Bridas forjadas con cuello de soldadura estándar ANSI: especificaciones y aplicaciones

un Brida forjada con cuello de soldadura estándar ANSI es la opción preferida para aplicaciones de tuberías exigentes porque su El cubo cónico proporciona una transición suave de la tensión desde la cara de la brida hasta la pared de la tubería, eliminando la discontinuidad abrupta que causa turbulencia y falla por fatiga en otros tipos de bridas. . La brida está unida a la tubería mediante una soldadura a tope de penetración total en el extremo del cubo, creando una unión que es tan fuerte como la tubería misma y puede inspeccionarse radiográficamente para verificar la integridad de la soldadura. Esta característica de diseño, combinada con la orientación del flujo de grano lograda a través del proceso de forjado, hace que la brida con cuello soldado sea el único tipo de brida universalmente aceptado para servicios críticos de alta presión, alta temperatura y carga cíclica en las industrias petrolera, petroquímica y de generación de energía. Cuando se especifica según una norma ANSI (más comúnmente ASME B16.5 para tamaños de tubería de hasta 24 pulgadas y ASME B16.47 para diámetros más grandes), las dimensiones de las bridas, las clasificaciones de presión y temperatura y los requisitos de materiales están completamente estandarizados, lo que garantiza la intercambiabilidad con válvulas, accesorios y equipos de cualquier fabricante en todo el mundo.

La ventaja de la forja: por qué es importante el flujo de grano

El proceso de forjado altera fundamentalmente la estructura interna del acero de una manera que la fundición o el mecanizado a partir de placas no pueden replicar. Una brida forjada comienza como un tocho de acero (un lingote fundido o una pieza fundida continuamente que ha sido trabajada en caliente para cerrar la porosidad interna) y se le da forma bajo una inmensa fuerza de compresión entre matrices de forja. Esta deformación alarga las inclusiones no metálicas y los límites de los granos en la dirección del flujo del metal, creando una patrón de flujo de grano continuo que sigue el contorno de la brida . La estructura de grano alineado resiste la propagación de grietas perpendicular a la tensión aplicada, lo que le da a la brida forjada una resistencia a la fatiga y tenacidad al impacto superiores en comparación con una brida fundida o cortada con placa donde la orientación del grano es aleatoria o perpendicular a la dirección de la tensión primaria.

Específicamente para una brida con cuello soldado, el proceso de forjado está diseñado para que las líneas de flujo de grano corran continuamente desde la brida boca arriba a través del cubo cónico y hacia el bisel de soldadura. Esto significa que cuando la brida se suelda a tope a una tubería, el flujo de grano en la brida y en la tubería están alineados, creando una unión metalúrgicamente homogénea . La ausencia de una capa límite débil, una característica de las estructuras fundidas donde la zona de enfriamiento de la superficie se encuentra con la zona de grano columnar, significa que no existe una ruta de falla preferencial. Para servicios críticos como el servicio de hidrógeno, el procesamiento de gases ácidos o el vapor a alta temperatura, esta estructura de grano continuo es esencial para evitar la fragilización y el agrietamiento que pueden iniciarse en las discontinuidades microestructurales.

ANSI / ASME B16.5 Sistema de dimensiones y clases de presión

La norma ANSI que rige las bridas con cuello soldado, ahora publicada por ASME como ASME B16.5 —Organiza las bridas en clases de presión que definen la presión de trabajo máxima permitida a una temperatura determinada para un material determinado. Las clases de presión estándar para bridas con cuello soldado son 150, 300, 400, 600, 900, 1500 y 2500. El número de clase no es la presión de trabajo en psi; es una designación que se correlaciona con una tabla de clasificación de presión y temperatura. Una brida Clase 300 en acero al carbono (ASTM A105) a temperatura ambiente tiene un límite de presión de trabajo de aproximadamente 740 psi (51 bares) , mientras que la misma brida a 400°C (750°F) se reduce a aproximadamente 635 psi (44 bar). En el extremo, una brida Clase 2500 en acero aleado puede soportar presiones superiores a 6000 psi a temperatura ambiente.

