フランジ定格の説明: 配管システムに適切なクラスを選択する方法

フランジ定格とは何ですか?平易な-言語の概要

フランジは、パイプ、バルブ、または機器の 2 つの部分を接続する円盤状の機械的取り付け具です。{0}これは、間にガスケットを挟んで 2 つの一致するフランジをボルトで締めることで機能し、後で検査やメンテナンスのためにボルトを緩めることができる、しっかりとした耐圧シールを形成します。-

すべてのフランジには圧力クラス - が付けられています。この数値は、エンジニアが指定された温度でジョイントが安全に処理できる最大圧力を示します。クラス番号が大きいほど許容圧力は高くなります。この数値を間違えると、致命的な障害、法規制への準拠、またはコストのかかるダウンタイムが発生する可能性があります。-

北米のフランジ圧力クラスは、米国機械学会 (ASME) によって標準化されています。パイプ フランジの管理文書は ASME B16.5 (NPS 1/2 ～ NPS 24) です。

この速報では、各クラス番号の意味、圧力定格が温度によってどのように変化するか、各クラスと組み合わせる面のタイプと材料、およびフランジ クラスを実際の動作条件に合わせる方法について説明します。

管理基準: ルールを定めるのは誰ですか?

工業用フランジは、個々の技術者がゼロから設計するものではありません。これらは、ボルト穴のパターンから圧力と温度の定格に至るまで、あらゆるものを定義する十分に確立された寸法および圧力規格に基づいて製造されています。-

ASME B16.5 - 主要規格

ASME B16.5、パイプ フランジおよびフランジ付き継手: NPS 1/2 から NPS 24 は、北米で主流の規格であり、国際的に広く採用されています。これは 7 つの圧力クラス - 150、300、400、600、900、1500、および 2500 - をカバーしており、22 の材料グループの圧力 - 温度 (P-T) 定格を定義しています。この報告書に記載されている圧力定格に関するすべての比較データは、ASME B16.5-2017 に基づいています。

ASME B16.47 - 大-直径フランジ

NPS 26 ～ NPS 60 のフランジには、ASME B16.47 が適用されます。これは、シリーズ A (MSS SP-44 から派生) とシリーズ B (API 605 から派生) の 2 つのシリーズを定義します。シリーズ A フランジはより重く、パイプライン システムに適しています。シリーズ B は軽量で、プロセスプラントでの使用に一般的です。

ASME B16.20 - リングジョイントガスケット

ASME B16.20 は、高圧、高温、酸性ガス用途で使用されるリング タイプ ジョイント (RTJ) フランジ - の楕円形および八角形のリング用の金属ガスケットを規定しています。-

ASME B31.3 - プロセス配管コード

ASME B31.3 は、プロセス配管の設計、製造、およびテスト要件を指定します。最小フランジ クラス要件に直接影響する配管サービス カテゴリ (B ～ F) を割り当てます。エンジニアは、フランジ クラスの選択をサービスの B31.3 流体カテゴリに合わせる必要があります。

NACE MR0175 / ISO 15156 - サワー サービス

硫化水素 (H2S) を含むサービス - はサワー サービスとして知られています - NACE MR0175 (現在は ISO 15156 として共同発行) は、標準の圧力クラスの決定に優先する特定の材料硬度制限、熱処理要件、および材料選択基準を義務付けています。

ASME の 7 つの圧力クラス: 数値が実際に意味するもの

圧力クラスは単一の圧力値ではなく、圧力 - 温度曲線のファミリーです。-。金属は温度が高くなると強度が低下するため、温度が上昇すると許容圧力は低下します。これが、同じクラス 150 フランジの定格が 100 °F で 285 psi であっても、800 °F では 170 psi しか扱えない理由です。

クラス150

クラス 150 は最も低く、最も一般的なフランジ クラスで、給水システム、HVAC、低圧蒸気、- プロセス ラインで使用されます。炭素鋼 A105 の最大定格圧力は、周囲温度 (100 °F) で 285 psi です。クラス 150 は、小さいサイズで 4 つのボルト パターンを使用します。-これは最も費用対効果の高い選択肢であり、動作条件が明らかに PT エンベロープ内に収まる場合にのみ選択してください。-

