Flange Forjado vs Flange de Placa: Fluxo de Grãos, Resistência e Conformidade com o Código ASME

Escolher entre um flange forjado e um flange de placa parece uma decisão de compra, mas na verdade é uma decisão de materiais e código. UMflange forjadaé moldado espremendo tarugos de aço quente ou liga de níquel sob pressão em matrizes, de modo que a estrutura cristalina interna do metal siga o contorno da peça. UMflange de placaé simplesmente cortado - por plasma, laser ou oxi-combustível - de um disco plano laminado e depois usinado no tamanho certo.

Dois flanges podem ter dimensões ASME B16.5 idênticas e ter a mesma aparência aparafusados ​​em linha. Internamente, eles não são a mesma parte. Este guia explica a diferença em linguagem simples, quantifica a diferença de resistência e - o mais importante - explica quando o código ASME realmente permite um flange de placa.

Os flanges forjados têm fluxo de grãos contínuo e que segue o contorno e são o código padrão para juntas de cubo com retenção de pressão; flanges de placa são mais baratos, mas, de acordo com a ASME B16.5, estão limitados a flanges cegos e alguns pequenos flanges redutores sem cubos.

O que é um flange forjado e como ele é feito?

Um flange forjado é moldado pressionando e martelando metal quente em matrizes, em vez de cortá-lo de uma placa plana.

Para fazer um, um tarugo de aço inoxidável ou liga de níquel é aquecido até a temperatura de forjamento, depois virado e prensado ou martelado em uma matriz que se aproxima do flange acabado. A peça é aparada, usinada na dimensão B16.5/B16.47, tratada termicamente (recozida em solução para inoxidáveis ​​austeníticos e ligas de níquel) e inspecionada - normalmente por ultrassom, líquido penetrante ou exame de partículas magnéticas - antes de ser marcada e carimbada.

A deformação compressiva faz três coisas úteis ao mesmo tempo: fecha a porosidade interna e os vazios deixados pela fusão, quebra o grão grosso fundido em um tamanho de grão fino e uniforme e estica as impurezas em "longarinas" que seguem a direção em que o metal foi empurrado. Flanges forjados em aço inoxidável são produzidos de acordo com ASTM A182 (por exemplo F304/L, F316/L, F51 duplex); peças forjadas de liga de níquel atendem ASTM B564 (Liga 600/600, Liga 625, Liga C276, Liga 800, Liga 400).

O que é um flange de placa e como ele é feito?

Um flange de placa é um disco plano cortado de uma placa de metal laminada e enfrentado em um torno - não há forjamento nem cubo formado.

A produção é simples: selecione uma placa do grau necessário (inoxidável conforme ASTM A240; placa de liga de níquel conforme a especificação de placa da série B relevante), corte uma placa circular por plasma, oxicombustível ou laser, perfure o círculo do parafuso e usine a face de vedação. Como não há deformação plástica envolvida, uma placa bruta não pode formar um cone de pescoço de solda ou um cubo reforçado; a peça permanece tão plana quanto a placa de onde veio.

A compensação é óbvia: o desperdício de material é baixo, a usinagem é mínima e o prazo de entrega é curto. A limitação é igualmente óbvia - o disco acabado carrega apenas as propriedades que a placa laminada já possuía, em todas as direções. Os flanges de placa, portanto, aparecem com mais frequência como flanges cegos, flanges de suporte de junta sobreposta de grande diâmetro e serviço de utilidade pública de baixa pressão.

O que é "fluxo de grãos" e por que isso é importante?

O fluxo de grãos é a direção na qual os cristais microscópicos do metal e as longarinas de impureza são esticados; o metal é forte ao longo da fibra e fraco ao longo dela - da mesma forma que uma tábua de madeira é forte ao longo das fibras.