Las características dimensionales que distinguen cada clase de presión son las espesor de la brida, el diámetro del cubo en la base, el diámetro del círculo de pernos y el número y tamaño de los orificios de los pernos . A medida que aumenta la clase de presión, estas dimensiones aumentan para soportar mayores cargas mecánicas, aunque el tamaño nominal de la tubería sigue siendo el mismo. La siguiente tabla ilustra cómo las dimensiones clave se escalan con la clase de presión para una brida con cuello para soldar común de 4 pulgadas (DN 100).

El orificio de una brida con cuello soldado está mecanizado para que coincida con el espesor nominal de la pared de la tubería del tubo de conexión. Esto significa que para un tamaño de tubería nominal determinado, hay disponibles bridas con diferentes diámetros de orificio para coincidir con las listas de tuberías estándar, extrafuerte (XS) y doble extrafuerte (XXS). La tolerancia del orificio se especifica en la norma y el bisel de soldadura en el extremo del cubo se mecaniza en un ángulo de 37,5 grados con una cara de raíz de aproximadamente 1,6 mm, según ASME B16.25, para crear una ranura en V estándar para la junta soldada a tope.

Grados de materiales y su envolvente de temperatura-presión

El material con el que se forja una brida con cuello soldado determina los límites de temperatura y presión del componente terminado y su resistencia a mecanismos de corrosión específicos. ASME B16.5 hace referencia a las especificaciones de materiales de ASTM y las tablas de clasificación de presión y temperatura están organizadas por grupo de materiales. La selección del material es una decisión basada en la temperatura de diseño, presión de diseño, química del fluido y potencial de mecanismos de craqueo ambientales. como el agrietamiento por tensión de sulfuro en servicios ácidos o el agrietamiento por corrosión bajo tensión de cloruro en aceros inoxidables austeníticos expuestos a cloruros calientes.

Los materiales de forja más comúnmente especificados para bridas con cuello soldado ANSI y sus aplicaciones típicas son:

• ASTM A105 (acero al carbono): El material estándar para servicio industrial general de -29°C a 425°C (-20°F a 800°F). No apto para exposiciones prolongadas por encima de 425°C debido a la grafitización, o para temperaturas bajo cero por debajo de la temperatura de transición dúctil a frágil sin prueba de impacto. Se utiliza para servicios de vapor, agua, aceite e hidrocarburos no corrosivos. Este es el material de brida forjada más común y económico y representa la mayoría de las bridas con cuello soldado instaladas en servicio no corrosivo.
• ASTM A350 LF2 (acero al carbono de baja temperatura): Un acero al carbono con química controlada y práctica de grano fino, impacto Charpy probado a -46°C (-50°F). Se utiliza para sistemas de tuberías que operan en climas fríos y en el manejo de gas licuado donde el A105 estaría en riesgo de fractura frágil. La cara de la brida generalmente se suministra con una cara elevada o una junta tipo anillo según la especificación.
• ASTM A182 F304/F304L y F316/F316L (acero inoxidable austenítico): Los materiales estándar para servicios químicos corrosivos, procesamiento de alimentos y aplicaciones farmacéuticas. Los grados "L" (bajo en carbono, máximo 0,03 % de carbono) se especifican para fabricaciones soldadas y para servicio por encima de 425 °C, donde los grados no estabilizados son susceptibles a la sensibilización y la corrosión intergranular. F316/F316L, con su adición de molibdeno de 2-3%, proporciona una resistencia mejorada a la corrosión por picaduras en ambientes que contienen cloruro en comparación con F304.
• ASTM A182 F11 y F22 (Acero de aleación de cromo-molibdeno): Los materiales más utilizados para servicios de alta temperatura en refinerías y centrales eléctricas, con grados de 1,25 % Cr-0,5 % Mo (F11) y 2,25 % Cr-1 % Mo (F22). Estos materiales conservan su resistencia a la tracción a temperaturas de hasta 600 °C (1100 °F) y resisten el ataque del hidrógeno en servicio de hidrógeno a alta temperatura cuando se usan dentro de las curvas de Nelson para el grado de aleación específico. Las bridas en una unidad de hidroprocesamiento de refinería que funciona a 450 °C con alta presión parcial de hidrógeno suelen ser piezas forjadas F22.
• ASTM A182 F51/F53 (Acero inoxidable dúplex y súper dúplex): Se utiliza en entornos de petróleo y gas en alta mar, manejo de agua de mar y procesos químicos donde se requiere la combinación de alta resistencia y resistencia excepcional a las picaduras de cloruro. F53 (súper dúplex, 25 % Cr) tiene un PREN (número equivalente de resistencia a las picaduras) superior a 40, lo que proporciona inmunidad a la corrosión por grietas del agua de mar a temperatura ambiente.

