فلنج فورج

فلنج فورج قطعه‌ای اتصال‌دهنده است که از گرم‌کردن شمش یا بیلت فولادی تا دمای تقریباً ۱۲۰۰ °C و سپس اعمال نیرو در قالب یا میان پتک‌های سنگین شکل می‌گیرد. در این فرآیند، جهت‌گیری ریزدانه‌ها مطابق شکل نهایی قطعه (Grain Flow) آرایش می‌یابد و حفرات انجمادی که در ریخته‌گری دیده می‌شود حذف می‌شود. نتیجه، فلنجی با چقرمگی بیشتر، استحکام خستگی بالاتر و نرخ نشتی کمتر در سرویس سیکلی است. در مقابل، فلنج ریختگی با ذوب فلز و پرکردن قالب تولید می‌شود؛ این روش ارزان‌تر است اما خطر تخلخل، ریزترک انجمادی و ناهمگنی کاربیدی در آن بالاتر است.

از دیدگاه اقتصادی، ریخته‌گری تا ۲۰ ٪ هزینهٔ اولیه را کاهش می‌دهد، ولی در پروژه‌هایی که توقف واحد به‌مراتب پرهزینه‌تر از خرید قطعه است—مانند واحدهای غذایی با خطوط سیپ (CIP) پیوسته—ریسک نشتی یا شکست زودهنگام، صرفهٔ قیمت اولیه را بی‌اثر می‌کند.

فرآیند تولید: فورج گرم، نورد حلقه‌ای و ماشین‌کاری نهایی

۱. فورج گرم باز (Open‑Die): شمش تا دمای پلاستیسیته گرم شده و با ضربات متوالی پتک یا پرس، خالی از تخلخل و با الیاف طولی جهت‌دار می‌شود.
2. نورد حلقه‌ای (Ring‑Rolling): برای فلنج‌های قطر بزرگ (NPS > 24″) از یک پریفورج سوراخ‌دار استفاده و قطر بیرونی تا ۲ متر در یک یا دو گذر نورد می‌شود.
3. عملیات حرارتی: بسته به آلیاژ، نرمالایز + تمپر (A105N) یا کوئنچ‑تمپر (فولاد زنگ‌نزن) اجرا می‌شود. کنترل نرخ خنک‌کاری ضروری است تا از تردی در ناحیهٔ گلویی جلوگیری شود.
4. ماشین‌کاری نهایی: رو و پَس‌رو (Facing) طبق ASME B16.5 به رافنس ۳٫۲‑۶٫۳ µm می‌رسد. این صافی برای آب‌بندی گسکت‌های اسپیرال‌ون باید اندازه‌گیری شود.
5. بازرسی ابعادی و NDT: قبل از صدور گواهی متریال، حداقل ۱۰ ٪‌ حجم به‌کمک UT Level 2 طبق ASTM A388 ارزیابی می‌شود.

استانداردهای ابعادی و فشاری

• ASME B16.5: فلنج‌های تا قطر ۲۴ اینچ در کلاس‌های ۱۵۰ تا ۲۵۰۰. جدول فشار‑دما این استاندارد مبنای انتخاب کلاس است.

• ASME B16.47 Series A/B: قطر ۲۶ تا ۶۰ اینچ؛ سری A ضخیم‌تر و برای فشارهای بالاتر مناسب است، درحالی‌که سری B وزن کمتر و سوراخ‌کاری پیچ متفاوتی دارد.

• API 6A/17D: چاه‌های نفت و گاز فشار فوق‌بالا. تحمل فشار ۱۰‑۲۰ ksi نیازمند فولاد کم‑آلیاژ A694 F65 یا معادل.

• EN 1092‑1: معادل اروپایی با رده‌بندی PN 2.5‑400؛ گاه در صنعت غذایی اروپا مرجع خرید است.

عدم انطباق دقیق بین سری A و B16.47 می‌تواند باعث هم‌محور نبودن پیچ‌ها در فلنج و دستگاه شود؛ در واحدهای دارویی که زمان توقف تولید بحرانی است، پیش‌تطبیق نقشه‌ها با نرم‌افزار PDMS توصیه می‌شود.

