Explicação das classificações do flange: como selecionar a classe certa para o seu sistema de tubulação

O que é uma classificação de flange? Uma visão geral-em linguagem simples

Um flange é um acessório mecânico-em forma de disco que conecta duas seções de tubo, uma válvula ou equipamento. Ele funciona aparafusando dois flanges correspondentes com uma gaxeta entre eles, formando uma vedação hermética-resistente à pressão que pode ser desparafusada posteriormente para inspeção ou manutenção.

Cada flange carrega uma classe de pressão - um número que informa aos engenheiros a pressão máxima que a junta pode suportar com segurança em uma determinada temperatura. Quanto maior o número da classe, maior a pressão permitida. Errar nesse número pode levar a falhas catastróficas, não conformidade-regulatória ou tempo de inatividade dispendioso.

As classes de pressão do flange na América do Norte são padronizadas pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME). O documento que rege os flanges de tubos é ASME B16.5 (NPS 1/2 a NPS 24).

Este boletim explica o que significa cada número de classe, como as classificações de pressão mudam com a temperatura, quais tipos de face e materiais combinar com cada classe e como combinar uma classe de flange com suas condições operacionais reais.

Padrões Governantes: Quem Define as Regras?

Os flanges industriais não são projetados do zero por engenheiros individuais. Eles são fabricados de acordo com-padrões dimensionais e de pressão bem estabelecidos, que definem tudo, desde padrões-de furos até classificações de pressão e temperatura.

ASME B16.5 - O padrão primário

ASME B16.5, Flanges para tubos e acessórios flangeados: NPS 1/2 a NPS 24, é o padrão dominante na América do Norte e amplamente adotado internacionalmente. Abrange sete classes de pressão - 150, 300, 400, 600, 900, 1500 e 2500 - e define classificações de pressão-temperatura (P-T) para 22 grupos de materiais. Todos os dados comparativos neste boletim para classificações de pressão são provenientes da ASME B16.5-2017.

ASME B16.47 - Flanges-de grande diâmetro

Para flanges NPS 26 a NPS 60, aplica-se ASME B16.47. Define duas séries: Série A (derivada do MSS SP-44) e Série B (derivada da API 605). Os flanges da Série A são mais pesados ​​e adequados para sistemas de dutos; A Série B é mais leve, comum em uso em plantas de processo.

Juntas de junta de anel ASME B16.20 -

ASME B16.20 rege juntas metálicas para flanges Ring Type Joint (RTJ) - os anéis ovais e octogonais usados ​​em aplicações de alta-pressão, alta-temperatura e gás ácido.

Código de tubulação de processo ASME B31.3 -

ASME B31.3 especifica requisitos de projeto, fabricação e testes para tubulações de processo. Ele atribui categorias de serviço de tubulação (B a F) que influenciam diretamente os requisitos mínimos de classe de flange. Os engenheiros devem alinhar suas seleções de classe de flange com a categoria de fluido B31.3 do serviço.

NACE MR0175 / ISO 15156 - Serviço Sour

Para serviços contendo sulfeto de hidrogênio (H2S) - conhecido como serviço ácido - a NACE MR0175 (agora publicada conjuntamente como ISO 15156) determina limites específicos de dureza de material, requisitos de tratamento térmico e critérios de seleção de materiais que substituem decisões de classe de pressão padrão.

Sete classes de pressão ASME: o que os números realmente significam

Uma classe de pressão não é um único valor de pressão -, é uma família de curvas pressão-temperatura. A pressão permitida diminui à medida que a temperatura aumenta, porque os metais se tornam menos fortes em temperaturas mais altas. É por isso que o mesmo flange Classe 150 avaliado em 285 psi a 100 graus F só pode suportar 170 psi a 800 graus F.

Classe 150

A classe 150 é a classe de flange mais baixa e mais comum, usada em sistemas de água, HVAC, vapor de baixa-pressão e linhas de processo-para serviços leves. Sua pressão nominal máxima é de 285 psi em temperatura ambiente (100 graus F) para aço carbono A105. A classe 150 usa padrões de quatro{10}}parafusos em tamanhos menores. É a escolha-com melhor custo-benefício e só deve ser selecionada quando as condições operacionais estiverem claramente dentro do seu envelope de PT.

Classe 300

A Classe 300 quase dobra a capacidade de pressão da Classe 150 (740 psi a 100 graus F para A105). É a escolha padrão para serviços de processos de média{6}}pressão, sistemas de vapor e aplicações gerais de refinarias. Os flanges Classe 300 são fisicamente maiores e mais pesados ​​que os da Classe 150.

