فلنج‌ها به عنوان اجزای حیاتی در سیستم‌های لوله‌کشی و ماشین‌آلات صنعتی شناخته می‌شوند. نقش اصلی آن‌ها ایجاد اتصال بین لوله‌ها، شیرآلات، پمپ‌ها و سایر تجهیزات است. این اتصالات نه تنها امکان انتقال سیالات و گازها را فراهم می‌کنند بلکه در تضمین ایمنی و عملکرد بدون نشتی در صنایع مختلف نیز اهمیت بسزایی دارند. این پژوهش به بررسی جامع فلنج‌ها می‌پردازد و جنبه‌های گوناگون آن‌ها از تعریف و انواع گرفته تا کاربردها، مواد سازنده، استانداردها، تاریخچه و مزایای استفاده را شامل می‌شود.
فلنج چیست؟ تعاریف جامع و عملکردهای اصلی
فلنج که در فارسی به آن "بیرون بند" نیز گفته می‌شود، نوعی صفحه دیسکی شکل است که معمولاً دارای سوراخ‌هایی در اطراف خود می‌باشد و برای اتصال لوله‌ها به یکدیگر یا متصل کردن آن‌ها به تجهیزاتی مانند شیرآلات و پمپ‌ها به کار می‌رود. فلنج‌ها عموماً به صورت جفت استفاده می‌شوند و با کمک پیچ و مهره و یک واشر (گسکت) بین آن‌ها، اتصال محکم و آب‌بندی شده‌ای را ایجاد می‌کنند. این قطعات می‌توانند از طریق پیچ و مهره یا جوشکاری به لوله‌ها و تجهیزات متصل شوند.
عملکرد اصلی فلنج‌ها عبارت است از: اتصال لوله‌های مختلف به یکدیگر ، اتصال لوله‌ها به تجهیزاتی نظیر پمپ‌ها و شیرآلات ، تسهیل باز کردن و جداسازی آسان برای تعمیر و نگهداری، بازرسی یا تغییرات در سیستم ، تغییر جهت یا قطر سیستم لوله‌کشی و ایجاد اتصالی ایمن که قادر به تحمل فشارهای مختلف باشد. ایمنی بالا و سازگاری فلنج‌ها با سطوح فشار متفاوت، آن‌ها را به یکی از پرکاربردترین اتصالات در صنایع تبدیل کرده است.
دسته‌بندی دقیق انواع فلنج‌ها
انواع گوناگونی از فلنج‌ها بر اساس شکل و طراحی برای کاربردهای خاص در صنعت لوله‌کشی موجود است.
فلنج‌های نر و ماده (Male and Female Flanges) به صورت جفت به یکدیگر متصل می‌شوند. یک فلنج دارای سطح برجسته (نر) است که درون فرورفتگی (ماده) فلنج دیگر قرار می‌گیرد. این طراحی باعث ایجاد یک اتصال خود-تراز شونده و اغلب بدون نیاز به واشر می‌شود و معمولاً در کاربردهایی مانند مبدل‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ارتفاع قسمت برجسته در فلنج نر معمولاً حدود 6.4 میلی‌متر و عمق فرورفتگی در فلنج ماده حدود 5 میلی‌متر است.
فلنج‌های با صفحه دارای زبانه و شیاردار (Tongue and Groove Flanges) نیز به صورت جفت به کار می‌روند. یک فلنج دارای حلقه برجسته (زبانه) است که در شیار فلنج مقابل قرار می‌گیرد. این طراحی فضای قرارگیری واشر را محدود کرده و از بیرون زدگی آن جلوگیری می‌کند و اغلب برای اتصال پمپ‌ها و شیرآلات استفاده می‌شود. خاصیت خود-تراز شوندگی از مزایای این نوع فلنج است.