クラス300

クラス 300 は、クラス 150 の圧力容量のおよそ 2 倍です (A105 の場合、100 °F で 740 psi)。これは、中圧プロセス サービス、蒸気システム、および一般的な製油所アプリケーションの標準的な選択肢です。-クラス 300 フランジは、クラス 150 よりも物理的に大きく、重いです。

クラス400

クラス 400 はあまり一般的には指定されません。- クラス 400 は 300 から 600 の間にあり、主にクラス 300 の P- エンベロープを超える高温蒸気用途で使用されますが、クラス 600 はオーバースペックになります。- A105 の最大圧力は周囲温度で 990 psi です。

クラス600

クラス 600 (周囲温度で 1,480 psi、A105) は、高圧プロセス配管、製油所ユニット、圧縮ガス システムの標準クラスです。{4}多くの場合、これは NACE サワーガス サービスで指定される最小クラスです。{6}クラス 600 以上では通常、リング タイプ ジョイント (RTJ) 面を使用して金属間のシールを実現します。{9}}-

クラス900

クラス 900 (周囲温度で 2,220 psi) は、天然ガス パイプライン、高圧蒸気、その他の要求の厳しいプロセス サービスで使用されます。{3}}より大きなボルト パターンとより大きな肉厚により、周期的または高振動の用途に大幅な安全マージンが提供されます。-

クラス1500

クラス 1500 (周囲温度で 3,705 psi) は、発電ボイラー給水ライン、高圧蒸気タービン、および同様の過酷な用途向けに指定されています。{3}このクラスのフランジは非常に重く、精密に機械加工されたガスケット座面が必要です。

クラス2500

クラス 2500 (周囲温度で 6,170 psi) は、ASME B16.5 で定義されている最高クラスです。これは、水素サービス、超高圧プロセス ライン、坑口接続で使用されます。{4}クラス 2500 フランジは非常に重く、高価です。このレベルの仕様は、資格のある圧力容器エンジニアによって審査される必要があります。

表 1: ASME B16.5 圧力 - 温度定格 - 炭素鋼 A105 および 316L ステンレス鋼

表 2: フランジ クラスの比較 - 圧力、重量、コスト、用途

フランジ面の種類: シールの実現方法

フランジの面は、ガスケットが配置される機械加工された表面です。さまざまな面のタイプが、さまざまな圧力レベル、流体の種類、ガスケットの材質に適しています。面タイプが一致しない - たとえば、平面鋳鉄製バルブ - に対して平面フランジをボルトで固定すると、ボルトの荷重により鋳鉄製フランジに亀裂が生じる可能性があります -。

レイズドフェイス(RF)

最も一般的な顔タイプ。同心円状の盛り上がった領域 (通常、クラス 150/300 の場合は高さ 1/16 インチ、より上位のクラスの場合は 1/4 インチ) がガスケットの荷重を集中させます。ほとんどのプロセス用途で、うず巻きまたはリングガスケットとともに使用されます。

フラットフェイス(FF)

フランジ面はパイプ端と面一になります。鋳鉄本体のポンプや ASME クラス 125 の機器など、平面フランジを備えた機器に接続する場合に使用します。-。ボルトの荷重を分散し、脆い機器フランジの亀裂を防ぐために、全面ガスケットが必要です。-

リングタイプジョイント（RTJ）

フランジ面に機械加工された溝には、中実の金属リング ガスケット（楕円形または八角形の断面）が取り付けられます。-。リングはボルトの荷重を受けると変形して、クラス 600 以上、高温蒸気、H2S サワー サービスに適した金属間シールを形成します。-- ASME B16.20 によって管理されます。

タングアンドグルーブ (T&G)

1 つのフランジには盛り上がったリング (舌) があります。嵌合フランジには適合する凹部 (溝) があります。ガスケットは完全に密閉されており、吹き飛ばされることがないため、この面タイプは毒性、致死性、または揮発性の高いサービスに適しています。ポンプカバーや容器ノズルなどに使用されます。

男性と女性 (M&F)

T&G に似ていますが、メス面の凹部に平らなガスケット リングが取り付けられています。ガスケットの位置を正確に制御する必要がある重要な配管システムまたはライニングされた配管システムで使用されます。

表 3: フランジ面のタイプ - 規格、ガスケット、および用途

フランジの材質: プロセスに合わせた金属

正しい圧力クラスだけではフランジを定義するには不十分です。材料は、プロセス流体、動作温度、腐食環境、および該当するコード要件に適合する必要があります。 ASME B16.5 はフランジ材料を番号付きのグループに編成し、それぞれに独自の P- 評価テーブルがあります。