آلیاژها و گریدهای متداول

برای تطابق ضریب انبساط حرارتی، لازم است فلنج و لوله از آلیاژ مشابه—یا در صورت ناگزیر، با روکش نیکل در نقطه اتصال—انتخاب شوند تا از خوردگی گالوانیک جلوگیری شود. این امر در مخزن‌سازی صنایع لبنی که از فولاد زنگ‌نزن نازک استفاده می‌شود، اهمیت دوچندان دارد.

انواع فلنج فورج

• Weld Neck (WN): گلویی طولانی و پخ جوش ۳۷٫۵°؛ برای فشار و دمای بالا در خطوط استیم اتوکلاوهای دارویی ایده‌آل است.

• Slip‑On (SO): نصب سریع اما نیازمند دو پاس جوش فیلت؛ در لوله‌کشی شست‌وشوی CIP رایج.

• Socket Weld (SW): سایزهای ≤۲″ در اسکیدهای کامپکت غذایی؛ جوش فیلت محافظت‌شده از داخل رسوب‌ها.

• Blind (BL): مسدودسازی انتهای خط؛ نسخهٔ RTJ در تلهٔ فشار کراکر اتیلن Class 1500 کاربرد دارد.

• Threaded (TH): تعمیرات سریع خطوط کم‌فشار، اما در سیکل حرارتی مکرر قابل اطمینان نیست.

• Lap Joint (LJ): همراه با Stub‑End، مناسب خطوط خورندهٔ کلرایدی قابل جداسازی؛ ماشین‎سازان آرایشی برای تانک‌های میکس استفاده می‌کنند.

• Ring‑Type Joint (RTJ): آب‌بندی فلزی؛ کلاس‌های ۹۰۰ به بالا در کراکرهای پتروشیمی استفاده می‌شود.

خواص مکانیکی و مزایای متالورژیکی فورج نسبت به ریخته‌گری

آزمون مقایسه‌ای A105 فورج و A216 WCB ریختگی نشان می‌دهد:

• استحکام خستگی: ۳۰‑۵۰ ٪ بالاتر.

• چقرمگی ضربه: تا دو برابر؛ انرژی Charpy در ۲۰ °C برای A105N ≥۲۷ J درحالی‌که نمونهٔ ریختگی ۱۵‑۱۸ J است.

• ریسک نشتی: کاهش متوسط ۷۰ ٪ در سرویس سیکلی طبق دادهٔ میدانی خطوط SIP صنایع لبنی.

• عدم تخلخل انقباضی: تصاویر مقطع UT فلنج فورج تنها نویز پخش‌شدهٔ یکنواخت را نشان می‌دهد؛ در ریختگی، حفرهٔ ۲‑۳ mm رایج است.

این مزایا به‌ویژه در مخازن تحت فشار صنایع خودرو‌سازی—مانند کوره‌های حرارتی نیتروکربوراسیون—که شوک حرارتی مکرر دارند، برتری فورج را تضمین می‌کند.

کاربردهای اصلی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاه‌ها

• هد درام بویلر نیروگاه سیکل ترکیبی: WN Class 900 A105.

• فلنج انتهایی کمپرسور LPG: RTJ Class 1500 A182 F316L.

• کالمن خط لوله گاز ترش: WN Cl 600 A694 F65 با NACE MR0175.

• کورهٔ کراکر اتیلن: BL RTJ Class 2500 A182 F321.

• اسکید CIP صنایع غذایی: SW Cl 150 F304L به‌علت تمیزکردن سریع.

روش‌های تست و بازرسی (UT، RT، MT، PMI)

در پروژه‌های EPC، حضور بازرس شخص ثالث (TPI) برای صدور گواهی EN 10204 3.2 رایج است. هزینهٔ بازرسی حدود ۲‑۵ ٪ قیمت قطعه است اما در مقایسه با ریسک تعویض فلنج در واحد فعال، کاملاً توجیه اقتصادی دارد.

