Технічний аналіз вибору титанового фланця: Накидний фланець проти фланця з гніздовим зварюванням

У сучасній висококонкурентній і технічно складній промисловій галузі нафтові інженерні проекти завжди були в центрі уваги, а їхні вимоги до експлуатаційних характеристик різних матеріалів та обладнання є надзвичайно високими. Нещодавно наша компанія отримала лист з проханням про технічну консультацію від нафтової компанії, і це не випадково. З постійним розвитком нафтової промисловості вимоги до безпеки та стабільності інженерних трубопровідних систем стають все вищими і вищими, а раціональність вибору титанових фланців як ключових компонентів трубопровідних з'єднань безпосередньо пов'язана з експлуатаційним ефектом всієї трубопровідної системи.
Основна тема цього консультаційного листа зосереджена на виборі титанові фланці в інженерних трубопровідних системах, зокрема, технічне порівняння між титановими фланцями, що надягають на муфту, і титановими фланцями, що приварюються під муфту. У проектах нафтогазової інженерії трубопровідні системи повинні витримувати високий тиск, високу температуру і складні середовища, тому вимоги до експлуатаційних характеристик фланців надзвичайно високі. Титановий сплав, як новий тип матеріалу, став кращим матеріалом для суворих умов роботи, таких як хімічна промисловість і морське машинобудування, завдяки своїй легкості, корозійній стійкості і високій міцності. Однак, зважаючи на різноманітність типів фланців, покладатися лише на досвід або прості порівняння далеко не достатньо, тому особливо важливим є систематична технічна оцінка.
Візьмемо для прикладу морську нафтовидобувну платформу. Її трубопровідна система повинна тривалий час перебувати в морському середовищі з високим вмістом солі та вологості, а також витримувати величезні перепади тиску і температури. У цьому випадку вибір відповідного титанового фланця має вирішальне значення для забезпечення безпечної роботи трубопровідної системи. Якщо вибір неправильний, це може спричинити витік, корозію та інші проблеми на фланцевому з'єднанні, що не тільки вплине на ефективність видобутку нафти, але й спричинить серйозне забруднення морського середовища.

Ⅰ. Огляд типів титанових фланців і сценаріїв застосування

1. Титановий накидний фланець

Перш ніж зрозуміти титановий накидний фланець, нам потрібно зрозуміти його походження та розвиток. Плоский зварювальний фланець, як традиційний метод фланцевого з'єднання, має довгу історію. З появою матеріалів з титанових сплавів з'явився титановий накидний фланець. Він вставляється в кінець труби через кільцеву муфту, приварюється і фіксується. Така конструкція робить його придатним для трубопроводів середнього та низького тиску (PN≤10МПа).

З огляду на конструктивні характеристики, кільцевий розтруб титанового накидного фланця робить його більш зручним і швидким в установці. Він може бути безпосередньо вдягнений на кінець труби, а потім закріплений на трубопроводі за допомогою зварювання. Цей спосіб монтажу не вимагає складної обробки трубопроводу, що значно знижує вартість і час монтажу. Наприклад, на деяких невеликих хімічних підприємствах через низький тиск трубопровідної системи використання титанових накидних фланців може швидко завершити з'єднання трубопроводу, підвищуючи ефективність виробництва.

Переваги титанових накладок на фланці також відображаються в низьких витратах на обробку та зручному монтажі. Завдяки відносно простій структурі та розвиненій технології обробки, вартість обробки є відносно низькою. У той же час він підходить для стандартизованих з'єднань у звичайних умовах, і це дуже економічний та практичний вибір для деяких випадків, коли вимоги до з'єднання не є високими. Наприклад, у системі водопостачання деяких міст титанові накидні фланці можуть задовольнити основні вимоги до з'єднання трубопроводів, зменшуючи при цьому інженерні витрати.

Однак титанові накладки на фланці також мають певні обмеження. Його здатність витримувати тиск обмежена, що визначається його структурними характеристиками. Під високим тиском кільцевий розтруб і зварювання можуть не витримати надмірного тиску, що може призвести до витоку та інших проблем. Крім того, при тривалому впливі корозійних середовищ (наприклад, середовищ хлорид-іонів), титанові ковзання на фланцях потребують посилення захисту поверхні. Хлорид-іони мають високу корозійну активність і роз'їдають поверхню титанових сплавів, тим самим впливаючи на термін служби фланця. Наприклад, на деяких хімічних підприємствах у прибережних районах через велику кількість хлорид-іонів у повітрі, якщо титанові накладки на фланці не будуть ефективно захищені, корозія може виникнути за короткий час.

2. Титановий фланець з муфтою під приварювання
Поява титанового фланця з розтрубом була викликана потребою задовольнити деякі особливі умови роботи. Його конструктивна особливість полягає в тому, що кінець труби вставляється в отвір розтруба, а потім виконується двостороннє зварювання. Така конструкція робить його придатним для трубопроводів малого діаметру (DN≤40мм) високого тиску, особливо в нафтохімічній галузі.

