Quali sono i diversi tipi di flangia utilizzati nei sistemi di tubazioni?

Le flange sono tra i componenti più fondamentali in qualsiasi sistema di tubazioni, poiché forniscono i giunti meccanici che collegano tubi, valvole, pompe e apparecchiature in modo che siano strutturalmente sicuri e, soprattutto, rimovibili per ispezione, manutenzione o modifica. Nei settori che vanno dal petrolio e gas, al settore petrolchimico, al trattamento delle acque, al settore farmaceutico e alla produzione di energia, la corretta selezione del tipo di flangia, della classe di pressione, del rivestimento e del materiale è importante quanto le specifiche del tubo stesso. Una flangia non corrispondente o classificata in modo errato rappresenta un potenziale punto di perdita, una mancata conformità alle normative e, in un servizio ad alta pressione o alta temperatura, un grave pericolo per la sicurezza. Questo articolo copre i principali tipi di flangia utilizzati nei sistemi di tubazioni, le loro caratteristiche tecniche, gli standard applicabili e i criteri pratici che guidano la corretta selezione della flangia.

Che cos'è una flangia per tubazione e perché è importante la selezione del tipo?

A flangia della tubazione è un disco, un anello o un collare forgiato, fuso o lavorato a macchina in metallo fissato all'estremità di un tubo, al corpo di una valvola o a un ugello dell'apparecchiatura e imbullonato a una flangia di accoppiamento per formare un giunto a tenuta di pressione. Il giunto è sigillato da una guarnizione compressa tra le due facce della flangia dalla forza di serraggio dei bulloni. La flangia trasferisce i carichi meccanici tra gli elementi collegati, tra cui pressione interna, forze di dilatazione termica, carichi di peso e vibrazioni, consentendo allo stesso tempo di smontare il giunto senza tagliare o saldare.

La scelta del tipo di flangia è importante perché tipi diversi sono adatti a metodi di connessione, condizioni di servizio di pressione e temperatura, spessori delle pareti dei tubi e facilità di installazione e smontaggio fondamentalmente diversi. L'utilizzo di una flangia slip-on in una linea di vapore ad alta pressione o di una flangia con saldatura a tasca su un tubo di grande diametro crea discrepanze tra la capacità strutturale della flangia e le esigenze su di essa. Gli standard in vigore, più comunemente ASME B16.5, ASME B16.47, EN 1092-1 e API 6A, definiscono i requisiti dimensionali, di classe di pressione e di materiale per ciascun tipo di flangia e la conformità a questi standard è obbligatoria nella maggior parte dei settori regolamentati.

I principali tipi di flangia utilizzati nelle tubazioni

Ciascun tipo di flangia ha un metodo distinto di fissaggio al tubo e un insieme specifico di caratteristiche strutturali. I sette tipi descritti di seguito coprono la stragrande maggioranza dei giunti flangiati riscontrati nei sistemi di tubazioni industriali e commerciali.

Flangia del collo saldata

La flangia Collo saldato è il tipo di flangia strutturalmente più robusto e ampiamente specificato per applicazioni ad alta pressione, alta temperatura e servizio ciclico. È dotato di un mozzo lungo e conico che passa gradualmente dal corpo della flangia allo spessore della parete del tubo, distribuendo le sollecitazioni in modo uniforme e riducendo al minimo la concentrazione delle sollecitazioni sul giunto saldato. La flangia è fissata al tubo mediante una saldatura di testa a piena penetrazione, che fornisce la massima integrità del giunto possibile e consente l'esame radiografico della saldatura per la verifica della qualità. Le flange Weld Neck sono la specifica standard nelle linee di servizio critiche nel settore petrolifero e del gas, nella produzione di energia e nel trattamento chimico. Il costo più elevato e i tempi di installazione più lunghi rispetto ad altri tipi sono giustificati dalle prestazioni meccaniche superiori e dall'affidabilità a lungo termine che offrono in condizioni di servizio impegnative.

