Ikke-standard marineflange: Design, smedning og godkendelse

Når standardflanger bliver utilstrækkelige

Standard marineflanger, fremstillet til JIS F7804 til nominelle tryk på 5K, 10K, 16K og 20K eller til ASME B16.5 for klasse 150 til og med klasse 2500, dækker langt de fleste skibstjenester, herunder ballastvand, lænse, brændselsolieoverførsel og ferskvand. Disse flanger er på lager hos chandlere og reparationsværfter verden over, og deres udskiftelighed er grundlaget for maritim logistik. Specifikke driftsforhold tvinger imidlertid ingeniøren ud af standardflangebordet.

Den første betingelse er, at temperaturen overstiger standardmaterialegrænserne. En standard S25C kulstofstål JIS 10K flange er klassificeret til service mellem -10°C og 300°C . Når et termisk olieopvarmningssystem fungerer ved 340°C, skal flangematerialet opgraderes til en molybdæn-bærende legering såsom ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), som ikke har nogen direkte JIS-ækvivalent i standardflangetabellerne. Flangen skal så designes ud fra første principper, med vægtykkelser og boltstørrelser beregnet til den tilladte belastning ved den forhøjede temperatur.

Den anden betingelse er kemisk uforenelighed. Lastlinjer på kemikalietankskibe, der håndterer koncentreret fosforsyre i en koncentration på 85 %, kræver flanger i UNS S31254 super austenitisk rustfrit stål , en kvalitet, der ikke er opført i nogen marineflangestandard. Flangedimensionerne kan afspejle et standard JIS- eller ASME-mønster for udskiftelighed med shore-manifolden, men materialets sporbarhed, mekanisk testning og korrosionsbestandighed skal være certificeret i forhold til en skræddersyet fremstillingsspecifikation.

Den tredje betingelse er pladsbegrænsning. Maskinrumsrør i lænsebrøndene under hovedmotorbrønden går ofte gennem mellemrum, der er for snævre til en standard flange med forhøjet flade med en boltecirkel i fuld størrelse. Flangens udvendige diameter skal reduceres til under standarddimensionen, hvilket kræver en ikke-standard boltcirkel og bolte med mindre diameter med høj trækstyrke for at opretholde pakningens sædespænding, mens den passer inden for den tilgængelige kappe.

Designmetodik og spændingsberegning

En ikke-standard marineflange er designet ved hjælp af Taylor Forge-metoden, kodificeret i ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 Appendiks 2, som er den accepterede beregningsstandard på tværs af alle større klassifikationsselskaber. Metoden modellerer flangeringen, navet og det vedhæftede rør eller skal som et elastisk koblet system, der beregner de spændinger, der opstår fra boltens forspænding og det indre tryk uafhængigt, og kombinerer dem derefter med passende spændingsgrænser.

Boltbelastningen under pakningssædeforhold er den kraft, der kræves for at komprimere pakningen til dens minimale siddespænding, en værdi offentliggjort af pakningsproducenten. For en spiralviklet pakning med et PTFE-fyldstof og en ydre ring er den minimale siddespænding typisk 69 MPa (10.000 psi) for en pakningsbredde på 12 mm. Den samlede boltkraft er så produktet af denne siddespænding og pakningskontaktområdet. Boltens tværsnitsareal er dimensioneret således, at boltspændingen ikke overstiger 50 % af boltmaterialets minimum flydespænding ved designtemperaturen , med yderligere mulighed for afspænding af pakningskrybning over de første 500 termiske cyklusser.

Selve flangeringen kontrolleres mod tre spændingskategorier: tangentiel spænding ved ringens indvendige diameter, radial spænding ved boltcirklen og langsgående navspænding ved overgangen mellem navet og ringen. De tilladte grænser, defineret i ASME Sektion VIII Division 2 for klasse 1-fartøjer, men tilpasset til søfart, er som følger. Den tangentielle spænding er begrænset til 1,5 gange den tilladte designspænding af flangematerialet . Den radiale spænding er begrænset til den grundlæggende tilladte designspænding. Den kombinerede spændingsintensitet ved nav-til-ring-fileten skal forblive under 1,5 gange den tilladte stress . En flange, der består disse tre kontroller med en minimumsmargin på 10 % under grænserne, anses for at være strukturelt tilstrækkelig.