فلنج‌های جوشی ساکت (Socket Weld Flanges) دارای یک حفره فرورفته در داخل خود هستند که لوله در آن قرار گرفته و سپس با جوشکاری به روش فیلت از بیرون متصل می‌شود. این نوع فلنج عمدتاً برای سیستم‌های لوله‌کشی با قطر کم و فشار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از انبساط حرارتی در هنگام جوشکاری، ایجاد یک فاصله کوچک بین لوله و انتهای حفره فلنج ضروری است.
فلنج‌های کور (Blind Flanges) به شکل دیسک‌های توپر هستند و برای بستن انتهای لوله‌ها، شیرآلات یا تجهیزات به کار می‌روند و امکان تست فشار یا دسترسی در آینده را فراهم می‌سازند. این نوع فلنج در مقایسه با سایر انواع فلنج‌ها، فشار بیشتری را تحمل می‌کند.
فلنج‌های رینگ جوینت (Ring Type Joint Flanges) با داشتن شیارهایی که برای قرارگیری واشرهای فلزی حلقه‌ای در سطح خود ماشین‌کاری شده‌اند، برای کاربردهای با فشار و دمای بالا، اغلب بالاتر از 400 درجه سانتیگراد، طراحی شده‌اند.
فلنج‌های گلودار جوشی (Welding Neck Flanges) دارای یک گردن مخروطی بلند هستند که به لوله با جوش لب به لب متصل می‌شود. این طراحی استحکام عالی و مقاومت در برابر تنش را فراهم می‌کند و برای سرویس‌های با فشار بالا، دمای زیر صفر یا بالا و بارهای متغیر ایده‌آل است. طراحی آن امکان بازرسی آسان جوش را فراهم می‌کند.
فلنج‌های لپ جوینت (Lap Joint Flanges) با یک قطعه به نام "ته کوب" (stub end) که به لوله جوش داده می‌شود، استفاده می‌شوند. این نوع فلنج امکان چرخش را برای تنظیم آسان‌تر پیچ‌ها فراهم می‌کند و اغلب در کاربردهای با فشار پایین یا مواردی که نیاز به باز و بسته شدن مکرر است، استفاده می‌شود. در سیستم‌هایی که نیاز به آلیاژهای گران‌قیمت دارند، استفاده از این فلنج می‌تواند اقتصادی باشد زیرا خود فلنج با سیال تماس ندارد.
فلنج‌های اریفیس (Orifice Flanges) شبیه فلنج‌های گردن جوشی هستند اما دارای سوراخ‌هایی برای نصب ابزارهای اندازه‌گیری جریان یا فشار با استفاده از صفحات اریفیس می‌باشند.
فلنج اسپیکات (Spigot Flange) برای اتصال لوله‌ها و تغییر مسیر یا قطر لوله استفاده می‌شود.
فلنج‌های گلو بلند جوشی (Long Weld Neck Flanges) دارای گردنی بلندتر از فلنج‌های گردن جوشی استاندارد هستند و بیشتر به عنوان نازل برای مخازن استفاده می‌شوند.
فلنج‌های اسلیپون یا اسلیپان یا تخت (Slip On Flanges) روی لوله می‌لغزند و با جوشکاری فیلت از داخل و خارج به لوله متصل می‌شوند. این نوع فلنج یکی از پرکاربردترین انواع است و نصب آن آسان‌تر است اما مقاومت کمتری نسبت به فلنج‌های گردن جوشی در برابر فشار و خستگی دارد.
فلنج خوشه ای (Multiport Cluster) نوع جدیدی از دیسک‌های اتصال‌دهنده است.
فلنج‌های مربعی (Square Flanges) با شکل مربع خود، متفاوت از نمونه‌های گرد هستند و اغلب در سیستم‌های هیدرولیک برای اتصال لوله به لوله و لوله به قطعات استفاده می‌شوند.
فلنج کور عینکی (Spectacle Blind Flange) از دو دیسک تشکیل شده است که توسط یک قطعه فولادی به هم متصل شده‌اند. یک دیسک توپر و دیگری دارای سوراخ است و برای باز و بسته کردن جریان در خطوط لوله استفاده می‌شود.