Pense em uma árvore. Vi o tronco e você verá anéis de crescimento concêntricos - isso é "grão final". Serre ao longo do tronco e as fibras percorrem todo o comprimento da tábua; essa placa resiste à flexão ao longo das fibras e se divide facilmente entre elas. O aço se comporta da mesma maneira. Quando o metal é trabalhado – laminado ou forjado – seus grãos e pequenas inclusões não metálicas são espalhadas em longas “longarinas” que seguem a direção de trabalho. Uma carga transportada paralelamente ao caminho do grão é bem transportada; uma carga que puxa o grão ou que expõe as pontas cortadas do grão cria um caminho natural para rachaduras.

Como o fluxo de grãos realmente difere entre os dois?

Em um flange forjado, o grão envolve continuamente o furo, o cubo e o círculo do parafuso; em um flange de placa, o grão corre plano e termina abruptamente em cada superfície usinada.

O forjamento empurra o material do tarugo para fora e para cima na matriz, de modo que o grão deformado segue o contorno do flange - como os anéis de crescimento em uma tigela esculpida. Não há superfície exposta de grãos cruzados no furo ou cubo; as tensões principais (tensão do parafuso, pressão interna, flexão do cubo) acompanham as linhas de fluxo.

Um flange de placa é diferente. A placa foi enrolada de forma plana, de modo que todas as suas linhas de grãos correm horizontalmente, paralelas às duas faces grandes. Quando a oficina perfura o centro e gira o diâmetro externo, ela corta o grão e expõe o "grão final" no furo, na face do cubo e na face de vedação. Essas extremidades expostas são precisamente onde as laminações, longarinas de inclusão e trincas por fadiga se abrem primeiro.

O que é mais forte - forjado ou placa?

Em uma folha de dados de especificações mínimas publicada, os dois podem parecer iguais; em serviço, o forjamento é significativamente mais tenaz, mais resistente à fadiga e sólido em sua espessura.

A mecânica mínima está de fato próxima. ASTM A182 F316 (forjado) e ASTM A240 Grau 316 (placa) especificam uma resistência à tração mínima de aproximadamente 515 MPa (75 ksi) e um rendimento mínimo de aproximadamente 205 MPa (30 ksi). Portanto, uma comparação lado a lado das folhas de especificações por si só não revela a lacuna de engenharia.

A vantagem do forjamento aparece onde os números mínimos não a capturam:

• Resistência.O trabalho a quente refina o grão grosso fundido, aumentando a resistência ao impacto Charpy V-notch - a capacidade de absorver choques sem fraturar.
• Solidez.A força compressiva fecha vazios internos, tubos e porosidade que podem permanecer na placa; a solidez ultrassônica é muito mais consistente.
• Força na direção de trabalho.Os forjados normalmente apresentam resistência cerca de 10 a 15% maior na direção de trabalho do que o mínimo da placa recozida, porque o tamanho do grão é refinado e os defeitos são fechados.
• Através da espessura.A placa é mais fraca devido à sua própria espessura (a direção "Z") - exatamente a direção da pré-carga do parafuso e da pressão da junta. Laminações e longarinas atuam como fissuras pré-existentes sob essa carga.
• Fadiga.A ciclagem térmica e a ciclagem de pressão propagam fissuras perpendiculares ao grão. Linhas de fluxo forjadas contínuas evitam rachaduras; o grão da extremidade da placa lhes dá um caminho reto.

A rota de fabricação altera a resistência à corrosão?

Sim - especialmente em ligas inoxidáveis ​​e de níquel - porque os flanges da placa deixam o grão final exposto na face de vedação e no furo onde a corrosão começa.

A laminação estica as inclusões de sulfeto e óxido em longarinas que ficam abertas em qualquer face de corte. O grão final exposto na face de contato da gaxeta e no furo é um local clássico de iniciação para pites, corrosão em frestas e trincas por corrosão sob tensão por cloreto - exatamente os modos de falha que os engenheiros enfrentam em 304/316 e em ligas de níquel que lidam com água do mar, salmouras e processos químicos ácidos. Um flange forjado envolve suas fibras em torno dessas superfícies, de modo que a face de vedação carrega fibras longas em vez de fibras finais.