Klassifikationsselskabs godkendelsesvej

En ikke-standard marineflange kan ikke installeres uden dokumenteret godkendelse fra fartøjets klassifikationsselskab. Godkendelsesprocessen adskiller sig fra en standardflange, som accepteres på grundlag af overholdelse af en anerkendt standard og et gyldigt materialecertifikat. Den ikke-standardiserede flange kræver en designvurderingspakke indsendt til klasseinspektøren til gennemgang og stempling.

Designvurderingspakken indeholder følgende obligatoriske dokumenter:

• Flangedimensionstegningen, inklusive den ydre diameter, boltcirkeldiameter, antal og diameter af bolte, forhøjede flademål, pakningskontaktbredde og navgeometrien fra flangebagsiden til svejseforberedelsen.
• Materialespecifikationen for flangelegemet, bolte, møtrikker og pakning, inklusive den gældende ASTM-, EN- eller JIS-standard, varmebehandlingstilstanden og de mindste mekaniske egenskaber ved stuetemperatur og ved designtemperaturen.
• Den komplette spændingsberegning i henhold til ASME Section VIII Division 1 Appendiks 2 eller den tilsvarende EN 13445-3 Klausul 11 ​​metode, med alle inputværdier refereret og alle mellemresultater vist. Beregningen skal vise, at alle spændingsforhold er under en, med et foretrukket maksimum på 0.90 for at navspændingsforholdet skal tage højde for den cykliske træthedsbelastningskarakteristik for vibrationer om bord på maskiner.
• Svejseprocedurespecifikationen og procedurekvalifikationsprotokollen for den svejsning, der forbinder flangen med røret, viser, at svejsemetallets trækstyrke og sejhed er lig med eller overstiger basismaterialernes.
• Den ikke-destruktive testplan, der specificerer 100 % volumetrisk undersøgelse af flangesmedningen ved ultralydstest til ASME SA-388 Klasse A til flanger over 4 tommer nominel boring eller med et designtryk på over 100 bar.

Når designvurderingen er godkendt, overværer klasseinspektøren den mekaniske test af en produktionsrepræsentativ prototypeflange, herunder en hydrostatisk tryktest kl. 1,5 gange designtrykket holdt i minimum 10 minutter uden synlig lækage eller permanent deformation. Først efter at prototypetestrapporten er godkendt, kan produktionsflanger fremstilles og stemples med klassesamfundets certificeringsmærke.

Materialevalg til korrosive og kryogene marinetjenester

Materialet i en ikke-standard flange er valgt i forhold til de korrosive arter, temperaturområdet og potentialet for galvanisk interaktion med det tilsluttede rør og skrogstrukturen. Følgende tabel opsummerer de standardmaterialekvaliteter, der er specificeret for almindelige ikke-standardapplikationer uden for JIS- og ASME-katalogområderne.

Smedning versus pladefremstilling

En ikke-standard marineflange kan fremstilles ved to fundamentalt forskellige fremstillingsruter: smedning fra en solid billet eller flammeskæring fra plademateriale efterfulgt af bearbejdning. Sondringen er ikke kosmetisk; det påvirker direkte den metallurgiske integritet af den færdige flange og dens egnethed til den påtænkte service.

En smedet flange begynder som en kontinuerligt støbt emne af den specificerede varme af stål, opvarmet til smedningstemperatur og bearbejdet i en åben presse eller ringvalse for at forfine den støbte kornstruktur til et kontinuerligt kornstrømningsmønster, der følger flangens kontur. Smedeprocessen reducerer den gennemsnitlige kornstørrelse af et kulstofstål fra ca ASTM 4 til ASTM 7 eller finere , hvilket øger både trækstyrke og Charpy-slagsejhed. Navet er smedet i et stykke, hvilket eliminerer den periferiske svejsning, der ville forbinde et separat nav til en pladeskåret ring. Klassifikationsselskaber påbyder smedet konstruktion for alle flanger i drift ovenfor 40 bar designtryk eller under -10°C designtemperatur , fordi trækstyrke- og slagegenskaberne i gennemtykkelsesretningen af en valset plade i sagens natur er ringere end en smedning.

En pladefremstillet flange er accepteret i lavtryksvandsystemer såsom hovedbrandledninger og ballastrør under 16 bar. Flangeringen er flammeskåren eller plasmaskåret fra plademateriale, og et bearbejdet nav er svejset til ringen med en fuldgennemtrængende rillesvejsning. Svejsningen skal være 100 % røntgen eller ultralydstestet, og den varmepåvirkede zone skal eftersvejses varmebehandles, hvis pladens kulstofækvivalent overstiger 0.43 , for at forhindre hydrogen-induceret revnedannelse i det grovkornede område, der støder op til fusionslinjen. Selv med disse forholdsregler er en pladefremstillet flange dereret af 15 % i tilladt tryk sammenlignet med en smedet flange med identiske dimensioner , som specificeret i de fleste klassifikationsselskabers rørfabrikationsregler.

