Flanges forjadas com pescoço de solda padrão ANSI: especificações e aplicações

Um Flange forjada com pescoço de solda padrão ANSI é a escolha preferida para aplicações de tubulação exigentes porque seu O cubo cônico proporciona uma transição de tensão suave da face do flange para a parede do tubo, eliminando a descontinuidade abrupta que causa turbulência e falha por fadiga em outros tipos de flange . O flange é preso ao tubo por uma solda de topo de penetração total na extremidade do cubo, criando uma junta que é tão forte quanto o próprio tubo e pode ser inspecionada radiograficamente para verificar a integridade da solda. Esta característica de projeto, combinada com a orientação do fluxo de grãos obtida através do processo de forjamento, torna o flange de pescoço soldado o único tipo de flange universalmente aceito para serviços críticos de alta pressão, alta temperatura e carregamento cíclico nas indústrias de petróleo, petroquímica e geração de energia. Quando especificado de acordo com um padrão ANSI – mais comumente ASME B16.5 para tamanhos de tubos de até 24 polegadas e ASME B16.47 para diâmetros maiores – as dimensões do flange, classificações de pressão-temperatura e requisitos de material são totalmente padronizados, garantindo intercambialidade com válvulas, conexões e equipamentos de qualquer fabricante em todo o mundo.

A vantagem do forjamento: por que o fluxo de grãos é importante

O processo de forjamento altera fundamentalmente a estrutura interna do aço de uma forma que a fundição ou usinagem a partir de chapa não consegue replicar. Um flange forjado começa como um tarugo de aço – um lingote fundido ou uma flor fundida continuamente que foi trabalhado a quente para fechar a porosidade interna – e é moldado sob imensa força de compressão entre as matrizes de forjamento. Esta deformação alonga as inclusões não metálicas e os limites dos grãos na direção do fluxo do metal, criando uma padrão de fluxo contínuo de grãos que segue o contorno do flange . A estrutura de grãos alinhados resiste à propagação de trincas perpendicularmente à tensão aplicada, proporcionando ao flange forjado resistência superior à fadiga e resistência ao impacto em comparação com um flange fundido ou cortado em placa, onde a orientação dos grãos é aleatória ou perpendicular à direção da tensão primária.

Especificamente para um flange com pescoço de solda, o processo de forjamento é projetado de modo que as linhas de fluxo de grãos correm continuamente da face do flange para cima, através do cubo cônico e no chanfro da solda. Isto significa que quando o flange é soldado a um tubo, o fluxo de grãos no flange e no tubo fica alinhado, criando um junta metalurgicamente homogênea . A ausência de uma camada limite fraca – uma característica de estruturas fundidas onde a zona de resfriamento da superfície encontra a zona de grãos colunares – significa que não há caminho de falha preferencial. Para serviços críticos, como serviço de hidrogênio, processamento de gás ácido ou vapor em alta temperatura, essa estrutura contínua de grãos é essencial para evitar a fragilização e a rachadura que podem iniciar em descontinuidades microestruturais.

Sistema de classe e dimensão de pressão ANSI / ASME B16.5

A norma ANSI que rege flanges com pescoço de solda – agora publicada pela ASME como ASME B16.5 —organiza os flanges em classes de pressão que definem a pressão máxima de trabalho permitida em uma determinada temperatura para um determinado material. As classes de pressão padrão para flanges com pescoço soldado são 150, 300, 400, 600, 900, 1500 e 2500. O número da classe não é a pressão de trabalho em psi; é uma designação que se correlaciona com uma tabela de classificação de pressão-temperatura. Um flange Classe 300 em aço carbono (ASTM A105) à temperatura ambiente tem um limite de pressão de trabalho de aproximadamente 740 psi (51 bar) , enquanto o mesmo flange a 400°C (750°F) é reduzido para aproximadamente 635 psi (44 bar). No extremo, um flange Classe 2500 em liga de aço pode suportar pressões superiores a 6.000 psi à temperatura ambiente.

