エンジニアと調達スペシャリストは、仕様を指定する際に重要な決定を迫られます。 炭素鋼フランジ 産業用配管システム用。これらの機械コンポーネントは、圧力の完全性を維持し、メンテナンスへのアクセスを可能にしながら、パイプ、バルブ、ポンプ、および機器を接続します。材料の仕様、寸法規格、圧力温度定格を理解することで、石油とガス、石油化学、発電、水処理の用途にわたって、安全で準拠したシステム設計が保証されます。
炭素鋼フランジの基礎を理解する
炭素鋼フランジ 配管インフラストラクチャの接続ポイントとして機能し、粒子構造の整列と機械的強度を実現するために主に鍛造プロセスを通じて製造されます。材料組成には通常、最大 0.35% の炭素含有量、強度向上のためのマンガン、および脱酸のための制御されたシリコン レベルが含まれています。これらのフランジは、公称直径 15 mm (1/2 インチ) から大口径用途の 2000 mm (80 インチ) までのパイプ サイズに対応します。
製造プロセスでは、炭素鋼ビレットを鍛造温度まで加熱し、機械的圧力下で成形して必要な形状を実現します。その後の機械加工操作により、シール面、ボルト穴、ハブの構成が作成されます。熱処理 (焼きならし、焼き入れと焼き戻し、またはアニーリング) により、特定の使用条件に合わせて機械的特性が最適化されます。
材質仕様とグレード
材料の選択は、極端な圧力と温度下でのフランジの性能に直接影響します。最も一般的な仕様は、 炭素鋼フランジ ASTM A105 は、常温および高温で使用する鍛造炭素鋼配管部品を対象としています。この仕様により、最小引張強度 485 MPa (70 ksi) と降伏強度 250 MPa (36 ksi)、最小伸び 22% が保証されます。
次の表は、一般的な炭素鋼フランジの材質とその使用特性を比較しています。
ASTM A105 炭素鋼フランジ この材料は、一般的な配管用途の業界標準を表しています。この仕様では、特定のブラインド フランジ構成について ASTM A216 グレード WCB と同等の鋳造が許可されています。最大 0.35% の炭素含有量により、クラス 2500 までの圧力クラスに十分な強度を維持しながら、優れた機械加工性と溶接性を実現します。 この材料は、約 1420°C (2590°F) の融点と 137 ～ 187 HBW のブリネル硬度を示します。これらの特性により、ボルト接続に適切な耐摩耗性を提供しながら、標準的な切断、穴あけ、溶接作業との互換性が保証されます。 -29°C 未満の用途では、脆性破壊を防ぐために ASTM A350 LF2 材料が必要です。この仕様では、ノッチ靱性を検証するために、指定された温度での衝撃試験を義務付けています。クラス 1 は標準的な低温機能を提供し、クラス 2 は厳しい極低温サービス向けに強化された特性を提供します。 ASTM A105 フランジは、特定の条件下を除いて熱処理を必要としません。クラス 300 以上のフランジ、圧力または温度パラメータが不明な特殊設計のフランジ、またはクラス 300 以上で 4 インチ NPS を超えるフランジ。必要な場合、熱処理オプションには、指定された機械的特性を達成するための焼きなまし、非正規化正規化と焼き戻し、または焼き入れと焼き戻しが含まれます。 フランジの形状の選択は、配管システムの要件、圧力クラス、およびメンテナンスの考慮事項によって異なります。各タイプは、高圧溶接ネック構成から経済的なスリップオン設計に至るまで、特定の用途に明確な利点をもたらします [^74^]。 次の比較表は、主なフランジ タイプの特徴をまとめたものです。 炭素鋼溶接ネックフランジ この構成は、要求の厳しいアプリケーションに最高の構造的完全性を提供します。テーパー状のハブ設計はパイプの壁の厚さに一致し、応力を段階的に分散し、鋭い不連続性を排除します。突合せ溶接により、素管と同等の強度を持つ完全溶け込み継手を実現します。これらのフランジは、信頼性が最優先される重要なプロセス配管、高圧蒸気システム、炭化水素サービスを支配します。 スリップオン フランジはピットの外径上をスライドし、フランジの内側と外側の両方の面で隅肉溶接で固定されます。この設計により、位置合わせが簡素化され、設置時間が短縮され、一般的な産業および水道用途においてコスト効率が高くなります。ただし、二重溶接の要件と溶接ネック設計と比較して疲労耐性が低いため、周期的な使用や激しい圧力変動への適合性が制限されます[^74^]。 