الشفاه المزورة ذات الرقبة الملحومة القياسية ANSI: المواصفات والتطبيقات

ان شفة مزورة برقبة ملحومة قياسية ANSI هو الخيار المفضل لتطبيقات الأنابيب الصعبة لأنه يوفر المحور المدبب انتقالًا سلسًا للضغط من وجه الفلنجة إلى جدار الأنبوب، مما يزيل الانقطاع المفاجئ الذي يسبب الاضطراب وفشل الكلال في أنواع الفلنجة الأخرى . يتم ربط الحافة بالأنبوب بواسطة لحام تناكبي كامل الاختراق في نهاية المحور، مما يؤدي إلى إنشاء وصلة قوية مثل الأنبوب نفسه ويمكن فحصها شعاعيًا للتحقق من سلامة اللحام. ميزة التصميم هذه، جنبًا إلى جنب مع اتجاه تدفق الحبوب الذي تم تحقيقه من خلال عملية الحدادة، تجعل شفة اللحام هي نوع الحافة الوحيد المقبول عالميًا لخدمات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية والتحميل الدوري في صناعات البترول والبتروكيماويات وتوليد الطاقة. عند التحديد وفقًا لمعيار ANSI - الأكثر شيوعًا أسم B16.5 لأحجام الأنابيب حتى 24 بوصة وASME B16.47 للأقطار الأكبر - يتم توحيد أبعاد الحافة وتقييمات درجة حرارة الضغط ومتطلبات المواد بالكامل، مما يضمن إمكانية التبادل مع الصمامات والتجهيزات والمعدات من أي مصنع في جميع أنحاء العالم.

ميزة تزوير: لماذا يهم تدفق الحبوب

تعمل عملية الحدادة على تغيير البنية الداخلية للفولاذ بشكل أساسي بطرق لا يمكن تكرارها من خلال الصب أو التصنيع من اللوحة. تبدأ الحافة المطروقة كقطعة من الفولاذ - سبيكة مصبوبة أو زهرة مصبوبة بشكل مستمر تم تشغيلها على الساخن لإغلاق المسامية الداخلية - ويتم تشكيلها تحت قوة ضغط هائلة بين قوالب الحدادة. يؤدي هذا التشوه إلى إطالة الشوائب غير المعدنية وحدود الحبوب في اتجاه تدفق المعدن، مما يؤدي إلى إنشاء نمط تدفق الحبوب المستمر الذي يتبع محيط الحافة . يقاوم هيكل الحبوب المحاذاة انتشار الشقوق بشكل عمودي على الضغط المطبق، مما يمنح الحافة المطروقة مقاومة فائقة للتعب ومتانة تأثير مقارنة بشفة مصبوبة أو مقطوعة بلوحة حيث يكون اتجاه الحبوب عشوائيًا أو متعامدًا مع اتجاه الضغط الأساسي.

بالنسبة لحافة عنق اللحام على وجه التحديد، تم تصميم عملية الحدادة بحيث تعمل خطوط تدفق الحبوب بشكل مستمر من الحافة باتجاه الأعلى من خلال المحور المدبب وإلى مشطوف اللحام. وهذا يعني أنه عندما يتم لحام الحافة بالأنبوب، فإن تدفق الحبوب في الحافة وفي الأنبوب يتم محاذاة، مما يؤدي إلى إنشاء وصلة متجانسة معدنيا . إن غياب الطبقة الحدودية الضعيفة - وهي إحدى سمات الهياكل المصبوبة حيث تلتقي منطقة التبريد السطحية بمنطقة الحبيبات العمودية - يعني عدم وجود مسار فشل تفضيلي. بالنسبة للخدمات الحيوية مثل خدمة الهيدروجين، أو معالجة الغاز الحامض، أو البخار ذي درجة الحرارة العالية، فإن بنية الحبوب المستمرة هذه ضرورية لمنع التقصف والتشقق الذي يمكن أن يبدأ عند انقطاع البنية المجهرية.

