Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm phải đối mặt với những quyết định quan trọng khi xác định mặt bích thép carbon cho hệ thống đường ống công nghiệp. Các bộ phận cơ khí này kết nối đường ống, van, máy bơm và thiết bị trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của áp suất và cho phép tiếp cận bảo trì. Hiểu các thông số kỹ thuật vật liệu, tiêu chuẩn kích thước và xếp hạng nhiệt độ áp suất đảm bảo thiết kế hệ thống an toàn và tuân thủ trên các ứng dụng dầu khí, hóa dầu, sản xuất điện và xử lý nước.
Tìm hiểu nguyên tắc cơ bản về mặt bích thép cacbon
Mặt bích thép carbon đóng vai trò là điểm kết nối trong cơ sở hạ tầng đường ống, được sản xuất chủ yếu thông qua quy trình rèn để đạt được sự liên kết cấu trúc hạt và độ bền cơ học. Thành phần vật liệu thường bao gồm hàm lượng carbon lên tới 0,35%, mangan để tăng cường độ bền và mức silicon được kiểm soát để khử oxy. Những mặt bích này phù hợp với kích thước ống từ đường kính danh nghĩa 15mm (½ inch) đến 2000mm (80 inch) trong các ứng dụng có đường kính lớn.
Quá trình sản xuất bao gồm nung các phôi thép cacbon đến nhiệt độ rèn, sau đó tạo hình chúng dưới áp suất cơ học để đạt được hình dạng cần thiết. Các nguyên công gia công tiếp theo sẽ tạo ra các mặt bịt kín, lỗ bu lông và cấu hình trục. Xử lý nhiệt—bình thường hóa, làm nguội và ủ hoặc ủ—tối ưu hóa các đặc tính cơ học cho các điều kiện sử dụng cụ thể.
Thông số kỹ thuật và cấp độ vật liệu
Lựa chọn vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất mặt bích dưới áp suất và nhiệt độ cực cao. Thông số kỹ thuật phổ biến nhất cho mặt bích thép carbon là ASTM A105, bao gồm các bộ phận đường ống bằng thép cacbon rèn cho môi trường xung quanh và dịch vụ ở nhiệt độ cao. Thông số kỹ thuật này đảm bảo độ bền kéo tối thiểu là 485 MPa (70 ksi) và cường độ chảy 250 MPa (36 ksi) với độ giãn dài tối thiểu 22%.
Bảng sau đây so sánh các vật liệu mặt bích bằng thép cacbon thông thường và đặc tính sử dụng của chúng:
Mặt bích thép carbon ASTM A105 vật liệu đại diện cho tiêu chuẩn công nghiệp cho các ứng dụng đường ống nói chung. Thông số kỹ thuật cho phép đúc tương đương với tiêu chuẩn ASTM A216 Class WCB đối với một số cấu hình mặt bích mù nhất định. Hàm lượng carbon lên tới 0,35% mang lại khả năng gia công và khả năng hàn tuyệt vời trong khi vẫn duy trì đủ cường độ cho các loại áp suất đến Loại 2500. Vật liệu này có điểm nóng chảy khoảng 1420°C (2590°F) và độ cứng Brinell trong khoảng 137-187 HBW. Những đặc tính này đảm bảo khả năng tương thích với các hoạt động cắt, khoan và hàn tiêu chuẩn đồng thời cung cấp khả năng chống mài mòn thích hợp cho các kết nối bắt vít. Các ứng dụng dưới -29°C yêu cầu vật liệu ASTM A350 LF2 để ngăn ngừa hiện tượng gãy giòn. Thông số kỹ thuật này bắt buộc phải thử nghiệm tác động ở nhiệt độ quy định để xác minh độ bền của rãnh. Loại 1 cung cấp khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp tiêu chuẩn, trong khi Loại 2 cung cấp các đặc tính nâng cao cho dịch vụ đông lạnh khắc nghiệt. Mặt bích ASTM A105 không yêu cầu xử lý nhiệt ngoại trừ trong các điều kiện cụ thể: mặt bích trên Loại 300, mặt bích thiết kế đặc biệt với các thông số áp suất hoặc nhiệt độ không xác định hoặc mặt bích vượt quá 4 inch NPS ở Loại 300 trở lên. Khi được yêu cầu, các lựa