ブラインド フランジは、配管終端、容器ノズル、および隔離ポイントの固体クロージャとして機能します。中心穴のないこれらのディスク形状のコンポーネントは、システムの全圧力に耐え、静水圧試験を容易にします。隆起面またはリングタイプのジョイント構成により、ガスケットが適切に装着されます。ブラインド フランジは、将来のライン延長やメンテナンス アクセスのために簡単に取り外すことができます。 ソケット溶接フランジは、パイプ挿入を受け入れる内部ソケットを介して、より小さい直径のパイプ (通常は NPS 2 以下) に対応します。ハブ外径のすみ肉溶接により、高圧の小口径用途に適した耐圧接合が作成されます。ねじ付きフランジは非溶接接続用の NPT 雌ねじを備えており、通常、溶接により発火の危険がある危険な場所で指定されます。 高圧炭化水素処理では、構造的完全性を確保するための溶接ネック構成が必要です。水処理システムと HVAC システムには、経済性を考慮してスリップオン フランジが使用されています。メンテナンスが集中する作業には、交換可能なスタブ端を備えた重ねジョイント フランジの恩恵が受けられます。仕様エンジニアは、フランジ タイプを選択する際に、圧力サイクル、温度過渡現象、および検査要件を評価する必要があります。 グローバルフランジ規格により、国際プロジェクト間での互換性とコンプライアンスが保証されます。 2 つの主要なシステムは、北米市場向けの ASME/ANSI B16.5 と欧州アプリケーション向けの EN 1092-1/DIN です。 次の表は、主要な寸法規格を比較したものです。 ANSI B16.5 フランジ寸法 最も広く指定されているフランジ ジオメトリをグローバルに定義します。この規格は、圧力クラス 150 ～ 2500 にわたる公称パイプ サイズ 1/2 インチから 24 インチまでのサイズをカバーしています。各クラスの指定は、外径、ボルト円直径、ボルトの数、およびフランジの厚さの特定の組み合わせを表します。 主要な寸法パラメータには次のものがあります。 ヨーロッパの規格では、クラス評価ではなく (圧力公称) 指定が使用されます。 PN16 炭素鋼フランジ 仕様は、ANSI クラス 150 とほぼ同等の最も一般的なヨーロッパの圧力クラスを表します。EN 1092-1 規格は、以前の DIN、NF、および BS 規格を統一されたヨーロッパ規格に統合します。 EN 1092-1 に基づくタイプ指定には次のものが含まれます。 PN とクラス システム間の直接の等価性は概算ですが、次の関係が仕様の指針となります。PN6 はクラス 75、PN10/16 はクラス 150、PN25/40 はクラス 300、PN63 はクラス 600、PN100 はクラス 900 に対応します。エンジニアは、公称同等性に依存するのではなく、正確な圧力温度定格を検証する必要があります。 圧力クラス定格は、基準温度での最大許容使用圧力を定義し、使用条件が上昇した場合には定格を下げる必要があります。これらの定格により、機械的負荷と熱負荷を組み合わせた場合でもフランジの完全性が保証されます。 次の表は、ASTM A105 炭素鋼フランジの圧力と温度の定格を示しています。 炭素鋼フランジ圧力定格 選択には、最大動作圧力と温度の分析が必要です。クラス 150 は、周囲条件で最大 285 psig までの低圧水システムおよび一般産業用配管に適しています。クラス 300 は、プロセス配管および圧縮空気用に 740 psig までの中圧に対応します。高圧炭化水素サービスにはクラス 600 (1480 psig) 以上が必要です。反応器ノズルを含む超高圧用途は、クラス 1500 または 2500 を指定します。 使用温度が上昇すると許容圧力は大幅に低下します。 800°F (427°C) では、クラス 300 ASTM A105 フランジは周囲圧力定格の 55% しか保持しません。このディレーティングは、高温での材料の降伏強度の低下を反映しています。システム設計者は、公称クラス定格ではなく、実際の動作条件に基づいてフランジを指定する必要があります。 ASME B16.5 では、材料を特定の圧力温度表を使用してグループに分類しています。 ASTM A10,5 を含む炭素鋼は、材料グループ 1.1 に分類されます。