ANSI-vakiohitsauskaula-taotut laipat: tekniset tiedot ja sovellukset

An ANSI-standardin hitsauskaulan taottu laippa on suositeltu valinta vaativiin putkisovelluksiin, koska sen kartiomainen napa tarjoaa tasaisen jännityksen siirtymisen laipan pinnasta putken seinämään, eliminoiden äkillisen epäjatkuvuuden, joka aiheuttaa turbulenssia ja väsymisvaurioita muissa laippatyypeissä . Laippa on kiinnitetty putkeen täysläpiviennillä navan päässä, jolloin syntyy liitos, joka on yhtä vahva kuin itse putki ja joka voidaan tarkastaa radiografisesti hitsin eheyden varmistamiseksi. Tämä suunnitteluominaisuus yhdistettynä taontaprosessilla saavutettuun raevirtauksen suuntaukseen tekee hitsauskaulalaipasta ainoan yleisesti hyväksytyn laippatyypin kriittisissä korkeapaine-, korkealämpötila- ja syklisissä kuormituspalveluissa öljy-, petrokemian- ja sähköntuotantoteollisuudessa. ANSI-standardin mukaisesti – yleisimmin ASME B16.5 enintään 24 tuuman putkille ja ASME B16.47 suuremmille halkaisijoille – laipan mitat, paine-lämpötilaluokitukset ja materiaalivaatimukset ovat täysin standardoituja, mikä takaa vaihdettavuuden minkä tahansa valmistajan venttiilien, liitososien ja laitteiden kanssa maailmanlaajuisesti.

Takomisen etu: Miksi viljan virtaus on tärkeää

Taontaprosessi muuttaa perusteellisesti teräksen sisäistä rakennetta tavoilla, joita valu tai koneistus levystä ei voi toistaa. Taottu laippa alkaa teräsaihiosta – valetusta harkosta tai jatkuvasti valetusta tiivisteestä, joka on kuumatyöstetty sisäisen huokoisuuden sulkemiseksi – ja muotoutuu valtavan puristusvoiman alaisena takomuottien välillä. Tämä muodonmuutos pidentää ei-metallisia sulkeumia ja raerajoja metallin virtauksen suuntaan, jolloin syntyy jatkuva viljan virtauskuvio, joka seuraa laipan muotoa . Kohdennettu raerakenne vastustaa halkeamien etenemistä kohtisuorassa kohdistettuun jännitykseen nähden, mikä antaa taotulle laipalle ylivoimaisen väsymiskestävyyden ja iskunkestävyyden verrattuna valu- tai levylaippaan, jossa rakeiden suunta on satunnainen tai kohtisuorassa ensisijaiseen jännityssuuntaan nähden.

Erityisesti hitsauskaulalaippaa varten taontaprosessi on suunniteltu siten, että viljan virtauslinjat kulkevat jatkuvasti laipasta ylöspäin kartiomaisen navan läpi ja hitsausviisteeseen. Tämä tarkoittaa, että kun laippa päihitsataan putkeen, viljan virtaus laipassa ja putkessa on kohdistettu, jolloin syntyy metallurgisesti homogeeninen liitos . Heikon rajakerroksen puuttuminen – joka on ominaista valurakenteille, joissa pinnan jäähdytysvyöhyke kohtaa pylväsmäisen raevyöhykkeen – tarkoittaa, että ensisijaista rikkoutumispolkua ei ole. Kriittisissä palveluissa, kuten vetypalvelussa, hapankaasun käsittelyssä tai korkean lämpötilan höyryssä, tämä jatkuva raerakenne on välttämätön haurastumisen ja halkeilun estämiseksi, joka voi alkaa mikrorakenteen epäjatkuvuudesta.

