Các loại mặt bích khác nhau được sử dụng trong hệ thống đường ống là gì?

Mặt bích là một trong những thành phần cơ bản nhất trong bất kỳ hệ thống đường ống nào, cung cấp các khớp cơ khí kết nối đường ống, van, máy bơm và thiết bị theo cách vừa đảm bảo về mặt cấu trúc vừa có thể tháo rời để kiểm tra, bảo trì hoặc sửa đổi. Trong các ngành công nghiệp từ dầu khí và hóa dầu đến xử lý nước, dược phẩm và sản xuất điện, việc lựa chọn chính xác loại mặt bích, cấp áp suất, bề mặt và vật liệu cũng quan trọng như chính thông số kỹ thuật của đường ống. Mặt bích không khớp hoặc được đánh giá không chính xác là điểm rò rỉ tiềm ẩn, không tuân thủ quy định và trong dịch vụ áp suất cao hoặc nhiệt độ cao, là mối nguy hiểm nghiêm trọng về an toàn. Bài viết này đề cập đến các loại mặt bích chính được sử dụng trong hệ thống đường ống, đặc tính kỹ thuật, tiêu chuẩn áp dụng và tiêu chí thực tế hướng dẫn lựa chọn mặt bích chính xác.

Mặt bích đường ống là gì và tại sao việc lựa chọn loại lại quan trọng?

A mặt bích đường ống là một đĩa, vòng hoặc vòng đệm được rèn, đúc hoặc gia công từ kim loại được gắn vào đầu ống, thân van hoặc vòi thiết bị và được bắt vít vào mặt bích giao phối để tạo thành khớp kín áp. Mối nối được bịt kín bằng một miếng đệm được nén giữa hai mặt bích bằng lực kẹp của bu lông. Mặt bích truyền tải trọng cơ học giữa các bộ phận được kết nối - bao gồm áp suất bên trong, lực giãn nở nhiệt, tải trọng và độ rung - đồng thời cho phép tháo rời mối nối mà không cần cắt hoặc hàn.

Việc lựa chọn loại mặt bích rất quan trọng vì các loại khác nhau phù hợp với các phương pháp kết nối, điều kiện sử dụng áp suất và nhiệt độ, độ dày thành ống cũng như tính dễ lắp đặt và tháo gỡ khác nhau. Việc sử dụng mặt bích trượt trong đường hơi nước áp suất cao hoặc mặt bích hàn ổ cắm trên đường ống có lỗ khoan lớn sẽ tạo ra sự không phù hợp giữa khả năng kết cấu của mặt bích và các yêu cầu đặt ra cho nó. Các tiêu chuẩn quản lý - phổ biến nhất là ASME B16.5, ASME B16.47, EN 1092-1 và API 6A - xác định các yêu cầu về kích thước, cấp áp suất và vật liệu cho từng loại mặt bích và việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là bắt buộc trong hầu hết các ngành được quản lý.

Các loại mặt bích chính được sử dụng trong đường ống

Mỗi loại mặt bích có một phương pháp gắn vào đường ống riêng biệt và một tập hợp các đặc điểm cấu trúc cụ thể. Bảy loại được mô tả dưới đây bao gồm phần lớn các mối nối mặt bích gặp phải trong các hệ thống đường ống công nghiệp và thương mại.

Mặt bích cổ hàn

Mặt bích cổ hàn là loại mặt bích có cấu trúc chắc chắn nhất và được chỉ định rộng rãi nhất cho các ứng dụng dịch vụ áp suất cao, nhiệt độ cao và tuần hoàn. Nó có một trục thon dài chuyển dần từ thân mặt bích sang độ dày thành ống, phân bổ ứng suất đồng đều và giảm thiểu sự tập trung ứng suất tại mối hàn. Mặt bích được gắn vào ống bằng một mối hàn giáp mép xuyên thấu hoàn toàn, mang lại sự toàn vẹn của mối nối mạnh nhất có thể và cho phép kiểm tra bằng tia X của mối hàn để xác minh chất lượng. Mặt bích cổ hàn là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn trong các dây chuyền dịch vụ quan trọng trong dầu khí, sản xuất điện và xử lý hóa chất. Chi phí cao hơn và thời gian lắp đặt lớn hơn so với các loại khác được chứng minh bằng hiệu suất cơ học vượt trội và độ tin cậy lâu dài mà chúng mang lại trong các điều kiện dịch vụ đòi hỏi khắt khe.

