انواع فلنج های مختلف مورد استفاده در سیستم های لوله کشی چیست؟

فلنج ها یکی از اساسی ترین اجزای هر سیستم لوله کشی هستند که اتصالات مکانیکی را فراهم می کنند که لوله ها، شیرها، پمپ ها و تجهیزات را به گونه ای به هم متصل می کنند که هم از نظر ساختاری ایمن باشد و هم برای بازرسی، تعمیر و نگهداری یا اصلاح قابل جابجایی باشد. در صنایع مختلف از نفت و گاز و پتروشیمی گرفته تا تصفیه آب، داروسازی و تولید برق، انتخاب صحیح نوع فلنج، کلاس فشار، روکش و مواد به اندازه خود مشخصات لوله مهم است. فلنج نامناسب یا نامناسب یک نقطه نشتی بالقوه، نقص در انطباق با مقررات، و در سرویس‌های پرفشار یا دمای بالا، یک خطر ایمنی جدی است. این مقاله انواع فلنج های اصلی مورد استفاده در سیستم های لوله کشی، ویژگی های مهندسی آنها، استانداردهای قابل اجرا و معیارهای عملی که انتخاب صحیح فلنج را هدایت می کند را پوشش می دهد.

فلنج لوله چیست و چرا انتخاب نوع اهمیت دارد؟

الف فلنج لوله کشی یک دیسک، حلقه یا یقه آهنگری، ریخته‌گری یا ماشین‌کاری شده از فلز است که به انتهای لوله، بدنه شیر یا نازل تجهیزات متصل می‌شود و به فلنج جفت‌کننده پیچ می‌شود تا یک اتصال محکم فشار ایجاد کند. اتصال توسط یک واشر فشرده شده بین دو صفحه فلنج توسط نیروی گیره پیچ مهر و موم می شود. فلنج بارهای مکانیکی را بین عناصر متصل منتقل می کند - از جمله فشار داخلی، نیروهای انبساط حرارتی، بارهای وزنی و ارتعاش - در حالی که اجازه می دهد اتصال بدون برش یا جوش از هم جدا شود.

انتخاب نوع فلنج اهمیت دارد زیرا انواع مختلف برای روش های اتصال اساساً متفاوت، شرایط خدمات فشار و دما، ضخامت دیواره لوله و سهولت نصب و جداسازی مناسب هستند. استفاده از فلنج لغزنده در یک خط بخار پرفشار، یا فلنج جوشی سوکتی روی لوله‌ای با سوراخ بزرگ، عدم تطابق بین قابلیت ساختاری فلنج و نیازهای اعمال شده روی آن ایجاد می‌کند. استانداردهای حاکم - معمولاً ASME B16.5، ASME B16.47، EN 1092-1 و API 6A - الزامات ابعادی، کلاس فشار و مواد را برای هر نوع فلنج تعریف می‌کنند و رعایت این استانداردها در بیشتر صنایع تحت نظارت الزامی است.

انواع فلنج های اصلی مورد استفاده در لوله کشی

هر نوع فلنج دارای یک روش مجزا برای اتصال به لوله و مجموعه خاصی از مشخصات ساختاری است. هفت نوع شرح داده شده در زیر، اکثریت قریب به اتفاق اتصالات فلنجی را که در سیستم های لوله کشی صنعتی و تجاری مشاهده می شود، پوشش می دهد.

فلنج گردن جوش

فلنج گردن جوش قوی ترین نوع فلنج از نظر ساختاری و به طور گسترده برای کاربردهای خدماتی با فشار بالا، دمای بالا و چرخه است. دارای هاب بلند و مخروطی است که به تدریج از بدنه فلنج به ضخامت دیواره لوله انتقال می یابد و تنش را به طور یکنواخت توزیع می کند و غلظت تنش را در محل اتصال جوش به حداقل می رساند. فلنج توسط یک جوش لب به لب با نفوذ کامل به لوله متصل می شود که قوی ترین یکپارچگی اتصال ممکن را فراهم می کند و امکان بررسی رادیوگرافیک جوش را برای تأیید کیفیت فراهم می کند. فلنج های گردن جوش مشخصات استاندارد در خطوط خدمات حیاتی در نفت و گاز، تولید برق و فرآوری شیمیایی هستند. هزینه بالاتر و زمان نصب بیشتر آنها در مقایسه با انواع دیگر، با عملکرد مکانیکی برتر و قابلیت اطمینان طولانی مدت آنها در شرایط خدماتی سخت توجیه می شود.

