配管システムで使用されるさまざまなフランジのタイプは何ですか?

フランジはあらゆる配管システムの最も基本的なコンポーネントの 1 つであり、パイプ、バルブ、ポンプ、機器を構造的に安全に接続する機械的ジョイントを提供し、検査、メンテナンス、または改造のために非常に重要な点として取り外し可能です。石油、ガス、石油化学から水処理、製薬、発電に至るまでの業界では、フランジのタイプ、圧力クラス、表面処理、および材料を正しく選択することが、パイプの仕様自体と同じくらい重要です。フランジが一致していない、または定格が間違っていると、潜在的な漏れポイントや法規制への準拠違反が発生し、高圧または高温での使用では重大な安全上の危険が生じます。この記事では、配管システムで使用される主なフランジの種類、その工学的特性、適用される規格、および正しいフランジの選択に役立つ実用的な基準について説明します。

配管フランジとは何ですか?タイプの選択がなぜ重要ですか?

あ 配管フランジ 金属から鍛造、鋳造、または機械加工されたディスク、リング、またはカラーであり、パイプ端、バルブ本体、または機器のノズルに取り付けられ、相手フランジにボルト締めされて耐圧継手を形成します。ジョイントは、ボルトの締め付け力によって 2 つのフランジ面の間で圧縮されたガスケットによってシールされます。フランジは、接続された要素間の機械的負荷 (内圧、熱膨張力、重量負荷、振動など) を伝達すると同時に、切断や溶接を行わずにジョイントを分解できます。

フランジの種類の選択は、基本的に異なる接続方法、圧力と温度の使用条件、パイプの壁の厚さ、取り付けと分解の容易さに適したタイプが異なるため、重要です。高圧蒸気ラインにスリップオン フランジを使用したり、大口径パイプにソケット溶接フランジを使用すると、フランジの構造能力とフランジに課せられる要求との間に不一致が生じます。管理規格 (最も一般的には ASME B16.5、ASME B16.47、EN 1092-1、および API 6A) は、各フランジ タイプの寸法、圧力クラス、材料要件を定義しており、これらの規格への準拠は、ほとんどの規制産業で必須です。

配管に使用される主なフランジの種類

各フランジのタイプには、パイプへの取り付け方法と特定の構造特性があります。以下に説明する 7 つのタイプは、工業用および商業用の配管システムで使用されるフランジ付きジョイントの大部分をカバーしています。

ウェルドネックフランジ

ウェルドネック フランジは、構造的に最も堅牢で、高圧、高温、周期的な使用用途に広く指定されているフランジ タイプです。フランジ本体からパイプの壁の厚さに徐々に移行する長い先細のハブが特徴で、応力を均等に分散し、溶接接合部での応力集中を最小限に抑えます。フランジは完全溶け込み突合せ溶接によってパイプに取り付けられており、これにより可能な限り最強の接合部の完全性が得られ、品質検証のための溶接部の X 線撮影検査が可能になります。ウェルドネック フランジは、石油とガス、発電、化学処理の重要なサービス ラインの標準仕様です。他のタイプに比べてコストが高く、設置に時間がかかるということは、要求の厳しい使用条件下でも優れた機械的性能と長期信頼性を実現できることによって正当化されます。

スリップオンフランジ

スリップオン フランジはパイプの外側をスライドし、2 つのすみ肉溶接で取り付けられます (1 つはハブ面に、もう 1 つはフランジ ボアの背面にあります)。内径がパイプ外径よりわずかに大きいため、溶接前にパイプを挿入でき、設置時の位置合わせが容易です。スリップオン フランジは、溶接ネック フランジよりもコストが低く、取り付けが簡単なため、ユーティリティ配管、低圧システム、および重要ではないサービス ラインで人気があります。ただし、隅肉溶接はパイプ壁を完全に貫通しないため、構造強度は溶接ネック フランジよりも低くなります。通常、同じ圧力クラスで同等の溶接ネックの約 3 分の 2 と評価されます。これらは通常、非クリティカルなアプリケーションにおける ASME クラス 150 および 300 サービスに限定されます。