دسته‌بندی بر اساس نوع اتصال:
فلنج‌های جوشی (Welded Flanges) شامل فلنج‌های گردن جوشی، ساکت ولد و لپ جوینت می‌شوند. فلنج‌های گردن جوشی از طریق جوش لب به لب به لوله متصل می‌شوند و امکان انتقال تنش را فراهم می‌کنند و برای فشارهای بالا مناسب هستند. فلنج‌های ساکت ولد با قرار دادن لوله در داخل سوکت فلنج و جوشکاری آن از بیرون و گاهی از داخل متصل می‌شوند و برای فشارهای بالا و قطرهای کوچک مناسب هستند. فلنج‌های لپ جوینت با استفاده از ته کوب به لوله جوش داده می‌شوند و خود فلنج به دور لوله می‌چرخد و برای اتصالاتی که نیاز به باز و بسته شدن مکرر دارند یا در محیط‌های خورنده استفاده می‌شوند، مناسب هستند.
فلنج‌های رزوه ای (Threaded Flanges) از طریق رزوه داخلی به لوله متصل می‌شوند و در مواقعی که جوشکاری امکان‌پذیر نیست، استفاده می‌شوند و معمولاً برای اندازه‌های کوچک و دماهای بالاتر مناسب هستند.
استانداردهای بین‌المللی و منطقه‌ای فلنج‌ها
سازمان‌های متعددی در سطح بین‌المللی و منطقه‌ای به تدوین و نگهداری استانداردهای فلنج می‌پردازند. رعایت این استانداردها برای اطمینان از ایمنی، قابلیت اطمینان و سازگاری در سیستم‌های لوله‌کشی در مناطق و صنایع مختلف بسیار حائز اهمیت است. انتخاب استاندارد مناسب بر ابعاد، درجه‌بندی فشار و مشخصات مواد تأثیر می‌گذارد.
استانداردهای ANSI/ASME: استانداردهای ANSI/ASME که توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) تدوین شده‌اند، از پرکاربردترین استانداردها در سطح جهان، به ویژه در ایالات متحده و صنعت نفت و گاز، محسوب می‌شوند. این استانداردها شامل دو بخش اصلی هستند: ASME B16.5 که برای فلنج‌های با قطر ½ تا 24 اینچ و کلاس فشاری 150 تا 2500 استفاده می‌شود، و ASME B16.47 که برای فلنج‌های بزرگتر از 24 اینچ در دو سری A و B طراحی شده است.
استانداردهای DIN/EN: استانداردهای DIN (Deutsches Institut für Normung) در اروپا رایج هستند و ابعاد را بر حسب میلی‌متر و فشار را بر حسب بار (PN) مشخص می‌کنند. نمونه‌هایی از این استانداردها شامل DIN 2633 (PN16) و DIN 2576 (PN10) می‌باشند. استانداردهای EN (European Norm) شباهت زیادی به استانداردهای DIN دارند و تا حد زیادی جایگزین استانداردهای ملی در اروپا شده‌اند.
استانداردهای API: استانداردهای API (American Petroleum Institute) به طور خاص برای صنایع نفت، گاز و پتروشیمی طراحی شده‌اند و برای کاربردهای با فشار و دمای بالا مناسب هستند. فلنج‌های مطابق با این استانداردها در مقایسه با ANSI، تحمل فشار بیشتری دارند.
استانداردهای ISO: استانداردهای ISO (International Organization for Standardization) با هدف هماهنگ‌سازی بین‌المللی تدوین شده‌اند و ISO 7005 استاندارد کلیدی برای فلنج‌های فولادی است که سازگاری بالایی با ANSI و DIN دارد.
سایر استانداردهای مرتبط: استانداردهای BS (British Standards) در انگلستان و استرالیا مورد استفاده قرار می‌گیرند. استانداردهای JIS (Japanese Industrial Standards) و KS (Korean Standards) نیز در ژاپن و کره کاربرد دارند.