As características dimensionais que distinguem cada classe de pressão são as espessura do flange, o diâmetro do cubo na base, o diâmetro do círculo do parafuso e o número e tamanho dos furos dos parafusos . À medida que a classe de pressão aumenta, estas dimensões aumentam para suportar cargas mecânicas maiores, mesmo que o tamanho nominal do tubo permaneça o mesmo. A tabela abaixo ilustra como as principais dimensões são dimensionadas com a classe de pressão para um flange de pescoço de solda comum de 4 polegadas (DN 100).

O furo de um flange de pescoço soldado é usinado para corresponder ao espessura nominal da parede do tubo do tubo de ligação. Isso significa que, para um determinado tamanho nominal de tubo, flanges com diferentes diâmetros de furo estão disponíveis para atender às programações de tubos padrão, extra-forte (XS) e extra-forte duplo (XXS). A tolerância do furo é especificada na norma, e o chanfro da solda na extremidade do cubo é usinado em um ângulo de 37,5 graus com uma face de raiz de aproximadamente 1,6 mm, conforme ASME B16.25, para criar uma ranhura em V padrão para a junta de solda de topo.

Classes de materiais e seu envelope de temperatura-pressão

O material a partir do qual um flange de pescoço soldado é forjado determina os limites de temperatura e pressão do componente acabado e sua resistência a mecanismos de corrosão específicos. ASME B16.5 faz referência às especificações de materiais ASTM e as tabelas de classificação de pressão-temperatura são organizadas por grupo de materiais. A seleção do material é uma decisão baseada na temperatura de projeto, a pressão de projeto, a química do fluido e o potencial para mecanismos de craqueamento ambiental como fissuração sob tensão por sulfeto em serviço ácido ou fissuração por corrosão sob tensão por cloreto em aços inoxidáveis austeníticos expostos a cloretos quentes.

Os materiais de forjamento mais comumente especificados para flanges com pescoço de solda ANSI e seus envelopes de aplicação típicos são:

• ASTM A105 (aço carbono): O material padrão para serviços industriais em geral de -29°C a 425°C (-20°F a 800°F). Não é adequado para exposição prolongada acima de 425°C devido à grafitização, ou para temperaturas abaixo de zero abaixo da temperatura de transição dúctil-frágil sem teste de impacto. Usado para serviços de vapor, água, óleo e hidrocarbonetos não corrosivos. Este é o material de flange forjado mais comum e econômico, representando a maioria dos flanges com pescoço soldado instalados em serviços não corrosivos.
• ASTM A350 LF2 (aço carbono de baixa temperatura): Um aço carbono com química controlada e prática de grão fino, impacto Charpy testado a -46°C (-50°F). Usado para sistemas de tubulação que operam em climas frios e no manuseio de gás liquefeito, onde o A105 corre risco de fratura frágil. A face do flange normalmente é fornecida com uma face elevada ou uma face de junta tipo anel de acordo com a especificação.
• ASTM A182 F304/F304L e F316/F316L (aço inoxidável austenítico): Os materiais padrão para serviços químicos corrosivos, processamento de alimentos e aplicações farmacêuticas. Os graus "L" (baixo carbono, máximo 0,03% de carbono) são especificados para fabricações soldadas e para serviços acima de 425°C, onde os graus não estabilizados são suscetíveis à sensibilização e à corrosão intergranular. F316/F316L, com sua adição de molibdênio de 2-3%, proporciona melhor resistência à corrosão por pites em ambientes contendo cloreto em comparação com F304.
• ASTM A182 F11 e F22 (liga de aço cromo-molibdênio): Os materiais robustos para serviço em alta temperatura em refinarias e usinas de energia, com teores de 1,25% Cr-0,5% Mo (F11) e 2,25% Cr-1% Mo (F22). Esses materiais retêm sua resistência à tração em temperaturas de até 600°C (1100°F) e resistem ao ataque de hidrogênio em serviço com hidrogênio em alta temperatura quando usados dentro das curvas de Nelson para o tipo de liga específico. Os flanges em uma unidade de hidroprocessamento de refinaria operando a 450°C com alta pressão parcial de hidrogênio são tipicamente peças forjadas F22.
• ASTM A182 F51/F53 (Aço Inoxidável Duplex e Super Duplex): Usado em ambientes offshore de petróleo e gás, manuseio de água do mar e processos químicos onde a combinação de alta resistência e excepcional resistência à corrosão por cloretos é necessária. F53 (super duplex, 25% Cr) tem um PREN (número equivalente de resistência à corrosão) acima de 40, proporcionando imunidade à corrosão em fendas da água do mar em temperaturas ambientes.