Mặt bích trượt

Mặt bích trượt trượt bên ngoài ống và được gắn bằng hai mối hàn góc - một ở mặt trục và một ở phía sau lỗ mặt bích. Lỗ khoan của nó lớn hơn một chút so với đường kính ngoài của ống, cho phép lắp ống vào trước khi hàn, giúp đơn giản hóa việc căn chỉnh trong quá trình lắp đặt. Mặt bích trượt có chi phí thấp hơn và dễ lắp hơn mặt bích cổ hàn, khiến chúng trở nên phổ biến trong đường ống tiện ích, hệ thống áp suất thấp và đường dây dịch vụ không quan trọng. Tuy nhiên, độ bền kết cấu của chúng thấp hơn so với mặt bích cổ hàn - thường được đánh giá ở khoảng 2/3 tương đương cổ mối hàn trong cùng loại áp suất - bởi vì các mối hàn góc không tạo ra sự xuyên thấu hoàn toàn thành ống. Chúng thường được giới hạn ở dịch vụ ASME Class 150 và 300 trong các ứng dụng không quan trọng.

Mặt bích hàn ổ cắm

Mặt bích hàn ổ cắm được sử dụng riêng trên đường ống có lỗ khoan nhỏ, thường có đường kính danh nghĩa từ 2 inch (50 mm) trở xuống. Ống được lắp vào một ổ cắm được gia công vào lỗ mặt bích và một mối hàn phi lê được áp dụng tại trục. Một khoảng trống nhỏ khoảng 1,6 mm được cố ý chừa lại giữa đầu ống và vai ổ cắm trước khi hàn để cho phép giãn nở nhiệt và ngăn ngừa nứt mối hàn. Mặt bích hàn ổ cắm cung cấp lỗ khoan bên trong sạch hơn so với mặt bích trượt dành cho kích thước ống nhỏ, giúp giảm nhiễu loạn và xói mòn khi vận hành tốc độ cao. Chúng được sử dụng trong đường thủy lực áp suất cao, kết nối dụng cụ và đường ống phun hóa chất trong đó tính toàn vẹn của lỗ khoan nhỏ là rất quan trọng. Chúng không thích hợp cho các dịch vụ bùn hoặc chất lỏng ăn mòn nơi các kẽ hở ở khe hở ổ cắm và ống có thể giữ lại vật liệu.

mặt bích có ren

Mặt bích có ren kết nối với đường ống thông qua ren bên trong hình côn hoặc song song thay vì hàn, khiến chúng trở thành loại mặt bích phổ biến duy nhất không cần hàn để gắn. Chúng được sử dụng trong các hệ thống tiện ích áp suất thấp, kết nối thiết bị và ứng dụng trong các dịch vụ không nguy hiểm, nơi sự hiện diện của khí dễ cháy hoặc nổ khiến hoạt động hàn không thực tế. Mặt bích có ren yếu hơn về mặt cơ học so với các loại hàn và dễ bị rò rỉ dưới chu kỳ nhiệt hoặc rung động, điều này dần dần làm lỏng mối liên kết ren. Nhiều thông số kỹ thuật cấm sử dụng chúng trong các dịch vụ có nhiệt độ trên 300°F (150°C) hoặc trong dịch vụ chất lỏng và khí dễ cháy vì lý do này. Trong các môi trường áp dụng các hạn chế về hàn nhưng yêu cầu tính toàn vẹn cao hơn, cấu hình hàn ren và bịt kín - áp dụng mối hàn kín trên mối nối ren - mang lại độ tin cậy được cải thiện.

Mặt bích mù

Mặt bích mù là một đĩa đặc không có lỗ khoan được sử dụng để đóng đầu ống, vòi phun hoặc lỗ mở của bình. Nó được bắt vít vào mặt mặt bích bằng một miếng đệm, tạo ra một lớp đóng chịu áp suất hoàn toàn có thể tháo ra khi cần tiếp cận đường dây. Mặt bích mù được sử dụng ở các đầu ống cho các kết nối mở rộng trong tương lai, tại các lỗ kiểm tra bình chứa, tại các điểm kiểm tra áp suất và làm đầu cuối cố định trên các kết nối nhánh dự phòng. Chúng phải được phân loại theo cấp áp suất toàn hệ thống và phải chịu ứng suất uốn đáng kể do áp suất bên trong tác động lên vùng mặt không được hỗ trợ của chúng, đó là lý do tại sao độ dày thành mặt bích mù tăng đáng kể với kích thước lỗ khoan lớn hơn và cấp áp suất cao hơn.