Classe 400

A classe 400 é menos comumente especificada -, fica entre 300 e 600 e é usada principalmente em aplicações de vapor de-temperatura elevada, onde o envelope P-T da classe 300 é excedido, mas a classe 600 seria super-projetada. A pressão máxima é de 990 psi à temperatura ambiente para A105.

Classe 600

A classe 600 (1.480 psi à temperatura ambiente, A105) é a classe padrão para tubulações de processo de alta-pressão, unidades de refinaria e sistemas de gás comprimido. Muitas vezes é a classe mínima especificada no serviço de gás ácido NACE. Classe 600 e superiores normalmente usam face de junta tipo anel (RTJ) para obter uma vedação de metal-com{10}}metal.

Classe 900

A classe 900 (2.220 psi à temperatura ambiente) é usada em tubulações de gás natural, vapor de alta-pressão e outros serviços de processo exigentes. Seu padrão de parafuso maior e maior espessura de parede proporcionam uma margem de segurança significativa para aplicações cíclicas ou de alta-vibração.

Classe 1500

A classe 1500 (3.705 psi em temperatura ambiente) é especificada para linhas de água de alimentação de caldeiras de geração de-energia, turbinas a vapor de alta-pressão e aplicações severas semelhantes. Os flanges desta classe são significativamente mais pesados ​​e exigem superfícies de assentamento de juntas usinadas com precisão.

Classe 2500

A classe 2500 (6.170 psi à temperatura ambiente) é a classe mais alta definida na ASME B16.5. Ele é usado em serviços de hidrogênio, linhas de processo de ultra{4}}alta-pressão e conexões de cabeça de poço. Os flanges classe 2500 são extremamente pesados ​​e caros. Qualquer especificação neste nível deve ser revisada por um engenheiro licenciado de vasos de pressão.

Tabela 1: Classificações de pressão-temperatura ASME B16.5 - Aço carbono A105 e aço inoxidável 316L

Tabela 2: Comparação de classes de flanges - Pressão, peso, custo e aplicação

Tipos de face de flange: como a vedação é obtida

A face de um flange é a superfície usinada na qual a junta fica. Diferentes tipos de faces são adequados para diferentes níveis de pressão, tipos de fluidos e materiais de vedação. Tipos de face incompatíveis - por exemplo, aparafusar um flange de face elevada contra uma válvula de ferro fundido-de face plana - pode fazer com que o flange de ferro fundido-quebre sob a carga do parafuso.

Face levantada (RF)

O tipo de rosto mais comum. Uma área elevada circular concêntrica (normalmente 1/16 polegada de altura para classe 150/300, 1/4 polegada para classes superiores) concentra a carga da junta. Usado com juntas em espiral ou anel na maioria das aplicações de processo.

Face plana (FF)

A face do flange está nivelada com a extremidade do tubo. Usado ao combinar equipamentos com flanges-de face plana, como bombas com corpos de ferro fundido ou equipamentos ASME Classe 125. Requer uma junta-de face completa para distribuir a carga do parafuso e evitar que os flanges frágeis do equipamento quebrem.

Junta tipo anel (RTJ)

Uma ranhura usinada na face do flange aceita uma gaxeta de anel de metal sólido (seção transversal-oval ou octogonal). O anel se deforma sob a carga do parafuso para criar uma vedação de metal-com{3}}metal adequada para classe 600 e superior, vapor de alta-temperatura e serviço ácido com H2S. Governado pela ASME B16.20.

Língua e Groove (T&G)

Um flange possui um anel elevado (língua); o flange correspondente possui um recesso correspondente (ranhura). A junta é totalmente confinada e não pode ser expelida, tornando esse tipo de face preferido para serviços tóxicos, letais ou altamente voláteis. Usado para tampas de bombas e bicos de vasos.

Masculino e Feminino (M&F)

Semelhante ao T&G, mas com um anel de vedação plano assentado no recesso da face fêmea. Usado em sistemas de tubulação críticos ou revestidos onde a posição da junta deve ser controlada com precisão.

Tabela 3: Tipos de face de flange - Padrões, juntas e aplicações

Materiais de flange: combinando metal com o processo

A classe de pressão correta por si só é insuficiente para definir um flange. O material deve ser compatível com o fluido do processo, temperatura operacional, ambiente de corrosão e quaisquer requisitos de código aplicáveis. A ASME B16.5 organiza os materiais dos flanges em grupos numerados, cada um com suas próprias tabelas de classificação P-T.

