دنیای فلنجها؛ آشنایی با انواع Flange و کاربرد آنها در صنایع مختلف و پمپ آتشنشانی
گروه مهندسی آتراب به عنوان تولید کننده پمپ آتش نشانی و طراح و مجری پمپخانههای صنعتی و سیستمهای آتشنشانی، همواره بر انتخاب دقیق اجزای مکانیکی تأکید ویژه دارد. یکی از مهمترین اجرای سیستم لوله کشی، فلنج (Flange) است؛ قطعهای که در نگاه اول ساده به نظر میرسد اما نقش حیاتی در ایمنی، دوام و عملکرد صحیح خطوط لوله (پالایشگاهی، نیروگاهی، آتش نشانی و غیره) و همچنین پمپها دارد. در این مقاله، با نگاهی تخصصی به دنیای فلنجها، انواع آن، کلاسهای فشاری، دسته بندیهای مختلف و کاربردشان در صنایع مختلف میپردازیم.
فلنج چیست و چرا در طراحی سیستم های لوله کشی اهمیت دارد؟
فلنج (گاهی با تلفظ اشتباه ولی متداول فلنچ) یک اتصال مکانیکی و کاربردی است که برای متصل کردن لولهها، شیرآلات، پمپها و سایر تجهیزات در سیستمهای پایپینگ استفاده میشود. فلنجها امکان جداسازی، تعمیر و تعویض آسان قطعات را فراهم میکنند، بدون آنکه نیاز به برش یا جوش مجدد لوله باشد. فلنج های معمولاً به صورت جوشی یا رزوه ای به لوله یا تجهیز متصل شده و توسط پیچ و مهره به فلنج دیگر بسته می شوند. معمولاً اتصالات شیرآلات سایزهای بالا توسط فلنج انجام می شود.
تصویری از چند فلنج
انتخاب صحیح فلنج با توجه به ویژگی های سیستم لوله کشی، بسیار حائز اهمیت است. در صنایعی که کارکرد دائمی سیستم ها حیاتی است، نظیر نیروگاه ها، پالایشگاه ها و سیستم های پمپاژ آتش نشانی، انتخاب نادرست فلنج میتواند منجر به نشتی، شکست در اتصالات و حتی از کار افتادن کل سیستم شده و خسارات جبران ناپذیری به بار آورد.
استاندارد فلنج ها
طراحی، تولید و بهکارگیري فلنجها در صنایع مختلف بر اساس مجموعهای از استانداردهاي بینالمللی انجام میشود تا قابلیت اطمینان، یکپارچگی و ایمنی اتصالها تضمین گردد. شناختهشدهترین مرجع در این زمینه، استاندارد ASME B16.5 است که ابعاد، تلرانسها و ردههای فشاری فلنجها را براي سایزهای NPS از 2/1 اینچ تا 24 اینچ مشخص میکند. براي فلنجهای با قطر بزرگتر، از استاندارد ASME B16.47 استفاده می شود.
البته لازم به توضیح است این استاندارد مختص کشور امریکا بوده و گاهی اوقات نیز در سیستم های متریک استانداردهای EN 1092-1 و ISO 7005 به عنوان معادل های اروپایی استاندارد ASME مورد استفاده قرار می گیرند.
دسته بندی فلنج ها
فلنج ها معمولاً از چند منظر دسته بندی شده و به انواع مختلفی تقسیم می شوند. برخی از این دسته بندی ها مطابق ذیل است:
- سایز فلنج
- رده فلنج
- کلاس فشاری فلنج
- نوع و نحوه اتصال
- مشخصات ابعادی
- متریال و ساختار
- الگوی سوراخ ها
- روش تولید
در ادامه این مقاله می خواهیم هر کدام از دسته بندیهای فوق را با هم بررسی کنیم.
سایز فلنج (Flange Size)
منظور از سایز فلنج، مشابه سایز لوله ها، یک سایز نامی و مرسوم متناسب با لوله هم سایز خود است. مشابه سایز لوله ها در رده های مختلف، این سایز الزاماً به معنی قطر داخلی یا قطر خارجی نیست. اما با استفاده از جداول مشخصات فنی، می توان این اندازه ها (قطر قسمت عبور سیال، قطر خارجی گلویی، قطر خارجی کف فلنج و غیره) را به دست آورد. سایز فلنج ها در بازار ایران معمولاً بر حسب اینچ بیان می شود. یکی از پرسش هایی که در ساخت پمپ های آتش نشانی پیش می آید:
چه سایز فلنج هایی در ساخت پمپ آتش نشانی متداول است؟
در پاسخ می توان گفت در کلکتورهای پمپ های آتش نشانی معمولاً فلنج و فلنج های کور سایز 4 و 5 اینچ (و در پمپ های کوچکتر سایز 6 اینچ) مورد استفاده قرار می گیرند. در خطوط میانی پمپ های آتش نشانی کلاس S3 تولید داخل، معمولاً فلنج 4 اینچ کاربرد دارد. سایر سایز ها نیز با تناوب کمتر بسته به شرایط پروژه استفاده می شوند.