فلنج لغزنده

فلنج لغزنده روی قسمت بیرونی لوله می لغزد و با دو جوش فیله - یکی در وجه هاب و دیگری در پشت سوراخ فلنج متصل می شود. سوراخ آن کمی بزرگتر از قطر بیرونی لوله است و به لوله اجازه می دهد قبل از جوشکاری وارد شود، که تراز را در هنگام نصب ساده می کند. فلنج‌های لغزنده نسبت به فلنج‌های گردنی جوشی از نظر هزینه کمتر و راحت‌تر جا می‌شوند و در لوله‌کشی‌های شهری، سیستم‌های کم فشار و خطوط خدمات غیر بحرانی محبوب هستند. با این حال، استحکام ساختاری آن‌ها کمتر از فلنج‌های گردن جوش است - که معمولاً تقریباً دو سوم معادل گردن جوش تحت همان کلاس فشار است - زیرا جوش‌های فیله‌ای نفوذ کامل دیواره لوله را فراهم نمی‌کنند. آنها به طور کلی به خدمات کلاس 150 و 300 ASME در برنامه های غیر حیاتی محدود می شوند.

فلنج جوش سوکت

فلنج های جوش سوکت منحصراً در لوله کشی با سوراخ کوچک، معمولاً 2 اینچ (50 میلی متر) سوراخ اسمی و زیر استفاده می شود. لوله در یک سوکت ماشینکاری شده در سوراخ فلنج وارد می شود و یک جوش فیله در هاب اعمال می شود. یک شکاف کوچک تقریباً 1.6 میلی متری قبل از جوشکاری عمداً بین انتهای لوله و شانه سوکت ایجاد می شود تا امکان انبساط حرارتی و جلوگیری از ترک خوردگی جوش فراهم شود. فلنج‌های جوش سوکت سوراخ داخلی تمیزتری نسبت به فلنج‌های لغزنده برای لوله‌های کوچک فراهم می‌کنند که باعث کاهش تلاطم و فرسایش در سرویس‌های با سرعت بالا می‌شود. آنها در خطوط هیدرولیک فشار بالا، اتصالات ابزار و لوله های تزریق مواد شیمیایی که در آن یکپارچگی سوراخ کوچک بسیار مهم است استفاده می شود. آنها برای سرویس های دوغاب یا مایعات خورنده که در آن شکاف در شکاف سوکت به لوله می تواند مواد را به دام بیندازد، مناسب نیستند.

فلنج رزوه ای

فلنج های رزوه ای به جای جوشکاری از طریق یک رزوه داخلی مخروطی یا موازی به لوله متصل می شوند و آنها را تنها نوع فلنج معمولی می کند که برای اتصال نیازی به جوش ندارد. آنها در سیستم های شهری کم فشار، اتصالات ابزار، و کاربردها در خدمات غیرخطرناک که در آن وجود گازهای قابل اشتعال یا انفجاری عملیات جوشکاری را غیرعملی می کند، استفاده می شود. فلنج‌های رزوه‌دار از نظر مکانیکی ضعیف‌تر از انواع جوش‌شده هستند و در معرض نشتی تحت چرخه حرارتی یا ارتعاش هستند که به تدریج درگیری رزوه را شل می‌کند. به همین دلیل بسیاری از مشخصات استفاده از آنها را در سرویس های بالاتر از 300 درجه فارنهایت (150 درجه سانتیگراد) یا در سرویس گاز و مایعات قابل اشتعال ممنوع می کند. در محیط‌هایی که محدودیت‌های جوش اعمال می‌شود اما یکپارچگی بالاتری مورد نیاز است، پیکربندی جوش‌دهی رزوه‌ای و مهر و موم - اعمال جوش آب‌بندی روی اتصال رزوه‌دار - قابلیت اطمینان بهتری را فراهم می‌کند.

فلنج کور

الف blind flange is a solid disc with no bore that is used to close off the end of a pipe, nozzle, or vessel opening. It is bolted against a mating flange face with a gasket, creating a fully pressure-rated closure that can be removed when access to the line is required. Blind flanges are used at pipe ends for future expansion connections, at vessel inspection openings, at pressure test points, and as permanent end closures on redundant branch connections. They must be rated to the full system pressure class and are subject to significant bending stress from internal pressure acting on their unsupported face area, which is why blind flange wall thickness increases substantially with larger bore sizes and higher pressure classes.

