Affidabilità delle flange in titanio in servizio ad alta temperatura

Affidabilità delle flange in titanio in servizio ad alta temperatura

Il calore modifica quattro aspetti di un giunto imbullonato, e solo uno di essi è la resistenza della flangia. Le parti si espandono, il bullone si allenta, la guarnizione si assesta e il tubo spinge sull'ugello. Il titanio si comporta diversamente dall'acciaio in tutti e quattro i casi, e per lo più a suo favore: si espande meno, mantiene la sua resistenza fino a circa 400 gradi e la sua bassa conducibilità rallenta il calore che raggiunge la guarnizione. Questa pagina illustra questi quattro effetti con numeri e i dettagli di progettazione che mantengono stretto un giunto ad alta temperatura.

Dati flangia

Comportamento termico a confronto

Espansione, micrometri per m K8.612.0Crescita di 1 m a un aumento di 200 K1.72 mm2.40 mmModulo elastico, GPa110207Stress termico vincolato a 200 Kcirca 189 MPacirca 497 MPaConducibilità termica, W per m Kcirca 22circa 50Limite di resistenza utilecirca 300 Ccirca 400 C con acciaio legato

Lo stress vincolato è il numero da ricordare. Se un tratto di tubo in titanio è bloccato tra due ancoraggi e riscaldato di 200 Kelvin, lo stress elastico che si accumulerebbe se non potesse espandersi è di circa 189 MPa, che una flangia Gr2 può sopportare a temperatura. Lo stesso tratto di tubo in acciaio al carbonio accumulerebbe circa 497 MPa, ben oltre il suo limite di snervamento, motivo per cui le tubazioni in acciaio necessitano di anelli di dilatazione e quelle in titanio spesso no. Il corollario è che una linea in titanio si muove meno ma esercita una pressione maggiore per grado del previsto se è vincolata, quindi i carichi degli ancoraggi vengono comunque calcolati piuttosto che assunti.

L'allentamento del bullone è il vero rischio

A temperatura il bullone si deforma e la guarnizione si comprime, e il giunto perde il precarico senza che appaia alcuna perdita finché il carico non scende al di sotto del requisito di tenuta. Due dettagli lo controllano: un materiale del bullone con un'espansione simile a quella della flangia, in modo che la differenza non intacchi il precarico, e una molla a tazza o un set di rondelle Belleville sotto il dado, che immagazzina corsa e mantiene il carico mentre la guarnizione si assesta. Un ritensionamento a caldo dopo il primo ciclo di riscaldamento è una pratica normale su una linea ad alta temperatura, e la coppia viene presa dal produttore della guarnizione per la temperatura operativa, non dal foglio di assemblaggio a freddo.

Guarnizioni a temperatura

Il PTFE è fuori gioco sopra i 200 gradi circa, e la scelta diventa grafite o una guarnizione avvolta a spirale con riempimento in grafite. La grafite tollera la temperatura e i cicli termici ma richiede uno stress di tenuta maggiore, che il bullone deve essere in grado di fornire, e deve essere tenuta lontana da forti ossidanti. Un giunto ad anello viene utilizzato dove il ciclo è severo e la classe è alta, perché un anello metallico non si assesta come una guarnizione morbida. Qualunque sia la scelta, la temperatura della guarnizione è la temperatura della faccia della flangia, non del fluido di processo, ed è per questo che a volte viene specificato l'isolamento della flangia stessa.

Isolamento, punti freddi e temperatura al tatto

Il titanio conduce il calore a circa metà della velocità dell'acciaio al carbonio, quindi una flangia in titanio calda scorre più fredda al suo bordo esterno rispetto a una in acciaio e perde meno energia, il che è un vantaggio finché la stessa proprietà crea un punto freddo su una linea che deve rimanere al di sopra di una temperatura di idrato o di cristallizzazione. Scatole isolanti rimovibili vengono utilizzate per entrambi i motivi, e su una linea in titanio proteggono anche il lato personale: la bassa conducibilità significa che la superficie esterna di una flangia non isolata rimane calda più a lungo dopo lo spegnimento del previsto.

Dove vengono utilizzate le flange in titanio ad alta temperatura

I servizi tipici sono vapore surriscaldato e condensa, acqua calda di processo, circuiti di olio termovettore, condotti di essiccatori e forni, scarichi di turbine e sistemi di flash nella desalinizzazione, e il lato caldo dei reattori chimici. In ogni caso il titanio viene scelto perché il fluido è clorurato, acido o salino oltre che caldo, che è la combinazione che esclude l'acciaio inossidabile. Sopra i 400 gradi circa la scelta si sposta su Gr5 o si allontana del tutto dal titanio, perché il film di ossido cresce troppo velocemente e il metallo inizia ad assorbire ossigeno.

Ordinare una flangia ad alta temperatura

Ordinare per standard, pressione, dimensione, faccia, tipo, grado e foro, ad esempio DN 100, PN 16, EN 1092-1 tipo 11, Gr2, faccia rialzata, foro per corrispondere a tubo da 114.3 x 3.6 mm, testato UT, guarnizione in grafite fornita sfusa. Indicare la temperatura di progetto e il numero di cicli, perché decidono il grado, la guarnizione e se sono necessarie molle a tazza, e indicare se la flangia sarà isolata, perché ciò modifica la finitura e la marcatura. Per una linea che sarà analizzata per lo stress, richiedere il certificato con la chimica effettiva, poiché l'espansione e il modulo utilizzati nel modello provengono dal calore, non dallo standard.

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