Kołnierze ze stali węglowej: rodzaje, zastosowania i przewodnik po materiałach

Kołnierz to płaski element mechaniczny w kształcie dysku z otworami na śruby na całym obwodzie. Jest przyspawany, gwintowany lub wsuwany na koniec rury, zaworu, pompy lub dyszy urządzenia, a następnie skręcany twarzą w twarz z pasującym kołnierzem – zwykle z umieszczoną pomiędzy nimi uszczelką – w celu utworzenia uszczelnionego, odpornego na ciśnienie złącza.

Kołnierze spełniają cztery podstawowe funkcje w każdym systemie rurociągów:

• Łączenie odcinków rur bez stałego spawania, umożliwiający demontaż w celu sprawdzenia lub wymiany
• Podłączanie rur do zaworów, pomp i instrumentów w punktach przejściowych
• Uszczelnienie przed wyciekami pod wysokim ciśnieniem i temperaturą poprzez ściskanie uszczelek śrubowych
• Zapewnienie punktów dostępowych do konserwacji, czyszczenia lub modyfikacji rurociągów

Najpopularniejsze typy kołnierzy ze względu na geometrię to: z szyjką spawaną (WN), wsuwaną (SO), ze spoiną gniazdową (SW), zaślepką, złączem zakładkowym i gwintowanym. Każdy typ jest zaprojektowany pod kątem określonych ciśnień znamionowych, rozmiarów rur i wymagań instalacyjnych określonych w normach, takich jak ASME B16.5, ASME B16.47 i EN 1092-1.

Kołnierze ze stali węglowej are specified wherever a piping system requires high mechanical strength without the premium cost of corrosion-resistant alloys. Their operating range typically covers temperatures from -29 degrees C to 425 degrees C and pressure classes from 150 to 2500 LB under ASME B16.5.

Tylko w przypadku ropy i gazu stal węglowa stanowi ponad 70% wszystkich kołnierzy stosowanych w systemach rurociągów lądowych – wynika z badań zamówień branżowych. Kombinacja ASTM A105 (kuta) i ASTM A234 WPB (gatunek armatury) pozostaje najczęściej określanym oznaczeniem materiału ze stali węglowej na świecie.

Zawartość węgla — wyrażona w procentach wagowych — jest zmienną definiującą parametry użytkowe stali węglowej. Kołnierze nie są wykonane z jednego gatunku; Właściwy poziom węgla zależy od wymagań mechanicznych i wymaganej metody produkcji.

ASTM A105, dominujący materiał kołnierzy z kutej stali węglowej, mieści się w zakresie średniego węgla o maksymalnej zawartości węgla 0,35% i minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 485 MPa. Ta równowaga między wytrzymałością a spawalnością jest właśnie powodem, dla którego dominuje w zamówieniach kołnierzy klasy ciśnieniowej od klasy 150 do klasy 2500.

Gatunki o niskiej zawartości węgla, takie jak ASTM A516 Gr.70, są preferowane tam, gdzie częste jest spawanie i należy zminimalizować obróbkę cieplną po spawaniu – co jest powszechne w przypadku połączeń kołnierzowych zbiorników ciśnieniowych i zbiorników magazynujących. Stal wysokowęglowa jest praktycznie nieobecna w standardowych specyfikacjach kołnierzy ze względu na jej kruchość pod obciążeniem udarowym i wysoką podatność na pękanie w strefie wpływu ciepła podczas spawania.

Kołnierze ze stali stopowej zawierają dodatkowe pierwiastki stopowe — chrom, molibden, wanad, nikiel — poza podstawowym składem żelazo-węgiel. Te dodatki nie są kosmetyczne; odblokowują zakresy wydajności, do których stal węglowa nie jest w stanie dotrzeć.

Praktyczna zasada w zamówieniach inżynieryjnych: stosować kołnierze ze stali węglowej do 425 stopni C i klasy 2500; określać stal stopową tylko wtedy, gdy wymaga tego temperatura lub chemia procesu. Zastąpienie stali stopowej tam, gdzie wystarczająca jest stal węglowa, zwiększa koszty bez korzyści inżynieryjnych i komplikuje proces kwalifikacji technologii spawania.

Jest to temat, o którym najczęściej dyskutują inżynierowie porównawczy i zespoły zakupowe. Kołnierze ze stali nierdzewnej charakteryzują się wyższą ceną od 3 do 5 razy w porównaniu z równoważnymi kołnierzami ze stali węglowej – co stanowi istotny czynnik kosztowy w przypadku dużych projektów. Zrozumienie, gdzie ta premia jest uzasadniona, zapobiega zarówno zawyżaniu specyfikacji, jak i kosztownym awariom.

Wybierz kołnierze ze stali węglowej gdy płyn procesowy nie jest korozyjny (węglowodory, suchy gaz, para wodna, woda obojętna), środowisko jest kontrolowane lub powlekane, a optymalizacja kosztów jest priorytetem projektu. Wybierz kołnierze ze stali nierdzewnej gdy w procesie wykorzystywane są kwasy, chlorki, woda morska, płyny spożywcze lub farmaceutyczne lub gdy nie da się uniknąć zewnętrznej korozji atmosferycznej, a dostęp do konserwacji jest ograniczony.

Częstym błędem inżynieryjnym jest stosowanie stali nierdzewnej do rurociągów zewnętrznych wychodzących na morze, w których sam płyn jest niekorozyjny — zewnętrzna izolacja z paroizolacją i kołnierzami ze stali węglowej zapewnia równoważną trwałość eksploatacyjną za ułamek kosztów.

Podczas określania kołnierze ze stali węglowej oznaczenie materiału w zamówieniu nie jest zamienne z opisem ogólnym. Każdy gatunek ASTM ma określone okno składu chemicznego, minimalne wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i dozwoloną metodę obróbki cieplnej.

• ASTM A105 — Kuta stal węglowa do pracy w temperaturze otoczenia do 425 stopni C. Najpopularniejszy gatunek do kołnierzy do spawania, kołnierzy nasuwanych, ślepych i gniazdowych. Minimalna plastyczność 250 MPa, minimalna wytrzymałość na rozciąganie 485 MPa.
• ASTM A350 LF2 — Niskotemperaturowa stal węglowa, poddana próbie udarności do -46 stopni C. Wymagana do zastosowań kriogenicznych i arktycznych.
• ASTM A694 F65/F70 — Wysokostopowa stal węglowa na kołnierze rurociągów. Stosowany w wysokociśnieniowych rurociągach przesyłowych, gdzie istotne jest zmniejszenie grubości ścianek.
• ASTM A181 kl.70 — Kuta stal węglowa ogólnego przeznaczenia do pracy przy niższym ciśnieniu i umiarkowanej temperaturze. Rzadziej określany niż A105 w nowoczesnych projektach.
• EN 1092-1 P250GH — Europejski odpowiednik kołnierzy ze stali węglowej do zbiorników ciśnieniowych, powszechny w europejskich projektach instalacji procesowych.