Flanșă marină non-standard: proiectare, forjare și aprobare

Când flanșele standard devin inadecvate

Flanșe marine standard, fabricate conform JIS F7804 pentru presiuni nominale de 5K, 10K, 16K și 20K sau conform ASME B16.5 pentru Clasa 150 până la Clasa 2500, acoperă marea majoritate a serviciilor de bord, inclusiv apa de balast, santină, transfer de păcură și apă dulce. Aceste flanșe sunt stocate de chandler și șantiere de reparații din întreaga lume, iar interschimbabilitatea lor este fundamentul logisticii maritime. Cu toate acestea, condițiile de funcționare specifice forțează inginerul să se îndepărteze de masa standard cu flanșe.

Prima condiție este temperatura care depășește limitele standard ale materialului. O flanșă standard S25C din oțel carbon JIS 10K este evaluată pentru service între -10°C și 300°C . Când un sistem de încălzire cu ulei termic funcționează la 340°C, materialul flanșei trebuie transformat într-un aliaj cu rulment de molibden, cum ar fi ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), care nu are un echivalent JIS direct în tabelele standard de flanșă. Flanșa trebuie apoi proiectată din primele principii, cu grosimile pereților și dimensiunile șuruburilor calculate la solicitarea admisă la temperatură ridicată.

A doua condiție este incompatibilitatea chimică. Liniile de marfă de pe cisternele chimice care manipulează acid fosforic concentrat la o concentrație de 85% necesită flanșe în Oțel inoxidabil super austenitic UNS S31254 , un grad care nu este enumerat în niciun standard de flanșă marine. Dimensiunile flanșei pot oglindi un model standard JIS sau ASME pentru interschimbabilitate cu colectorul de țărm, dar trasabilitatea materialului, testarea mecanică și rezistența la coroziune trebuie să fie certificate conform unei specificații de fabricație la comandă.

A treia condiție este constrângerea spațiului. Conductele sălii mașinilor din puțurile de santină de sub carterul principal al motorului trec adesea prin spații libere prea strânse pentru o flanșă standard cu față ridicată cu un cerc de șuruburi de dimensiune completă. Diametrul exterior al flanșei trebuie redus sub dimensiunea standard, necesitând un cerc de șuruburi non-standard și șuruburi de înaltă rezistență cu diametru mai mic pentru a menține tensiunea de așezare a garniturii în timp ce se potrivește în anvelopa disponibilă.

Metodologia de proiectare și calculul tensiunilor

O flanșă marină non-standard este proiectată folosind metoda Taylor Forge, codificată în Codul pentru cazane și recipiente sub presiune ASME Secțiunea VIII Diviziunea 1 Apendicele 2, care este standardul de calcul acceptat în toate societățile de clasificare majore. Metoda modelează inelul flanșei, butucul și țeava sau mantaua atașată ca un sistem cuplat elastic, calculând tensiunile care decurg din preîncărcarea șurubului și presiunea internă independent, combinându-le apoi cu limitele de solicitare corespunzătoare.

Sarcina șurubului în starea de așezare a garniturii este forța necesară pentru a comprima garnitura până la solicitarea minimă de așezare, o valoare publicată de producătorul garniturii. Pentru o garnitură înfășurată în spirală cu umplutură PTFE și un inel exterior, tensiunea minimă de așezare este de obicei 69 MPa (10.000 psi) pentru o latime a garniturii de 12 mm. Forța totală a șuruburilor este apoi produsul acestei tensiuni de așezare și suprafața de contact a garniturii. Secțiunea transversală a șurubului este dimensionată astfel încât solicitarea șurubului să nu depășească 50% din limita de curgere a materialului șurubului la temperatura de proiectare , cu un alt permis pentru relaxarea fluajului garniturii în primele 500 de cicluri termice.

Inelul flanșei în sine este verificat în funcție de trei categorii de tensiuni: efort tangenţial la diametrul interior al inelului, efort radial la cercul bolțului și efort longitudinal al butucului la joncțiunea dintre butuc și inel. Limitele admisibile, definite în ASME Secțiunea VIII Diviziunea 2 pentru navele din clasa 1, dar adaptate pentru serviciul maritim, sunt următoarele. Efortul tangențial este limitat la 1,5 ori tensiunea de proiectare admisă a materialului flanșei . Tensiunea radială este limitată la solicitarea de proiectare admisă de bază. Intensitatea combinată a tensiunii la fileul butuc la inel trebuie să rămână sub de 1,5 ori stresul admis . O flanșă care trece aceste trei verificări cu o marjă minimă de 10% sub limite este considerată adecvată din punct de vedere structural.

Calea de aprobare a societății de clasificare

O flanșă marină non-standard nu poate fi instalată fără aprobarea documentată din partea societății de clasificare a navei. Procesul de aprobare diferă de cel al unei flanșe standard, care este acceptată pe baza respectării unui standard recunoscut și a unui certificat de material valabil. Flanșa non-standard necesită un pachet de evaluare a designului prezentat inspectorului de clasă pentru revizuire și ștampilare.