chọn xử lý nhiệt bao gồm ủ, chuẩn hóa và ủ không chuẩn hóa, hoặc làm nguội và ủ để đạt được các đặc tính cơ học cụ thể. Việc lựa chọn hình dạng mặt bích phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống đường ống, cấp áp suất và các cân nhắc về bảo trì. Mỗi loại mang lại những ưu điểm riêng biệt cho các ứng dụng cụ thể, từ cấu hình cổ hàn áp suất cao đến thiết kế trượt tiết kiệm [^74^]. Bảng so sánh sau đây phác thảo các đặc điểm của các loại mặt bích chính: Mặt bích cổ hàn thép cacbon cấu hình cung cấp tính toàn vẹn cấu trúc cao nhất cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Thiết kế trục côn phù hợp với độ dày thành ống, phân bổ ứng suất dần dần và loại bỏ những điểm gián đoạn rõ rệt. Hàn đối đầu tạo ra các mối nối xuyên thấu hoàn toàn với độ bền tương đương với ống đế. Những mặt bích này thống trị đường ống quy trình quan trọng, hệ thống hơi nước áp suất cao và dịch vụ hydrocarbon trong đó độ tin cậy là tối quan trọng Mặt bích trượt trượt trên đường kính ngoài của hố và được cố định bằng các mối hàn góc ở cả mặt bích bên trong và bên ngoài. Thiết kế này giúp đơn giản hóa việc căn chỉnh và giảm thời gian lắp đặt, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng công nghiệp và công trình nước nói chung. Tuy nhiên, yêu cầu về mối hàn kép và khả năng chống mỏi thấp hơn so với thiết kế cổ hàn hạn chế sự phù hợp cho dịch vụ theo chu kỳ hoặc biến động áp suất nghiêm trọng [^74^]. Mặt bích mù đóng vai trò đóng kín cho các điểm cuối đường ống, vòi phun và các điểm cách ly. Các bộ phận dạng đĩa không có lỗ khoan ở giữa này chịu được toàn bộ áp suất của hệ thống và tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra thủy tĩnh. Cấu hình mối nối mặt nâng hoặc kiểu vòng đảm bảo việc đặt miếng đệm thích hợp. Mặt bích mù có thể dễ dàng tháo ra để mở rộng đường dây hoặc bảo trì trong tương lai. Mặt bích hàn ổ cắm chứa các ống có đường kính nhỏ hơn (thường là NPS 2 trở xuống) thông qua các ổ cắm bên trong chấp nhận lắp ống. Hàn phi lê ở đường kính ngoài của trục tạo ra các mối nối kín áp thích hợp cho các ứng dụng có lỗ khoan nhỏ, áp suất cao. Mặt bích có ren có các ren NPT bên trong dành cho các kết nối không hàn, thường được chỉ định ở những vị trí nguy hiểm nơi việc hàn có nguy cơ đánh lửa Quá trình xử lý hydrocarbon áp suất cao đòi hỏi cấu hình cổ mối hàn để đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc. Hệ thống xử lý nước và HVAC sử dụng mặt bích trượt để tiết kiệm. Các hoạt động đòi hỏi nhiều bảo trì được hưởng lợi từ mặt bích khớp nối với các đầu còn lại có thể thay thế được. Các kỹ sư đặc điểm kỹ thuật phải đánh giá chu trình áp suất, quá độ nhiệt độ và các yêu cầu kiểm tra khi lựa chọn loại mặt bích. Các tiêu chuẩn mặt bích toàn cầu đảm bảo khả năng thay thế và tuân thủ giữa các dự án quốc tế. Hai hệ thống chiếm ưu thế là ASME/ANSI B16.5 dành cho thị trường Bắc Mỹ và EN 1092-1/DIN dành cho các ứng dụng ở Châu Âu. Bảng sau đây so sánh các tiêu chuẩn chiều chính: Kích thước mặt bích ANSI B16.5 xác định hình dạng mặt bích được chỉ định rộng rãi nhất trên toàn cầu. Tiêu chuẩn bao gồm các kích thước từ ½ inch đến 24 inch kích thước ống danh nghĩa trên các cấp áp suất từ 150 đến 2500. Mỗi ký hiệu cấp thể hiện sự kết hợp cụ thể của đường kính ngoài, đường kính vòng