ANSI / ASME B16.5 paineluokka- ja mittajärjestelmä

ANSI-standardi, joka säätelee hitsauskaulalaippoja – julkaissut nyt ASME as ASME B16.5 -järjestää laipat paineluokkiin, jotka määrittelevät suurimman sallitun työpaineen tietyssä lämpötilassa tietylle materiaalille. Hitsauskaulalaippojen vakiopaineluokat ovat 150, 300, 400, 600, 900, 1500 ja 2500. Luokkanumero ei ole käyttöpaine psi:nä; se on nimitys, joka vastaa paine-lämpötilaluokitustaulukkoa. Luokan 300 hiiliteräksisen laipan (ASTM A105) käyttöpaineraja ympäristön lämpötilassa on noin 740 psi (51 bar) , kun taas sama laippa 400 °C:ssa (750 °F) pienennetään noin 635 psi:iin (44 bar). Äärimmäisessä päässä luokan 2500 seosteräslaippa kestää yli 6 000 psi:n painetta ympäristön lämpötilassa.

Mittaominaisuudet, jotka erottavat kunkin paineluokan, ovat laipan paksuus, navan halkaisija pohjassa, pultin ympyrän halkaisija sekä pultin reikien lukumäärä ja koko . Paineluokan kasvaessa nämä mitat kasvavat kestämään suurempia mekaanisia kuormituksia, vaikka nimellinen putken koko pysyy samana. Alla oleva taulukko havainnollistaa, kuinka avainmitat asteikkoon paineluokilla tavalliselle 4 tuuman (DN 100) hitsauskaulalaipalle.

Hitsauskaulan laipan reikä on koneistettu sopimaan putken seinämän nimellispaksuus yhdysputkesta. Tämä tarkoittaa, että tietylle nimellisputken koolle on saatavana laippoja, joilla on eri halkaisijat, jotka vastaavat vakio-, erittäin luja- (XS) ja kaksinkertaisesti erittäin vahvoja (XXS) putkikaavioita. Poraustoleranssi on määritelty standardissa, ja navan päässä oleva hitsausviiste on koneistettu 37,5 asteen kulmaan, jonka juuripinta on noin 1,6 mm, ASME B16.25:n mukaan, jotta saadaan aikaan standardi V-ura päittäishitsiliitokseen.

Materiaalilaadut ja niiden lämpötila-paineen kuori

Materiaali, josta hitsauskaulalaippa taotaan, määrittää valmiin komponentin lämpötila- ja painerajat sekä sen kestävyyden tiettyjä korroosiomekanismeja vastaan. ASME B16.5 viittaa ASTM-materiaalispesifikaatioihin, ja paine-lämpötilaluokitustaulukot on järjestetty materiaaliryhmittäin. Materiaalin valinta on päätös, joka perustuu siihen suunnittelulämpötila, suunnittelupaine, nesteen kemia ja ympäristön halkeilumekanismien mahdollisuus kuten sulfidijännityshalkeilu happamassa käytössä tai kloridijännityskorroosiohalkeilu austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä, jotka ovat alttiina kuumille klorideille.

Yleisimmin määritellyt ANSI-hitsauskaulalaippojen taontamateriaalit ja niiden tyypilliset käyttökuoret ovat:

