Non-Standard Marine Flange: Disenyo, Forging at Pag-apruba

Kapag ang mga karaniwang flanges ay naging hindi sapat

Ang mga karaniwang marine flanges, na ginawa sa JIS F7804 para sa mga nominal na pressure na 5K, 10K, 16K, at 20K o sa ASME B16.5 para sa Class 150 hanggang Class 2500, ay sumasaklaw sa karamihan ng mga serbisyo sa shipboard kabilang ang ballast water, bilge, fuel oil transfer, at sariwang tubig. Ang mga flanges na ito ay puno ng mga chandler at repair yard sa buong mundo, at ang kanilang pagpapalitan ay ang pundasyon ng maritime logistics. Gayunpaman, pinipilit ng mga partikular na kondisyon sa pagpapatakbo ang engineer na alisin ang karaniwang flange table.

Ang unang kondisyon ay ang temperatura na lumalampas sa karaniwang mga limitasyon ng materyal. Ang isang karaniwang S25C carbon steel JIS 10K flange ay na-rate para sa serbisyo sa pagitan -10°C at 300°C . Kapag ang isang thermal oil heating system ay gumagana sa 340°C, ang flange na materyal ay dapat na i-upgrade sa isang molybdenum-bearing alloy gaya ng ASTM A182 F11 (1.25Cr-0.5Mo), na walang direktang katumbas ng JIS sa mga karaniwang flange table. Ang flange ay dapat pagkatapos ay idinisenyo mula sa mga unang prinsipyo, na may mga kapal ng pader at laki ng bolt na kinakalkula sa pinapayagang diin sa mataas na temperatura.

Ang pangalawang kondisyon ay hindi pagkakatugma ng kemikal. Ang mga linya ng kargamento sa mga tanker ng kemikal na humahawak ng puro phosphoric acid sa 85% na konsentrasyon ay nangangailangan ng mga flanges sa UNS S31254 super austenitic hindi kinakalawang na asero , isang grado na hindi nakalista sa anumang marine flange standard. Ang mga dimensyon ng flange ay maaaring sumasalamin sa isang karaniwang pattern ng JIS o ASME para sa pagpapalitan sa shore manifold, ngunit ang kakayahang masubaybayan ng materyal, mekanikal na pagsubok, at paglaban sa kaagnasan ay dapat na sertipikado laban sa isang pasadyang detalye ng pagmamanupaktura.

Ang ikatlong kondisyon ay space constraint. Ang mga piping ng silid ng makina sa mga bilge well sa ilalim ng pangunahing sump ng makina ay kadalasang dumadaan sa mga clearance na masyadong masikip para sa isang karaniwang nakataas na mukha na flange na may buong laki ng bolting circle. Ang flange sa labas ng diameter ay dapat na bawasan sa ibaba ng karaniwang dimensyon, na nangangailangan ng isang hindi karaniwang bolt circle at mas maliit na diameter na high-tensile bolts upang mapanatili ang gasket seating stress habang umaangkop sa loob ng available na sobre.

Metodolohiya ng disenyo at pagkalkula ng stress

Ang isang hindi karaniwang marine flange ay idinisenyo gamit ang Taylor Forge method, na naka-codify sa ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 Appendix 2, na siyang tinatanggap na pamantayan sa pagkalkula sa lahat ng mga pangunahing klasipikasyon na lipunan. Ang pamamaraan ay nagmomodelo sa flange ring, ang hub, at ang nakakabit na tubo o shell bilang isang elastically coupled system, na kino-compute ang mga stress na nagmumula sa bolt preload at ang panloob na pressure nang nakapag-iisa, pagkatapos ay pinagsama ang mga ito sa naaangkop na mga limitasyon ng stress.

Ang bolt load sa ilalim ng gasket seating condition ay ang puwersa na kinakailangan upang i-compress ang gasket sa pinakamababa nitong seating stress, isang halaga na inilathala ng tagagawa ng gasket. Para sa isang spiral-wound gasket na may PTFE filler at isang panlabas na singsing, ang pinakamababang seating stress ay karaniwang 69 MPa (10,000 psi) para sa lapad ng gasket na 12 mm. Ang kabuuang puwersa ng bolt ay ang produkto ng seating stress na ito at ng gasket contact area. Ang bolt cross-sectional area ay may sukat upang ang bolt stress ay hindi lalampas 50% ng pinakamababang lakas ng yield ng bolt material sa temperatura ng disenyo , na may karagdagang allowance para sa gasket creep relaxation sa unang 500 thermal cycle.