Pachetul de evaluare a proiectării conține următoarele documente obligatorii:

• Desenul dimensiunii flanșei, inclusiv diametrul exterior, diametrul cercului șuruburilor, numărul și diametrul șuruburilor, dimensiunile feței înălțate, lățimea contactului garniturii și geometria butucului de la fața din spate a flanșei până la pregătirea sudurii.
• Specificația materialului pentru corpul flanșei, șuruburi, piulițe și garnitură, inclusiv standardul aplicabil ASTM, EN sau JIS, starea de tratament termic și proprietățile mecanice minime la temperatura camerei și la temperatura de proiectare.
• Calculul complet al tensiunii conform ASME Secțiunea VIII Diviziunea 1 Apendicele 2 sau metoda echivalentă EN 13445-3 Clauza 11, cu toate valorile de intrare menționate și toate rezultatele intermediare afișate. Calculul trebuie să demonstreze că toate rapoartele de tensiuni sunt sub unitate, cu un maxim preferat de 0.90 pentru ca raportul de tensiuni la butuc să țină cont de sarcina ciclică la oboseală caracteristică vibrației mașinilor de la bord.
• Specificațiile procedurii de sudare și înregistrarea de calificare a procedurii pentru sudarea care va uni flanșa de țeavă, demonstrând că rezistența la tracțiune și tenacitatea metalului de sudare sunt egale sau depășesc pe cele ale materialelor de bază.
• Planul de testare nedistructivă, care specifică examinarea volumetrică 100% a forjarii flanșei prin testare cu ultrasunete la ASME SA-388 Clasa A pentru flanșe de peste 4 inci alezaj nominal sau cu o presiune de proiectare care depășește 100 bar.

Odată ce evaluarea proiectării este aprobată, inspectorul de clasă este martor la testarea mecanică a unui prototip de flanșă reprezentativ pentru producție, inclusiv un test de presiune hidrostatică la 1,5 ori presiunea de proiectare menținută timp de minim 10 minute fără scurgeri vizibile sau deformare permanentă. Numai după aprobarea raportului de testare a prototipului, flanșele de producție pot fi fabricate și ștampilate cu marca de certificare a societății de clasă.

Selectarea materialelor pentru servicii marine corozive și criogenice

Materialul unei flanșe non-standard este selectat în funcție de speciile corozive, intervalul de temperatură și potențialul de interacțiune galvanică cu conducta conectată și structura carcasei. Următorul tabel rezumă clasele de materiale standard specificate pentru aplicații comune nestandard în afara gamelor de catalog JIS și ASME.

Forjare versus fabricarea plăcilor

O flanșă marină non-standard poate fi produsă prin două căi de fabricație fundamental diferite: forjare dintr-o țagle solidă sau tăiere cu flacără din stocul de plăci, urmată de prelucrare. Distincția nu este cosmetică; afectează direct integritatea metalurgică a flanșei finite și adecvarea acesteia pentru serviciul prevăzut.

O flanșă forjată începe ca o țeagă turnată continuu din căldura specificată a oțelului, încălzită la temperatura de forjare și prelucrată într-o presă cu matriță deschisă sau o rolă inelară pentru a rafina structura cerealelor turnate într-un model de curgere a granulelor continuu care urmează conturul flanșei. Procesul de forjare reduce dimensiunea medie a granulelor unui oțel carbon de la aproximativ ASTM 4 până la ASTM 7 sau mai fin , crescând atât rezistența la tracțiune, cât și rezistența la impact Charpy. Butucul este forjat integral, eliminând sudura circumferențială care ar uni un butuc separat cu un inel tăiat cu plăci. Societățile de clasificare impun construcția forjată pentru toate flanșele aflate în funcțiune de mai sus 40 bari presiune de proiectare sau sub -10°C temperatura de proiectare , deoarece proprietățile de ductilitate la tracțiune și de impact în direcția de trecere a grosimii unei plăci laminate sunt în mod inerent inferioare celor ale unei forjare.

O flanșă fabricată din plăci este acceptată în serviciile de apă de joasă presiune, cum ar fi conductele principale de incendiu și de balast sub 16 bar. Inelul cu flanșă este tăiat la flacără sau tăiat cu plasmă din materialul de placă, iar un butuc prelucrat este sudat pe inel cu o sudură cu canelură cu penetrare completă. Sudura trebuie să fie 100% radiografiată sau testată cu ultrasunete, iar zona afectată de căldură trebuie tratată termic după sudare dacă echivalentul de carbon al plăcii depășește 0.43 , pentru a preveni fisurarea indusă de hidrogen în regiunea cu granulație grosieră adiacentă liniei de fuziune. Chiar și cu aceste precauții, o flanșă fabricată cu plăci este redusă de 15% în presiunea admisă în comparație cu o flanșă forjată de dimensiuni identice , așa cum este specificat în regulile de fabricație a conductelor ale majorității societăților de clasificare.