• ASTM A105 (hiiliteräs): Vakiomateriaali yleiseen teolliseen käyttöön -29°C - 425°C (-20°F - 800°F). Ei sovellu pitkäaikaiseen altistumiseen yli 425 °C:een grafitoitumisen vuoksi tai nollan miinuslämpötilaan, joka on sitkeästä hauraaksi siirtymälämpötilan alapuolella ilman iskutestausta. Käytetään höyryn, veden, öljyn ja ei-syövyttävien hiilivetyjen palveluihin. Tämä on yleisin ja taloudellisin taottu laippamateriaali, joka edustaa suurinta osaa asennetuista hitsauskaulalaipoista ei-korroosiota aiheuttavassa käytössä.
• ASTM A350 LF2 (matalien lämpötilojen hiiliteräs): Hiiliteräs, jolla on hallittu kemia ja hienorakeinen käytäntö, Charpy-iskutestattu -46 °C:ssa (-50 °F). Käytetään kylmässä ilmastossa ja nestekaasun käsittelyssä toimivissa putkistojärjestelmissä, joissa A105:llä on haurasmurtumisvaara. Laippapinta on tyypillisesti varustettu kohotetulla pinnalla tai rengasmaisella liitospinnalla spesifikaation mukaan.
• ASTM A182 F304/F304L ja F316/F316L (austeniittista ruostumatonta terästä): Vakiomateriaalit syövyttäviä kemiallisia huolto-, elintarvike- ja lääkesovelluksiin. "L"-luokat (vähähiilinen, enintään 0,03 % hiiltä) on määritelty hitsatuille tuotteille ja yli 425 °C:n lämpötilojen käyttöön, kun stabiloimattomat lajikkeet ovat alttiita herkistymiselle ja rakeiden väliselle korroosiolle. F316/F316L, jonka molybdeenilisäys on 2–3 %, tarjoaa paremman kestävyyden pistekorroosiota vastaan kloridipitoisissa ympäristöissä verrattuna F304:ään.
• ASTM A182 F11 ja F22 (kromi-molybdeeniseosteräs): Työhevosmateriaalit korkean lämpötilan huoltoon jalostamoissa ja voimalaitoksissa, 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) ja 2,25% Cr-1% Mo (F22). Nämä materiaalit säilyttävät vetolujuutensa jopa 600 °C:n (1100 °F) lämpötiloissa ja kestävät vetyhyökkäystä korkean lämpötilan vetykäytössä, kun niitä käytetään Nelson-käyrien sisällä tietylle seoslaadulle. 450°C:ssa korkealla vedyn osapaineella toimivan jalostamon vetyprosessointiyksikön laipat ovat tyypillisesti F22-takeita.
• ASTM A182 F51 / F53 (duplex ja super duplex ruostumaton teräs): Käytetään offshore-öljyn ja kaasun, meriveden käsittelyn ja kemiallisten prosessien ympäristöissä, joissa vaaditaan korkean lujuuden ja poikkeuksellisen kloridipisteen kestävyyden yhdistelmää. F53:n (super duplex, 25 % Cr) PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) on yli 40, mikä tarjoaa suojan meriveden rakokorroosiolle ympäristön lämpötiloissa.

Laippapintatyypit ja tiivisteiden valinta

Laippapinta – laippapinnan tiivistepinnan geometria – valitaan paineluokan, nesteen ominaisuuksien ja tiivistetyypin perusteella. ANSI-standardi määrittelee useita pintatyyppejä, joista jokaisella on tietty sovellusalue. Yleisimmät hitsauskaulalaippojen pinnoitteet ovat:

Kohotetut kasvot (RF)

Luokkien 150 ja 300 laippojen vakiopäällyste, joka koostuu noin kohotetusta tasangosta 1,6 mm (1/16 tuumaa) korkea luokille 150 ja 300 ja 6,4 mm (1/4 tuumaa) korkea luokassa 400 ja sitä korkeammissa. Korotettu pinta keskittää pulttikuorman pienemmälle tiivistealueelle, mikä lisää kosketuspainetta ja parantaa tiivistettä. Korotetun pinnan pintakäsittely on standardissa määritelty a sahalaitainen samankeskinen tai spiraalimainen urakuvio jonka pinnan karheus on 3,2 - 6,3 µm Ra (125 - 250 mikrotuumaa AA). Tämä sahalaitainen pinta pureutuu pehmeään tiivistemateriaaliin ja estää sitä pursuutumasta ulos laippaliitoksesta paineen alaisena.

rengastyyppinen liitos (RTJ)