Tipos de caras de bridas y selección de juntas

La cara de la brida (la geometría de la superficie de sellado en la cara de la brida) se selecciona en función de la clase de presión, las características del fluido y el tipo de junta. El estándar ANSI define varios tipos de revestimiento, cada uno con un dominio de aplicación específico. Los revestimientos más comunes en bridas con cuello soldado son:

Cara elevada (RF)

El revestimiento estándar para bridas Clase 150 y 300, que consiste en una meseta elevada de aproximadamente 1,6 mm (1/16 de pulgada) de alto para Clase 150 y 300 y 6,4 mm (1/4 de pulgada) de alto para Clase 400 y superiores. La cara elevada concentra la carga del perno en un área de junta más pequeña, aumentando la presión de contacto y mejorando el sellado. El acabado superficial de la cara elevada está especificado por la norma como Patrón de ranura dentada concéntrica o en espiral. con una rugosidad superficial de 3,2 a 6,3 µm Ra (125 a 250 micropulgadas AA). Este acabado dentado muerde el material blando de la junta y evita que salga de la junta de brida bajo presión.

Junta tipo anillo (RTJ)

El revestimiento estándar para bridas de alta presión desde Clase 600 hasta Clase 2500 en servicios críticos. La cara de la brida tiene una ranura mecanizada con precisión que acepta una junta de anillo de metal sólido, generalmente de sección transversal ovalada u octogonal, hecha de un material que es más blando que el material de la brida. Cuando se aprietan los pernos, la junta del anillo se deforma plásticamente en la ranura, creando una Sello de metal a metal que es capaz de contener presiones superiores a 10 000 psi y temperaturas superiores a 500 °C. . La junta RTJ es el único tipo de junta aceptado para vapor a alta presión, agua de alimentación de calderas y servicios de hidrocarburos donde una explosión de la junta tendría consecuencias catastróficas. Los materiales estándar de las juntas de anillo son hierro dulce (para bridas de acero al carbono), acero inoxidable 304 o 316 y diversas aleaciones de níquel para servicios corrosivos y de alta temperatura.

Cara plana (FF)

Se utiliza principalmente para bridas de hierro fundido Clase 125 y para conexiones a boquillas de equipos de cara plana donde una brida de cara elevada doblaría y agrietaría la brida de hierro fundido correspondiente cuando se aprietan los pernos. Se utiliza una junta de cara completa, que se extiende hasta el círculo de pernos, con bridas de cara plana para distribuir la carga del perno de manera uniforme en toda el área de la cara.

El procedimiento de soldadura a tope y el control de la zona afectada por el calor

La instalación de una brida con cuello soldado en una tubería requiere un Soldadura a tope con ranura en V simple y penetración total que une el bisel mecanizado en el extremo del cubo de la brida con el bisel correspondiente en el extremo del tubo. La soldadura generalmente se realiza utilizando el proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) para la pasada de raíz para garantizar una penetración completa y una superficie de raíz limpia y libre de óxido, seguido de soldadura por arco metálico protegido (SMAW) o soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW) para las pasadas de relleno y tapa. La especificación del procedimiento de soldadura (WPS) debe estar calificada según ASME Sección IX, y el soldador debe estar calificado para el material, espesor y posición específicos.