Mặt bích chung

Mặt bích khớp nối được sử dụng cùng với khớp nối đầu nhánh - một đoạn ống ngắn có bán kính được gia công ở một đầu để tạo ra mặt bịt kín. Mặt bích khớp nối trượt tự do trên đầu cuống và không được hàn vào đường ống; thay vào đó, đầu cuống được hàn đối đầu với đường ống và mặt bích lỏng tựa vào bán kính đầu cuống. Sự sắp xếp này cho phép mặt bích xoay tự do xung quanh đường ống, giúp đơn giản hóa đáng kể việc căn chỉnh lỗ bu lông trong quá trình lắp đặt, đặc biệt ở những khu vực tắc nghẽn hoặc nơi kết nối thiết bị không được định vị chính xác. Mặt bích khớp nối cũng có lợi về mặt kinh tế trong các hệ thống đường ống hợp kim đắt tiền vì chỉ có đầu cuống - bộ phận tiếp xúc với chất lỏng - cần được sản xuất từ ​​vật liệu hợp kim, trong khi mặt bích phía sau có thể là thép cacbon tiêu chuẩn.

mặt bích lỗ

Mặt bích tiết lưu là một biến thể chuyên dụng của thiết kế cổ hàn hoặc mặt bích trượt kết hợp các lỗ lấy áp áp được gia công vào thân mặt bích ở hai bên của tấm tiết lưu. Tấm lỗ - một đĩa được khoan chính xác - được kẹp giữa cặp mặt bích lỗ và tạo ra sự chênh lệch áp suất được hiệu chỉnh khi chất lỏng đi qua lỗ bị hạn chế. Áp suất chênh lệch này được đo thông qua các lỗ lấy áp và được sử dụng để tính toán tốc độ dòng thể tích hoặc khối lượng. Cụm mặt bích lỗ là công nghệ đo lưu lượng tiêu chuẩn trong các ứng dụng dầu khí, xử lý hóa chất và xử lý nước, đồng thời các yêu cầu về kích thước và gia công của chúng được quy định trong ASME MFC-3M và ISO 5167.

So sánh loại mặt bích theo tiêu chí chính

Bảng sau đây cung cấp sự so sánh thực tế về các loại mặt bích chính theo các tiêu chí phù hợp nhất với các quyết định lựa chọn trong thiết kế đường ống công nghiệp.

Các loại mặt bích và vai trò của chúng trong việc bịt kín mối nối

Mặt bích là bề mặt được gia công tiếp xúc với miếng đệm và tạo ra vòng đệm áp suất. Việc chọn sai loại bề mặt cho một điều kiện sử dụng hoặc vật liệu đệm nhất định là nguyên nhân phổ biến gây rò rỉ mối nối. Bốn loại bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất trong đường ống công nghiệp, mỗi loại đều có cơ chế bịt kín và phạm vi ứng dụng riêng biệt.

Mặt nâng lên (RF)

Mặt nâng là loại mặt bích phổ biến nhất trong đường ống xử lý và là loại mặt mặc định cho mặt bích ASME B16.5 từ Loại 150 đến Loại 2500. Bề mặt tựa là một vòng nâng - thường cao 1,6 mm đối với Loại 150 và 300, và cao 6,4 mm đối với Loại 600 trở lên - tập trung lực kẹp bu lông vào khu vực đệm. Bề mặt hoàn thiện tiêu chuẩn cho mặt bích nâng là lớp hoàn thiện có răng cưa đồng tâm hoặc xoắn ốc với độ nhám từ 3,2 đến 6,3 µm Ra, cung cấp khóa liên động cơ học với các miếng đệm mềm và bán kim loại. Mặt bích nâng lên tương thích với đầy đủ các loại miếng đệm phẳng, xoắn ốc và loại vòng được sử dụng trong dịch vụ quy trình chung.

Mặt phẳng (FF)

Mặt bích mặt phẳng có bề mặt tiếp xúc phẳng với mặt thân mặt bích và không có vùng nhô lên. Nó được sử dụng khi tiếp xúc với các thiết bị có mặt bích - chẳng hạn như van gang, máy bơm và thiết bị phi kim loại - trong đó bề mặt nhô lên sẽ tạo ra tải trọng uốn không đồng đều lên bộ phận tiếp giáp và có nguy cơ làm nứt nó. Mặt bích phẳng sử dụng các miếng đệm toàn mặt kéo dài đến vòng tròn bu lông và xa hơn, phân phối tải trọng bu lông trên toàn bộ mặt mặt bích và ngăn chặn tải trọng cạnh mà miếng đệm vòng sẽ tạo ra trên mặt bích tiếp xúc giòn.