Pakningsvalg og boltemomentprocedure

Det ikke-standardiserede flangedesign er uadskilleligt forbundet med paknings- og boltningsspecifikationen. Boltbelastningen beregnet under flangedesignet antager et specifikt pakningsmateriale med kendt minimumssædespænding og driftspakningsfaktor, kendt som "m"-faktoren i ASME-kodeterminologi. Ændring af pakningstype, efter at flangen er blevet bearbejdet, fra en spiralviklet pakning med en m-faktor på 3.0 til en komprimeret fiberpakning med en m-faktor på 2,0, reducerer den nødvendige boltbelastning og sænker følgelig flangespændingen, hvilket generelt er sikkert. Den omvendte udskiftning, der indfører en pakning, der kræver en højere siddespænding, overbelaster flangen og er ikke tilladt uden genindsendelse af designvurderingen.

Boltens tilspændingssekvens og målmomentet er kritiske for ikke-standard flanger, fordi den reducerede boltcirkeldiameter koncentrerer boltbelastningen over et mindre ringformet område, hvilket øger flangeringens bøjningsmoment. Boltene spændes i minimum tre omgange ved hjælp af stjernemønstersekvensen. Den første passage bringer alle bolte til 30 % af måldrejningsmomentet . Det andet gennemløb stiger til 60%, og det tredje gennemløb når 100%. Efter en minimumsventeperiode på fire timer påføres en fjerde passage ved 100 % drejningsmoment for at kompensere for afslapning af pakningens krybning. Målmomentet beregnes ud fra designboltspændingen, ikke fra en generisk drejningsmomenttabel, ved hjælp af formlen, der inkorporerer gevindstigningsdiameteren, friktionskoefficienten i gevindene og under møtrikfladen og møtrikfaktoren K, som for en smurt tap med en hærdet skive er 0,16 til 0,20 .

Dimensionel udskiftelighed og reservedelsstrategi

A non-standard flange, by definition, will not mate with a standard flange of the same nominal pipe size unless the bolt circle and raised face dimensions happen to coincide. Dette skaber en reservedelsbyrde, som skal håndteres på designstadiet. The vessel's piping isometric drawings and the flange management database must clearly flag every non-standard flange with a unique identification code, and a minimum of two spare flanges and two spare gasket sets per non-standard size must be carried on board as part of the vessel's mandatory spare gear inventory.

For chemical tankers and product carriers that connect to shore manifolds, the non-standard flange on the ship side must transition to a standard flange at the manifold presentation face. A non-standard flange on a stainless steel cargo line with a reduced outside diameter to clear a structural web frame must not be the terminal flange that the shore hose coupling bolts to. Instead, a pup piece with the non-standard flange on the inboard end and a standard ASME B16.5 Class 150 flange on the outboard end restores interchangeability at the ship-to-shore interface. Hvalpestykket er hydrostatisk testet som en separat samling og stemplet med begge flangeidentifikationskoder før installation.

Eftersyn og pensionskriterier

Non-standard flanges are subject to the same survey intervals as standard flanges under the vessel's continuous survey cycle, typically a general visual inspection annually and a more detailed thickness measurement and non-destructive examination at the five-year special survey. The inspection focus is on the hub-to-ring fillet radius, which is the location of maximum calculated stress and the most common site for fatigue crack initiation.

A magnetic particle inspection of the fillet region is performed on non-standard flanges in cyclic services such as cargo pump discharge lines and steam smothering systems, where the pressure fluctuates from zero to design pressure more than 10.000 cyklusser om året . Any linear indication exceeding 3 mm in length on the surface of the fillet is grounds for flange rejection and replacement, because the fillet stress concentration factor of approximately 2,5 til 3,0 betyder, at en lille overfladerevne vil forplante sig gennem navets vægtykkelse i en brøkdel af den næste driftscyklus. Tykkelsesmålinger ved de forhøjede savtakker registreres også; en reduktion i savtakket dybde nedenfor 0,4 mm (1/64 tomme) requires the flange face to be re-machined or the flange replaced, because the serrations provide the mechanical grip that prevents gasket blowout under pressure.