Tipos de face de flange e seleção de juntas

A face do flange – a geometria da superfície de vedação na face do flange – é selecionada com base na classe de pressão, nas características do fluido e no tipo de junta. O padrão ANSI define vários tipos de revestimento, cada um com um domínio de aplicação específico. Os revestimentos mais comuns em flanges com pescoço soldado são:

Face elevada (RF)

O revestimento padrão para flanges Classe 150 e 300, consiste em um platô elevado de aproximadamente 1,6 mm (1/16 polegada) de altura para Classe 150 e 300 e 6,4 mm (1/4 polegada) de altura para Classe 400 e superior. A face elevada concentra a carga do parafuso em uma área menor da gaxeta, aumentando a pressão de contato e melhorando a vedação. O acabamento superficial da face elevada é especificado pela norma como um padrão serrilhado de ranhura concêntrica ou espiral com uma rugosidade superficial de 3,2 a 6,3 µm Ra (125 a 250 micropolegadas AA). Este acabamento serrilhado penetra no material macio da gaxeta e evita que ele seja extrudado para fora da junta do flange sob pressão.

Junta tipo anel (RTJ)

O revestimento padrão para flanges de alta pressão da Classe 600 até a Classe 2500 em serviços críticos. A face do flange possui uma ranhura usinada com precisão que aceita uma junta de anel de metal sólido - normalmente oval ou octogonal em seção transversal - feita de um material mais macio que o material do flange. Quando os parafusos são apertados, a junta do anel é deformada plasticamente na ranhura, criando uma vedação metal-metal que é capaz de conter pressões superiores a 10.000 psi e temperaturas superiores a 500°C . A junta RTJ é o único tipo de junta aceito para vapor de alta pressão, água de alimentação de caldeira e serviços de hidrocarbonetos onde uma ruptura da junta teria consequências catastróficas. Os materiais padrão da junta do anel são ferro macio (para flanges de aço carbono), aço inoxidável 304 ou 316 e várias ligas de níquel para serviços corrosivos e de alta temperatura.

Face plana (FF)

Usado principalmente para flanges de ferro fundido Classe 125 e para conexões com bicos de equipamentos de face plana, onde um flange de face elevada dobraria e quebraria o flange de ferro fundido correspondente quando os parafusos fossem apertados. Uma junta de face completa, estendendo-se até o círculo do parafuso, é usada com flanges de face plana para distribuir a carga do parafuso uniformemente por toda a área da face.

O procedimento de soldagem de topo e controle de zona afetada pelo calor

A instalação de um flange de pescoço soldado em um tubo requer solda de topo com penetração total e ranhura em V único que une o chanfro usinado na extremidade do cubo do flange ao chanfro correspondente na extremidade do tubo. A soldagem é normalmente realizada usando o processo de soldagem a arco de gás tungstênio (GTAW) para o passe de raiz para garantir a penetração completa e uma superfície de raiz limpa e livre de óxido, seguida por soldagem por arco de metal blindado (SMAW) ou soldagem por arco fluxado (FCAW) para os passes de preenchimento e tampa. A especificação do procedimento de soldagem (WPS) deve ser qualificada de acordo com a Seção IX da ASME, e o soldador deve ser qualificado para o material, espessura e posição específicos.

A consideração crítica de soldagem para flanges com pescoço de solda é a controle da zona afetada pelo calor (HAZ) no cubo do flange . O cubo do flange próximo à solda está sujeito a um ciclo térmico complexo que pode alterar sua microestrutura, induzir tensões residuais e, para certos aços-liga, criar uma zona martensítica dura e quebradiça se a taxa de resfriamento for muito rápida. Para flanges de aço de liga de cromo-molibdênio (ASTM A182 F11, F22), o pré-aquecimento de 200°C a 300°C (400°F a 575°F) é obrigatório antes da soldagem para diminuir a taxa de resfriamento e evitar a formação de martensita, e um tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) de 675°C a 730°C (1250°F a 1350°F) por uma hora por 25 mm de espessura de solda é necessário para temperar a HAZ, aliviar tensões residuais e restaurar a tenacidade à fratura do material. O PWHT de um conjunto flange-tubo soldado é realizado na solda concluída, e a dureza da HAZ é verificada por testes de dureza portáteis de acordo com ASTM E110 para confirmar que a dureza está abaixo do máximo especificado – normalmente 225 HBW para P-No. 4 e P-Não. Aços-liga 5A em serviço de refinaria.