Flangia slip-on

La flangia slip-on scorre sull'esterno del tubo ed è fissata con due saldature d'angolo: una sulla faccia del mozzo e una sul retro del foro della flangia. Il suo foro è leggermente più grande del diametro esterno del tubo, consentendo l'inserimento del tubo prima della saldatura, semplificando l'allineamento durante l'installazione. Le flange slip-on hanno un costo inferiore e sono più facili da montare rispetto alle flange con collo saldato, rendendole popolari nelle tubazioni dei servizi pubblici, nei sistemi a bassa pressione e nelle linee di servizio non critiche. Tuttavia, la loro resistenza strutturale è inferiore a quella delle flange del collo di saldatura – generalmente valutata a circa due terzi dell’equivalente del collo di saldatura nella stessa classe di pressione – perché le saldature d’angolo non forniscono la penetrazione completa della parete del tubo. Sono generalmente limitati al servizio ASME Classe 150 e 300 in applicazioni non critiche.

Flangia saldata a presa

Le flange a saldare a tasca vengono utilizzate esclusivamente su tubazioni di piccolo diametro, in genere diametro nominale di 2 pollici (50 mm) e inferiore. Il tubo viene inserito in una presa ricavata nel foro della flangia e sul mozzo viene applicata una saldatura d'angolo. Prima della saldatura viene deliberatamente lasciato un piccolo spazio di circa 1,6 mm tra l'estremità del tubo e la spalla del bicchiere per consentire l'espansione termica e prevenire rotture della saldatura. Le flange a saldare a tasca forniscono un foro interno più pulito rispetto alle flange slip-on per tubi di piccole dimensioni, riducendo la turbolenza e l'erosione nel servizio ad alta velocità. Vengono utilizzati in linee idrauliche ad alta pressione, collegamenti di strumenti e tubazioni per iniezione chimica dove l'integrità del foro piccolo è fondamentale. Non sono adatti per servizi con liquami o fluidi corrosivi in ​​cui la fessura nell'interstizio tra presa e tubo potrebbe intrappolare materiale.

Flangia filettata

Le flange filettate si collegano al tubo tramite una filettatura interna conica o parallela anziché mediante saldatura, rendendole l'unico tipo di flangia comune che non richiede saldatura per il fissaggio. Vengono utilizzati in sistemi di servizi a bassa pressione, collegamenti di strumenti e applicazioni in servizi non pericolosi in cui la presenza di gas infiammabili o esplosivi rende impraticabili le operazioni di saldatura. Le flange filettate sono meccanicamente più deboli di quelle saldate e sono soggette a perdite in caso di cicli termici o vibrazioni, che allentano progressivamente l'impegno filettato. Per questo motivo, molte specifiche ne vietano l'uso in servizi a temperatura superiore a 300 °F (150 °C) o in servizi con gas e liquidi infiammabili. Negli ambienti in cui si applicano restrizioni sulla saldatura ma è richiesta una maggiore integrità, una configurazione filettata e saldata a tenuta, applicando una saldatura a tenuta sul giunto filettato, fornisce una migliore affidabilità.

Flangia cieca

Una flangia cieca è un disco solido senza foro utilizzato per chiudere l'estremità di un tubo, un ugello o l'apertura di un serbatoio. È imbullonato contro la faccia della flangia di accoppiamento con una guarnizione, creando una chiusura completamente resistente alla pressione che può essere rimossa quando è necessario l'accesso alla linea. Le flange cieche vengono utilizzate alle estremità dei tubi per futuri collegamenti di espansione, sulle aperture di ispezione del serbatoio, sui punti di prova della pressione e come chiusure terminali permanenti su connessioni di derivazione ridondanti. Devono essere classificati per l'intera classe di pressione del sistema e sono soggetti a notevoli sollecitazioni di flessione derivanti dalla pressione interna che agisce sulla loro area frontale non supportata, motivo per cui lo spessore della parete della flangia cieca aumenta sostanzialmente con dimensioni del foro maggiori e classi di pressione più elevate.