ソケットウェルドフランジ

ソケット溶接フランジは、通常は公称口径 2 インチ (50 mm) 以下の小口径配管にのみ使用されます。パイプはフランジ穴に機械加工されたソケットに挿入され、ハブにすみ肉溶接が適用されます。熱膨張を許容し、溶接割れを防ぐため、溶接前にパイプ端とソケットの肩部の間に約 1.6 mm の小さな隙間を意図的に残します。ソケット溶接フランジは、小さなパイプ サイズの場合、スリップオン フランジよりもきれいな内径を提供し、高速での使用での乱流と浸食を軽減します。これらは、小口径の完全性が重要な高圧油圧ライン、計器接続、および化学薬品注入配管で使用されます。ソケットとパイプの隙間に物質が閉じ込められる可能性があるスラリーサービスや腐食性流体には適していません。

ねじ付きフランジ

ねじ付きフランジは、溶接ではなく、テーパーまたは平行な雌ねじを介してパイプに接続され、取り付けに溶接を必要としない唯一の一般的なフランジ タイプとなります。これらは、低圧ユーティリティ システム、計器接続、および可燃性または爆発性ガスの存在により溶接作業が現実的ではない非危険用途での用途に使用されます。ねじ付きフランジは溶接タイプよりも機械的に弱く、熱サイクルや振動により漏れが発生しやすく、ねじのかみ合いが徐々に緩みます。このため、多くの仕様では、150°C (300°F) を超える温度での使用、または可燃性ガスや液体での使用が禁止されています。溶接制限が適用されるが、より高い完全性が必要な環境では、ねじ込みシール溶接構成 (ねじ込み接合部にシール溶接を適用する) により信頼性が向上します。

ブラインドフランジ

あ blind flange is a solid disc with no bore that is used to close off the end of a pipe, nozzle, or vessel opening. It is bolted against a mating flange face with a gasket, creating a fully pressure-rated closure that can be removed when access to the line is required. Blind flanges are used at pipe ends for future expansion connections, at vessel inspection openings, at pressure test points, and as permanent end closures on redundant branch connections. They must be rated to the full system pressure class and are subject to significant bending stress from internal pressure acting on their unsupported face area, which is why blind flange wall thickness increases substantially with larger bore sizes and higher pressure classes.

重ね継手フランジ

重ね継手フランジは、スタブ エンド フィッティング (シール面を提供する一端に機械加工された半径を持つパイプの短い部分) と組み合わせて使用されます。重ね継手のフランジはスタブ端上を自由にスライドし、パイプに溶接されません。代わりに、スタブ端がパイプに突合せ溶接され、ルーズ フランジがスタブ端の半径に対してバックアップされます。この配置により、フランジがパイプの周りを自由に回転できるため、特に混雑した場所や機器の接続が正確に配置されていない場所での設置時のボルト穴の位置合わせが大幅​​に簡素化されます。ラップジョイントフランジは、スタブエンド（流体と接触するコンポーネント）のみを合金材料から製造する必要があり、裏当てフランジは標準的な炭素鋼で済むため、高価な合金配管システムにおいて経済的にも有利です。

オリフィスフランジ

オリフィス フランジは、オリフィス プレートの両側のフランジ本体に機械加工されたタップ付き圧力タッピング穴を組み込んだウェルド ネックまたはスリップオン フランジ設計の特殊なバリエーションです。精密に穴が開けられたディスクであるオリフィス プレートは、一対のオリフィス フランジの間にクランプされ、流体が制限されたボアを通過するときに校正された圧力差を生成します。この差圧はタッピング穴を通して測定され、体積流量または質量流量の計算に使用されます。オリフィス フランジ アセンブリは、石油およびガス、化学処理、水処理用途における標準的な流量測定技術であり、その寸法および加工要件は ASME MFC-3M および ISO 5167 で指定されています。