炭素鋼フランジ (グループ 1.1 および 1.2)

ASTM A105 (鍛造) は、世界中で最も広く使用されているフランジ材料です。非腐食性または軽度の腐食性媒体での常温から中程度の温度での使用をカバーします。- -低温サービス（最低-華氏50度まで）の場合は、ASME B31.3の要求に従って衝撃試験を受けた鍛造品を使用したASTM A350-LF2（グループ1.2）が指定されています。

ステンレス鋼フランジ (グループ 2.2、2.3、2.4)

316L (A182-F316L、グループ 2.3):耐食性フランジの業界標準-。低炭素「L」グレードは溶接鋭敏化を防止します。化学処理、製薬、食品/飲料、海洋飛沫ゾーン環境に適しています。 PREN（耐孔食相当数）約24。

317L (A182-F317L、グループ 2.3):モリブデン含有量が 316L よりも高いため、硫酸や酢酸に対する耐性が向上します。パルプおよび製紙工場および酸-処理システムで指定されています。 PREN約28。

904L (A182-F904L、UNS N08904、グループ 2.4):4.5% の Mo と 1.5% の Cu を含むスーパー オーステナイト グレード。特に耐硫酸性のために設計されています。希硫酸中では 316L を大幅に上回ります。 PREN 約 36。EETA は 904L フランジを在庫および供給しています。

254 SMO / F44 (A182-F44、UNS S31254、グループ 2.4):6% モリブデンのスーパー-オーステナイト グレードで、海水孔食、隙間腐食、塩化物-誘発の応力腐食割れ (SCC) に対して優れた耐性を備えています。 PREN 約 43。海水淡水化、海洋、漂白プラントのサービスで広く使用されています。 EETA は 254 個の SMO フランジを在庫し、供給しています。

ニッケル合金フランジ (グループ 3.1 ～ 3.4)

モネル 400 (B564-N04400、グループ 3.2):耐フッ酸、耐海水性に優れています。 HF アルキル化ユニット、船舶用ポンプ トリム、海水淡水化に使用されます。

ハステロイ C-276 (B564-N10276、グループ 3.3):重度の腐食サービス - の攻撃的な酸、湿った塩素、排煙脱硫 (FGD) のベンチマーク材料。定格は 1,000 度 F。EETA はクラス 150 ～ 1500 に C-276 フランジを供給しています。

インコネル 625 (B564-N06625、グループ 3.3):-華氏 1,800 度までの優れた高温強度と耐酸化性。オフショア海底、航空宇宙-グレードの化学プラント、および高温ガス サービスで指定されています。- EETA は、すべての標準クラスでインコネル 625 フランジを供給しています。

表 4: フランジの材質グループ、ASTM 仕様、および腐食性能

適切なフランジ クラスを選択する方法: ステップバイステップの意思決定フレームワーク

正しいフランジ クラスを選択するには、体系的なアプローチが必要です。エンジニアは単純に次のクラスに切り上げてはなりません。-仕様超過（不必要なコストと重量）と仕様未満（安全上の欠陥）はどちらも重大なエンジニアリング エラーです。-

ステップ 1 - 最大許容動作圧力 (MAOP) を定義します

サージ、アプセット、リリーフバルブの設定条件など、システムが到達できる最高圧力を確立します。該当するコードに従って設計マージンを追加します (通常、通常の動作圧力より 10 ～ 33% 上)。

ステップ 2 - 最大許容動作温度 (MAOT) を定義する

最高プロセス温度を決定し、変動を考慮します。圧力定格は温度とともに低下することに注意してください。-周囲温度ではなく、MAOT で常に P-T テーブルを確認してください。

ステップ 3 - マテリアル グループを特定する

を選択してくださいフランジ材質プロセス流体との互換性があります。化学的適合性を確認するには、腐食表 (NACE、Outokumpu Handbook、ベンダー データ) を使用します。選択した合金に対応する ASME B16.5 材料グループ番号を特定します。

ステップ 4 - P- 評価を調べる

ASME B16.5 P- 評価表で MAOP、MAOT、および材料グループを相互参照します。- P- 定格が設計温度で設計圧力を超える最も低いクラスを選択します。