Flangia a giunto sovrapposto

La flangia del giunto sovrapposto viene utilizzata insieme a un raccordo terminale: una breve sezione di tubo con un raggio lavorato a un'estremità che fornisce la superficie di tenuta. La flangia del giunto scorre liberamente sull'estremità del tronchetto e non è saldata al tubo; invece, l'estremità del tronchetto è saldata di testa al tubo e la flangia libera si appoggia al raggio dell'estremità del tronchetto. Questa disposizione consente alla flangia di ruotare liberamente attorno al tubo, semplificando notevolmente l'allineamento dei fori dei bulloni durante l'installazione, in particolare nelle aree congestionate o dove i collegamenti delle apparecchiature non sono posizionati con precisione. Le flange a giunto sovrapposto sono anche economicamente vantaggiose nei costosi sistemi di tubazioni in lega perché solo l'estremità del raccordo, il componente a contatto con il fluido, deve essere prodotta con il materiale in lega, mentre la flangia di supporto può essere in acciaio al carbonio standard.

Flangia dell'orifizio

Le flange dell'orifizio sono una variante specializzata del design con collo saldato o flangia slip-on che incorpora fori filettati di presa della pressione realizzati nel corpo della flangia su entrambi i lati di un orifizio. La piastra dell'orifizio, un disco forato con precisione, è fissata tra la coppia di flange dell'orifizio e crea un differenziale di pressione calibrato mentre il fluido passa attraverso il foro ristretto. Questa pressione differenziale viene misurata attraverso i fori di intercettazione e utilizzata per calcolare la portata volumetrica o massica. I gruppi flangia dell'orifizio sono una tecnologia di misurazione del flusso standard nelle applicazioni di petrolio e gas, lavorazione chimica e trattamento dell'acqua, e i loro requisiti dimensionali e di lavorazione sono specificati in ASME MFC-3M e ISO 5167.

Confronto dei tipi di flangia in base a criteri chiave

La tabella seguente fornisce un confronto pratico dei principali tipi di flange in base ai criteri più rilevanti per le decisioni di selezione nella progettazione di tubazioni industriali.

Tipi di facce delle flange e loro ruolo nella sigillatura dei giunti

La faccia della flangia è la superficie lavorata che entra in contatto con la guarnizione e crea la tenuta alla pressione. La scelta del tipo di faccia sbagliato per una determinata condizione di servizio o materiale di guarnizione è una causa comune di perdite dal giunto. I quattro tipi di faccia più utilizzati nelle tubazioni industriali hanno ciascuno meccanismi di tenuta e campi di applicazione distinti.

Volto sollevato (RF)

La faccia rialzata è il tipo di faccia della flangia più comune nelle tubazioni di processo e il tipo di faccia predefinita per le flange ASME B16.5 dalla Classe 150 alla Classe 2500. La superficie di appoggio è un anello rialzato, tipicamente alto 1,6 mm per le Classi 150 e 300 e alto 6,4 mm per la Classe 600 e superiori, che concentra la forza di serraggio del bullone sull'area della guarnizione. La finitura superficiale standard per le flange a faccia rialzata è una finitura seghettata concentrica o a spirale con una rugosità compresa tra 3,2 e 6,3 µm Ra, che fornisce un interblocco meccanico con guarnizioni morbide e semimetalliche. Le flange a faccia rialzata sono compatibili con l'intera gamma di guarnizioni piatte, a spirale e ad anello utilizzate nei servizi di processo generali.

Faccia piatta (FF)

La flangia a faccia piatta ha la superficie di appoggio a filo con la faccia del corpo della flangia senza area rialzata. Viene utilizzato durante l'accoppiamento con apparecchiature flangiate, come valvole in ghisa, pompe e apparecchiature non metalliche, dove una faccia rialzata imporrebbe carichi di flessione irregolari sul componente accoppiato rischiando di romperlo. Le flange a faccia piatta utilizzano guarnizioni a faccia intera che si estendono fino al cerchio dei bulloni e oltre, distribuendo il carico del bullone su tutta la faccia della flangia e prevenendo il carico sui bordi che una guarnizione ad anello creerebbe su una fragile flangia di accoppiamento.