低合金鋼はグループ 1.2 ～ 1.18 を占め、ステンレス鋼はグループ 2.1 ～ 2.12 を占めます。各グループは、特定の評価表を必要とする異なる強度と温度の関係を示します。 適切なフランジ仕様には、設計圧力、設計温度、パイプ材質、および外部荷重を決定する必要があります。設計圧力は、適切な安全マージンを持って最大動作圧力を超える必要があります。温度に関する考慮事項には、連続動作と、起動時または異常時のシナリオの過渡状態の両方が含まれます。腐食許容値により、標準寸法よりも厚いフランジが必要になる場合があります。 シール面の構成は、ガスケットの選択と圧力能力に影響します。レイズド フェイス (RF) は一般サービス向けの標準構成で、2 ～ 7mm の盛り上がった座面を提供します。フラットフェイス（FF）は、全面ガスケットを使用した低圧用途に適しています。リングタイプ ジョイント (RTJ) は、従来のガスケットでは破損する高圧高温環境下で金属リング ガスケットに精密加工された溝を採用しています。 適切なボルト締め手順により、フランジ接合部の完全性が保証されます。 ASME PCC-1 ガイドラインでは、ボルト締め順序、トルク値、および増し締め手順が指定されています。ガスケットの選択は、フランジ面の仕上げ、圧力クラス、およびプロセス流体の適合性と一致する必要があります。スパイラル巻きガスケットはほとんどの産業用途の RF フランジに適していますが、RTJ 溝には適合する楕円形または八角形のリング ガスケットが必要です 品質検証には、ASME B16.5 に準拠した寸法検査、ASTM 仕様に準拠した材料認証、重要な用途の非破壊検査が含まれます。設計圧力の 1.5 倍での静水圧試験により、システムの完全性が検証されます。文書パッケージには、EN 10204 3.1 または 3.2 に基づく材料試験証明書 (MTC)、熱処理記録、NDE レポートが含まれている必要があります。 ASTM A105N は正規化されていない熱処理を示しますが、標準 A105 は鍛造されたままの状態で供給される場合があります。正規化により結晶粒構造が微細化され、機械的特性の均一性が向上し、靭性が向上します。 A105N は、クラス 300 以上のフランジ、特殊設計のフランジ、またはクラス 300 以上の 4 インチ NPS を超えるフランジに必要です。 「N」指定はコンポーネント全体で一貫した特性を保証し、温度サイクルや衝撃荷重を伴う用途に推奨されます。 ANSI B16.5 フランジと EN 1092-1 フランジ間の直接的な寸法互換性は制限されています。 PN16 はクラス 150 に近似し、PN40 はクラス 300 に近似しますが、ボルトの円の直径、ボルトのサイズ、フランジの厚さが異なります。同等の圧力定格であっても、クラス 150 フランジを PN16 フランジにボルト締めすることはできません。混合規格を必要とするプロジェクトでは、移行フランジまたは完全なシステムの標準化を指定する必要があります。 新規建設の場合、北米および世界の石油/ガス プロジェクトでは ANSI B16.5 が主流ですが、ヨーロッパの水処理および一般産業用途では EN 1092-1 が主流です。 300°C (572°F) では、ASTM A105 フランジには周囲定格からの大幅なディレーティングが必要です。クラス 150 は、この温度で約 140 psig (9.7 bar) と評価されていますが、これは 20 bar のサービスには不十分です。クラス 300 は 300°C で約 550 psig (38 bar) の能力を維持し、適切な安全係数を備えた 20 bar の動作圧力に対して適切なマージンを提供します。隆起面とスパイラル巻きガスケットを備えたクラス 300 溶接ネック フランジが最小仕様を表します。重要な蒸気サービスの場合は、圧力過渡現象や長期のクリープ効果に対する追加のマージンを得るためにクラス 600 を検討してください。 ウェルドネック フランジは、高圧、高温、または周期的なサービス用途には必須です。テーパーハブはパイプ自体と同等の応力分散を提供し、スリップオン設計に特有の応力集中を排除します。クラス 600 以上、10 bar 以上の蒸気システム、圧力サイクルを伴う炭化水素サービス、および耐疲労性を必要とするあらゆる用途の溶接ネックを指定します。スリップオン フランジは、一般的な水道サービス、低圧空気システム、および疲労の懸念よりも設置の経済性が優先される用途に適しています。溶接ネック フランジの突合せ溶接接合により、完全な X 線検査も可能になりますが、スリップオンすみ肉溶接では限られた NDE オプションが提供されます。