ステップ 5 - コード要件を確認する

選択したクラスが流体カテゴリの ASME B31.3 配管クラスの最小要件を満たしていることを確認します。サワー サービスの場合は、NACE MR0175 / ISO 15156 要件を適用します。火災または致死的なサービスの場合は、追加の制限が適用される場合があります。

ステップ 6 - 面のタイプとガスケットを指定します

クリーンで非致死性のサービスにおけるクラス 150～300 の場合: -うず巻きガスケットを備えた盛り上がった面が標準です。クラス 600 以上、または H2S、高温蒸気、または致命的な用途の場合: リング タイプ ジョイント (RTJ) が推奨されます。ガスケットの取り付け応力要件については、ASME PCC-1 を参照してください。

表 5: 使用条件別のフランジ クラスと材料選択マトリックス

よくある質問

Q1: クラス 300 のフランジをクラス 150 のフランジに嵌合できますか?

答えボルト穴のパターンが特定のサイズ範囲内で一致するため、物理的にボルトで結合することはできますが、アセンブリは下位クラス (クラス 150) に評価されます。これはシステムのアップグレード中に意図的に行われる場合がありますが、下位クラスのコンポーネントが制限要因になります。- ASME B31.3 では、ジョイントを最も弱いコンポーネントに評価する必要があります。

Q2: 316L の「L」は何を意味しますか? それはフランジにとって重要ですか?

答え「L」は低炭素を表します。-炭素含有量は最大 0.03%、標準 316 の炭素含有量は 0.08% です。低炭素グレードは、溶接中の熱影響部での炭化クロムの析出を防ぎます。これにより、耐食性が大幅に低下する鋭敏化として知られる状態が引き起こされます。-溶接フランジ接続の場合は、必ず L- グレードを指定してください。

Q3: PREN とは何ですか?また、PREN がフランジの選択に重要なのはなぜですか?

答えPREN（孔食抵抗相当数）は、ステンレス鋼の孔食に対する耐性を予測する式に基づく指数です: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N。通常、水中海水サービスには 40 を超える PREN が必要です。コンテキスト: 316L の PREN ~24、904L の PREN ~36、254 SMO の PREN ~43。腐食環境において PREN を考慮せずに圧力クラスのみでフランジ材質を選択すると、早期故障につながります。

Q4: リングタイプジョイント (RTJ) フランジはどのような場合に必要ですか?

答えRTJ フランジは、次の 4 つのシナリオで必須または強く推奨されます: (1) クラス 600 以上、(2) 750 度 F (400 度) を超える温度、(3) NACE MR0175 に基づく H2S サワーサービス、および (4) 致死性または有毒な液体のサービス。 RTJ は、ガスケット材料の劣化に影響されずに金属間シールを形成し、優れた耐噴出性を実現します。{10}{11}

Q5: ASME B16.5 と ASME B16.47 の違いは何ですか?

答えASME B16.5 は、NPS 1/2 から NPS 24 までのパイプ フランジをカバーします。ASME B16.47 は、NPS 26 から NPS 60 までの大径フランジをカバーします。B16.47 シリーズ A フランジ (MSS SP-44 以降) はより重く、パイプラインで使用されます。シリーズ B フランジ (API 605 準拠) は軽量で、プロセス プラントで使用されます。 NPS 24 より大きいフランジを指定する場合は、B16.47 を参照する必要があります。

Q6: クラス 150 フランジは完全真空に対応できますか?

答えはい - クラス 150 フランジは真空サービスで日常的に使用されます。真空サービスにおける懸念事項は、ガスケットの噴出リスク (これは当てはまりません) と最大真空差でのフランジの歪みの可能性です。深真空用（< 1 mmHg), consult the equipment manufacturer and verify the bolted joint design using ASME PCC-1 methodology.

Q7: 材料が ASME B16.5 に準拠していない場合、圧力定格を確認するにはどうすればよいですか?

答え正確な材料がリストされていない場合は、最小引張強度と降伏強度に基づいて最も近い ASME B16.5 材料グループを見つけてください。このような場合、定格は ASME B16.5 付録 II に従って計算されるか、フランジは ASME セクション VIII、ディビジョン 1、付録 2 に従って特別なフランジとして設計される場合があります。非標準材料の用途については、必ず資格のある圧力容器エンジニアが関与してください。-