تصویر پمپ آتش نشانی با فلش های نمایش دهنده سایز فلنج
رده فلنج (Flange Schedule)
رده فلنج (همانند رده لوله ها) یک عدد مشخص و از پیش تعیین شده برای مشخص کردن مقدار ضخامت دیواره فلنج (اصطلاحاً گوشت دیواره) و به تناسب آن قطر داخلی فلنج است. رده فلنج باید هم اندازه با رده لوله ای باشد که قرار است به فلنج متصل شود. در اکثرا انواع فلنج، رده فاقد کاربرد بوده و معمولاً در فلنج های گلودار و ساکت ولد مورد استفاده قرار می گیرد. رده فلنج با SCH مشخص می شود. حال ممکن است چند سوال در این زمینه پیش بیاد:
آیا رده فلنج همان کلاس فلنج است؟
در پاسخ به این سوال باید گفت که خیر، رده و کلاس فلنج با هم تفاوت داشته و این یکی از اشتباهات مرسوم مهندسین است. کلاس فلنج به میزان تحمل فشار آن بستگی داشته در حالی که رده فلنج صرفاً به ضخامت دیواره مرتبط است.
ممکن است در یک کلاس مشخص و ثابت، رده های مختلفی وجود داشته باشند؟
حتماً. رده فلنج، ضخامت قسمت اتصال به لوله بوده و باید با توجه به لوله استفاده شده در آن سیستم لوله کشی انتخاب شود. چنانچه رده لوله و فلنج همخوانی نداشته باشند، مشکلات نا ترازی در جوشکاری و نحوه اتصال آنها و نتیجتاً افزایش احتمال نشتی و شکستگی، ایجاد خواهد شد.
کلاس فلنج (Flange Pressure Class)
کلاس فلنج، میزان تحمل فشار فلنج را در دمای مشخص، نشان می دهد. عدد کلاس، مشخص کننده میزان فشار قابل تحمل (مثلاً در واحد psi) نبوده و باید جهت اطلاع از ویژگی های دقیق به استانداردها و جداول فنی فلنج ها مراجعه نمود.
کلاس های مرسوم فلنج عبارتند از 75، 150، 300، 600، 900، 1500 و 2500. هر چه کلاس فلنج بالاتر باشد، ضخامت قسمت کف فلنج بیشتر بوده و در نتیجه تحمل فشار آن نیز بیشتر خواهد بود. ممکن است. بسته به صنعت و کاربرد، مثلاً استانداردهای API، کلاس های بالاتر نظیر 5000 و 10000 نیز وجود داشته باشد.
نکته: هر چه دمای سیالی که در شبکه لوله کشی وجود دارد بالاتر باشد، در یک کلاس ثابت، فشار قابل تحمل فلنج کاهش میابد. در پمپ های آتش نشانی که فشار آنها معمولاً پایین تر از 200 psi بوده و سیال آنها دارای دمای کمتر از 30 درجه سانتیگراد (کمتر از 100 درجه فارنهایت) می باشد، استفاده از فلنج کلاس 150 کفایت می کند.
جدول ذیل حداکثر فشارهای قابل تحمل توسط فلنج در کلاس ها و دماهای مختلف را نشان می دهد.
جدول فشار و کلاس فلنج
نوع و نحوه اتصال فلنج
همان طول که مشخص است، فلنج ها از دو سمت خود اتصال برقرار می کنند. از یک سمت به لوله و از سمت دیگر به فلنج مشابه خود در شبکه لوله کشی یا به فلنج تجهیزات.
عکس فلنج و اتصال دو سمت
در استانداردهای صنعتی مانند ASME B16.5، فلنجها بر اساس نوع اتصال به هم یا به تجهیزات دیگر، نحوه آب بندی و کاربرد به چند گروه اصلی تقسیم میشوند. در ادامه، پرکاربردترین انواع فلنج را بررسی میکنیم:
انواع فلنج از منظر اتصال به لوله:
فلنج گلودار جوشی (Weld Neck Flange)
- اتصال به لوله از طریق فرآیند جوشکاری انجام می شود.
- اصولاً برای کاربرد در فشار و دمای بالا طراحی شده است.