tròn bu lông, số lượng bu lông và độ dày mặt bích Các thông số chiều chính bao gồm: Các tiêu chuẩn Châu Âu sử dụng các ký hiệu (Áp suất danh nghĩa) thay vì xếp hạng Loại. Mặt bích thép carbon PN16 thông số kỹ thuật đại diện cho loại áp suất phổ biến nhất ở Châu Âu, gần tương đương với ANSI Lớp 150. Tiêu chuẩn EN 1092-1 hợp nhất các tiêu chuẩn DIN, NF và BS trước đây thành một tiêu chuẩn thống nhất của Châu Âu. Ký hiệu loại theo EN 1092-1 bao gồm: Mặc dù sự tương đương trực tiếp giữa các hệ thống PN và Class là gần đúng, nhưng thông số kỹ thuật hướng dẫn mối quan hệ sau đây: PN6 tương ứng với Lớp 75, PN10/16 đến Lớp 150, PN25/40 đến Lớp 300, PN63 đến Lớp 600 và PN100 đến Lớp 900. Các kỹ sư nên xác minh xếp hạng áp suất-nhiệt độ chính xác thay vì dựa vào các giá trị tương đương danh nghĩa. Xếp hạng loại áp suất xác định áp suất làm việc tối đa cho phép ở nhiệt độ tham chiếu, với yêu cầu giảm công suất đối với các điều kiện vận hành nâng cao. Những xếp hạng này đảm bảo tính toàn vẹn của mặt bích dưới tải trọng cơ và nhiệt kết hợp Bảng sau đây trình bày xếp hạng áp suất-nhiệt độ cho mặt bích thép carbon ASTM A105: Đánh giá áp suất mặt bích thép carbon lựa chọn yêu cầu phân tích áp suất và nhiệt độ vận hành tối đa. Loại 150 phù hợp với hệ thống nước áp suất thấp và đường ống công nghiệp nói chung lên tới 285 psig ở điều kiện môi trường xung quanh. Loại 300 có thể chịu được áp suất vừa phải đến 740 psig cho đường ống xử lý và khí nén. Dịch vụ hydrocarbon áp suất cao yêu cầu Loại 600 (1480 psig) trở lên. Các ứng dụng áp suất cực cao i, bao gồm cả vòi phun lò phản ứng, chỉ định Loại 1500 hoặc 2500. Áp suất cho phép giảm đáng kể khi nhiệt độ vận hành tăng. Ở 800°F (427°C), mặt bích Class 300 ASTM A105 chỉ giữ lại 55% mức áp suất xung quanh. Sự giảm giá trị này phản ánh sự giảm cường độ năng suất của vật liệu ở nhiệt độ cao. Các nhà thiết kế hệ thống phải chỉ định mặt bích dựa trên điều kiện vận hành thực tế thay vì xếp hạng danh nghĩa. ASME B16.5 sắp xếp vật liệu thành các nhóm có bảng nhiệt độ áp suất cụ thể. Thép cacbon, trong đó có ASTM A10,5 thuộc Nhóm vật liệu 1.1. Thép hợp kim thấp nằm trong Nhóm 1.2 đến 1.18, trong khi thép không gỉ nằm trong Nhóm 2.1 đến 2.12. Mỗi nhóm thể hiện mối quan hệ cường độ-nhiệt độ riêng biệt đòi hỏi các bảng đánh giá cụ thể Đặc điểm kỹ thuật mặt bích phù hợp đòi hỏi phải xác định áp suất thiết kế, nhiệt độ thiết kế, vật liệu ống và tải trọng bên ngoài. Áp suất thiết kế phải vượt quá áp suất vận hành tối đa ở mức an toàn thích hợp. Các cân nhắc về nhiệt độ bao gồm cả hoạt động liên tục và các điều kiện nhất thời trong quá trình khởi động hoặc các tình huống không ổn định. Phụ cấp ăn mòn có thể yêu cầu mặt bích dày hơn kích thước tiêu chuẩn. Cấu hình bề mặt bịt kín ảnh hưởng đến việc lựa chọn miếng đệm và khả năng chịu áp lực. Mặt nâng (RF) là cấu hình tiêu chuẩn cho dịch vụ chung, cung cấp bề mặt ngồi nâng cao 2-7mm. Mặt phẳng (FF) phù hợp với các ứng dụng áp suất thấp với miếng đệm toàn mặt. Khớp kiểu vòng (RTJ) sử dụng các rãnh được gia công chính xác cho các miếng đệm vòng kim loại trong môi trường áp suất cao, nhiệt độ cao mà các miếng đệm thông thường sẽ không hoạt động. Quy trình bắt vít thích hợp đảm bảo tính toàn vẹn của mối nối mặt bích. Hướng dẫn ASME PCC-1 quy