Ikke-standard marineflens: Design, smiing og godkjenning

Når standardflenser blir utilstrekkelige

Standard marineflenser, produsert til JIS F7804 for nominelt trykk på 5K, 10K, 16K og 20K eller til ASME B16.5 for klasse 150 til og med klasse 2500, dekker det store flertallet av skipstjenester inkludert ballastvann, lense, fyringsoljeoverføring og ferskvann. Disse flensene lagerføres av chandlere og reparasjonsverksteder over hele verden, og deres utskiftbarhet er grunnlaget for maritim logistikk. Spesifikke driftsforhold tvinger imidlertid ingeniøren bort fra standard flensbordet.

Den første betingelsen er at temperaturen overskrider standard materialgrenser. En standard S25C karbonstål JIS 10K flens er vurdert for service mellom -10°C og 300°C . Når et termisk oljeoppvarmingssystem opererer ved 340°C, må flensmaterialet oppgraderes til en molybdenholdig legering som ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), som ikke har noen direkte JIS-ekvivalent i standard flenstabeller. Flensen må da utformes ut fra første prinsipper, med veggtykkelser og boltstørrelser beregnet til tillatt spenning ved forhøyet temperatur.

Den andre betingelsen er kjemisk inkompatibilitet. Lastelinjer på kjemikalietankere som håndterer konsentrert fosforsyre i 85 % konsentrasjon krever flenser i UNS S31254 super austenittisk rustfritt stål , en klasse som ikke er oppført i noen marine flensstandarder. Flensdimensjonene kan speile et standard JIS- eller ASME-mønster for utskiftbarhet med landmanifolden, men materialets sporbarhet, mekanisk testing og korrosjonsmotstand må sertifiseres mot en skreddersydd produksjonsspesifikasjon.

Den tredje betingelsen er plassbegrensning. Maskinromsrør i lensebrønnene under hovedmotorkummen går ofte gjennom klaringer som er for trange for en standard flens med hevet flate med en boltesirkel i full størrelse. Utvendig diameter på flensen må reduseres under standarddimensjonen, noe som krever en ikke-standard boltsirkel og bolter med mindre diameter for å opprettholde pakningens festespenning mens den passer innenfor den tilgjengelige konvolutten.

Designmetodikk og spenningsberegning

En ikke-standard marin flens er designet ved hjelp av Taylor Forge-metoden, kodifisert i ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 Appendix 2, som er den aksepterte beregningsstandarden i alle større klassifikasjonsselskaper. Metoden modellerer flensringen, navet og det vedlagte røret eller skallet som et elastisk koblet system, og beregner spenningene som oppstår fra boltens forhåndsbelastning og det indre trykket uavhengig, og kombinerer dem med passende spenningsgrenser.

Boltbelastningen under pakningssetetilstand er kraften som kreves for å komprimere pakningen til dens minimale setespenning, en verdi publisert av pakningsprodusenten. For en spiralviklet pakning med et PTFE-fyllstoff og en ytre ring, er minimum setespenning typisk 69 MPa (10 000 psi) for en pakningsbredde på 12 mm. Den totale boltkraften er da produktet av denne setespenningen og pakningens kontaktareal. Boltens tverrsnittsareal er dimensjonert slik at boltspenningen ikke overskrider 50 % av boltmaterialets minste flytegrense ved designtemperatur , med en ytterligere mulighet for avslapning av pakningskryp i løpet av de første 500 termiske syklusene.

Selve flensringen kontrolleres mot tre spenningskategorier: tangentiell spenning ved ringens indre diameter, radiell spenning ved boltsirkelen og langsgående navspenning i krysset mellom navet og ringen. De tillatte grensene, definert i ASME seksjon VIII divisjon 2 for fartøy i klasse 1, men tilpasset for sjøtjeneste, er som følger. Tangentialspenningen er begrenset til 1,5 ganger den tillatte designspenningen til flensmaterialet . Den radielle spenningen er begrenset til den grunnleggende tillatte designspenningen. Den kombinerte spenningsintensiteten ved nav-til-ring-fileten må holde seg under 1,5 ganger tillatt stress . En flens som består disse tre kontrollene med en minimumsmargin på 10 % under grensene anses som strukturelt tilstrekkelig.

Klassifikasjonsselskapets godkjenningsvei

En ikke-standard marin flens kan ikke installeres uten dokumentert godkjenning fra fartøyets klassifiseringsselskap. Godkjenningsprosessen er forskjellig fra en standardflens, som aksepteres på grunnlag av samsvar med en anerkjent standard og et gyldig materialsertifikat. Den ikke-standardiserte flensen krever en designvurderingspakke som sendes til klassemåleren for gjennomgang og stempling.