- دارای مشخصه رده (ضخامت لبه دیواره) جهت تطبیق با لوله متصل شونده است.
- به منظور سهولت و ارتقای کیفیت جوش، لبه گلویی شیبدار (کونیک) است.
- گلویی بلند باعث توزیع یکنواخت تنش بین لوله و فلنج میشود.
- از سایز 2/1 تا 24 اینچ بر اساس استاندارد ASME-B16.5 و از سایز 26 تا 60 اینچ بر اساس استاندارد ASME-B16.47 ساخته می شود.
- معمولاً در بوسترپمپهای آتش نشانی این نوع فلنج در کلاس 150 (یا به ندرت 300) مورد استفاده قرار می گیرد.
تصویر فلنج گلودار
فلنج گلو بلند جوشی (Long Weld Neck Flange)
- برای فشار و دماهای بالا مناسب است.
- اتصال توسط جوشکاری انجام می شود.
- آلیاژ ساخت این فلنج بسیار متنوع میتواند باشد (نظیر فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ).
تصویر فلنج گلو بلند
فلنج دنده ای یا رزوه ای (Threaded Flange)
- بدون نیاز به جوشکاری، مخصوص لولههای کوچک و خطوط کمفشار
- اتصال از طریق رزوه (لوله باید حدیده شده باشد)
- مناسب محیطهایی که جوشکاری خطرناک یا غیرمجاز است
- معمولاً در سیستمهای موقت یا تست پمپها استفاده میشود
به عنوان مثال در برخی از پمپ های کلاس S1 که سایز خطوط پایین است، اتصالات خطوط پمپ به صورت رزوه ای کار شده و در نهایت از طریق فلنج دنده ای، به پمپ متصل می شوند.
تصویر فلنج دنده ای
فلنج ساکت ولد (Socket Weld Flange)
- مخصوص سایزهای کوچک (تا ۲ اینچ) و فشارهای بالا
- گزینهای عالی برای خطوط با ارتعاش بالا در پمپهای صنعتی
- قسمت اتصال به لوله دارای یک پله بوده که لوله به صورت سوکتی داخل آن فرو رفته و سپس جوشکاری انجام می شود و بدین ترتیب آب بندی و استحکام بیشتری را ایجاد می کند.
تصویر فلنج ساکت
فلنج لپ جوینت (Lap Joint Flange)
- متشکل از دو بخش Stub End و Backing Flange
- امکان چرخش آزاد فلنج حول انتهای Stub End و تنظیم ساده سوراخ ها
- فلنج با سیال در تماس نبوده و برای صنایع غذایی، دارویی و تاسیسات حساس کاربرد دارد
- مناسب سیستمهایی که نیاز به جداسازی مکرر دارند
تصویر لپ جوینت
فلنج کور (Blind Flange)
- یک صفحه گرد بسته به شکل دیسک دارای سوراخ های متناظر با فلنج ها
- برای بستن انتهای خط لوله یا ساخت کلکتور (مثلا کلکتور پمپ آتش نشانی) استفاده میشود
- در زمان تست فشار سیستم (Hydrostatic Test) کاربرد فراوان دارد
- در ابعاد و کلاس های فشاری متنوع تولید می شود.
تصویر فلنج کور
انواع فلنج در منظر اتصال به یکدیگر:
فلنج رینگی (RTJ Flange)
- دارای فرورفتگی در سطح به منظور استفاده از رینگ فلزی بین دو فلنج
- رینگ فلزی پس از سفت شدن فلنج ها توسط پیچ و مهره، تغییر شکل داده و مشابه شیار می شود.
- جهت آب بندی فلز به فلز و حذف گسکت های لاستیکی آسیب پذیر در دماهای بالا
- کاربرد در دما و فشارهای بالا (مثلاً کلاس 600 و بالاتر و دماهای بیش از 400 درجه سانتیگراد)
در زمان اتصال این نوع
تصویر فلنج رینگی
فلنج با سطح برآمده (Raised Face Flange)
- با علامت اختصاری RF نیز مشخص می شود.
- دارای یک برآمدگی دایره ای شکل روی قسمت پیشانی فلنج (قسمت جفت شده در مقابل فلنج روبرویی) جهت قرارگیری گسکت (واشر آب بندی) هستند.
- توزیع فشار بهینه در قسمت واشر به منظور آب بندی بهتر و مطلوب تر.
معمولاً توصیه می شود در پمپ های آتش نشانی کلاس S3 که فشار بالاتری دارند، از این مدل فلنج به همراه گسکت با کیفیت استفاده شود.
تصویر فلنج با سطح برآمده
فلنج با سطح صاف (Flat Face Flange)
- با علامت اختصاری FF نیز مشخص می شود.