فلنج مفصل دام

فلنج اتصال لبه همراه با یک اتصال انتهایی خرد استفاده می شود - بخش کوتاهی از لوله با شعاع ماشینکاری شده در یک انتها که سطح آب بندی را فراهم می کند. فلنج اتصال لبه آزادانه روی انتهای خرد می لغزد و به لوله جوش نمی خورد. در عوض، انتهای خرد شده به لوله جوش داده می شود و فلنج شل در برابر شعاع انتهایی خرد می شود. این آرایش به فلنج اجازه می دهد تا آزادانه در اطراف لوله بچرخد، که تراز سوراخ پیچ را در حین نصب بسیار ساده می کند، به ویژه در مناطق شلوغ یا جایی که اتصالات تجهیزات دقیقاً قرار ندارند. فلنج های مفصلی از نظر اقتصادی در سیستم های لوله کشی آلیاژی گران قیمت نیز سودمند هستند، زیرا فقط قسمت انتهایی - جزء در تماس با سیال - باید از مواد آلیاژی ساخته شود، در حالی که فلنج پشتی می تواند فولاد کربنی استاندارد باشد.

فلنج اوریفیس

فلنج‌های روزنه‌ای یک نوع تخصصی از طراحی گردن جوش یا فلنج لغزنده هستند که سوراخ‌های ضربه‌ای تحت فشار را در بدنه فلنج در دو طرف صفحه روزنه‌ای ترکیب می‌کنند. صفحه روزنه - یک دیسک حفاری دقیق - بین جفت فلنج دهانه بسته می شود و با عبور سیال از سوراخ محدود، اختلاف فشار کالیبره شده ایجاد می کند. این فشار تفاضلی از طریق سوراخ های ضربه ای اندازه گیری می شود و برای محاسبه دبی حجمی یا جرمی استفاده می شود. مجموعه های فلنج اوریفیس یک فناوری اندازه گیری جریان استاندارد در کاربردهای نفت و گاز، فرآوری شیمیایی و تصفیه آب هستند و الزامات ابعادی و ماشینکاری آنها در ASME MFC-3M و ISO 5167 مشخص شده است.

مقایسه نوع فلنج بر اساس معیارهای کلیدی

جدول زیر مقایسه ای عملی از انواع فلنج های اصلی را در بین معیارهای مرتبط با تصمیمات انتخاب در طراحی لوله کشی صنعتی ارائه می دهد.

انواع صورت فلنج و نقش آنها در آب بندی مفصل

صفحه فلنج سطح ماشین کاری شده ای است که با واشر تماس پیدا می کند و آب بندی فشار ایجاد می کند. انتخاب نوع چهره نامناسب برای یک وضعیت خدماتی خاص یا مواد واشر یکی از دلایل رایج نشت مفصل است. چهار نوع صورت که به طور گسترده در لوله کشی صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند، هر کدام مکانیسم های آب بندی متمایز و محدوده کاربرد دارند.

صورت برجسته (RF)

صفحه برآمده رایج‌ترین نوع صفحه فلنج در لوله‌کشی فرآیند و نوع پیش‌فرض برای فلنج‌های ASME B16.5 از کلاس 150 تا کلاس 2500 است. سطح نشیمن یک حلقه برآمده است - معمولاً 1.6 میلی‌متر ارتفاع برای کلاس 150 و 300، و ارتفاع 6.4 میلی‌متر برای فلنج‌های متمرکز بر روی 600. منطقه سطح استاندارد برای فلنج های صورت برجسته، یک روکش دندانه دار متحدالمرکز یا مارپیچ با زبری 3.2 تا 6.3 میکرومتر Ra است که قفل مکانیکی را با واشرهای نرم و نیمه فلزی فراهم می کند. فلنج های صورت برجسته با طیف گسترده ای از واشرهای تخت، مارپیچی و نوع حلقه ای که در خدمات فرآیند عمومی استفاده می شوند، سازگار هستند.

صورت صاف (FF)

فلنج صفحه تخت دارای سطح نشیمنگاه آن با سطح بدنه فلنج بدون ناحیه برجسته است. هنگام جفت شدن در برابر تجهیزات فلنجی - مانند شیرهای چدنی، پمپ ها و تجهیزات غیر فلزی - استفاده می شود که در آن صورت برجسته بارهای خمشی ناهمواری را بر اجزای جفت وارد می کند و خطر ترک خوردن آن را تهدید می کند. فلنج های صفحه تخت از واشرهای تمام وجهی استفاده می کنند که تا دایره پیچ و فراتر از آن امتداد می یابد، بار پیچ را در کل صفحه فلنج توزیع می کند و از بارگذاری لبه ای که واشر حلقه روی فلنج جفت شکننده ایجاد می کند جلوگیری می کند.