Designvurderingspakken inneholder følgende obligatoriske dokumenter:

• Flensdimensjonstegningen, inkludert ytre diameter, boltsirkeldiameter, antall og diameter på bolter, dimensjoner for hevede flater, pakningskontaktbredde og navgeometrien fra flensens bakside til sveiseforberedelsen.
• Materialspesifikasjonen for flenslegemet, bolter, muttere og pakning, inkludert gjeldende ASTM-, EN- eller JIS-standard, varmebehandlingstilstanden og minimums mekaniske egenskaper ved romtemperatur og ved designtemperatur.
• Den komplette spenningsberegningen i henhold til ASME Seksjon VIII Avdeling 1 Vedlegg 2 eller tilsvarende EN 13445-3 Klausul 11-metoden, med alle inngangsverdier referert og alle mellomresultater vist. Beregningen må vise at alle spenningsforhold er under enhet, med et foretrukket maksimum på 0.90 for at navspenningsforholdet skal ta hensyn til den sykliske tretthetsbelastningskarakteristikken til vibrasjoner om bord i maskineri.
• Sveiseprosedyrespesifikasjonen og prosedyrekvalifikasjonen registrerer for sveisen som skal forbinde flensen til røret, og viser at sveisemetallets strekkfasthet og seighet er lik eller overstiger basismaterialene.
• Den ikke-destruktive testplanen, som spesifiserer 100 % volumetrisk undersøkelse av flenssmiingen ved ultralydtesting for å ASME SA-388 klasse A for flenser over 4 tommer nominell boring eller med et designtrykk som overstiger 100 bar.

Når designvurderingen er godkjent, er klassemåleren vitne til den mekaniske testingen av en produksjonsrepresentativ prototypeflens, inkludert en hydrostatisk trykktest kl. 1,5 ganger konstruksjonstrykket holdt i minimum 10 minutter uten synlig lekkasje eller permanent deformasjon. Først etter at prototypetestrapporten er godkjent, kan produksjonsflenser produseres og stemples med klassesamfunnssertifiseringsmerket.

Materialvalg for korrosive og kryogene marine tjenester

Materialet til en ikke-standard flens velges mot korrosive arter, temperaturområdet og potensialet for galvanisk interaksjon med det tilkoblede røret og skrogstrukturen. Tabellen nedenfor oppsummerer standard materialkvaliteter spesifisert for vanlige ikke-standardapplikasjoner utenfor JIS- og ASME-katalogområdene.

Smiing versus platefabrikasjon

En ikke-standard marin flens kan produseres ved to fundamentalt forskjellige produksjonsruter: smiing fra en solid barre, eller flammeskjæring fra platelager etterfulgt av maskinering. Skillet er ikke kosmetisk; det påvirker direkte den metallurgiske integriteten til den ferdige flensen og dens egnethet for den tiltenkte tjenesten.

En smidd flens begynner som en kontinuerlig støpt emne av den spesifiserte varmen av stål, oppvarmet til smitemperatur og bearbeidet i en åpen dysepresse eller ringvalse for å foredle den støpte kornstrukturen til et kontinuerlig kornstrømningsmønster som følger flensens kontur. Smiingsprosessen reduserer den gjennomsnittlige kornstørrelsen til et karbonstål fra ca ASTM 4 til ASTM 7 eller finere , øker både strekkfasthet og Charpy slagfasthet. Navet er integrert smidd, noe som eliminerer den periferiske sveisen som vil forbinde et separat nav til en plateskåret ring. Klassifikasjonsselskapene gir mandat til smidd konstruksjon for alle flenser i bruk ovenfor 40 bar designtrykk eller under -10°C designtemperatur , fordi strekk-duktiliteten og slagegenskapene i gjennomtykkelsesretningen til en valset plate er iboende dårligere enn en smiing.

En platefremstilt flens er akseptert i lavtrykksvanntjenester som brannledning og ballastrør under 16 bar. Flensringen er flammeskjært eller plasmakuttet fra platelager, og et maskinert nav er sveiset til ringen med en helgjennomtrengende sporsveis. Sveisen må være 100 % røntgen eller ultralydtestet, og den varmepåvirkede sonen må varmebehandles etter sveising dersom karbonekvivalenten til platen overstiger 0.43 , for å forhindre hydrogenindusert sprekkdannelse i det grovkornede området ved siden av fusjonslinjen. Selv med disse forholdsreglene, er en platefremstilt flens redusert med 15 % i tillatt trykk sammenlignet med en smidd flens med identiske dimensjoner , som spesifisert i rørfabrikasjonsreglene til de fleste klassifikasjonsselskaper.