Procedura de selecție a garniturii și cuplul de șuruburi

Designul non-standard al flanșei este inseparabil legat de specificațiile garniturii și șuruburilor. Sarcina șurubului calculată în timpul proiectării flanșei presupune un material specific al garniturii cu stres minim cunoscut și factor de funcționare al garniturii, cunoscut ca factorul „m” în terminologia codului ASME. Schimbarea tipului de garnitură după prelucrarea flanșei, de la o garnitură înfăşurată în spirală cu un factor m de 3.0 la o garnitură din fibră comprimată cu un factor m de 2,0, reduce sarcina necesară pentru șuruburi și, în consecință, scade solicitarea pe flanșă, care este în general sigură. Înlocuirea inversă, introducerea unei garnituri care necesită o solicitare mai mare de așezare, suprasolicita flanșa și nu este permisă fără retrimiterea evaluării de proiectare.

Secvența de strângere a șuruburilor și cuplul țintă sunt critice pentru flanșele non-standard, deoarece diametrul redus al cercului șurubului concentrează sarcina șurubului pe o zonă inelară mai mică, crescând momentul de încovoiere a inelului flanșei. Șuruburile sunt strânse în cel puțin trei treceri folosind secvența modelului de stea. Prima trecere aduce toate șuruburile la 30% din cuplul țintă . A doua trecere crește la 60%, iar a treia trecere ajunge la 100%. După o perioadă minimă de așteptare de patru ore, se aplică o a patra trecere la un cuplu de 100% pentru a compensa relaxarea fluajului garniturii. Cuplul țintă este calculat din solicitarea de proiectare a șurubului, nu dintr-un tabel de cuplu generic, folosind formula care încorporează diametrul pasului filetului, coeficientul de frecare în filete și sub fața piuliței și factorul piuliței K, care pentru un știft lubrifiat cu o șaibă întărită este 0,16 până la 0,20 .

Interschimbabilitatea dimensională și strategia pieselor de schimb

O flanșă non-standard, prin definiție, nu se va împerechea cu o flanșă standard de aceeași dimensiune nominală a țevii decât dacă dimensiunile cercului șuruburilor și ale feței ridicate coincid. Acest lucru creează o sarcină a pieselor de schimb care trebuie abordată în etapa de proiectare. Desenele izometrice ale tubulaturii navei și baza de date de gestionare a flanșelor trebuie să semnaleze în mod clar fiecare flanșă nestandard cu un cod unic de identificare, iar la bord trebuie să fie transportate la bord cel puțin două flanșe de rezervă și două seturi de garnituri de rezervă, ca parte a inventarului obligatoriu al echipamentului de rezervă al navei.

Pentru cisternele chimice și transportoarele de produse care se conectează la galeriile de la mal, flanșa non-standard de pe partea navei trebuie să treacă la o flanșă standard la fața de prezentare a galeriei. O flanșă nestandard pe o linie de marfă din oțel inoxidabil cu un diametru exterior redus pentru a curăța un cadru structural de bandă nu trebuie să fie flanșa terminală la care se fixează cuplajul furtunului de la mal. În schimb, o piesă cu flanșă non-standard la capătul interior și o flanșă standard ASME B16.5 Clasa 150 la capătul exterior restabilește interschimbabilitatea la interfața navă-țărm. Piesa de pui este testată hidrostatic ca un ansamblu separat și ștanțată cu ambele coduri de identificare a flanșei înainte de instalare.

Inspecție în serviciu și criterii de pensionare

Flanșele non-standard sunt supuse acelorași intervale de inspecție ca și flanșe standard în cadrul ciclului de inspecție continuă al navei, de obicei o inspecție vizuală generală anuală și o măsurare mai detaliată a grosimii și o examinare nedistructivă la inspecția specială de cinci ani. Inspecția se concentrează pe raza filetului butuc la inel, care este locația solicitării maxime calculate și cel mai comun loc pentru inițierea fisurilor de oboseală.

O inspecție a particulelor magnetice a regiunii de filet este efectuată pe flanșe non-standard în servicii ciclice, cum ar fi liniile de descărcare a pompelor de marfă și sistemele de sufocare a aburului, unde presiunea fluctuează de la zero la presiunea de proiectare mai mare decât 10.000 de cicluri pe an . Orice indicație liniară care depășește 3 mm lungime pe suprafața fileului este motiv pentru respingerea și înlocuirea flanșei, deoarece factorul de concentrare a tensiunii de filet de aproximativ 2,5 până la 3,0 înseamnă că o mică fisură de suprafață se va propaga prin grosimea peretelui butucului într-o fracțiune din următorul ciclu operațional. De asemenea, sunt înregistrate măsurătorile grosimii la crețurile înălțate ale feței; o reducere a adâncimii dinturilor de mai jos 0,4 mm (1/64 inch) necesită re-prelucrarea suprafeței flanșei sau înlocuirea flanșei, deoarece dințaturile asigură prinderea mecanică care previne explodarea garniturii sub presiune.