La consideración crítica de soldadura para bridas con cuello soldado es la Control de la zona afectada por el calor (HAZ) en el cubo de la brida. . El cubo de la brida cerca de la soldadura está sujeto a un ciclo térmico complejo que puede alterar su microestructura, inducir tensiones residuales y, para ciertos aceros aleados, crear una zona martensítica dura y quebradiza si la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida. Para bridas de acero de aleación de cromo-molibdeno (ASTM A182 F11, F22), Es obligatorio precalentar de 200 °C a 300 °C (400 °F a 575 °F) antes de soldar para disminuir la velocidad de enfriamiento y prevenir la formación de martensita, y se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) de 675 °C a 730 °C (1250 °F a 1350 °F) durante una hora por cada 25 mm de espesor de soldadura para templar la HAZ, aliviar las tensiones residuales y restaurar la tenacidad a la fractura del material. El PWHT de un conjunto de brida y tubería soldada se realiza en la soldadura completa y la dureza de la HAZ se verifica mediante pruebas de dureza portátiles según ASTM E110 para confirmar que la dureza está por debajo del máximo especificado, generalmente 225 HBW para P-No. 4 y P-No. Aceros aleados 5A en servicio de refinería.

Inspección, pruebas y documentación de calidad.

Una brida con cuello soldado fabricada según un estándar ANSI se suministra con un conjunto de documentos de calidad obligatorios y opcionales que verifican su cumplimiento con las especificaciones de material y dimensiones. el Informe de prueba de materiales (MTR) o certificado de fábrica es el documento principal que certifica el número de calor de la forja, su composición química, su resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento y reducción del área de una prueba de tracción y su dureza. Para bridas de acero al carbono de baja temperatura (A350 LF2), el MTR también incluye los resultados de la prueba de impacto Charpy con muesca en V a la temperatura de prueba especificada. Para bridas de acero inoxidable, el MTR incluye los resultados de la prueba de corrosión intergranular cuando se especifica. El MTR debe ser rastreable hasta la brida mediante el número de calor, que está estampado en la periferia de la brida junto con el grado del material, la clase de presión, el tamaño nominal de la tubería y la marca de identificación del fabricante según los requisitos de marcado de ASME B16.5.

El examen no destructivo de la brida terminada incluye Inspección visual de las superficies mecanizadas, el revestimiento y el bisel de soldadura. para solapamientos, uniones, grietas y otras discontinuidades de la superficie según MSS SP-55. Para bridas de servicio crítico, se especifica NDE adicional: examen con líquidos penetrantes (PT) o examen con partículas magnéticas (MT) de la cara de la brida, la transición entre el cubo y la cara y el bisel de soldadura según ASME B16.5 párrafo 8.3; y examen ultrasónico (UT) de todo el volumen de forja según ASTM A388 o la especificación de forja ASTM aplicable para detectar defectos internos como inclusiones, huecos o laminaciones. Los criterios de aceptación para estos exámenes están definidos por la norma de forja ASTM aplicable y los requisitos complementarios del comprador.

Torsión de pernos, compresión de juntas y ensamblaje sin fugas

El montaje de una junta de brida con cuello soldado ANSI requiere Apriete controlado de pernos a un par o tensión de perno especificado. para lograr la compresión de la junta necesaria para un sello libre de fugas sin sobrecargar la brida, los pernos o la junta. Los pernos se aprietan en una secuencia cruzada, también llamada patrón de estrella, en al menos tres pasadas de torque creciente: 30%, 60% y 100% del torque objetivo. Este apriete progresivo asegura que la junta se comprime uniformemente y evita que la brida se amartilla, lo que crearía un espacio en forma de cuña que la junta no puede llenar.

El par objetivo del perno se calcula a partir de la tensión de asiento de la junta, el área de contacto de la junta, el límite elástico del material del perno y el coeficiente de fricción de las roscas del perno y la superficie de apoyo de la tuerca. La tensión objetivo del perno es típicamente 40% a 70% del límite elástico del material del perno para juntas estándar, utilizándose el extremo inferior del rango para juntas blandas como fibra comprimida o PTFE y el extremo superior para juntas metálicas y enrolladas en espiral. La lubricación de las roscas de los pernos y las superficies de apoyo de las tuercas con un compuesto antiagarrotamiento de alta presión es esencial para lograr una relación consistente entre el torque y la tensión de los pernos; Las roscas no lubricadas pueden consumir el 50 % o más del par aplicado en fricción, lo que da como resultado una precarga del perno significativamente menor que el valor calculado. Para uniones bridadas críticas en tuberías de proceso ASME B31.3, el procedimiento de apriete de pernos es una parte documentada del proceso de garantía de calidad, y los valores de torsión de los pernos se registran en un informe de integridad de la unión de brida.