اتصال نوع حلقه (RTJ)

فلنج‌های مفصلی حلقه‌ای دارای یک شیار ذوزنقه‌ای یا بیضی شکل با ماشینکاری دقیق هستند که در صفحه فلنج ماشینکاری شده و یک واشر فلزی جامد - معمولاً آهن نرم، فولاد کم کربن، فولاد ضد زنگ 316 یا اینکونل - در آن قرار می‌گیرد. همانطور که پیچ ها سفت می شوند، واشر حلقه به صورت پلاستیکی در شیار تغییر شکل می دهد و یک مهر و موم فلز به فلز با یکپارچگی بسیار بالا ایجاد می کند. اتصالات RTJ برای خدمات فشار بالا، دمای بالا و گاز ترش مشخص شده است که در آن الزامات قابلیت اطمینان از آنچه واشرهای نرم یا نیمه فلزی می توانند ارائه دهند، بیشتر است. آنها در لوله‌کشی‌های سرچاهی، زیردریایی و فرآیندی با یکپارچگی بالا استاندارد هستند و برای دستیابی به عملکرد رتبه‌بندی‌شده خود، به ماشینکاری دقیق شیار و رینگ نیاز دارند.

زبان و شیار (T&G)

فلنج های زبانه و شیار جفت جفتی هستند که در آن یک صفحه فلنج دارای زبانه برجسته و دیگری دارای یک شیار منطبق بر روی صورت است. واشر به طور کامل در داخل شیار قرار می گیرد، جایی که از همه طرف محدود می شود و از انفجار واشر در شرایط فشار افزایشی جلوگیری می کند. اتصالات T&G حفظ واشر عالی را ارائه می‌کنند و در پوشش‌های مبدل حرارتی، درپوش سوپاپ‌ها و اتصالات فرآیندی با یکپارچگی بالا استفاده می‌شوند که در آن خطر انفجار واشر باید به حداقل برسد. از آنجایی که دو نیمه باید جفت همسان باشند، فلنج‌های زبانه و شیار قابل تعویض با فلنج‌های صفحه برجسته استاندارد با اندازه و کلاس فشار یکسان نیستند.

کلاس های فشار فلنج و معنی آنها

تحت ASME B16.5 - استاندارد غالب برای فلنج های لوله در آمریکای شمالی و به طور گسترده در سطح بین المللی به آن اشاره می شود - فلنج ها با کلاس فشار تعیین می شوند: 150، 300، 600، 900، 1500، و 2500. این اعداد کلاس نشان دهنده یک درجه فشار ثابت نیستند. در عوض، آنها رتبه بندی فشار-دمای فلنج را تعریف می کنند، که با افزایش دما به دلیل کاهش قدرت تسلیم مواد در دماهای بالا کاهش می یابد.

به عنوان مثال، فلنج کلاس 300 در فولاد کربنی ASTM A105 تقریباً 51.1 بار (740 psi) در دمای محیط ارزیابی می شود، اما تنها 14.4 بار (210 psi) در 450 درجه سانتی گراد (850 درجه فارنهایت). بنابراین، کلاس فشار صحیح برای یک سرویس معین باید بر اساس حداکثر فشار عملیاتی و حداکثر دمای عملیاتی، با استفاده از جداول درجه بندی فشار و دما در ASME B16.5 یا جداول معادل EN 1092-1 برای فلنج های استاندارد اروپایی انتخاب شود. کوچک کردن کلاس فشار برای دمای واقعی سرویس یکی از مهم ترین خطاها در مشخصات فلنج است.

مواد فلنج معمولی و کاربردهای آنها

انتخاب مواد فلنج باید هم با سیال فرآیند و هم با محیط خارجی سازگار باشد و باید خواص مکانیکی کافی را در تمام محدوده دمای عملیاتی حفظ کند.