Khớp kiểu vòng (RTJ)

Mặt bích khớp kiểu vòng có rãnh hình thang hoặc hình bầu dục được gia công chính xác được gia công vào mặt bích, trong đó có một miếng đệm vòng kim loại rắn - thường là sắt mềm, thép cacbon thấp, thép không gỉ 316 hoặc Inconel - được đặt. Khi các bu lông được siết chặt, vòng đệm bị biến dạng dẻo vào rãnh, tạo ra một lớp đệm kín giữa kim loại với kim loại có độ toàn vẹn cực cao. Các khớp nối RTJ được chỉ định cho dịch vụ khí chua, áp suất cao, nhiệt độ cao và có tính axit trong đó yêu cầu về độ tin cậy vượt quá những gì mà các miếng đệm mềm hoặc bán kim loại có thể cung cấp. Chúng là tiêu chuẩn trong đường ống xử lý đầu giếng, dưới biển và có tính toàn vẹn cao, đồng thời yêu cầu gia công chính xác cả rãnh và vòng để đạt được hiệu suất định mức.

Lưỡi và rãnh (T&G)

Mặt bích lưỡi và rãnh là các cặp ghép đôi trong đó một mặt mặt bích có lưỡi nâng lên và mặt kia có rãnh phù hợp được gia công vào mặt. Các miếng đệm hoàn toàn nằm trong rãnh, nơi nó bị hạn chế về mọi phía, ngăn ngừa hiện tượng nổ miếng đệm trong điều kiện áp suất tăng đột biến. Các mối nối T&G mang lại khả năng giữ miếng đệm vượt trội và được sử dụng trong vỏ trao đổi nhiệt, nắp van và các kết nối quy trình có tính toàn vẹn cao trong đó phải giảm thiểu rủi ro nổ miếng đệm. Bởi vì hai nửa phải là cặp khớp nhau nên mặt bích lưỡi và rãnh không thể thay thế được với mặt bích nâng tiêu chuẩn có cùng kích thước và cấp áp suất.

Các lớp áp suất mặt bích và ý nghĩa của chúng

Theo ASME B16.5 — tiêu chuẩn thống trị cho mặt bích ống ở Bắc Mỹ và được tham chiếu rộng rãi trên toàn thế giới — mặt bích được chỉ định theo cấp áp suất: 150, 300, 600, 900, 1500 và 2500. Các số hạng này không đại diện cho mức áp suất cố định; thay vào đó, họ xác định định mức nhiệt độ áp suất của mặt bích, giảm khi nhiệt độ tăng do giảm cường độ năng suất vật liệu ở nhiệt độ cao.

Ví dụ, mặt bích Loại 300 bằng thép cacbon ASTM A105 được đánh giá ở mức xấp xỉ 51,1 bar (740 psi) ở nhiệt độ môi trường, nhưng chỉ 14,4 bar (210 psi) ở 450°C (850°F). Do đó, loại áp suất chính xác cho một dịch vụ nhất định phải được chọn dựa trên cả áp suất vận hành tối đa và nhiệt độ vận hành tối đa, sử dụng bảng xếp hạng nhiệt độ-áp suất trong ASME B16.5 hoặc bảng EN 1092-1 tương đương cho mặt bích tiêu chuẩn Châu Âu. Giảm kích thước của cấp áp suất đối với nhiệt độ sử dụng thực tế là một trong những lỗi nghiêm trọng nhất trong đặc điểm kỹ thuật mặt bích.

Vật liệu mặt bích thông thường và ứng dụng của chúng

Lựa chọn vật liệu mặt bích phải tương thích với cả chất lỏng xử lý và môi trường bên ngoài, đồng thời phải duy trì đầy đủ các đặc tính cơ học trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ vận hành.

• ASTM A105 (Thép cacbon): Vật liệu tiêu chuẩn cho mặt bích bằng thép cacbon trong quá trình sử dụng chung có nhiệt độ lên tới khoảng 425°C. Được sử dụng trong dịch vụ dầu khí, nước, hơi nước và hóa chất không ăn mòn. Chi phí thấp và có sẵn rộng rãi trong tất cả các loại và loại áp lực.
• ASTM A182 F316/F316L (Thép không gỉ): Được sử dụng cho dịch vụ hóa chất ăn mòn, ứng dụng thực phẩm và dược phẩm và môi trường biển. Lớp 316 cung cấp khả năng chống ăn mòn nói chung tốt; 316L (cacbon thấp) được chỉ định để tránh sự nhạy cảm do nhiệt hàn.
• ASTM A182 F11/F22 (Thép hợp kim): Thép hợp kim crom-molypden được sử dụng trong dịch vụ nhiệt độ cao trên 425°C trong đường ống tạo hơi nước, máy chuyển hóa và lò đốt trong đó thép cacbon mất độ bền cơ học.
• ASTM A350 LF2 (Thép cacbon nhiệt độ thấp): Thép cacbon đã được thử nghiệm va đập dành cho dịch vụ đông lạnh và nhiệt độ thấp xuống tới -46°C, được sử dụng trong các cơ sở LNG, hệ thống làm lạnh và đường ống ngoài trời có khí hậu lạnh.
• Thép không gỉ song công và siêu song công (F51, F53): Được sử dụng trong các môi trường có tính ăn mòn cao bao gồm dịch vụ nước biển, đường ống ngầm và dòng hóa chất giàu clorua, nơi thép không gỉ austenit tiêu chuẩn sẽ bị ăn mòn do ứng suất, nứt hoặc ăn mòn rỗ.