Documentação de inspeção, teste e qualidade

Um flange de pescoço soldado fabricado de acordo com o padrão ANSI é fornecido com um conjunto de documentos de qualidade obrigatórios e opcionais que verificam sua conformidade com as especificações de material e dimensões. O Relatório de Teste de Material (MTR) ou certificado de moinho é o documento principal, certificando o número de calor do forjamento, sua composição química, sua resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento e redução da área de um teste de tração e sua dureza. Para flanges de aço carbono de baixa temperatura (A350 LF2), o MTR também inclui os resultados do teste de impacto Charpy V-notch na temperatura de teste especificada. Para flanges de aço inoxidável, o MTR inclui os resultados do teste de corrosão intergranular quando especificado. O MTR deve ser rastreável até o flange pelo número de calor, que está estampado na periferia do flange junto com o grau do material, a classe de pressão, o tamanho nominal do tubo e a marca de identificação do fabricante de acordo com os requisitos de marcação da ASME B16.5.

O exame não destrutivo do flange acabado inclui inspeção visual das superfícies usinadas, do revestimento e do chanfro da solda para dobras, costuras, rachaduras e outras descontinuidades superficiais de acordo com MSS SP-55. Para flanges de serviço crítico, NDE adicional é especificado: exame de líquido penetrante (PT) ou exame de partículas magnéticas (MT) da face do flange, da transição cubo-face e do chanfro da solda conforme ASME B16.5 parágrafo 8.3; e exame ultrassônico (UT) de todo o volume de forjamento de acordo com ASTM A388 ou a especificação de forjamento ASTM aplicável para detectar defeitos internos, como inclusões, vazios ou laminações. Os critérios de aceitação para estes exames são definidos pela norma de forjamento ASTM aplicável e pelos requisitos suplementares do comprador.

Torque do parafuso, compressão da junta e montagem sem vazamentos

A montagem de uma junta de flange com pescoço de solda ANSI requer aperto controlado do parafuso com um torque especificado ou tensão do parafuso para obter a compressão da junta necessária para uma vedação sem vazamentos, sem sobrecarregar o flange, os parafusos ou a junta. Os parafusos são apertados em uma sequência de padrão cruzado – também chamada de padrão estrela – em pelo menos três passagens de torque crescente: 30%, 60% e 100% do torque alvo. Este aperto progressivo garante que a junta seja comprimida uniformemente e evita que o flange engate, o que criaria uma folga em forma de cunha que a junta não consegue preencher.

O torque alvo do parafuso é calculado a partir da tensão de assentamento da junta, da área de contato da junta, do limite de escoamento do material do parafuso e do coeficiente de atrito das roscas do parafuso e da superfície de apoio da porca. A tensão alvo do parafuso é normalmente 40% a 70% da resistência ao escoamento do material do parafuso para juntas padrão, com a extremidade inferior da faixa usada para juntas macias como fibra comprimida ou PTFE e a extremidade superior para juntas metálicas e enroladas em espiral. A lubrificação das roscas dos parafusos e das superfícies dos rolamentos das porcas com um composto antigripante de alta pressão é essencial para obter uma relação consistente entre o torque e a tensão do parafuso; roscas não lubrificadas podem consumir 50% ou mais do torque aplicado no atrito, resultando em uma pré-carga do parafuso significativamente menor que o valor calculado. Para juntas flangeadas críticas em tubulações de processo ASME B31.3, o procedimento de aperto dos parafusos é uma parte documentada do processo de garantia de qualidade, e os valores de torque dos parafusos são registrados em um relatório de integridade da junta de flange.