رعایت این استانداردها برای تضمین ایمنی، قابلیت اطمینان و سازگاری در سیستم‌های لوله‌کشی در مناطق و صنایع مختلف بسیار حائز اهمیت است. درک تفاوت‌های ظریف بین هر استاندارد برای مهندسان و طراحان ضروری است.
کاربردهای متنوع فلنج‌ها در صنایع
فلنج‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در صنایع گوناگون کاربردهای وسیعی دارند.
صنعت نفت و گاز: فلنج‌ها به طور گسترده در خطوط لوله برای اتصال لوله‌ها، شیرآلات و تجهیزات، به ویژه در محیط‌های با فشار بالا، استفاده می‌شوند. انواع خاصی مانند فلنج‌های گردن جوشی، کور و لپ جوینت در این صنعت کاربرد دارند.
صنعت پتروشیمی: فلنج‌ها نقش حیاتی در اتصال لوله‌ها و تجهیزات در پالایشگاه‌ها و کارخانجات شیمیایی برای انتقال انواع سیالات و گازها ایفا می‌کنند. در این صنعت، استفاده از فلنج‌های مقاوم و باکیفیت ضروری است.
مدیریت آب و فاضلاب: فلنج‌ها برای اتصال لوله‌ها و تجهیزات در سیستم‌های توزیع آب و جمع‌آوری فاضلاب، از جمله در تصفیه‌خانه‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این صنعت، موادی مانند پلی‌اتیلن نیز در ساخت فلنج‌ها کاربرد دارند.
صنایع غذایی و آشامیدنی: فلنج‌ها در سیستم‌های لوله‌کشی بهداشتی برای اتصال لوله‌ها و تجهیزات به کار می‌روند و بر اهمیت سهولت تمیزکاری و مقاومت در برابر خوردگی تأکید می‌شود. فولاد ضد زنگ در این صنعت ترجیح داده می‌شود.
صنعت داروسازی: فلنج‌ها به طور خلاصه در تولیدات دارویی برای اتصالات بهداشتی و استریل استفاده می‌شوند.
نیروگاه‌های تولید برق: فلنج‌ها در اتصال لوله‌ها در نیروگاه‌ها، از جمله خطوط بخار و آب، به کار می‌روند و اغلب به فلنج‌هایی با تحمل فشار و دمای بالا نیاز است.
سایر صنایع قابل توجه: کاربردهای دیگر شامل استفاده در ساخت و ساز برای سیستم‌های HVAC ، در سیستم‌های آتش نشانی ، در محفظه‌های خلاء ، در برج‌های مخابراتی و در تجهیزات بیمارستانی برای خطوط اکسیژن و HVAC می‌باشد.
استفاده گسترده از فلنج‌ها در صنایع مختلف، انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان آن‌ها را نشان می‌دهد. الزامات خاص هر صنعت (مانند فشار بالا در نفت و گاز، بهداشت در صنایع غذایی) نوع فلنج و مواد مورد استفاده را تعیین می‌کند.
انتخاب مواد برای ساخت فلنج: خواص و دلایل استفاده
انتخاب مواد مناسب برای ساخت فلنج از اهمیت بالایی برخوردار است و به طور مستقیم بر عملکرد و طول عمر آن‌ها تأثیر می‌گذارد.
آهن و آلیاژهای آن: آهن و چدن اغلب برای ساخت فلنج‌ها در کاربردهای با فشار پایین مانند اتصالات شیرآلات که نشتی در آن‌ها اهمیت کمتری دارد، استفاده می‌شوند. با این حال، به دلیل عملکرد بالاتر، فولاد معمولاً محبوب‌تر است.
فولاد (فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ):
فولاد کربنی: به دلیل استحکام و مناسب بودن برای کاربردهای با فشار و دمای متوسط، به طور گسترده استفاده می‌شود. استانداردهایی مانند ASTM A105 برای این نوع فولاد وجود دارد.