材質仕様 ASTM規格 引張強さ 降伏強さ 温度範囲 主な用途 A105 ASTM A105 ≧485MPa ≧250MPa -29℃～425℃ 一般産業用、石油・ガス用 A105N (N正規化済み) ASTM A105 ≧485MPa ≧250MPa -29℃～425℃ 粒子構造の改善 A350 LF2 クラス 1 ASTM A350 ≧485MPa -46℃～343℃ 低温サービス A350 LF2 クラス2 ASTM A350 ≧485MPa ≧260MPa -46℃～343℃ 極低温用途 A694 F52-F70 ASTM A694 ≧455～585MPa ≧360～485MPa -29℃～260℃ 高出力トランスミッション ASTM A105 鍛造炭素鋼
ASTM A350 LF2 低温
熱処理要件
フランジの種類と設計構成
フランジタイプ 接続方法 圧力能力 耐疲労性 インストールの複雑さ 主な用途 ウェルドネック 突合せ溶接 クラス150～2500 素晴らしい 高（溶接が必要） 重要なプロセス、高圧 スリッポン すみ肉溶接（内側/外側） クラス150～2500 中等度 低い（位置合わせが容易） 一般サービス、水道工事 盲目 ボルト固定のみ クラス150～2500 該当なし (閉鎖) 低い 回線終端、絶縁 ソケットウェルド ソケットすみ肉溶接 クラス150～1500 良い 中等度 小径、高圧 ネジ付き NPT接続 クラス150-600 限定 低い (no welding) 非溶接用途 ラップジョイント 突合せ溶接 (stub end) クラス150～2500 中等度 中等度 頻繁な解体が必要 ウェルドネックフランジ
スリップオン フランジ
ブラインドフランジ
ソケット溶接およびねじ付きフランジ
アプリケーションマッチング
寸法規格と分類
標準 サイズ範囲 圧力指定 フランジタイプs Covered 地理的な蔓延 ASME B16.5 NPS 1/2インチ～24インチ クラス150～2500 ウェストノース、ソ、ブリリアント、サウスウェールズ、TH、ルイジアナ州 北米、世界の石油/ガス ASME B16.47 NPS 26 インチ～60 インチ クラス75-900 ウィスコンシン州、ブリティッシュコロンビア州 大口径パイプライン EN 1092-1 DN 10 ～ DN 4000 PN 2.5 ～ PN 400 タイプ01、02、05、11、12、13 ヨーロッパ、国際プロジェクト DIN 2631-2638 DN 10 ～ DN 4000 PN 6 ～ PN 100 ウェルディングネック、スリッポン、ブラインド ドイツ、レガシー システム JIS B2220 10A～1500A 5K、10K、16K、20K、30K、40K SO、BL、WN 日本、アジア太平洋 ASME/ANSI B16.5 規格
EN 1092-1 および DIN 規格
PN と同等のクラス評価
圧力と温度の定格
ASMEクラス 100°F (psig) での圧力 400°F (psig) での圧力 800°F (psig) での圧力 最高温度 150 285 200 80 538℃ 300 740 635 410 538℃ 400 985 845 550 538℃ 600 1480 1265 825 538℃ 900 2220 1900 1235 538℃ 1500 3705 3170 2055 538℃ 2500 6170 5280 3430 538℃ クラス 150 ～ クラス 2500 の定格
温度ディレーティング係数
材料グループの分類
B2B調達の選定方法
システム要件の計算
フェイスタイプ選択（RF、FF、RTJ）
設置と品質に関する考慮事項
ボルト締めとガスケットの要件
検査および試験基準
よくある質問
ASTM A105とA105Nの違いは何ですか 炭素鋼フランジ ?
間で変換するにはどうすればよいですか ANSI B16.5 フランジ寸法 DIN/EN規格は？
何 炭素鋼フランジ圧力定格 300°C で 20 bar の蒸気サービスが必要ですか?
いつ指定すればよいですか 炭素鋼溶接ネックフランジ 対スリップオンフランジ?
参考文献
Previous