У галузі нафтохімії трубопровідна система повинна транспортувати різні середовища високого тиску та високої температури, а герметичність та вібростійкість фланця надзвичайно високі. Двостороння зварювальна конструкція титанового фланця з розтрубом може забезпечити більш міцне з'єднання між кінцем труби та фланцем, ефективно покращуючи ущільнення. У той же час він має сильну вібростійкість і може стабільно працювати протягом тривалого часу в умовах високої температури та високого тиску. Наприклад, в трубопровідній системі нафтопереробного заводу через швидку швидкість потоку середовища в трубопроводі буде генеруватися велика вібрація. Титановий фланець, зварений з розтрубом, може ефективно протистояти цій вібрації та забезпечити безпечну роботу трубопровідної системи.

Однак титанові фланці для зварювання з розтрубом також мають свої обмеження. Вимоги до процесу зварювання високі, оскільки двостороння структура зварювання вимагає більш точної технології зварювання. При неправильному зварюванні на зварювальному шві можуть виникнути дефекти, що вплине на надійність з'єднання фланця. Тому в процесі зварювання необхідно суворо дотримуватися галузевих стандартів, таких як ASME B16.9. Ці стандарти мають детальні положення щодо процесів зварювання, зварювальних матеріалів, параметрів зварювання тощо. Тільки суворе дотримання стандартів може забезпечити якість з'єднання титанових фланців для зварювання муфт.

Ⅱ. Диференційований аналіз проковзування титану на фланцях і фланцях для муфтового зварювання

Титанові накладки на фланці проти фланців для зварювання з розтрубом

1. Титановий накидний фланець
Сценарії прослизання титану на фланцях застосовуються переважно в трубопровідних системах, які не часто розбираються. Наприклад, допоміжні трубопроводи або з'єднання наземних резервуарів на морських платформах. На морських платформах допоміжні трубопроводи зазвичай не потрібно часто розбирати, а розсувна конструкція титанових фланців може адаптуватися до зміщення, спричиненого тепловим розширенням і стисканням, зменшуючи концентрацію напружень. Температура морського середовища сильно варіюється, і трубопровід буде розширюватися і стискатися зі зміною температури. Якщо використовується звичайний метод фланцевого з'єднання, напруга, спричинена тепловим розширенням і стисканням, може призвести до пошкодження фланцевого з'єднання. Розсувна конструкція титанового фланця може ефективно вирішити цю проблему. Він може вільно ковзати в певному діапазоні, тим самим знімаючи напругу, викликану тепловим розширенням і стисненням.

З технічної точки зору, титанове ковзання на фланці повинно поєднуватися з високоточною групою болтів (наприклад, ASTM A192), щоб забезпечити рівномірний розподіл крутного моменту затягування. Високоточна болтова група має вищу міцність і точність, що може забезпечити рівномірний розподіл крутного моменту, який прикладається болтом в процесі затягування, на фланці. Якщо момент затягування нерівномірний, це може призвести до витоку та інших проблем на ущільнювальній поверхні фланця. Наприклад, на деяких великих хімічних заводах через високий тиск в трубопровідній системі ефективність ущільнення фланця повинна бути дуже високою. Використання високоточної групи болтів може ефективно покращити герметичність фланця та забезпечити безпечну роботу пристрою.

2. Титановий фланець з розтрубним зварюванням
Титанові фланці з розтрубним з'єднанням краще використовувати для передачі середовищ високої чистоти (наприклад, у фармацевтичній промисловості) або в сильно корозійних середовищах морського машинобудування. У фармацевтичній промисловості чистота середовища надзвичайно висока, і будь-який невеликий витік може вплинути на якість препарату. Структура повного проникнення титанового фланця для зварювання розетки може мінімізувати ризик витоку та забезпечити чистоту середовища. У середовищі морської техніки звичайні фланці легко пошкоджуються корозією через сильну корозійну активність морської води. Корозійна стійкість титанового фланця для зварювання розетки може ефективно протистояти ерозії морської води та продовжити термін служби фланця.

З технічної точки зору, під час процесу зварювання необхідно контролювати теплову потужність, щоб уникнути β-фазового перетворення границі зерен титанового сплаву в діапазоні 400-600 ℃, що призводить до зниження в'язкості. У цьому діапазоні температур внутрішня структура титанового сплаву зміниться, що призведе до зниження в'язкості. Якщо під час зварювання тепловіддача занадто велика, локальна температура титанового сплаву підвищиться до цього діапазону, тим самим впливаючи на експлуатаційні характеристики фланця. Тому в процесі зварювання необхідно застосовувати відповідні зварювальні процеси та параметри зварювання для суворого контролю тепловіддачі. Наприклад, при зварюванні титанових розтрубних зварювальних фланців можна використовувати імпульсне аргонодугове зварювання та інші процеси. Цей процес може ефективно контролювати тепловіддачу та забезпечувати якість зварювання.