Vakiopinta korkeapainelaippoille luokista 600–2500 kriittiseen käyttöön. Laippapinnassa on tarkkuustyöstetty ura, joka hyväksyy kiinteän metallirenkaan tiivisteen – tyypillisesti soikean tai kahdeksankulmaisen poikkileikkaukseltaan – joka on valmistettu materiaalista, joka on pehmeämpi kuin laippamateriaali. Kun pultit kiristetään, rengastiiviste vääntyy plastisesti uraan, jolloin syntyy a metalli-metalli-tiiviste, joka pystyy kestämään yli 10 000 psi:n paineita ja yli 500 °C:n lämpötiloja . RTJ-tiiviste on ainoa tiivistetyyppi, joka on hyväksytty korkeapaineiseen höyryyn, kattilan syöttöveteen ja hiilivetypalveluihin, joissa tiivisteen räjähtämisellä olisi katastrofaaliset seuraukset. Vakiorengastiivistemateriaalit ovat pehmeä rauta (hiiliteräslaippoihin), ruostumaton teräs 304 tai 316 sekä erilaiset nikkeliseokset syövyttävissä ja korkeissa lämpötiloissa.

Litteät kasvot (FF)

Käytetään ensisijaisesti luokan 125 valurautalaippoihin ja liitäntöihin tasapintaisiin laitesuuttimiin, joissa koholla oleva pintalaippa taipuisi ja halkeaisi vastaavan valurautalaipan, kun pultit kiristetään. Pulttiympyrään ulottuvaa koko pintaa sisältävää tiivistettä käytetään litteiden pintalaippojen kanssa jakamaan pulttikuorma tasaisesti koko pinta-alueelle.

Päipähitsausmenetelmä ja lämpövaikutusten vyöhykkeen ohjaus

Hitsauskaulalaipan asentaminen putkeen vaatii a täysläpivienti, yksi-V-ura päittäishitsi joka yhdistää koneistetun viisteen laipan navan päässä vastaavaan viisteeseen putken päässä. Hitsaus suoritetaan tyypillisesti käyttämällä kaasuvolframikaarihitsausta (GTAW) juuren läpiviennille täydellisen tunkeutumisen ja puhtaan, oksidittoman juurenpinnan varmistamiseksi, mitä seuraa suojattu metallikaarihitsaus (SMAW) tai täyte- ja kansihitsaus (FCAW). Hitsausmenetelmäspesifikaatiolla (WPS) on oltava ASME:n osan IX mukainen pätevyys, ja hitsaajalla on oltava tietyn materiaalin, paksuuden ja sijainnin pätevyys.

Kriittinen hitsausnäkökohta hitsauskaulalaippoille on lämpövaikutusalueen (HAZ) ohjaus laipan navassa . Hitsauksen lähellä olevaan laipan napaan kohdistuu monimutkainen lämpökierto, joka voi muuttaa sen mikrorakennetta, aiheuttaa jäännösjännityksiä ja tietyille seosteräksille muodostaa kovan, hauraan martensiittisen vyöhykkeen, jos jäähdytysnopeus on liian nopea. Kromi-molybdeeniseosteräslaipoille (ASTM A182 F11, F22), esikuumennus 200 °C - 300 °C (400 °F - 575 °F) on pakollista ennen hitsausta jäähtymisnopeuden hidastamiseksi ja martensiitin muodostumisen estämiseksi, ja hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely (PWHT) 675 °C - 730 °C (1250 °F - 1350 °F) tunnin ajan 25 mm hitsin paksuutta kohden tarvitaan HAZ:n karkaisemiseksi, jäännösjännityksen lievittämiseksi ja materiaalin murtuman palauttamiseksi. Hitsatun laippa-putkikokoonpanon PWHT suoritetaan valmiille hitsille, ja HAZ:n kovuus varmistetaan kannettavalla kovuustestillä ASTM E110:n mukaan sen varmistamiseksi, että kovuus on alle määritellyn maksimiarvon – tyypillisesti 225 HBW P-No:lle. 4 ja P-nro. 5A seosteräkset jalostamopalvelussa.