- معمولاً در فشارهای پایین تر کاربرد داشته و سطح پیشانی آنها کاملاً صاف است.
- در زمان اتصال این نوع فلنج، به منظور جلوگیری از فشار نامتوازن به سطوح فلنج، فلنج مقابل نیز باید فاقد سطح برجسته باشد.
تصویر فلنج با سطح صاف
مشخصات ابعادی
فلنج هایی که طبق استانداردهای نظیر ASME B16.9 و ASME B16.47 ساخته می شوند، باید ابعاد مشخصی در قسمت ها و بخش های مختلف داشته باشند. این ابعاد باید مطابق جداول استاندارد باشد. در این قسمت برخی از ابعاد مهمی که در یک فلنج نمونه می توان مد نظر قرار داد، ذکر شده است.
شکل شماتیک یک فلنج به همراه اندازه قسمت های مختلف که در استانداردها نیز به همین ها اشاره می شود
جدول ابعادی یک فلنج نمونه بر اساس استاندارد ASME
متریال و ساختار فلنجها
جنس فلنج باید بر اساس نوع سیال، فشار و دمای کاری انتخاب شود.
- Carbon Steel (A105): رایجترین نوع در صنایع عمومی و پمپخانهها
- Stainless Steel (SS304/SS316): مقاوم در برابر خوردگی و رطوبت، مناسب سیستمهای آتشنشانی در فضاهای باز
- Alloy Steel: برای دما و فشار بالا
- Ductile Iron / Cast Iron: برای خطوط آبرسانی و سیستمهای کمفشار
انتخاب متریال نامناسب میتواند باعث خوردگی گالوانیکی و نشتی در اتصالات شود؛ خصوصاً در نقاط اتصال پمپ آتشنشانی که دائم تحت ارتعاش قرار دارند.
تعداد و الگوی سوراخهای فلنج (Bolt Pattern)
هر فلنج دارای تعداد مشخصی سوراخ برای پیچ و مهره است که بر اساس سایز اسمی لوله (NPS) و کلاس فشاری (Pressure Class) تعیین میشوند. معمولاً در کلاس های بالاتر، با توجه به فشار داخلی بیشتر شبکه لوله کشی، سوراخ های فلنج نیز بیشتر است. بهعنوان مثال فلنج 4 اینچ کلاس 150 دارای 8 سوراخ است ولی فلنج 4 اینچ سایز 600 ممکن است تا 12 سوراخ داشته باشد.
جهت اتصال فلنج ها به یکدیگر معمولاً از پیچ یک سر رزوه (Bolt) که دارای سری آچارخور است به همراه مهره (Nut) استفاده می شود. به منظور جلوگیری از تاثیر منفی ارتعاشات تجهیزات دوار نظیر پمپ آتش نشانی یا کل شبکه لوله کشی در شل شدن اتصالات، باید علاوه بر پیچ و مهره واشر فنری نیز به کار برده شود. لازم به توضیح است گاهی اوقات، خصوصاً در زمان اتصال شیرآلات بین فلنجی (نظیر شیرآلات ویفری) به جای پیچ یک سر رزوه، از پیچ تمام رزوه (Stud) نیز استفاده می شود. جهت آشنایی با انواع شیرآلات می توانید مقاله آشنایی با انواع شیرآلات صنعتی را در این سایت مطالعه فرمایید.
اندازه و نوع دنده پیچ ها
یکی دیگر از نکاتی که در هنگام تامین و استفاده پیچ و مهره ها باید مد نظر قرار گیرد، جنس، اندازه، نوع، شکل و زاویه دنده آنها است. پیچ ها انواع مختلف و دسته بندی های بسیار متنوعی دارند که معرفی آنها در این مقال نمی گنجد. لذا در این قسمت به مقدماتی در این خصوص بسنده می کنیم.
یکی از انواع ساده پیچ و مهره که در اتصال فلنج های تاسیسات ساختمانی و پمپ های آتش نشانی کاربرد دارد، پیچ متریک است. این پیچ ها معمولاً در قسمت انتهایی خود، شش ضلعی آچار خور بوده و رزوه آنها نیز غیر مخروطی و متناسب مهره های متریک ایجاد شده است. هر پیچ با دو عدد قطر و طول پیچ مشخص می شود.
منظور از قطر پیچ، قطر پهن ترین بخش رزوه است. همچنین طول پیچ از زیر سری آچارخور پیچ تا انتهای رزوه محاسبه می شود. به عنوان مثال، در پیچ M8x60، حرف M نمایانگر پیچ متریک بوده و قطر پیچ 8 میلیمتر وطول آن 6 سانتیمتر میباشد.