Esta é uma das razões pelas quais as especificações de serviços ácidos (NACE MR0175 / ISO 15156), offshore e submarinas exigem quase universalmente peças forjadas. Em serviços corrosivos, a diferença de custo não é apenas material – é o risco de vazamento em uma junta aparafusada giratória.

Os flanges de placa são legais de acordo com ASME B16.5?

Para quase todos os tipos de flange que realmente se unem ao tubo, a ASME B16.5 exige material fundido ou forjado; A placa é permitida pelo código apenas para flanges cegos e alguns flanges redutores pequenos sem cubos.

O escopo ASME B16.5 é explícito. A norma cobre "flanges e acessórios flangeados feitos de materiais fundidos ou forjados" e permite separadamente "flanges cegos e certos flanges redutores feitos de materiais fundidos, forjados ou de placa". A segunda frase é todo o universo jurídico da chapa. Em termos práticos:

• Flanges cegos:a tampa que fecha o final da linha - é aqui que a placa é usada rotineira e corretamente.
• Redução de flanges sem cubos:aqueles cuja saída menor fica abaixo do limite de tamanho em B16.5 Tabela 6, portanto o código não requer um hub.
• Não permitido na placa:pescoço de solda (WN), roscado (THD), encaixe para solda (SW), deslizamento (SO) e flanges de junta sobreposta com cubo são "acessórios flangeados" e devem ser fundidos ou forjados. Uma "placa deslizante" usinada a partir do disco não é compatível com B16.5 como acessório de retenção de pressão, mesmo que suas dimensões correspondam.

As ligas de níquel são submetidas a uma leitura mais rigorosa. Os casos ASME B16 (por exemplo B16 Caso 21 para UNS N06674) estabelecem que, exceto para flanges cegos e flanges redutores sem cubos, os flanges devem ser feitos somente de peças forjadas de acordo com ASTM B564. Para diâmetros grandes, ASME B16.47 (NPS 26 a NPS 60; Série A alinha-se com MSS SP-44, Série B com API 605) também favorece peças forjadas para serviço com hub, embora flanges cegos de placas grandes sejam comuns em dutos não críticos e de baixa pressão e serviços de água.

Nota de engenharia: um fabricante pode usinar uma placa “especial”, mas ao fazê-lo a peça está fora de B16.5 e requer aprovação de engenharia documentada sob o código de tubulação aplicável (ASME B31.3) ou código de vaso de pressão (ASME BPVC Seção VIII). Não é um substituto imediato.

Quais especificações de materiais ASTM realmente se aplicam?

Para flanges forjados em aço inoxidável, siga ASTM A182 e placa conforme ASTM A240; para ligas de níquel, os forjados atendem à ASTM B564 e a chapa de acordo com as especificações de chapa da série B correspondentes - você não pode certificar um forjamento de chapa.

• Forjamentos inoxidáveis:Flanges, conexões e peças de válvulas forjadas/laminadas ASTM A182 - para serviços em altas temperaturas: F304/L, F316/L, F321, F347, F51/F55 duplex.
• Placa inoxidável:Placa, folha e tira inoxidável de cromo e cromo-níquel ASTM A240 - para vasos de pressão: Gr 304/L, Gr 316/L.
• Forjados em liga de níquel:Forjados de liga de níquel ASTM B564 -: UNS N06600 (Liga 600), N06625 (Liga 625), N10276 (Liga C276), N08800 (Liga 800), N04400 (Liga 400).
• Placa de liga de níquel:por exemplo, ASTM B424 (placa de liga 800), B575 (placa de liga C276), B463 (placa de liga 20). A forma do produto deve corresponder à especificação. Um forjamento de grau B564 não pode ser produzido cortando uma placa B575 e depois estampando como forjamento; o relatório de ensaio do moinho deve apresentar a forma correta e o tratamento térmico correto.

