳤습니다. 추운 기후에서 작동하는 배관 시스템과 A105가 부서지기 쉬운 파손 위험이 있는 액화 가스 취급에 사용됩니다. 플랜지 면은 일반적으로 사양에 따라 돌출 면 또는 링형 조인트 면으로 제공됩니다.
• ASTM A182 F304/F304L 및 F316/F316L(오스테나이트계 스테인리스강): 부식성 화학 서비스, 식품 가공 및 제약 응용 분야를 위한 표준 재료입니다. "L" 등급(저탄소, 최대 0.03% 탄소)은 용접 제작 및 불안정한 등급이 민감화 및 입계 부식에 취약한 425°C 이상의 서비스에 대해 지정됩니다. F316/F316L은 몰리브덴을 2~3% 첨가하여 F304에 비해 염화물 함유 환경에서 공식에 대한 저항성이 향상되었습니다.
• ASTM A182 F11 및 F22(크롬-몰리브덴 합금강): 1.25% Cr-0.5% Mo(F11) 및 2.25% Cr-1% Mo(F22) 등급으로 정유소 및 발전소의 고온 서비스를 위한 주력 소재입니다. 이 재료는 특정 합금 등급에 대한 넬슨 곡선 내에서 사용될 때 최대 600°C(1100°F)의 온도에서 인장 강도를 유지하고 고온 수소 서비스에서 수소 공격에 저항합니다. 높은 수소 분압으로 450°C에서 작동하는 정유소 수소화 처리 장치의 플랜지는 일반적으로 F22 단조품입니다.
• ASTM A182 F51 / F53(듀플렉스 및 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강): 고강도와 탁월한 염화물 공식 저항성이 요구되는 해양 석유 및 가스, 해수 처리, 화학 공정 환경에 사용됩니다. F53(슈퍼 듀플렉스, 25% Cr)은 PREN(공식 저항 등가수)이 40 이상이므로 주변 온도에서 해수 틈새 부식에 대한 내성을 제공합니다.

플랜지 면 유형 및 개스킷 선택

플랜지 면(플랜지 면의 밀봉 표면 형상)은 압력 등급, 유체 특성 및 개스킷 유형을 기준으로 선택됩니다. ANSI 표준은 각각 특정 응용 프로그램 도메인을 가진 여러 가지 직면 유형을 정의합니다. 웰드 넥 플랜지의 가장 일반적인 페이싱은 다음과 같습니다.

돌출면(RF)

클래스 150 및 300 플랜지의 표준 면은 대략 융기된 고원으로 구성됩니다. 클래스 150 및 300의 경우 높이 1.6mm(1/16인치) 클래스 400 이상의 경우 높이는 6.4mm(1/4인치)입니다. 돌출된 면은 볼트 하중을 더 작은 개스킷 영역에 집중시켜 접촉 압력을 높이고 밀봉 성능을 향상시킵니다. 돌출된 면의 표면 마감은 표준에 따라 다음과 같이 지정됩니다. 톱니 모양의 동심 또는 나선형 홈 패턴 표면 거칠기는 3.2~6.3μm Ra(125~250마이크로인치 AA)입니다. 이 톱니 모양 마감재는 부드러운 개스킷 소재에 물려 압력을 가할 때 플랜지 조인트 밖으로 압출되는 것을 방지합니다.

링형 조인트(RTJ)

중요한 서비스에 사용되는 클래스 600부터 클래스 2500까지의 고압 플랜지용 표준 페이싱입니다. 플랜지 표면에는 플랜지 재료보다 부드러운 재료로 만들어진 견고한 금속 링 개스킷(일반적으로 단면이 타원형 또는 팔각형)을 수용하는 정밀 가공 홈이 있습니다. 볼트를 조이면 링 개스킷이 홈 안으로 소성 변형되어 10,000psi를 초과하는 압력과 500°C를 초과하는 온도를 견딜 수 있는 금속 대 금속 밀봉 . RTJ 개스킷은 개스킷 파열로 인해 치명적인 결과가 발생할 수 있는 고압 증기, 보일러 급수 및 탄화수소 서비스에 허용되는 유일한 개스킷 유형입니다. 표준 링 개스킷 재질은 연철(탄소강 플랜지용), 304 또는 316 스테인리스강, 부식성 및 고온 서비스를 위한 다양한 니켈 합금입니다.

플랫 페이스(FF)

주로 클래스 125 주철 플랜지에 사용되며, 볼트를 조일 때 볼록면 플랜지가 상대 주철 플랜지를 구부리고 균열이 발생하는 평면 장비 노즐에 연결하는 데 사용됩니다. 볼트 원까지 확장되는 전면 개스킷은 평면 플랜지와 함께 사용되어 볼트 하중을 전체 전면 영역에 고르게 분산시킵니다.

맞대기 용접 절차 및 열 영향부 제어

파이프에 웰드넥 플랜지를 설치하려면 다음이 필요합니다. 완전 관통형, 단일 V 홈 맞대기 용접 플랜지 허브 끝의 가공된 베벨을 파이프 끝의 일치하는 베벨에 연결합니다. 용접은 일반적으로 루트 패스에 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 프로세스를 사용하여 수행되어 완전한 침투와 깨끗하고 산화물이 없는 루트 표면을 보장한 다음 충진 및 캡 패스에 SMAW(차폐 금속 아크 용접) 또는 FCAW(플럭스 코어 아크 용접)를 사용합니다. 용접 절차 사양(WPS)은 ASME 섹션 IX에 따라 자격을 갖추어야 하며 용접공은 특정 재료, 두께 및 위치에 대한 자격을 갖추어야 합니다.