主な基準によるフランジタイプの比較

次の表は、産業用配管設計における選択決定に最も関連する基準全体にわたるメイン フランジ タイプの実際的な比較を示しています。

フランジ面の種類とジョイントのシールにおけるその役割

フランジ面は、ガスケットと接触して圧力シールを形成する機械加工面です。特定の使用条件またはガスケット材質に対して間違った面のタイプを選択すると、ジョイントの漏れが発生する一般的な原因になります。工業用配管で最も広く使用されている 4 つの面タイプには、それぞれ異なるシール機構と適用範囲があります。

レイズドフェイス(RF)

隆起面は、プロセス配管で最も一般的なフランジ面タイプであり、クラス 150 からクラス 2500 までの ASME B16.5 フランジのデフォルトの面タイプです。座面は隆起リングであり、通常、クラス 150 および 300 では高さ 1.6 mm、クラス 600 以上では高さ 6.4 mm で、ボルトのクランプ力をガスケット領域に集中させます。平面フランジの標準表面仕上げは、粗さ 3.2 ～ 6.3 µm Ra の同心円状またはスパイラル鋸歯状仕上げで、軟質ガスケットおよびセミメタル ガスケットとの機械的連動を実現します。平面フランジは、一般的なプロセスサービスで使用される平型、うず巻型、およびリング型ガスケットの全範囲と互換性があります。

フラットフェイス(FF)

平らな面のフランジは、その座面がフランジ本体の面と面一になり、隆起部分がありません。これは、鋳鉄製のバルブ、ポンプ、非金属製機器などのフランジ付き機器と嵌合するときに使用されます。この場合、盛り上がった面によって相手部品に不均一な曲げ荷重がかかり、亀裂が生じる危険性があります。平面フランジでは、ボルトの円周以降に広がる全面ガスケットが使用されており、ボルトの荷重がフランジ面全体に分散され、リング ガスケットが脆い相手側フランジに生じるエッジ荷重を防ぎます。

リングタイプジョイント（RTJ）

リング タイプ ジョイント フランジには、フランジ面に精密機械加工された台形または楕円形の溝があり、そこに固体金属リング ガスケット (通常は軟鉄、低炭素鋼、316 ステンレス鋼、またはインコネル) が取り付けられます。ボルトが締められると、リングガスケットが塑性変形して溝に入り、非常に完全性の高い金属間のシールを形成します。 RTJ ジョイントは、信頼性の要求がソフトまたはセミメタル ガスケットが提供できるものを超える、高圧、高温、酸性ガスの使用向けに仕様化されています。これらは坑口、海底、および高信頼性プロセス配管の標準であり、定格性能を達成するには溝とリングの両方を精密に機械加工する必要があります。

タングアンドグルーブ (T&G)

さねはぎフランジは、一方のフランジ面に隆起したさねがあり、もう一方のフランジ面に適合する溝が機械加工されている、嵌合ペアです。ガスケットは完全に溝内に収まり、すべての側面で拘束され、サージ圧力条件下でのガスケットの噴出を防ぎます。 T&G ジョイントは優れたガスケット保持力を提供し、ガスケットの噴出リスクを最小限に抑える必要がある熱交換器カバー、バルブ ボンネット、および完全性の高いプロセス接続に使用されます。 2 つの半分は一致するペアである必要があるため、さねはぎ式フランジは、同じサイズおよび圧力クラスの標準の平面フランジと互換性がありません。

フランジ圧力クラスとその意味

ASME B16.5（北米のパイプフランジの主要な規格であり、国際的に広く参照されています）では、フランジは圧力クラス150、300、600、900、1500、2500によって指定されています。これらのクラス番号は固定の圧力定格を表すものではありません。むしろ、フランジの圧力と温度の定格を定義します。この定格は、高温での材料の降伏強度が低下するため、温度が上昇すると低下します。

たとえば、ASTM A105 炭素鋼のクラス 300 フランジの定格は、周囲温度では約 51.1 bar (740 psi) ですが、450°C (850°F) ではわずか 14.4 bar (210 psi) です。したがって、特定のサービスに適した圧力クラスは、ASME B16.5 の圧力温度定格表、または欧州標準フランジ用の同等の EN 1092-1 表を使用して、最大動作圧力と最大動作温度の両方に基づいて選択する必要があります。実際の使用温度に対して圧力クラスのサイズを小さくすることは、フランジ仕様における最も重大なエラーの 1 つです。