ANSI / ASME B16.5 نظام الضغط والأبعاد

معيار ANSI الذي يحكم حواف اللحام - تم نشره الآن بواسطة ASME باسم ASME B16.5 - ينظم الشفاه في فئات الضغط التي تحدد الحد الأقصى لضغط العمل المسموح به عند درجة حرارة معينة لمادة معينة. فئات الضغط القياسية لفلنجات عنق اللحام هي 150، 300، 400، 600، 900، 1500، و2500. رقم الفئة ليس ضغط العمل بالرطل لكل بوصة مربعة؛ وهو تصنيف يرتبط بجدول تصنيف درجة الحرارة والضغط. تتمتع فلنجة الفئة 300 المصنوعة من الفولاذ الكربوني (ASTM A105) عند درجة الحرارة المحيطة بحد ضغط تشغيل يبلغ حوالي 740 رطل لكل بوصة مربعة (51 بار) ، في حين يتم تخفيض نفس الشفة عند 400 درجة مئوية (750 درجة فهرنهايت) إلى حوالي 635 رطل لكل بوصة مربعة (44 بار). في النهاية القصوى، يمكن للشفة من الفئة 2500 المصنوعة من سبائك الفولاذ أن تتحمل ضغوطًا تتجاوز 6000 رطل لكل بوصة مربعة في درجة الحرارة المحيطة.

خصائص الأبعاد التي تميز كل فئة ضغط هي سمك الحافة، وقطر المحور عند القاعدة، وقطر دائرة الترباس، وعدد وحجم فتحات الترباس . ومع زيادة فئة الضغط، تزداد هذه الأبعاد للتعامل مع الأحمال الميكانيكية الأكبر، على الرغم من أن حجم الأنبوب الاسمي يظل كما هو. يوضح الجدول أدناه كيفية قياس الأبعاد الرئيسية مع فئة الضغط لشفة عنق ملحومة مشتركة مقاس 4 بوصات (DN 100).

يتم تشكيل تجويف شفة عنق اللحام لتتناسب مع سمك جدار الأنابيب الاسمي من أنبوب التوصيل. وهذا يعني أنه بالنسبة لحجم أنبوب اسمي معين، تتوفر فلنجات ذات أقطار تجويف مختلفة لتتوافق مع جداول الأنابيب القياسية والقوية للغاية (XS) والمزدوجة القوية للغاية (XXS). يتم تحديد تسامح التجويف في المعيار، ويتم تشكيل شطبة اللحام في نهاية المحور بزاوية 37.5 درجة مع وجه جذر يبلغ حوالي 1.6 مم، وفقًا لمعيار ASME B16.25، لإنشاء أخدود V قياسي لمفصل اللحام التناكبي.

درجات المواد ومغلف درجة الحرارة والضغط الخاص بها

تحدد المادة التي يتم تشكيل شفة عنق اللحام منها حدود درجة الحرارة والضغط للمكون النهائي ومقاومته لآليات التآكل المحددة. يشير ASME B16.5 إلى مواصفات المواد ASTM، ويتم تنظيم جداول تصنيف درجة حرارة الضغط حسب مجموعة المواد. اختيار المادة هو قرار يعتمد على درجة حرارة التصميم، والضغط التصميمي، وكيمياء السوائل، وإمكانية آليات التكسير البيئي مثل تكسير إجهاد الكبريتيد في الخدمة الحامضة أو تكسير إجهاد الكلوريد في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المعرض للكلوريدات الساخنة.

مواد الحدادة الأكثر شيوعًا لفلنجات عنق اللحام ANSI وأظرف التطبيق النموذجية الخاصة بها هي:

• ASTM A105 (الفولاذ الكربوني): المادة القياسية للخدمات الصناعية العامة من -29 درجة مئوية إلى 425 درجة مئوية (-20 درجة فهرنهايت إلى 800 درجة فهرنهايت). غير مناسب للتعرض لفترة طويلة فوق 425 درجة مئوية بسبب الجرافيت، أو لدرجات حرارة أقل من الصفر تحت درجة حرارة التحول من اللدنة إلى الهشة دون اختبار التأثير. يستخدم في خدمات البخار والماء والزيت والهيدروكربونات غير المسببة للتآكل. هذه هي مادة الفلنجات المزورة الأكثر شيوعًا واقتصاديًا، وتمثل غالبية فلنجات اللحام المثبتة في الخدمة غير المسببة للتآكل.
• ASTM A350 LF2 (فولاذ كربوني منخفض الحرارة): فولاذ كربوني مع كيمياء خاضعة للرقابة وممارسة الحبوب الدقيقة، تم اختبار تأثير شاربي عند -46 درجة مئوية (-50 درجة فهرنهايت). يستخدم لأنظمة الأنابيب التي تعمل في المناخات الباردة وفي التعامل مع الغاز المسال حيث يكون A105 معرضًا لخطر الكسر الهش. عادةً ما يتم تجهيز وجه الحافة بوجه مرتفع أو واجهة مشتركة من النوع الدائري وفقًا للمواصفات.
• ASTM A182 F304/F304L وF316/F316L (الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي): المواد القياسية للخدمات الكيميائية المسببة للتآكل، وتجهيز الأغذية، والتطبيقات الصيدلانية. يتم تحديد الدرجات "L" (منخفضة الكربون، بحد أقصى 0.03٪ كربون) للتصنيع الملحوم وللخدمة فوق 425 درجة مئوية حيث تكون الدرجات غير المستقرة عرضة للحساسية والتآكل بين الحبيبات. يوفر F316/F316L، مع إضافة الموليبدينوم بنسبة 2-3%، مقاومة محسنة للتآكل في البيئات المحتوية على الكلوريد مقارنة بـ F304.
• ASTM A182 F11 وF22 (سبائك الصلب الكروم والموليبدينوم): المواد الأساسية للخدمة في درجات الحرارة العالية في المصافي ومحطات الطاقة، بدرجات 1.25% Cr-0.5% Mo (F11) و2.25% Cr-1% Mo (F22). تحتفظ هذه المواد بقوة الشد عند درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت) وتقاوم هجوم الهيدروجين في خدمة الهيدروجين ذات درجة الحرارة العالية عند استخدامها ضمن منحنيات نيلسون لدرجة السبائك المحددة. إن الفلنجات الموجودة في وحدة المعالجة المائية للمصفاة التي تعمل عند درجة حرارة 450 درجة مئوية مع ضغط جزئي هيدروجيني مرتفع هي عادة مطروقات F22.
• ASTM A182 F51 / F53 (فولاذ مقاوم للصدأ مزدوج وفائق الازدواج): يستخدم في النفط والغاز البحري، ومعالجة مياه البحر، وبيئات العمليات الكيميائية حيث يتطلب الأمر مزيجًا من القوة العالية والمقاومة الاستثنائية للكلوريد. يحتوي F53 (سوبر دوبلكس، 25% كروم) على PREN (الرقم المكافئ لمقاومة التنقر) أعلى من 40، مما يوفر مناعة ضد تآكل شق مياه البحر في درجات الحرارة المحيطة.

أنواع وجه الحافة واختيار الحشية

يتم تحديد واجهة الحافة - هندسة سطح الختم على وجه الحافة - بناءً على فئة الضغط، وخصائص السائل، ونوع الحشية. يحدد معيار ANSI العديد من أنواع الواجهات، ولكل منها مجال تطبيق محدد. الواجهات الأكثر شيوعًا على الشفاه ذات الرقبة الملحومة هي:

الوجه المرتفع (RF)

المواجهة القياسية للفئة 150 و300 من الشفاه، تتكون من هضبة مرتفعة تقريبًا ارتفاع 1.6 ملم (1/16 بوصة) للفئة 150 و300 وارتفاع 6.4 ملم (1/4 بوصة) للفئة 400 وما فوق. يقوم الوجه المرتفع بتركيز حمل الترباس على منطقة حشية أصغر، مما يزيد من ضغط التلامس ويحسن الختم. يتم تحديد التشطيب السطحي للوجه المرتفع وفقًا للمعيار على أنه أ نمط الأخدود متحدة المركز أو دوامة مسننة مع خشونة سطحية تتراوح من 3.2 إلى 6.3 ميكرومتر Ra (125 إلى 250 ميكروبوصة AA). تلتصق هذه النهاية المسننة بمادة الحشية الناعمة وتمنعها من الانبثاق من وصلة الحافة تحت الضغط.