Cách chọn mặt bích phù hợp cho hệ thống đường ống của bạn

Lựa chọn mặt bích chính xác đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống nhiều tham số kết hợp thay vì tối ưu hóa cho bất kỳ tiêu chí đơn lẻ nào như chi phí hoặc tính sẵn có.

• Xác định chính xác các điều kiện dịch vụ: Thiết lập áp suất vận hành tối đa, nhiệt độ vận hành tối đa, thành phần chất lỏng bao gồm mọi thành phần ăn mòn và đặc tính tải trọng động hoặc tuần hoàn của dịch vụ trước khi chọn bất kỳ thành phần mặt bích nào.
• Chọn loại mặt bích dựa trên yêu cầu kết cấu: Sử dụng mặt bích cổ hàn cho tất cả các đường dây dịch vụ áp suất cao, nhiệt độ cao, tuần hoàn hoặc nguy hiểm. Chỉ sử dụng mặt bích trượt trong tiện ích hoặc dịch vụ có mức độ quan trọng thấp khi việc giảm chi phí là hợp lý và tính toàn vẹn cấu trúc thấp hơn được chấp nhận trong phạm vi mã hiện hành.
• Xác định cấp áp suất từ bảng xếp hạng P-T: Tra cứu mức áp suất-nhiệt độ cho vật liệu đã chọn trong ASME B16.5 hoặc EN 1092-1 ở nhiệt độ sử dụng thực tế, không phải nhiệt độ môi trường. Áp dụng hệ số an toàn thích hợp theo yêu cầu của quy chuẩn thiết kế hiện hành.
• Phù hợp với loại mặt với thiết bị lựa chọn và kết nối miếng đệm: Sử dụng mặt nâng lên với vòng đệm xoắn ốc hoặc vòng đệm cho dịch vụ quy trình chung. Sử dụng mặt phẳng khi tiếp xúc với thiết bị có mặt bích bằng gang hoặc phi kim loại. Sử dụng RTJ cho dịch vụ áp suất cao hoặc chua, nơi cần phải hàn kín kim loại với kim loại.
• Xác minh khả năng tương thích vật liệu: Xác nhận rằng vật liệu mặt bích tương thích với cả chất lỏng xử lý - xem xét sự ăn mòn, xói mòn và nứt ăn mòn do ứng suất - và môi trường bên ngoài, bao gồm cả lớp cách nhiệt dưới nguy cơ ăn mòn lớp phủ và khả năng tương thích bảo vệ ca-tốt cho dịch vụ chôn dưới nước hoặc ngập nước.

Kết luận

Mặt bích cho hệ thống đường ống bao gồm nhiều quyết định kỹ thuật hơn nhiều so với vai trò dường như đơn giản của chúng như các đầu nối ống có thể gợi ý. Sự lựa chọn giữa cổ mối hàn, mối hàn trượt, mối hàn ổ cắm, mối hàn ren, mối nối mù, mối nối chồng hoặc mặt bích lỗ xác định tính toàn vẹn về cấu trúc của mối nối, tính dễ lắp đặt và bảo trì cũng như sự phù hợp của kết nối đối với môi trường dịch vụ cụ thể. Kết hợp với loại bề mặt chính xác cho miếng đệm và thiết bị kết nối, cấp áp suất thích hợp cho nhiệt độ vận hành và thông số kỹ thuật vật liệu phù hợp với chất lỏng xử lý và điều kiện môi trường, việc lựa chọn mặt bích phù hợp sẽ đảm bảo hệ thống đường ống hoạt động an toàn và đáng tin cậy trong suốt vòng đời thiết kế của nó mà không phải chịu gánh nặng bảo trì hoặc rủi ro hỏng hóc không cần thiết.