Pakningsvalg og boltemomentprosedyre

Den ikke-standard flensdesignen er uatskillelig knyttet til paknings- og boltespesifikasjonen. Boltbelastningen beregnet under flensdesignet forutsetter et spesifikt pakningsmateriale med kjent minimum setespenning og driftspakningsfaktor, kjent som "m"-faktoren i ASME-kodeterminologi. Endring av pakningstype etter at flensen er maskinert, fra en spiralviklet pakning med en m-faktor på 3.0 til en komprimert fiberpakning med en m-faktor på 2,0, reduserer den nødvendige boltbelastningen og reduserer følgelig flensspenningen, noe som generelt sett er trygt. Den omvendte erstatningen, som introduserer en pakning som krever høyere setebelastning, overspenner flensen og er ikke tillatt uten å sende inn designvurderingen på nytt.

Boltstrammingssekvensen og målmomentet er kritisk for ikke-standardflenser fordi den reduserte boltsirkeldiameteren konsentrerer boltbelastningen over et mindre ringformet område, og øker flensringens bøyemoment. Boltene strammes i minimum tre omganger ved hjelp av stjernemønstersekvensen. Den første passeringen bringer alle bolter til 30 % av målmomentet . Den andre passeringen øker til 60%, og den tredje passeringen når 100%. Etter en minimumsventeperiode på fire timer påføres en fjerde passasje med 100 % dreiemoment for å kompensere for avslapping av pakningskryping. Målmomentet beregnes fra konstruksjonsboltspenningen, ikke fra en generisk dreiemomenttabell, ved bruk av formelen som inkluderer gjengestigningsdiameteren, friksjonskoeffisienten i gjengene og under mutterflaten, og mutterfaktoren K, som for en smurt bolt med en herdet skive er 0,16 til 0,20 .

Dimensjonsutskiftbarhet og reservedelsstrategi

En ikke-standard flens, per definisjon, vil ikke parre seg med en standardflens med samme nominelle rørstørrelse med mindre boltsirkelen og dimensjonene til den hevede flaten faller sammen. Dette skaper en reservedelsbyrde som må håndteres på designstadiet. Fartøyets isometriske tegninger og flensstyringsdatabasen må tydelig flagge hver ikke-standard flens med en unik identifikasjonskode, og minimum to reserveflenser og to reservepakningssett per ikke-standard størrelse må medbringes om bord som en del av fartøyets obligatoriske reserveutstyrsbeholdning.

For kjemikalietankere og produkttransportører som kobles til landmanifolder, må den ikke-standardiserte flensen på skipssiden gå over til en standardflens ved manifoldens presentasjonsflate. En ikke-standard flens på en lastelinje i rustfritt stål med redusert ytre diameter for å klare en strukturell nettramme, må ikke være terminalflensen som landslangen kopler til. I stedet gjenoppretter et valpestykke med den ikke-standard flensen på innenbordsenden og en standard ASME B16.5 Class 150 flens på ytterenden utskiftbarheten ved grensesnittet mellom skip og land. Valpestykket er hydrostatisk testet som en separat sammenstilling og stemplet med begge flensidentifikasjonskodene før installasjon.

Ettersyn og pensjoneringskriterier

Ikke-standardflenser er underlagt de samme undersøkelsesintervallene som standardflenser under fartøyets kontinuerlige undersøkelsessyklus, typisk en generell visuell inspeksjon årlig og en mer detaljert tykkelsesmåling og ikke-destruktiv undersøkelse ved den femårige spesialundersøkelsen. Inspeksjonsfokuset er på nav-til-ring filetradius, som er plasseringen av maksimal beregnet spenning og det vanligste stedet for initiering av utmattingssprekker.

En magnetisk partikkelinspeksjon av filetområdet utføres på ikke-standard flenser i sykliske tjenester som lastepumpeutløpsledninger og dampkvelende systemer, der trykket svinger fra null til designtrykk mer enn 10 000 sykluser per år . Enhver lineær indikasjon som overstiger 3 mm i lengde på overflaten av fileten er grunnlag for flensavvisning og utskifting, fordi filetens spenningskonsentrasjonsfaktor på ca. 2,5 til 3,0 betyr at en liten overflatesprekke vil forplante seg gjennom navets veggtykkelse i en brøkdel av neste driftssyklus. Tykkelsesmålinger ved de hevede ansiktssandene blir også registrert; en reduksjon i serrationsdybde nedenfor 0,4 mm (1/64 tomme) krever at flensflaten maskineres på nytt eller at flensen skiftes ut, fordi takkingene gir det mekaniske grepet som forhindrer pakningens utblåsning under trykk.