Flanges de Aço Carbono (Grupos 1.1 e 1.2)

ASTM A105 (forjado) é o material de flange mais utilizado em todo o mundo. Abrange serviços de temperatura ambiente a moderada em meios não{2}}corrosivos ou levemente corrosivos. Para serviços-de baixa temperatura (até -50 graus F), a ASTM A350-LF2 (Grupo 1.2) é especificada, com peças forjadas testadas contra impacto, conforme exigido pela ASME B31.3.

Flanges de Aço Inoxidável (Grupos 2.2, 2.3, 2.4)

316L (A182-F316L, Grupo 2.3):O padrão do setor para flanges-resistentes à corrosão. O grau 'L' de baixo-carbono evita a sensibilização da solda. Adequado para ambientes de processamento químico, farmacêutico, alimentos/bebidas e zonas de respingos marinhos. PREN (Número Equivalente de Resistência à Picagem) aproximadamente 24.

317L (A182-F317L, Grupo 2.3):Maior teor de molibdênio do que 316L melhora a resistência aos ácidos sulfúrico e acético. Especificado em fábricas de papel e celulose e sistemas-de manuseio de ácido. PREN aproximadamente 28.

904L (A182-F904L, UNS N08904, Grupo 2.4):Uma classe super-austenítica com 4,5% de Mo e 1,5% de Cu, projetada especificamente para resistência ao ácido sulfúrico. Supera significativamente o 316L em H2SO4 diluído. PREN aproximadamente 36. A EETA estoca e fornece flanges 904L.

254 SMO/F44 (A182-F44, UNS S31254, Grupo 2.4):Uma classe super{1}}austenítica com 6% de molibdênio que oferece excelente resistência à corrosão por corrosão sob tensão (SCC) induzida por cloreto-, corrosão por corrosão causada por água do mar. PREN aproximadamente 43. Usado extensivamente em serviços de dessalinização, offshore e plantas de branqueamento. A EETA armazena e fornece 254 flanges SMO.

Flanges de liga de níquel (Grupos 3.1–3.4)

Monel 400 (B564-N04400, Grupo 3.2):Excelente resistência ao ácido fluorídrico e à água do mar. Usado em unidades de alquilação HF, acabamento de bombas marítimas e dessalinização de água salgada.

Hastelloy C-276 (B564-N10276, Grupo 3.3):O material de referência para serviços de corrosão severa - ácidos agressivos, cloro úmido, dessulfurização de gases de combustão (FGD). Classificado para 1.000 graus F. A EETA fornece flanges C-276 para classes 150 a 1500.

Inconel 625 (B564-N06625, Grupo 3.3):Excepcional resistência a altas-temperaturas e resistência à oxidação de até 1.800 graus F. Especificado em plantas químicas submarinas offshore,-de grau aeroespacial e serviços de gás-de alta temperatura. A EETA fornece flanges Inconel 625 em todas as classes padrão.

Tabela 4: Grupos de materiais de flange, especificações ASTM e desempenho contra corrosão

Como selecionar a classe de flange correta: uma estrutura de decisão passo a passo-a-

A seleção da classe correta de flange requer uma abordagem sistemática. Os engenheiros não devem simplesmente arredondar para a próxima classe - tanto a-especificação excessiva (custo e peso desnecessários) quanto a-especificação insuficiente (falha de segurança) são erros graves de engenharia.

Etapa 1 - Definir pressão operacional máxima permitida (MAOP)

Estabeleça a pressão mais alta que o sistema pode atingir, incluindo condições de sobretensão, perturbação e ajuste da válvula de alívio. Adicione uma margem de projeto de acordo com o código aplicável (normalmente 10–33% acima da pressão operacional normal).

Etapa 2 - Definir temperatura operacional máxima permitida (MAOT)

Determine a temperatura máxima do processo e leve em conta as excursões. Lembre-se de que as classificações de pressão diminuem com a temperatura - sempre verifique a tabela P-T no seu MAOT, não na temperatura ambiente.

Etapa 3 - Identificar o grupo de materiais

Selecione ummaterial de flangecompatível com o fluido do processo. Use tabelas de corrosão (NACE, Outokumpu Handbook, dados do fornecedor) para confirmar a compatibilidade química. Identifique o número do grupo de material ASME B16.5 correspondente para a liga selecionada.

Etapa 4 - Pesquisar a classificação P-T

Faça referência cruzada-com seu MAOP, MAOT e grupo de materiais nas tabelas de classificação ASME B16.5 P-T. Selecione a classe mais baixa cuja classificação P-T excede a pressão de projeto na temperatura de projeto.