وصلة من النوع الدائري (RTJ)

المواجهة القياسية للفلنجات ذات الضغط العالي من الفئة 600 إلى الفئة 2500 في الخدمة الحرجة. يحتوي وجه الحافة على أخدود مصنوع بدقة يقبل حشية حلقة معدنية صلبة - عادةً ما تكون بيضاوية أو مثمنة في المقطع العرضي - مصنوعة من مادة أكثر ليونة من مادة الحافة. عندما يتم ربط البراغي، يتم تشويه الحشية الحلقية بشكل بلاستيكي في الأخدود، مما يؤدي إلى إنشاء ختم من المعدن إلى المعدن قادر على احتواء الضغوط التي تتجاوز 10000 رطل لكل بوصة مربعة ودرجات الحرارة التي تتجاوز 500 درجة مئوية . إن حشية RTJ هي نوع الحشية الوحيد المقبول للبخار عالي الضغط ومياه تغذية الغلاية والخدمات الهيدروكربونية حيث قد يؤدي انفجار الحشية إلى عواقب كارثية. مواد الحشية الحلقية القياسية هي الحديد الناعم (للفلنجات المصنوعة من الفولاذ الكربوني)، والفولاذ المقاوم للصدأ 304 أو 316، وسبائك النيكل المختلفة للخدمات المسببة للتآكل ودرجات الحرارة العالية.

وجه مسطح (FF)

تستخدم في المقام الأول لفلنجات الحديد الزهر من الفئة 125 وللوصلات إلى فوهات المعدات ذات الوجه المسطح حيث تنحني شفة الوجه المرتفعة وتتشقق شفة الحديد الزهر المتزاوجة عند تشديد البراغي. يتم استخدام حشية كاملة الوجه، تمتد إلى دائرة الترباس، مع حواف مسطحة الوجه لتوزيع حمل الترباس بالتساوي عبر منطقة الوجه بأكملها.

إجراء اللحام التناكبي والتحكم في المنطقة المتأثرة بالحرارة

يتطلب تركيب شفة عنق اللحام على الأنبوب ما يلي: اختراق كامل، لحام بعقب أخدود واحد على شكل حرف V الذي يربط الشطبة المُشكَّلة آليًا في نهاية محور الشفة بالشطبة المطابقة في نهاية الأنبوب. يتم إجراء اللحام عادةً باستخدام عملية اللحام بقوس التنغستن الغازي (GTAW) لتمرير الجذر لضمان الاختراق الكامل وسطح جذر نظيف وخالي من الأكسيد، يليه لحام القوس المعدني المحمي (SMAW) أو اللحام القوسي ذو القلب الصهور (FCAW) لممرات التعبئة والغطاء. يجب أن تكون مواصفات إجراء اللحام (WPS) مؤهلة وفقًا للمادة ASME القسم التاسع، ويجب أن يكون عامل اللحام مؤهلاً للمادة المحددة والسمك والموضع.

إن اعتبار اللحام الحاسم لفلنجات عنق اللحام هو التحكم في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) في محور الحافة . يخضع محور الحافة بالقرب من اللحام لدورة حرارية معقدة يمكن أن تغير بنيته المجهرية، وتحفز الضغوط المتبقية، وبالنسبة لبعض سبائك الفولاذ، تخلق منطقة مارتنستية صلبة وهشة إذا كان معدل التبريد سريعًا جدًا. بالنسبة للفلنجات الفولاذية المصنوعة من سبائك الكروم والموليبدينوم (ASTM A182 F11، F22)، يعد التسخين المسبق إلى 200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت إلى 575 درجة فهرنهايت) أمرًا إلزاميًا قبل اللحام لإبطاء معدل التبريد ومنع تكوين مارتنسيت، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) عند 675 درجة مئوية إلى 730 درجة مئوية (1250 درجة فهرنهايت إلى 1350 درجة فهرنهايت) لمدة ساعة واحدة لكل 25 مم من سمك اللحام مطلوب لتلطيف HAZ، وتخفيف الضغوط المتبقية، واستعادة صلابة كسر المادة. يتم تنفيذ PWHT لمجموعة أنابيب الحافة الملحومة على اللحام المكتمل، ويتم التحقق من صلابة HAZ عن طريق اختبار الصلابة المحمول لكل ASTM E110 للتأكد من أن الصلابة أقل من الحد الأقصى المحدد - عادةً 225 HBW لـ P-No. 4 و ف-لا. سبائك الفولاذ 5A في خدمة التكرير.