فولاد آلیاژی: برای کاربردهای با فشار و دمای بالا، اغلب در صنایع سخت مانند نفت و گاز و تولید برق استفاده می‌شود. آلیاژهای خاص مانند ASTM A182 F22 نیز در این دسته قرار می‌گیرند.
فولاد ضد زنگ: در کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی است، مانند صنایع غذایی، دارویی و محیط‌های دریایی، استفاده می‌شود. گریدهایی مانند 304/L و 316/L از رایج‌ترین‌ها هستند.
مس و آلیاژهای آن (برنج، برنز): برای کاربردهایی که نیاز به رسانایی حرارتی بالا و مقاومت در برابر خوردگی دارند، مانند سیستم‌های حرارتی و صنایع شیمیایی، استفاده می‌شوند.
سایر مواد (آلومینیوم، پلاستیک‌ها، پلی‌اتیلن):
آلومینیوم: به دلیل سبکی و مقاومت در برابر خوردگی، گاهی در سیستم‌های هیدرولیک استفاده می‌شود.
پلاستیک‌ها: مانند PVC و پلی‌اتیلن، برای مقاومت در برابر خوردگی در سیستم‌های آب و فاضلاب و گاهی در صنایع شیمیایی یا غذایی استفاده می‌شوند.
پلی‌اتیلن: در سیستم‌های لوله‌کشی پلی‌اتیلن استفاده می‌شود و می‌تواند با فلنج‌های پلی‌اتیلن که به روش جوشکاری یا پیچ و مهره متصل می‌شوند، مرتبط شود.
انتخاب مواد مناسب برای فلنج بستگی به نیازهای خاص کاربرد از نظر فشار، دما، سازگاری با سیال و شرایط محیطی دارد. تنوع مواد مورد استفاده نشان‌دهنده گستردگی محیط‌های عملیاتی است که فلنج‌ها در آن‌ها به کار گرفته می‌شوند.
تحلیل مقایسه‌ای: اتصالات فلنجی در مقابل جوشکاری
انتخاب بین اتصالات فلنجی و جوشکاری به عوامل مختلفی بستگی دارد و هر روش مزایا و معایب خاص خود را دارد.
هزینه: در حالی که هزینه اولیه فلنج‌ها ممکن است بیشتر از جوشکاری باشد ، مزایای بلندمدت مانند سهولت نگهداری و تعویض می‌تواند منجر به صرفه‌جویی کلی در هزینه شود. هزینه‌های جوشکاری می‌تواند بر اساس پیچیدگی و گواهینامه‌های مورد نیاز متفاوت باشد.
زمان نصب: نصب فلنج در برخی موارد، به ویژه برای قطرهای بزرگتر، می‌تواند سریع‌تر باشد زیرا از زمان مورد نیاز برای جوشکاری و خنک کردن جلوگیری می‌کند. با این حال، برای فلنج‌ها، تراز دقیق بسیار مهم است. زمان جوشکاری به عواملی مانند اندازه لوله و روش جوشکاری بستگی دارد.
سهولت نصب و جداسازی: مزیت قابل توجه فلنج‌ها، امکان جداسازی آسان برای نگهداری، تعمیر یا تعویض است که در اتصالات جوشی دشوار است.
استحکام: اتصالات جوشی معمولاً استحکام بالاتری را ارائه می‌دهند و اتصال بدون درز ایجاد می‌کنند که خطر نشتی را کاهش می‌دهد و برای سیستم‌های بحرانی با فشار بالا مناسب هستند. فلنج‌ها در صورت اتصال مناسب با پیچ و مهره نیز می‌توانند استحکام خوبی ارائه دهند.
مناسب برای شرایط عملیاتی خاص: جوشکاری ممکن است برای اتصالات دائمی و در شرایطی که نشتی به هیچ وجه قابل قبول نیست، ترجیح داده شود. فلنج‌ها زمانی ترجیح داده می‌شوند که نیاز به نگهداری یا تغییرات مکرر باشد.