علائم حک، گواهی متریال و ردیابی Heat Number

کُد مارک حک‌شده روی گردن فلنج باید شامل موارد زیر باشد: سایز، Class/PN، آلیاژ، Heat No، شمارهٔ ذوب، لوگو سازنده، و در صورت لزوم نشان NACE. ارتفاع حک حداقل ۴ mm الزام اغلب قراردادهای نفت و گاز است. Heat Number حلقهٔ اتصال شما به مدارک ذوب فولاد است؛ هرگونه مغایرت بین شمارهٔ حک و گواهی آزمایشگاهی خریدار را ملزم به قرنطینهٔ قطعه می‌کند. به‌منظور ردیابی چند مرحله‌ای، بارکد دوبعدی روی فرورفتگی سطح غیرآب‌بند توصیه می‌شود.

مقایسهٔ هزینه، دوام و نگهداری با فلنج‌های ماشین‌کاری‌شده یا ریختگی

• هزینهٔ اولیه: فلنج فورج A105 WN ۲″ Class 300 در بازار تهران (اردیبهشت ۱۴۰۴) حدود ۱٫۱۵ میلیون تومان است؛ قطعهٔ ریختگی معادل، ۱۵‑۲۰ ٪ ارزان‌تر.

• هزینهٔ چرخهٔ عمر: مطالعات میدانی در واحد شیر پاستوریزه نشان داده‌اند که تعویض فلنج ریختگی ترک‌خورده طی ۵ سال، هزینهٔ توقف تولید را تا ۴ برابر قیمت اولیه افزایش داده است.

• زمان تحویل: سایزهای ≤۲۴″ کربن استیل معمولاً موجود است؛ اما برای NPS ۴۸″ کلاس ۹۰۰، زمان تولید ۶‑۸ هفته و برای آلیاژ نیکل F55، تا ۱۲ هفته طول می‌کشد.

• نگهداری: سطح صیقلی و رافنس یکنواخت فلنج فورج امکان پاک‌سازی سریع در خطوط نیمه‌استریل دارویی را فراهم می‌کند و زمان CIP را کاهش می‌دهد.

جمع‌بندی و راهنمای انتخاب فلنج فورج

۱. تعریف نیاز فرایندی: فشار، دما، سیال (خورنده یا پاک). برای خطوط CIP صنایع غذایی، فولاد زنگ‌نزن F316L کلاس ۱۵۰ کافی است، اما برای شاخهٔ تزریق بخار سوپرهیت، A105N کلاس ۶۰۰ امن‌تر است.
۲. بررسی استاندارد پروژه: اگر نقشه بر اساس ASME است، از PN اروپایی استفاده نکنید؛ عدم تطابق سوراخ‌کاری پیچ دردسر دوباره‌کاری را تحمیل می‌کند.
۳. تعیین کلاس فشاری با جدول فشار‑دما: همیشه دمای طراحی را در نظر بگیرید؛ کلاس ۳۰۰ در ۳۸۰ °C ممکن است فقط نیمی از فشار نامی را تحمل کند.
4. اصالت متریال و گواهی ۳.۱/۳.۲: بدون Heat Number و کپی اصل گواهی آزمایش شیمیایی، خرید را نهایی نکنید.
5. تست غیرمخرب متناسب: UT استاندارد برای همه کلاس‌ها الزامی است؛ برای RTJهای کلاس ۹۰۰ به بالا، RT دیجیتال در قرارداد بگنجانید.
6. انتخاب سازنده: بین سازندگان چینی، هندی و اروپایی تفاوت کیفیت مشهود است؛ حتماً درخواست کوپون تست مخرب (تنسایل و شارپی) از هر Heat بدهید.
7. محاسبهٔ هزینهٔ چرخهٔ عمر: قیمت پایین‌تر معنای صرفه‌جویی نیست؛ نرخ ردشدگی بالا یا خرابی زودهنگام هزینهٔ کل را افزایش می‌دهد.
8. برنامهٔ تحویل: برای سایزهای بزرگ، فورج‌های حلقه‌ای سفارشی نیازمند زمان هستند؛ پیش‌خرید با ضرب‌الاجل پروژه مطابقت دهید.
9. حمل و انبارش: فلنج‌های سنگین را روی بستر چوبی با تسمهٔ نایلونی بلند کنید تا لب‌پخ نشیمن آسیب نبیند؛ خط یا فرورفتگی سطح آب‌بند باعث نشتی می‌شود.
10. مستندسازی و ردیابی: بارکد دوبعدی یا RFID روی قطعه، روند مدیریت موجودی و نگهداری پیشگیرانه در کارخانه را ساده می‌کند.