định trình tự bắt bu lông, giá trị mô men xoắn và quy trình siết chặt lại. Lựa chọn miếng đệm phải phù hợp với độ hoàn thiện của mặt mặt bích, loại áp suất và khả năng tương thích của chất lỏng xử lý. Các miếng đệm dạng xoắn ốc phù hợp với mặt bích RF trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, trong khi các rãnh RTJ yêu cầu các miếng đệm vòng hình bầu dục hoặc hình bát giác phù hợp Xác minh chất lượng bao gồm kiểm tra kích thước theo ASME B16.5, chứng nhận vật liệu theo thông số kỹ thuật của ASTM và thử nghiệm không phá hủy cho các ứng dụng quan trọng. Thử nghiệm thủy tĩnh ở mức áp suất gấp 1,5 lần thiết kế sẽ xác nhận tính toàn vẹn của hệ thống. Gói tài liệu phải bao gồm chứng chỉ kiểm tra vật liệu (MTC), hồ sơ xử lý nhiệt và báo cáo NDE theo EN 10204 3.1 hoặc 3.2. ASTM A105N chỉ ra việc xử lý thức ăn không chuẩn hóa, trong khi tiêu chuẩn A105 có thể được cung cấp ở điều kiện giả mạo. Bình thường hóa tinh chỉnh cấu trúc hạt, cải thiện tính đồng nhất của tính chất cơ học và tăng cường độ dẻo dai. A105N được yêu cầu cho các mặt bích trên Loại 300, mặt bích thiết kế đặc biệt hoặc bất kỳ mặt bích nào vượt quá 4 inch NPS thuộc Loại 300 trở lên. Ký hiệu "N" đảm bảo các đặc tính nhất quán trong toàn bộ thành phần và được khuyến nghị cho các ứng dụng liên quan đến chu trình nhiệt độ hoặc tải trọng va đập. Khả năng hoán đổi chiều trực tiếp giữa mặt bích ANSI B16.5 và EN 1092-1 bị hạn chế. Trong khi PN16 xấp xỉ Loại 150 và PN40 xấp xỉ Loại 300, đường kính vòng tròn bu lông, kích thước bu lông và độ dày mặt bích khác nhau. Không thể bắt vít mặt bích Loại 150 vào mặt bích PN16 ngay cả ở mức áp suất tương đương. Các dự án yêu cầu tiêu chuẩn hỗn hợp phải chỉ định mặt bích chuyển tiếp hoặc tiêu chuẩn hóa hệ thống hoàn chỉnh. Đối với công trình xây dựng mới, ANSI B16.5 thống trị các dự án dầu/khí toàn cầu và Bắc Mỹ, trong khi EN 1092-1 chiếm ưu thế trong các ứng dụng công nghiệp nói chung và xử lý nước ở Châu Âu. Ở 300°C (572°F), mặt bích ASTM A105 yêu cầu giảm đáng kể so với xếp hạng môi trường xung quanh. Loại 150 được đánh giá ở nhiệt độ khoảng 140 psig (9,7 bar)—không đủ cho dịch vụ 20 bar. Loại 300 duy trì khả năng chịu áp suất khoảng 550 psig (38 bar) ở 300°C, cung cấp biên độ thích hợp cho áp suất vận hành 20 bar với các hệ số an toàn thích hợp. Mặt bích cổ hàn loại 300 với các mặt nhô lên và các miếng đệm dạng xoắn ốc đại diện cho thông số kỹ thuật tối thiểu. Đối với dịch vụ hơi nước quan trọng, hãy xem xét Loại 600 để có thêm giới hạn chống lại sự thay đổi áp suất và hiệu ứng rão dài hạn Mặt bích cổ hàn là bắt buộc đối với các ứng dụng dịch vụ áp suất cao, nhiệt độ cao hoặc tuần hoàn. Trục côn giúp phân bổ ứng suất tương đương với chính đường ống, loại bỏ sự tập trung ứng suất vốn có trong các thiết kế trượt. Chỉ định cổ mối hàn cho Loại 600 trở lên, hệ thống hơi nước trên 10 bar, dịch vụ hydrocarbon với chu trình áp suất và bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu khả năng chống mỏi. Mặt bích trượt phù hợp với dịch vụ nước nói chung, hệ thống không khí áp suất thấp và các ứng dụng mà tính kinh tế lắp đặt vượt xa mối lo ngại về mệt mỏi. Mối hàn đối đầu của mặt bích cổ hàn cũng cho phép kiểm tra toàn bộ bằng tia X, trong khi mối hàn góc trượt cung cấp các tùy chọn NDE hạn chế.