Giunto ad anello (RTJ)

Le flange per giunti di tipo ad anello hanno una scanalatura trapezoidale o ovale lavorata con precisione sulla faccia della flangia in cui è posizionata una solida guarnizione ad anello in metallo, in genere ferro dolce, acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio inossidabile 316 o Inconel. Quando i bulloni vengono serrati, la guarnizione dell'anello viene deformata plasticamente nella scanalatura, creando una tenuta metallo-metallo ad altissima integrità. I giunti RTJ sono specificati per servizi ad alta pressione, alta temperatura e gas acidi dove le esigenze di affidabilità superano ciò che possono fornire guarnizioni morbide o semimetalliche. Sono standard nelle tubazioni di testa pozzo, sottomarine e di processo ad alta integrità e richiedono una lavorazione di precisione sia della scanalatura che dell'anello per raggiungere le prestazioni nominali.

Lingua e scanalatura (T&G)

Le flange con linguetta e scanalatura sono coppie accoppiate in cui una faccia della flangia ha una linguetta rialzata e l'altra ha una scanalatura corrispondente ricavata nella faccia. La guarnizione si inserisce interamente all'interno della scanalatura, dove è vincolata su tutti i lati, impedendo lo scoppio della guarnizione in condizioni di picchi di pressione. I giunti T&G forniscono una ritenzione superiore della guarnizione e vengono utilizzati nei coperchi degli scambiatori di calore, nei coperchi delle valvole e nelle connessioni al processo ad alta integrità dove il rischio di scoppio della guarnizione deve essere ridotto al minimo. Poiché le due metà devono essere coppie accoppiate, le flange maschio-femmina non sono intercambiabili con le flange a faccia rialzata standard della stessa dimensione e classe di pressione.

Classi di pressione della flangia e cosa significano

Secondo ASME B16.5, lo standard dominante per le flange dei tubi in Nord America e ampiamente citato a livello internazionale, le flange sono designate in base alla classe di pressione: 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500. Questi numeri di classe non rappresentano una pressione nominale fissa; piuttosto, definiscono il valore pressione-temperatura della flangia, che diminuisce all'aumentare della temperatura a causa della riduzione della resistenza allo snervamento del materiale a temperature elevate.

Ad esempio, una flangia di Classe 300 in acciaio al carbonio ASTM A105 ha una pressione nominale di circa 51,1 bar (740 psi) a temperatura ambiente, ma solo 14,4 bar (210 psi) a 450°C (850°F). La classe di pressione corretta per un determinato servizio deve quindi essere selezionata in base sia alla pressione massima di esercizio che alla temperatura massima di esercizio, utilizzando le tabelle pressione-temperatura ASME B16.5 o le tabelle equivalenti EN 1092-1 per le flange standard europee. Il sottodimensionamento della classe di pressione rispetto alla temperatura di servizio effettiva è uno degli errori più consequenziali nella specifica della flangia.

Materiali comuni delle flange e loro applicazioni

La scelta del materiale della flangia deve essere compatibile sia con il fluido di processo che con l'ambiente esterno e deve mantenere proprietà meccaniche adeguate nell'intero intervallo di temperature di esercizio.