Como comparar o custo e o prazo de entrega?

Os flanges de placa são mais baratos e mais rápidos de serem retirados da prateleira; flanges forjados custam mais antecipadamente, mas são a única opção compatível com o código para serviços com hub, de alta pressão ou críticos.

Uma placa bruta é cortada de uma folha comercial com formato quase final e pouca usinagem, de modo que o custo unitário é baixo e os prazos de entrega são curtos - uma vantagem que cresce em diâmetros grandes e finos. Um forjamento requer tempo de tarugo, prensagem e matriz, tratamento térmico e exame não destrutivo, de modo que o preço da peça é mais alto e a entrega é mais longa, embora o custo por unidade caia em volume à medida que o ferramental é amortizado.

A visão do custo total é o que geralmente resolve a discussão. Um flange de placa que não esteja em conformidade com o código, ou que vaze ou rache no início do serviço cíclico ou corrosivo, acarreta custos de substituição, desligamento e segurança que diminuem a economia inicial. Especificar a opção mais barata por peça só é, portanto, racional quando o código e o imposto o permitem.

Então, quando você deve especificar Forjado versus Placa?

Especifique forjado sempre que pressão, temperatura, carga cíclica, serviço corrosivo ou tipo de flange com cubo estiverem envolvidos; placa de reserva para serviços não críticos cegos e de baixa pressão permitidos pelo código.

Escolha forjado quando:

• o tipo de flange é pescoço soldado, deslizante, rosqueado, solda de encaixe ou junta sobreposta com cubo - B16.5 exige isso de qualquer maneira;
• a classificação é Classe 300 e superior, ou o serviço é de alta temperatura, criogênico ou ciclado termicamente/pressão;
• o dever é serviço ácido (NACE MR0175), offshore, submarino ou nuclear;
• você está soldando tubulação de processo de liga de níquel (B564) em serviço com cloreto ou ácido;
• a face da gaxeta deve resistir ao ataque do grão final em uma junta crítica de baixo vazamento.

Escolha a placa (dentro dos limites do código) quando:

• você precisa de um flange cego para inspeção ou extremidade cega na Classe 150, serviço não perigoso;
• o trabalho consiste em trabalhos de ar, água ou dutos de grande diâmetro e baixa pressão (por exemplo, suporte cego B16.47);
• este é um serviço temporário ou utilitário onde um forjamento seria superespecificado;
• qualquer desvio de B16.5 é coberto por aprovação de engenharia documentada sob B31.3 ou BPVC Seção VIII.

Resumo lado a lado

A Tabela 1 destila a comparação para uso de especificação direta.

Tabela 1 - Comparação entre flange forjado e placa em termos de fabricação, código, desempenho e custo.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre um flange forjado e um flange de placa?

Um flange forjado é moldado a quente a partir de um tarugo para que o grão do metal siga o contorno do flange; um flange de placa é cortado de uma placa laminada plana. Os flanges forjados são mais tenazes, mais resistentes à fadiga e exigidos por código para serviços de pressão com cubo; flanges de placa são mais baratos, mas restritos pela ASME B16.5 a flanges cegos e certos flanges sem redução de cubo.

Os flanges de placa são compatíveis com ASME B16.5?

Somente para flanges cegos e flanges redutores sem cubos abaixo do limite de tamanho B16,5. Todos os outros flanges com cubo - pescoço soldado, deslizamento, roscado, solda de encaixe - devem ser feitos de material fundido ou forjado.

O que é mais forte, um flange forjado ou de placa?

Para a mesma liga (por exemplo, 316), as resistências à tração e ao escoamento mínimas publicadas podem ser iguais, mas o forjamento proporciona maior tenacidade ao impacto, maior vida útil à fadiga e solidez confiável na espessura porque o trabalho a quente refina o grão e fecha os vazios internos.