التفتيش والاختبار وتوثيق الجودة

يتم تزويد فلنجة عنق اللحام المصنعة وفقًا لمعيار ANSI بمجموعة من مستندات الجودة الإلزامية والاختيارية التي تتحقق من امتثالها لمواصفات المواد والأبعاد. ال تقرير اختبار المواد (MTR) أو شهادة المطحنة هي الوثيقة الأساسية التي تثبت الرقم الحراري للمطرقة، وتركيبها الكيميائي، وقوة الشد، وقوة الخضوع، والاستطالة، وتقليل المساحة من اختبار الشد، وصلابتها. بالنسبة للفلنجات المصنوعة من الفولاذ الكربوني ذات درجة الحرارة المنخفضة (A350 LF2)، يتضمن MTR أيضًا نتائج اختبار تأثير Charpy V-notch عند درجة حرارة الاختبار المحددة. بالنسبة للفلنجات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، يتضمن اختبار MTR نتائج اختبار التآكل بين الحبيبات عند تحديدها. يجب أن يمكن تتبع MTR إلى الحافة من خلال رقم الحرارة، الذي يتم ختمه على محيط الحافة جنبًا إلى جنب مع درجة المادة، وفئة الضغط، وحجم الأنبوب الاسمي، وعلامة تعريف الشركة المصنعة وفقًا لمتطلبات وضع العلامات الخاصة بـ ASME B16.5.

يشمل الفحص غير المدمر للشفة النهائية الفحص البصري للأسطح المصنعة والواجهة وشطبة اللحام للفات، والدرزات، والشقوق، والانقطاعات السطحية الأخرى لكل MSS SP-55. بالنسبة لفلنجات الخدمة الحرجة، يتم تحديد تجربة الاقتراب من الموت الإضافية: فحص اختراق السائل (PT) أو فحص الجسيمات المغناطيسية (MT) لوجه الحافة، والانتقال من المحور إلى الوجه، وشطبة اللحام وفقًا لمعيار ASME B16.5 الفقرة 8.3؛ والفحص بالموجات فوق الصوتية (UT) لحجم الحدادة بالكامل وفقًا لمعيار ASTM A388 أو مواصفات الحدادة ASTM المعمول بها للكشف عن العيوب الداخلية مثل الشوائب أو الفراغات أو التصفيحات. يتم تحديد معايير القبول لهذه الاختبارات من خلال معيار الحدادة ASTM المطبق والمتطلبات الإضافية للمشتري.

عزم دوران الترباس، وضغط الحشية، وتجميع مانع للتسرب

يتطلب تجميع وصلة شفة عنق اللحام ANSI يتم التحكم في تشديد الترباس إلى عزم دوران محدد أو ضغط الترباس لتحقيق ضغط الحشية اللازم لختم مانع للتسرب دون الضغط الزائد على الحافة أو البراغي أو الحشية. يتم ربط البراغي بتسلسل متقاطع - يُسمى أيضًا النمط النجمي - في ثلاث تمريرات على الأقل من عزم الدوران المتزايد: 30%، و60%، و100% من عزم الدوران المستهدف. يضمن هذا التضييق التدريجي أن يتم ضغط الحشية بشكل موحد ويمنع الشفة من التصويب، مما قد يخلق فجوة على شكل إسفين لا يمكن للحشية أن تملأها.

يتم حساب عزم دوران الترباس المستهدف من ضغط جلوس الحشية، ومنطقة تلامس الحشية، وقوة خضوع مادة الترباس، ومعامل الاحتكاك لخيوط الترباس وسطح محمل الصمولة. عادة ما يكون ضغط الترباس المستهدف 40% إلى 70% من قوة إنتاج مادة الترباس للحشيات القياسية، مع استخدام الطرف السفلي من النطاق للحشيات الناعمة مثل الألياف المضغوطة أو PTFE والنهاية الأعلى للحشيات المعدنية والحشوات الحلزونية. يعد تشحيم خيوط الترباس والأسطح الحاملة للصمولة باستخدام مركب مضاد للضغط العالي أمرًا ضروريًا لتحقيق علاقة متسقة بين عزم الدوران وشد الترباس؛ يمكن أن تستهلك الخيوط غير المشحمة 50% أو أكثر من عزم الدوران المطبق في الاحتكاك، مما يؤدي إلى تحميل مسبق للمسمار أقل بكثير من القيمة المحسوبة. بالنسبة للوصلات ذات الحواف المهمة في أنابيب عملية ASME B31.3، يعد إجراء ربط المسمار جزءًا موثقًا من عملية ضمان الجودة، ويتم تسجيل قيم عزم دوران المسمار في تقرير سلامة وصلة الحافة.