• ASTM A105 (acciaio al carbonio): Il materiale standard per flange in acciaio al carbonio in servizi di processo generali fino a circa 425°C. Utilizzato in petrolio e gas, acqua, vapore e servizi chimici non corrosivi. Basso costo e ampiamente disponibile in tutte le classi e tipi di pressione.
• ASTM A182 F316/F316L (acciaio inossidabile): Utilizzato per servizi chimici corrosivi, applicazioni alimentari e farmaceutiche e ambienti marini. Il grado 316 fornisce una buona resistenza generale alla corrosione; 316L (a basso tenore di carbonio) è specificato laddove è necessario prevenire la sensibilizzazione al calore di saldatura.
• ASTM A182 F11 / F22 (acciaio legato): Acciai legati al cromo-molibdeno utilizzati in servizi ad alta temperatura superiore a 425°C nelle tubazioni di generazione di vapore, riformatore e riscaldatore a combustione dove l'acciaio al carbonio perde resistenza meccanica.
• ASTM A350 LF2 (Acciaio al carbonio a bassa temperatura): Acciaio al carbonio sottoposto a test di impatto per servizio criogenico e a bassa temperatura fino a -46°C, utilizzato in impianti GNL, sistemi di refrigerazione e tubazioni esterne per climi freddi.
• Acciaio inossidabile duplex e super duplex (F51, F53): Utilizzato in ambienti altamente corrosivi, tra cui servizi con acqua di mare, tubazioni sottomarine e flussi chimici ricchi di cloruri, dove gli acciai inossidabili austenitici standard sarebbero soggetti a fessurazione per tensocorrosione o corrosione per vaiolatura.

Come scegliere la flangia giusta per il tuo sistema di tubazioni

La corretta selezione della flangia richiede una valutazione sistematica di più parametri in combinazione anziché l'ottimizzazione per un singolo criterio come il costo o la disponibilità.

• Definire con precisione le condizioni del servizio: Stabilire la pressione operativa massima, la temperatura operativa massima, la composizione del fluido compresi eventuali componenti corrosivi e il carattere di carico ciclico o dinamico del servizio prima di selezionare qualsiasi componente della flangia.
• Seleziona il tipo di flangia in base ai requisiti strutturali: Utilizzare flange con collo saldato per tutte le linee di servizio ad alta pressione, alta temperatura, cicliche o pericolose. Utilizzare le flange slip-on solo in servizi di pubblica utilità o a bassa criticità in cui la riduzione dei costi è giustificata e la minore integrità strutturale è accettabile entro il codice applicabile.
• Determinare la classe di pressione dalle tabelle dei valori P-T: Cercare il valore nominale pressione-temperatura per il materiale scelto in ASME B16.5 o EN 1092-1 alla temperatura di servizio effettiva, non alla temperatura ambiente. Applicare il fattore di sicurezza appropriato richiesto dal codice di progettazione applicabile.
• Abbina il tipo di faccia alla selezione della guarnizione e all'attrezzatura di accoppiamento: Utilizzare la faccia rialzata con guarnizioni a spirale o ad anello per servizi di processo generali. Utilizzare la faccia piatta per l'accoppiamento con apparecchiature flangiate in ghisa o non metalliche. Utilizzare RTJ per servizi ad alta pressione o acidi dove è richiesta la tenuta metallo-metallo.
• Verificare la compatibilità dei materiali: Confermare che il materiale della flangia sia compatibile sia con il fluido di processo (considerando corrosione, erosione e tensocorrosione) sia con l'ambiente esterno, compreso l'isolamento sotto il rischio di corrosione del rivestimento e la compatibilità della protezione catodica per il servizio sepolto o sommerso.

Conclusione

Le flange per sistemi di tubazioni comprendono una gamma molto più ampia di decisioni ingegneristiche rispetto a quanto potrebbe suggerire il loro ruolo apparentemente semplice di connettori per tubi. La scelta tra un collo saldato, slip-on, a saldare, filettato, cieco, giunto sovrapposto o flangia con orifizio determina l'integrità strutturale del giunto, la facilità di installazione e manutenzione e l'idoneità della connessione per l'ambiente di servizio specifico. In combinazione con il tipo di superficie corretto per la guarnizione e l'attrezzatura di accoppiamento, la classe di pressione appropriata per la temperatura di esercizio e una specifica del materiale adatta al fluido di processo e alle condizioni ambientali, la scelta della giusta flangia garantisce un sistema di tubazioni che funziona in modo sicuro e affidabile per tutta la sua durata di progettazione senza oneri di manutenzione inutili o rischi di guasto.