一般的なフランジの材質とその用途

フランジの材質の選択は、プロセス流体と外部環境の両方に適合する必要があり、全動作温度範囲にわたって適切な機械的特性を維持する必要があります。

• あSTM A105 (Carbon Steel): 約 425°C までの一般的なプロセスサービスにおける炭素鋼フランジの標準材質。石油、ガス、水、蒸気、非腐食性化学サービスで使用されます。低コストで、あらゆる圧力クラスとタイプで広く入手可能です。
• あSTM A182 F316/F316L (Stainless Steel): 腐食性の化学サービス、食品および医薬品用途、海洋環境に使用されます。グレード 316 は、優れた一般的な耐食性を提供します。溶接熱による過敏化を防ぐ必要がある場合は、316L (低炭素) が指定されます。
• あSTM A182 F11 / F22 (Alloy Steel): クロムモリブデン合金鋼は、炭素鋼では機械的強度が低下する蒸気発生、改質器、加熱ヒーターの配管など、425℃を超える高温環境で使用されます。
• あSTM A350 LF2 (Low Temperature Carbon Steel): -46°C までの極低温および低温用途向けの衝撃試験済みの炭素鋼で、LNG 施設、冷凍システム、および寒冷地の屋外配管に使用されます。
• 二相ステンレス鋼および超二相ステンレス鋼 (F51、F53): 標準的なオーステナイト系ステンレス鋼では応力腐食割れや孔食が発生する、海水供給、海底配管、塩化物を多く含む化学物質の流れなど、腐食性の高い環境で使用されます。

配管システムに適したフランジを選択する方法

フランジを正しく選択するには、コストや可用性などの単一の基準に合わせて最適化するのではなく、複数のパラメータを組み合わせて体系的に評価する必要があります。

• サービス条件を正確に定義します。 フランジコンポーネントを選択する前に、最大動作圧力、最大動作温度、腐食性成分を含む流体組成、および使用時の周期的または動的荷重特性を確立してください。
• 構造要件に基づいてフランジ タイプを選択します。 すべての高圧、高温、循環または危険なサービス ラインにはウェルド ネック フランジを使用してください。スリップオン フランジは、コスト削減が正当化され、適用される規格内で低い構造的完全性が許容される公共事業または重要度の低いサービスでのみ使用してください。
• P-T 定格表から圧力クラスを決定します。 ASME B16.5 または EN 1092-1 で、周囲温度ではなく実際の使用温度で、選択した材料の圧力温度定格を調べてください。該当する設計コードで要求される適切な安全係数を適用します。
• 面のタイプをガスケットの選択および嵌合機器に合わせます。 一般的なプロセスサービスには、スパイラル巻きまたはリングガスケットを備えた平面を使用してください。鋳鉄または非金属のフランジ付き機器と嵌合する場合は、平らな面を使用してください。金属間のシールが必要な高圧または耐酸性のサービスには RTJ を使用してください。
• 材料の互換性を確認します。 フランジの材質が、腐食、エロージョン、応力腐食割れを考慮したプロセス流体と、被覆材の腐食リスク下での絶縁や埋設または水中使用での陰極防食の適合性などの外部環境の両方に適合していることを確認します。

結論

配管システムのフランジには、パイプ コネクタとしての一見単純な役割よりもはるかに広範囲のエンジニアリング上の決定が含まれます。ウェルドネック、スリップオン、ソケット溶接、ねじ込み、ブラインド、ラップジョイント、オリフィスフランジのいずれを選択するかによって、ジョイントの構造的完全性、取り付けとメンテナンスの容易さ、および特定の使用環境に対する接続の適合性が決まります。ガスケットと相手機器の正しい面のタイプ、動作温度に適切な圧力クラス、プロセス流体と環境条件に適合する材料仕様を組み合わせることで、適切なフランジを選択することで、不必要なメンテナンスの負担や故障のリスクを伴うことなく、設計寿命全体にわたって安全かつ確実に機能する配管システムが保証されます。