انتخاب بین اتصالات فلنجی و جوشکاری شامل مصالحه‌ای بین هزینه اولیه و سهولت جداسازی در مقابل استحکام و دائمی بودن اتصال است. الزامات عملیاتی سیستم، از جمله نیاز به نگهداری و شدت شرایط سرویس، باید راهنمای این تصمیم باشد.
استانداردهای بین‌المللی و منطقه‌ای حاکم بر فلنج‌ها
مروری بر سازمان‌های کلیدی استاندارد: سازمان‌هایی مانند ASME، DIN، API، ISO، BS و JIS به توسعه و نگهداری استانداردهای فلنج می‌پردازند.
بررسی دقیق استانداردهای ANSI/ASME: استاندارد ASME B16.5 و B16.47، دامنه کاربرد آن‌ها (اندازه‌های لوله و کلاس‌های فشار) و ارتباط آن‌ها، به ویژه در آمریکای شمالی و صنعت نفت و گاز، مورد بررسی قرار می‌گیرد.
بررسی دقیق استانداردهای DIN/EN: استانداردهای DIN، واحدهای متریک آن‌ها، درجه‌بندی فشار (PN) و استفاده گسترده در اروپا شرح داده می‌شود. به استانداردهای EN به عنوان جایگزینی برای استانداردهای ملی در اروپا اشاره می‌شود.
مروری بر استانداردهای API: تمرکز استانداردهای API بر بخش‌های نفت، گاز و پتروشیمی با تأکید بر کاربردهای فشار و دمای بالا مورد بحث قرار می‌گیرد.
مروری بر استانداردهای ISO: هدف استانداردهای ISO برای هماهنگ‌سازی بین‌المللی، با ISO 7005 به عنوان استاندارد کلیدی برای فلنج‌های فولادی، توضیح داده می‌شود.
سایر استانداردهای مرتبط (BS, JIS): استانداردهای BS مورد استفاده در انگلستان و استرالیا و استانداردهای JIS/KS مورد استفاده در ژاپن و کره به طور خلاصه شرح داده می‌شوند.
تاریخچه فلنج: تکامل فناوری و کاربرد
اولین استفاده ثبت شده از فلنج‌ها در خطوط لوله تجاری در کانادا در حدود سال 1853 بوده است. اصطلاح "فلنج" برای اولین بار در سال 1809 مطرح شد اما استفاده گسترده از آن در اوایل قرن بیستم آغاز گردید. سیستم‌های لوله‌کشی از بامبو به فلز تکامل یافتند و لوله‌های فولادی جوش داده شده در حدود سال 1815 ظاهر شدند. در طول قرن بیستم، با پیچیده‌تر و سخت‌تر شدن فرآیندهای صنعتی، اهمیت فلنج‌ها در صنایع مختلف افزایش یافت. استانداردهای فلنج نیز به طور مداوم در حال تکامل هستند تا پیشرفت‌های فناوری را در خود جای دهند و به مسائل نوظهور رسیدگی کنند. این تاریخچه نشان می‌دهد که با تکامل نیازهای صنعتی، به ویژه با ظهور کاربردهای با فشار و دمای بالا، روش‌های اتصال از روش‌های ابتدایی به اتصالات فلنجی پیچیده‌تر پیشرفت کرده‌اند.
مزایای کلیدی استفاده از فلنج‌ها در سیستم‌های لوله‌کشی
استفاده از فلنج‌ها در سیستم‌های لوله‌کشی مزایای متعددی دارد که به طور خلاصه در زیر آورده شده است:
سهولت نصب و جداسازی که نگهداری و تغییرات را ساده می‌کند.
انعطاف‌پذیری در طراحی و تغییر سیستم.
تطبیق‌پذیری در اتصال لوله‌هایی با جنس و اندازه‌های مختلف.
مناسب برای شرایط مختلف فشار و دما بسته به نوع و جنس.
صرفه اقتصادی در بسیاری از کاربردها، به ویژه با در نظر گرفتن هزینه چرخه عمر شامل نگهداری.