Etapa 5 - Verifique os requisitos do código

Confirme se a classe selecionada atende aos mínimos da classe de tubulação ASME B31.3 para a categoria de fluido. Para serviço ácido, aplique os requisitos NACE MR0175/ISO 15156. Para casos de incêndio ou serviço letal, podem ser aplicadas restrições adicionais.

Etapa 6 - Especifique o tipo de face e a junta

Para Classe 150–300 em serviço limpo e não{2}}letal: Face elevada com gaxeta em espiral é padrão. Para classe 600 e superior, ou em H2S, vapor-de alta temperatura ou serviço letal: a junta tipo anel (RTJ) é preferida. Consulte ASME PCC-1 para requisitos de tensão de assentamento da junta.

Tabela 5: Classe de flange e matriz de seleção de materiais por condição de serviço

Perguntas frequentes

Q1: Posso combinar um flange Classe 300 com um flange Classe 150?

ResponderVocê pode parafusá-los fisicamente, pois os padrões de furos dos parafusos correspondem a certas faixas de tamanho, mas o conjunto é classificado para a classe mais baixa (Classe 150). Às vezes, isso é feito intencionalmente durante uma atualização do sistema, mas o componente-de classe inferior se torna o fator limitante. ASME B31.3 exige que a junta seja classificada para o componente mais fraco.

Q2: O que significa o 'L' em 316L e isso importa para os flanges?

ResponderO 'L' significa Baixo Carbono - teor máximo de carbono de 0,03% versus 0,08% para o padrão 316. Classes de baixo-carbono evitam a precipitação de carboneto de cromo na zona-afetada pelo calor durante a soldagem, o que causa uma condição conhecida como sensibilização que reduz drasticamente a resistência à corrosão. Para conexões de flange soldadas, sempre especifique a classe L-.

P3: O que é PREN e por que ele é importante para a seleção do flange?

ResponderPREN (número equivalente de resistência à corrosão por pites) é um índice-baseado em fórmula que prevê a resistência de um aço inoxidável à corrosão por pites: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. Um PREN acima de 40 é normalmente necessário para serviços de água do mar submersa. Para contextualizar: 316L tem PREN ~24, 904L tem PREN ~36 e 254 SMO tem PREN ~43. A seleção de um material de flange apenas por classe de pressão, sem considerar o PREN em serviços corrosivos, leva à falha prematura.

Q4: Quando é necessário um flange de junta tipo anel (RTJ)?

ResponderOs flanges RTJ são exigidos ou fortemente recomendados em quatro cenários: (1) Classe 600 e superior, (2) temperaturas acima de 750 graus F (400 graus), (3) serviço ácido H2S de acordo com NACE MR0175 e (4) serviço com fluido letal ou tóxico. O RTJ cria uma vedação de metal-com{11}}metal independente da degradação do material da gaxeta, proporcionando resistência superior à ruptura.

Q5: Qual é a diferença entre ASME B16.5 e ASME B16.47?

ResponderASME B16.5 cobre flanges de tubos de NPS 1/2 a NPS 24. ASME B16.47 cobre flanges de grande-diâmetro de NPS 26 a NPS 60. B16.47 Os flanges Série A (de MSS SP-44) são mais pesados ​​e usados ​​em tubulações; Os flanges da Série B (da API 605) são mais leves e utilizados em plantas de processo. Se você estiver especificando flanges maiores que NPS 24, deverá consultar B16.47.

Q6: Um flange Classe 150 pode lidar com vácuo total?

ResponderSim - Os flanges classe 150 são usados ​​rotineiramente em serviços de vácuo. A preocupação no serviço de vácuo é o risco de ruptura da junta (que não se aplica) e a potencial distorção do flange sob diferencial de vácuo total. Para vácuo profundo (< 1 mmHg), consult the equipment manufacturer and verify the bolted joint design using ASME PCC-1 methodology.

Q7: Como posso confirmar a classificação de pressão se meu material não estiver em ASME B16.5?

ResponderSe o seu material exato não estiver listado, localize o grupo de materiais ASME B16.5 mais próximo com base na resistência mínima à tração e ao escoamento. Nesses casos, a classificação pode ser calculada de acordo com ASME B16.5 Apêndice II, ou o flange pode ser projetado como um flange especial de acordo com ASME Seção VIII, Divisão 1, Apêndice 2. Sempre envolva um engenheiro de vaso de pressão licenciado para aplicações de materiais não{5}}padrão.