Đặc điểm kỹ thuật vật liệu Tiêu chuẩn ASTM Độ bền kéo Sức mạnh năng suất Phạm vi nhiệt độ Ứng dụng chính A105 ASTM A105 ≥485 MPa ≥250 MPa -29°C đến 425°C Công nghiệp tổng hợp, dầu khí A105N (Nchuẩn hóa ASTM A105 ≥485 MPa ≥250 MPa -29°C đến 425°C Cấu trúc hạt được cải thiện A350 LF2 Loại 1 ASTM A350 ≥485 MPa -46°C đến 343°C Dịch vụ nhiệt độ thấp A350 LF2 Loại 2 ASTM A350 ≥485 MPa ≥260 MPa -46°C đến 343°C Ứng dụng đông lạnh A694 F52-F70 ASTM A694 ≥455-585 MPa ≥360-485 MPa -29°C đến 260°C Truyền năng suất cao Thép carbon rèn ASTM A105
Nhiệt độ thấp ASTM A350 LF2
Yêu cầu xử lý nhiệt
Các loại mặt bích và cấu hình thiết kế
Loại mặt bích Phương thức kết nối Khả năng chịu áp lực Chống mỏi Độ phức tạp cài đặt Ứng dụng chính Cổ hàn Mối hàn đối đầu Lớp 150-2500 Tuyệt vời Cao (yêu cầu hàn) Quá trình quan trọng, áp lực cao Trượt trên Mối hàn góc (trong/ngoài) Lớp 150-2500 Trung bình Thấp (căn chỉnh dễ dàng) Dịch vụ tổng hợp, cấp nước mù Chỉ bắt vít Lớp 150-2500 Không áp dụng (đóng cửa) Thấp Chấm dứt dòng, cách ly Ổ cắm hàn Mối hàn phi lê ổ cắm Lớp 150-1500 Tốt Trung bình Đường kính nhỏ, áp suất cao Có ren Kết nối NPT Lớp 150-600 Bị giới hạn Thấp (no welding) Ứng dụng không hàn Lập doanh Mối hàn đối đầu (stub end) Lớp 150-2500 Trung bình Trung bình Cần tháo dỡ thường xuyên Mặt bích cổ hàn
Mặt bích trượt
Mặt bích mù
Mặt bích hàn và ren
Kết hợp ứng dụng
Tiêu chuẩn và phân loại kích thước
Tiêu chuẩn Phạm vi kích thước Chỉ định áp suất Loại mặt bíchs Covered Tỷ lệ địa lý ASME B16.5 NPS ½" đến 24" Lớp 150-2500 WN, SO, BL, SW, TH, LJ Bắc Mỹ, Dầu khí toàn cầu ASME B16.47 NPS 26" đến 60" Lớp 75-900 WN, BL Đường ống có đường kính lớn EN 1092-1 DN 10 đến DN 4000 PN 2.5 đến PN 400 Loại 01, 02, 05, 11, 12, 13 Châu Âu, Dự án quốc tế DIN 2631-2638 DN 10 đến DN 4000 PN 6 đến PN 100 Hàn cổ, trượt, mù Đức, Hệ thống kế thừa JIS B2220 10A đến 1500A 5K, 10K, 16K, 20K, 30K, 40K SO, BL, WN Nhật Bản, Châu Á - Thái Bình Dương Tiêu chuẩn ASME/ANSI B16.5
Tiêu chuẩn EN 1092-1 và DIN
Tương đương xếp hạng PN và lớp
Xếp hạng nhiệt độ áp suất
Lớp ASME Áp suất ở 100°F (psig) Áp suất ở 400°F (psig) Áp suất ở 800°F (psig) Nhiệt độ tối đa 150 285 200 80 538°C 300 740 635 410 538°C 400 985 845 550 538°C 600 1480 1265 825 538°C 900 2220 1900 1235 538°C 1500 3705 3170 2055 538°C 2500 6170 5280 3430 538°C Xếp hạng từ Lớp 150 đến Lớp 2500
Các yếu tố giảm nhiệt độ
Phân loại nhóm vật liệu
Phương pháp lựa chọn để mua sắm B2B
Tính toán yêu cầu hệ thống
Lựa chọn loại khuôn mặt (RF, FF, RTJ)
Những cân nhắc về lắp đặt và chất lượng
Yêu cầu về bu lông và đệm
Tiêu chuẩn kiểm tra và thử nghiệm
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa ASTM A105 và A105N mặt bích thép carbon ?
Làm cách nào để chuyển đổi giữa Kích thước mặt bích ANSI B16.5 và tiêu chuẩn DIN/EN?
cái gì đánh giá áp suất mặt bích thép carbon Tôi có cần dịch vụ xông hơi 20 bar ở 300°C không?
Khi nào tôi nên chỉ định mặt bích cổ hàn thép carbon so với mặt bích trượt?
Tài liệu tham khảo
Previous