عکس پیچ
روش تولید
به روش فورج
روش فورج (آهنگری) به روشی گفته می شود که در آن شمش فلز ابتدا حرارت دیده و سپس به کمک فشار و یا ضربه توسط پرس و قالب (همانند آهنگری سنتی که فلز داغ را با چکش و سندان فرم می دادند) به شکل دلخواه در می آید. در فلنج ها نیز ابتدا ماده اولیه فلز سازنده فلنج، پس از حرارت دیدن داخل قالب فورج قرار گرفته و شکل کلی فلنج را به خود می گیرد. سپس توسط عملیات تراشکاری، بسته به نوع فلنج مدنظر، به محصول نهایی تبدیل می شود.
عملیات حرارت دهی و کوبش و فشار فلز در دمای بالا، خواص مکانیکی آن را نیز بهبود می بخشد. فلنج های تولید شده به این روش بیشترین مقاومت را داشته و برای دماها و فشارهای کاری بالاتر، مناسب هستند.
فلنج ریختگی (ریخته گری شده)
معمولاً فلنج های چدنی (جهت مصارف خطوط آب و فاضلاب) که در دماها و فشارهای پایین استفاده می شوند، با روش ریخته گری تولید می گردند. در این روش فلز تشکیل دهنده فلنج به صورت مایع (مذاب) در آمده و داخل قالب های مخصوص ریخته گری ریخته می شوند. سپس با انجام عملیات تراشکاری، به محصول نهایی تبدیل می شوند.
فلنج های ریخته گری شده ممکن است دارای ترک های داخلی، تخلخل و مک باشند. همچنین ساختار فلزی آنها به نسبت روش فورج، ناهمگن تر بوده و به همین دلیل برای فشار و دماهای بالا غیر قابل استفاده هستند. انتخاب اشتباه این فلنج ها برای مصارف صنعتی فشار بالا می تواند منجر به نشتی، ترکیدگی و انفجار شده و آسیب های بسیار زیادی به همراه داشته باشد.
فلنج تولید شده از ورق فلزی
این روش، یکی از مرسوم ترین روش های تولید فلنج محسوب شده و بخش اعظم فلنج های PN و فلنج های کور داخل بازار به این طریق تولید می شوند. در این فرآیند، فلنج مستقیماً از تراشکاری ورق فلزی تولید و شکل داده می شود. لازم به توضیح است معمولاً ورق های فلزی در فرآیند تولید خود، نورد شده و به همین سبب خواص فلزی آنها بهتر بوده و لذا ترک و تخلخل این فلنج ها نسبت به روش ریختگی کمتر و مقاومت آنها بالاتر است.
سوال: آیا به طور قطع می توان از ظاهر فلنج، به روش تولید آن پی برد؟
پاسخ: در بسیاری از مواقع ممکن است پس از انجام عملیات تراشکاری، امکان تشخیص فورج یا ریختگی بودن فلنج میسر نباشد. در واقع ظاهر فلنج ها معیار مناسبی برای قضاوت در خصوص روش ساخت فلنج نمی باشد. لذا پیشنهاد می شود در صورت وجود ابهام، از آزمایش های متالوگرافی جهت تشخیص بهتر استفاده نمایید.
نکته: مقایسه مقاومت و تحمل فشار فلنج های تولید شده به روش های مختلف:
- روش فورج بیشترین مقاومت و بهترین خواص فلزی، مناسب برای فشارها و دماهای بالا
- فلنج تولید شده از ورق فلزی، مقاومت کمتر از فورج ولی بهتر از ریختگی، مناسب براق فشارها و دماهای متوسط
- فلنج ریختگی کمترین مقاومت، مناسب برای فشارها و دماهای پایین
جمعبندی: فلنج، جزئی کوچک با نقشی حیاتی
در سیستمهای صنعتی و پمپخانههای آتشنشانی، فلنجها چیزی فراتر از یک اتصال ساده هستند؛ آنها ضامن ایمنی، قابلیت اطمینان و پایداری سیستم محسوب میشوند.
انتخاب صحیح نوع، کلاس و متریال فلنج باعث میشود سیستم لولهکشی در برابر فشار، دما و ارتعاشات مقاوم بماند و عملکرد پمپها در طولانیمدت پایدار باشد.
گروه مهندسی آتراب با بهرهگیری از دانش فنی و تجربه در طراحی و اجرای پمپخانههای صنعتی، آماده ارائه مشاوره تخصصی در انتخاب مناسبترین فلنجها و اتصالات برای پروژههای مختلف شماست.