• الفSTM A105 (Carbon Steel): مواد استاندارد برای فلنج‌های فولاد کربنی در خدمات فرآیند عمومی تا دمای تقریباً 425 درجه سانتیگراد. مورد استفاده در نفت و گاز، آب، بخار و خدمات شیمیایی غیر خورنده. کم هزینه و به طور گسترده در همه کلاس ها و انواع فشار موجود است.
• الفSTM A182 F316/F316L (Stainless Steel): برای خدمات شیمیایی خورنده، برنامه های غذایی و دارویی و محیط های دریایی استفاده می شود. درجه 316 مقاومت در برابر خوردگی عمومی خوبی را ارائه می دهد. 316L (کم کربن) مشخص شده است که در آن باید از ایجاد حساسیت ناشی از حرارت جوش جلوگیری شود.
• الفSTM A182 F11 / F22 (Alloy Steel): فولادهای آلیاژی کروم-مولیبدن که در خدمات با دمای بالا بالاتر از 425 درجه سانتیگراد در لوله‌های تولید بخار، ریفرمر و بخاری سوختنی استفاده می‌شوند که در آن فولاد کربنی استحکام مکانیکی خود را از دست می‌دهد.
• الفSTM A350 LF2 (Low Temperature Carbon Steel): فولاد کربنی تست ضربه برای خدمات برودتی و دمای پایین تا -46 درجه سانتیگراد، مورد استفاده در تاسیسات LNG، سیستم های تبرید، و لوله کشی هوای سرد در فضای باز.
• فولاد ضد زنگ دوبلکس و سوپر دوبلکس (F51, F53): در محیط های بسیار خورنده از جمله سرویس آب دریا، لوله کشی زیر دریا و جریان های شیمیایی غنی از کلرید که در آن فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد دچار ترک خوردگی تنشی یا خوردگی حفره ای می شوند استفاده می شود.

نحوه انتخاب فلنج مناسب برای سیستم لوله کشی

انتخاب صحیح فلنج به جای بهینه سازی برای هر معیار واحدی مانند هزینه یا در دسترس بودن، به ارزیابی سیستماتیک چندین پارامتر در ترکیب نیاز دارد.

• شرایط خدمات را دقیقاً تعریف کنید: قبل از انتخاب هر جزء فلنج، حداکثر فشار عملیاتی، حداکثر دمای عملیاتی، ترکیب سیال از جمله اجزای خورنده، و ویژگی بارگذاری چرخه‌ای یا دینامیکی سرویس را تعیین کنید.
• نوع فلنج را بر اساس الزامات ساختاری انتخاب کنید: از فلنج های گردن جوش برای تمام خطوط سرویس پر فشار، دمای بالا، چرخه ای یا خطرناک استفاده کنید. از فلنج‌های لغزنده فقط در سرویس‌های کاربردی یا با بحرانی پایین استفاده کنید که در آن کاهش هزینه موجه است و یکپارچگی ساختاری پایین‌تر در کد قابل قبول است.
• کلاس فشار را از جداول درجه بندی P-T تعیین کنید: رتبه بندی فشار-دمای ماده انتخابی را در ASME B16.5 یا EN 1092-1 در دمای واقعی سرویس و نه دمای محیط جستجو کنید. ضریب ایمنی مناسب مورد نیاز توسط کد طراحی قابل اجرا را اعمال کنید.
• مطابقت نوع چهره با تجهیزات انتخاب واشر و جفت گیری: از صورت برآمده با زخم مارپیچ یا واشر حلقه برای خدمات فرآیند کلی استفاده کنید. هنگام جفت گیری در برابر تجهیزات چدنی یا فلنجی غیرفلزی از صورت صاف استفاده کنید. از RTJ برای سرویس های پرفشار یا ترش که در آن آب بندی فلز به فلز لازم است استفاده کنید.
• بررسی سازگاری مواد: اطمینان حاصل کنید که مواد فلنج هم با سیال فرآیند - با در نظر گرفتن خوردگی، فرسایش و ترک خوردگی ناشی از تنش - و هم با محیط خارجی، از جمله عایق تحت خطر خوردگی روکش و سازگاری با حفاظت کاتدی برای سرویس های مدفون یا غوطه ور سازگار است.

نتیجه گیری

فلنج‌ها برای سیستم‌های لوله‌کشی طیف وسیع‌تری از تصمیمات مهندسی را در بر می‌گیرند که نقش به ظاهر ساده آنها به عنوان اتصال دهنده‌های لوله ممکن است نشان دهد. انتخاب بین گردن جوش، لغزنده، جوش سوکت، رزوه، کور، اتصال لبه یا فلنج دهانه، یکپارچگی ساختاری اتصال، سهولت نصب و نگهداری و مناسب بودن اتصال را برای محیط خدمات خاص تعیین می کند. انتخاب فلنج مناسب در ترکیب با نوع صورت مناسب برای واشر و تجهیزات جفت، کلاس فشار مناسب برای دمای عملیاتی و مشخصات مواد مطابق با سیال فرآیند و شرایط محیطی، سیستم لوله‌کشی را تضمین می‌کند که در طول عمر طراحی خود به طور ایمن و قابل اطمینان بدون بار تعمیر و نگهداری غیر ضروری یا خطر خرابی عمل کند.