سؤالات متداول دربارهٔ فلنج فورج

۱. فلنج فورج دقیقاً چگونه ساخته می‌شود؟
بیلت فولادی تا دمای پلاستیسیته گرم می‌شود، تحت ضربه یا فشار پرس شکل می‌گیرد، سپس عملیات حرارتی و ماشین‌کاری نهایی ابعاد و خواص را تثبیت می‌کند.

۲. تفاوت اصلی فلنج فورج با ریختگی چیست؟
فورج سبب ریزدانه‌شدن و حذف حفرات می‌شود، لذا در برابر ترک خستگی و شوک حرارتی مقاوم است. ریختگی ارزان‌تر اما دارای تخلخل بالقوه است.

۳. چرا فلنج فورج برای فشار و دمای بالا مناسب‌تر است؟
جهت‌گیری دانه‌ها تنش محوری و خمشی را بهتر پخش می‌کند؛ استحکام تسلیم بالاتر و نشتی کمتر نتیجهٔ مستقیم این ریزساختار است.

۴. چه استانداردهایی این فلنج‌ها را پوشش می‌دهند؟
ASME B16.5 و B16.47 مشخصات ابعادی و فشاری را تعیین می‌کنند؛ ASTM A105 یا A182 و EN 10204 گواهی متریال را تنظیم می‌کنند.

۵. کلاس فشاری یعنی چه و چگونه انتخاب می‌شود؟
کلاس ۱۵۰ تا ۲۵۰۰ معرف فشار مجاز در دمای مشخص است؛ جدول فصل ۲ استاندارد B16.5 فشار مجاز در دماهای مختلف را نشان می‌دهد.

۶. برای سرویس دماپایین چه گریدی مناسب است؟
ASTM A350 LF2 با تست ضربه در ‑46 °C گزینهٔ ایمن خطوط برودتی است.

۷. تست غیرمخرب ضروری کدام است؟
UT برای تمام فلنج‌ها؛ RT برای کلاس‌های بالا یا فلنج RTJ؛ MT برای آشکارسازی ترک سطحی پس از ماشین‌کاری.

۸. چرا فلنج فورج گران‌تر است؟
هزینهٔ انرژی فورج، تجهیزات پرس و تناژ، و اتلاف مواد در ماشین‌کاری دلیل افزایش قیمت است؛ اما کاهش توقف تولید و نشتی این هزینه را جبران می‌کند.

۹. وزن فلنج را چگونه محاسبه می‌کنیم؟
حجم (بر اساس ابعاد جدول B16.5) × چگالی ۷٫۸۵ g/cm³. اغلب تولیدکنندگان لیست وزن را در کاتالوگ دارند.

۱۰. برای صنایع غذایی چه نوع فلنجی توصیه می‌شود؟
F316L WN یا SO با رافنس نشیمن ۳٫۲ µm، زیرا تمیزشوندگی و مقاومت به کلرید بالایی دارد و تاییدیهٔ FDA برای فولاد زنگ‌نزن آستنیتی را دریافت می‌کند.

نتیجه‌گیری

فلنج فورج، با استحکام خستگی، یکنواختی متالورژیکی و قابلیت اطمینان بالا، انتخابی کم‌ریسک برای خطوط فشاربالا و فرایندهای حیاتی صنایع غذایی، دارویی، پتروشیمی و خودروسازی است. رعایت اصول انتخاب—از جمله اصالت متریال، تطابق کلاس فشار با دمای سرویس، و انجام کامل آزمون‌های NDT—نه‌تنها طول عمر تجهیزات را افزایش می‌دهد، بلکه ایمنی کارکنان و بهره‌وری واحد تولیدی را تضمین می‌کند.