Ⅲ. Рекомендації щодо прийняття рішення про вибір

Відповідність між тиском і калібром
При виборі титанових фланців важливим фактором є відповідність між тиском і калібром. Якщо DN≤40 мм і PN≥10 МПа, перевага надається фланцям з розтрубним приварюванням. Це пов'язано з тим, що структурні характеристики фланців під приварювання з розтрубом дозволяють їм витримувати більш високий тиск. Для трубопровідних систем малого діаметру і високого тиску фланці з розтрубом є більш підходящим вибором. Наприклад, на деяких газопроводах високого тиску через малий діаметр і високий тиск трубопроводу використання розтрубних фланців може забезпечити безпечну експлуатацію трубопровідної системи.

Якщо DN>40 мм або PN≤10 МПа, можна розглядати плоскі зварювальні фланці. Плоскі зварювальні фланці мають низькі витрати на обробку та зручну установку. Для систем трубопроводів великого діаметру або середнього та низького тиску плоскі зварювальні фланці можуть задовольнити вимоги до з'єднання та зменшити інженерні витрати. Наприклад, у деяких міських системах водовідведення через великий діаметр і низький тиск трубопроводу використання плоских зварювальних фланців може ефективно знизити вартість проекту.

Пристосованість до навколишнього середовища
У різних середовищах титанові фланці повинні мати різну адаптивність до навколишнього середовища. У середовищі, що містить H₂S і Cl-, рекомендується використовувати фланці з титанових сплавів класу TA2/TA3 за стандартом ASTM B348. H₂S і Cl- мають високу корозійну активність, і звичайні фланці легко пошкоджуються корозією в таких середовищах. Фланці з титанового сплаву марки TA2/TA3 мають хорошу стійкість до точкової корозії, яка в 3-5 разів вища, ніж у нержавіючої сталі 316L. Наприклад, на деяких родовищах кислого газу при видобутку нафти, оскільки середовище містить велику кількість H₂S і Cl-, використання фланців з титанових сплавів марки TA2/TA3 може ефективно протистояти корозії і продовжити термін служби фланця.

Економічний аналіз
З економічної точки зору, початкова вартість ковзання на фланцях низька (близько 70% фланців для зварювання розетки). Це пов'язано з тим, що структура фланців, що ковзають, відносно проста, а технологія обробки відносно зріла, тому вартість обробки відносно низька. Однак витрати на технічне обслуговування фланців, що ковзають, протягом їх життєвого циклу можуть значно зрости через витік корозії. Через відносно погані показники герметизації фланців, що ковзають, під час тривалого використання можуть виникати витоки корозії та інші проблеми, що вимагають частого обслуговування та заміни, тим самим збільшуючи витрати на обслуговування протягом усього життєвого циклу. Хоча початкова вартість фланців для розтрубного зварювання висока, їх герметичність хороша, корозійна стійкість сильна, а вартість технічного обслуговування протягом усього життєвого циклу відносно низька. Наприклад, у деяких великих хімічних проектах, хоча початкові інвестиції у фланці для зварювання розетки великі, в довгостроковій перспективі вартість усього життєвого циклу нижча.

Висновок

Вибір титанових фланців - це складний процес, який вимагає всебічного врахування багатовимірних факторів, таких як робочий тиск, характеристики середовища та економічність. У процесі вибору рекомендується поєднувати ASME B16.9, HG/T20592-2009 та інші стандарти моделювання методом скінченних елементів (FEA) для кількісної оцінки розподілу напружень у фланцях під дією змінних навантажень. Моделювання методом скінченних елементів дозволяє моделювати і аналізувати розподіл напружень фланців при різних умовах роботи за допомогою комп'ютерного програмного забезпечення, забезпечуючи тим самим більш наукову основу для вибору.

Як професіонал виробник титанових фланцівНаша компанія має багатий досвід та професійну технічну команду. Ми можемо надати клієнтам індивідуальні технічні рішення та послуги сторонніх випробувань. Відповідно до конкретних потреб клієнтів, ми можемо розробити найбільш підходящий план вибору титанового фланця для клієнтів. У той же час ми також можемо надати сторонні послуги з тестування, щоб переконатися, що титанові фланці, які ми надаємо, відповідають відповідним стандартам та вимогам. Завдяки нашим послугам ми допомагаємо клієнтам досягти безпечних та економічних інженерних цілей та надаємо надійні гарантії для інженерного будівництва клієнтів. У майбутньому ми продовжуватимемо вдосконалювати власний технічний рівень та якість обслуговування, щоб надавати клієнтам кращі продукти та послуги.