Tarkastus, testaus ja laatudokumentaatio

ANSI-standardin mukaan valmistettu hitsauskaulalaippa toimitetaan joukon pakollisia ja valinnaisia laatuasiakirjoja, jotka varmistavat, että se on materiaali- ja mittamääritysten mukainen. The Materiaalitestiraportti (MTR) tai myllysertifikaatti on ensisijainen asiakirja, joka todistaa taon lämpönumeron, kemiallisen koostumuksen, vetolujuuden, myötörajan, venymän ja pinta-alan pienenemisen vetokokeesta sekä kovuuden. Matalissa lämpötiloissa käytettävien hiiliteräslaipojen (A350 LF2) MTR sisältää myös Charpyn V-iskun iskutestin tulokset määritellyssä testilämpötilassa. Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen laippojen osalta MTR sisältää rakeiden välisen korroosion testitulokset, jos niitä on määritelty. MTR:n tulee olla jäljitettävissä laippaan lämpönumerolla, joka on leimattu laipan reunaan sekä materiaaliluokka, paineluokka, nimellinen putken koko ja valmistajan tunnusmerkki ASME B16.5:n merkintävaatimusten mukaisesti.

Valmiin laipan ainetta rikkomaton tarkastus sisältää koneistettujen pintojen, päällysteen ja hitsin viisteen silmämääräinen tarkastus kierroksia, saumoja, halkeamia ja muita pinnan epäjatkuvuuskohtia varten MSS SP-55:n mukaan. Kriittisten huoltolaipojen osalta määritetään ylimääräinen NDE: nesteen tunkeutumisen tutkimus (PT) tai magneettisten hiukkasten tutkimus (MT) laipan pinnasta, keskiöstä pintaan siirtyminen ja hitsin viiste ASME B16.5:n kohdan 8.3 mukaisesti; ja koko taontatilavuuden ultraäänitutkimus (UT) ASTM A388:n tai sovellettavan ASTM-taontamäärityksen mukaan sisäisten vikojen, kuten sulkeumien, aukkojen tai laminoitujen havaitsemiseksi. Näiden tarkastusten hyväksymiskriteerit määritellään sovellettavassa ASTM-taontastandardissa ja ostajan lisävaatimuksissa.

Pultin kiristysmomentti, tiivisteen puristus ja vuotamaton kokoonpano

ANSI-hitsauksen kaulalaippaliitoksen asennus vaatii kontrolloitu pulttien kiristys tiettyyn vääntömomenttiin tai pultin jännitykseen saavuttaa tiivisteen puristus, joka tarvitaan vuotottoman tiivisteen aikaansaamiseksi ilman, että laippaa, pultteja tai tiivistettä ylikuormitetaan. Pultit kiristetään ristikkäisessä järjestyksessä – jota kutsutaan myös tähtikuvioksi – vähintään kolmella kasvavalla vääntömomentilla: 30 %, 60 % ja 100 % tavoitemomentista. Tämä asteittainen kiristys varmistaa, että tiiviste puristuu tasaisesti ja estää laipan painumisen, mikä muodostaisi kiilan muotoisen raon, jota tiiviste ei voi täyttää.

Pultin tavoitemomentti lasketaan tiivisteen istukan jännityksestä, tiivisteen kosketuspinnasta, pulttimateriaalin myötölujuudesta sekä pultin kierteiden ja mutterin laakeripinnan kitkakertoimesta. Tavoitepultin jännitys on tyypillisesti 40 % - 70 % pulttimateriaalin myötölujuudesta tavallisille tiivisteille, valikoiman alapäätä käytetään pehmeille tiivisteille, kuten puristettua kuitua tai PTFE:tä ja korkeampaa metalli- ja kierretiivisteille. Pultin kierteiden ja mutterin laakeripintojen voiteleminen korkeapaineisella kiinnileikkauksenestoaineella on välttämätöntä, jotta saavutetaan johdonmukainen suhde vääntömomentin ja pultin kireyden välillä. Voitelemattomat kierteet voivat kuluttaa 50 % tai enemmän käytetystä vääntömomentista kitkassa, mikä johtaa pultin esijännitykseen, joka on huomattavasti pienempi kuin laskettu arvo. ASME B31.3 -prosessiputkiston kriittisten laippaliitosten pulttien kiristysmenettely on dokumentoitu osa laadunvarmistusprosessia, ja pultin vääntömomenttiarvot kirjataan laippaliitoksen eheysraporttiin.