웰드 넥 플랜지의 중요한 용접 고려 사항은 다음과 같습니다. 플랜지 허브의 열 영향부(HAZ) 제어 . 용접 근처의 플랜지 허브는 미세 구조를 변경하고 잔류 응력을 유발하며 특정 합금강의 경우 냉각 속도가 너무 빠르면 단단하고 부서지기 쉬운 마텐자이트 영역을 생성할 수 있는 복잡한 열 주기를 겪습니다. 크롬-몰리브덴 합금강 플랜지(ASTM A182 F11, F22)의 경우, 200°C~300°C(400°F~575°F)로 예열하는 것이 필수입니다. 용접 전 냉각 속도를 늦추고 마르텐사이트 형성을 방지하기 위해 용접 후 열처리(PWHT)를 675°C~730°C(1250°F~1350°F)에서 용접 두께 25mm당 1시간 동안 처리해야 HAZ를 완화하고 잔류 응력을 완화하며 재료의 파괴 ​​인성을 회복할 수 있습니다. 용접된 플랜지-파이프 어셈블리의 PWHT는 완성된 용접부에 대해 수행되며, HAZ의 경도는 ASTM E110에 따른 휴대용 경도 테스트를 통해 경도가 지정된 최대값(일반적으로 P-No의 경우 225HBW) 미만인지 확인합니다. 4 및 P-No. 정유 서비스에 사용되는 5A 합금강.

검사, 테스트 및 품질 문서화

ANSI 표준에 따라 제조된 웰드 넥 플랜지에는 재료 및 치수 사양 준수를 확인하는 일련의 필수 및 선택 품질 문서가 함께 제공됩니다. 는 재료 시험 보고서(MTR) 또는 밀 인증서는 단조품의 열수, 화학 조성, 인장 강도, 항복 강도, 연신율, 인장 시험에 따른 면적 감소 및 경도를 인증하는 기본 문서입니다. 저온 탄소강 플랜지(A350 LF2)의 경우 MTR에는 지정된 테스트 온도에서의 샤르피 V 노치 충격 테스트 결과도 포함됩니다. 스테인레스 스틸 플랜지의 경우 MTR에는 지정된 입계 부식 테스트 결과가 포함됩니다. MTR은 ASME B16.5의 표시 요구 사항에 따라 재료 등급, 압력 등급, 공칭 파이프 크기 및 제조업체 식별 표시와 함께 플랜지 주변에 스탬프로 찍힌 열 번호를 통해 플랜지를 추적할 수 있어야 합니다.

완성된 플랜지의 비파괴 검사에는 다음이 포함됩니다. 가공된 표면, 표면 및 용접 베벨의 육안 검사 MSS SP-55에 따라 랩, 솔기, 균열 및 기타 표면 불연속성을 확인합니다. 중요 서비스 플랜지의 경우 추가 NDE가 지정됩니다. ASME B16.5 단락 8.3에 따라 플랜지 면의 액체 침투 검사(PT) 또는 자분 탐상 검사(MT), 허브-면 전환 및 용접 베벨이 지정됩니다. ASTM A388 또는 적용 가능한 ASTM 단조 사양에 따라 전체 단조 볼륨에 대한 초음파 검사(UT)를 통해 개재물, 공극 또는 적층과 같은 내부 결함을 감지합니다. 이러한 검사에 대한 승인 기준은 해당 ASTM 단조 표준과 구매자의 추가 요구 사항에 따라 정의됩니다.

볼트 토크, 개스킷 압축 및 누출 없는 조립

ANSI 웰드넥 플랜지 조인트를 조립하려면 다음이 필요합니다. 지정된 토크 또는 볼트 응력으로 볼트 조임 제어 플랜지, 볼트 또는 개스킷에 과도한 응력을 가하지 않고 누출 없는 밀봉에 필요한 개스킷 압축을 달성합니다. 볼트는 최소 3번의 토크 증가 단계(목표 토크의 30%, 60%, 100%)에서 교차 패턴 순서(별 패턴이라고도 함)로 조여집니다. 이러한 점진적인 조임은 개스킷이 균일하게 압축되도록 하고 플랜지가 코킹되는 것을 방지하여 개스킷이 채울 수 없는 쐐기 모양의 틈을 만듭니다.

목표 볼트 토크는 가스켓 장착 응력, 가스켓 접촉 면적, 볼트 재료 항복 강도, 볼트 스레드와 너트 베어링 표면의 마찰 계수로부터 계산됩니다. 목표 볼트 응력은 일반적으로 볼트재질 항복강도의 40~70% 표준 개스킷의 경우 압축 섬유나 PTFE와 같은 부드러운 개스킷에 사용되는 범위의 하한선과 금속 및 나선형으로 감긴 개스킷에 사용되는 상한선이 있습니다. 토크와 볼트 장력 사이의 일관된 관계를 달성하려면 고압 고착 방지 화합물을 사용하여 볼트 나사산과 너트 베어링 표면을 윤활하는 것이 필수적입니다. 윤활되지 않은 나사산은 마찰 시 적용된 토크의 50% 이상을 소비할 수 있으며, 이로 인해 볼트 예압이 계산된 값보다 크게 낮아질 수 있습니다. ASME B31.3 프로세스 배관의 중요한 플랜지 조인트의 경우 볼트 조임 절차는 품질 보증 프로세스의 문서화된 부분이며 볼트 토크 값은 플랜지 조인트 무결성 보고서에 기록됩니다.