Ang flange ring mismo ay sinusuri laban sa tatlong kategorya ng stress: tangential stress sa inner diameter ng ring, radial stress sa bolt circle, at longitudinal hub stress sa junction sa pagitan ng hub at ng ring. Ang mga pinapayagang limitasyon, na tinukoy sa ASME Section VIII Division 2 para sa Class 1 vessels ngunit inangkop para sa marine service, ay ang mga sumusunod. Ang tangential stress ay limitado sa 1.5 beses ang pinapayagang stress ng disenyo ng flange material . Ang radial stress ay limitado sa base na pinapayagang disenyo ng stress. Ang pinagsamang intensity ng stress sa hub-to-ring fillet ay dapat manatili sa ibaba 1.5 beses ang pinapayagang stress . Ang isang flange na pumasa sa tatlong tseke na ito na may pinakamababang margin na 10% sa ibaba ng mga limitasyon ay itinuturing na sapat sa istruktura.

Daan ng pag-apruba ng lipunan sa pag-uuri

Ang isang hindi karaniwang marine flange ay hindi maaaring i-install nang walang dokumentadong pag-apruba mula sa lipunan ng pag-uuri ng barko. Ang proseso ng pag-apruba ay naiiba sa isang karaniwang flange, na tinatanggap batay sa pagsunod sa isang kinikilalang pamantayan at isang wastong sertipiko ng materyal. Ang non-standard na flange ay nangangailangan ng design appraisal package na isinumite sa class surveyor para sa pagsusuri at pag-stamp.

Ang pakete ng pagtatasa ng disenyo ay naglalaman ng mga sumusunod na mandatoryong dokumento:

• Ang pagguhit ng dimensyon ng flange, kabilang ang panlabas na diameter, diameter ng bilog ng bolt, bilang at diameter ng mga bolts, nakataas na mga sukat ng mukha, lapad ng contact sa gasket, at ang geometry ng hub mula sa flange pabalik na mukha hanggang sa paghahanda ng weld.
• Ang detalye ng materyal para sa flange body, bolts, nuts, at gasket, kasama ang naaangkop na pamantayan ng ASTM, EN, o JIS, ang kondisyon ng heat treatment, at ang pinakamababang mekanikal na katangian sa temperatura ng kuwarto at sa temperatura ng disenyo.
• Ang kumpletong kalkulasyon ng stress sa bawat ASME Section VIII Division 1 Appendix 2 o ang katumbas na EN 13445-3 Clause 11 na pamamaraan, kasama ang lahat ng mga halaga ng input na isinangguni at lahat ng mga intermediate na resulta ay ipinapakita. Dapat ipakita ng kalkulasyon na ang lahat ng mga ratio ng stress ay mas mababa sa pagkakaisa, na may ginustong maximum na 0.90 para sa hub stress ratio sa account para sa cyclic fatigue loading na katangian ng shipboard machinery vibration.
• Ang welding procedure specification at procedure qualification record para sa weld na sasali sa flange sa pipe, na nagpapakita na ang weld metal tensile strength at toughness ay katumbas o lumampas sa mga base materials.
• Ang non-destructive testing plan, na tumutukoy sa 100% volumetric na pagsusuri ng flange forging sa pamamagitan ng ultrasonic testing sa ASME SA-388 Class A para sa mga flanges na mas mataas sa 4 na pulgadang nominal na bore o may presyon ng disenyo na higit sa 100 bar.

Kapag naaprubahan ang pagtatasa ng disenyo, nasasaksihan ng surveyor ng klase ang mekanikal na pagsubok ng isang prototype flange na kinatawan ng produksyon, kabilang ang isang hydrostatic pressure test sa 1.5 beses ang presyon ng disenyo na hinahawakan nang hindi bababa sa 10 minuto nang walang nakikitang pagtagas o permanenteng pagpapapangit. Pagkatapos lamang ma-endorso ang prototype test report ay maaaring gawin ang mga flanges ng produksyon at tatakan ng marka ng sertipikasyon ng lipunan ng klase.

Pagpili ng materyal para sa kinakaing unti-unti at cryogenic na mga serbisyo sa dagat

Ang materyal ng isang hindi karaniwang flange ay pinili laban sa kinakaing unti-unti na mga species, ang hanay ng temperatura, at ang potensyal para sa galvanic na pakikipag-ugnayan sa konektadong tubo at ang istraktura ng katawan ng barko. Ang sumusunod na talahanayan ay nagbubuod sa karaniwang mga marka ng materyal na tinukoy para sa mga karaniwang hindi karaniwang mga aplikasyon sa labas ng mga hanay ng katalogo ng JIS at ASME.

Forging versus plate fabrication

Ang isang hindi karaniwang marine flange ay maaaring gawin sa pamamagitan ng dalawang pangunahing magkaibang ruta ng pagmamanupaktura: pag-forging mula sa solid billet, o pagpuputol ng apoy mula sa stock ng plato na sinusundan ng machining. Ang pagkakaiba ay hindi kosmetiko; ito ay direktang nakakaapekto sa metalurhiko na integridad ng natapos na flange at ang pagiging angkop nito para sa nilalayon na serbisyo.

Ang isang forged flange ay nagsisimula bilang isang tuluy-tuloy na cast billet ng tinukoy na init ng bakal, pinainit hanggang sa forging na temperatura at nagtrabaho sa isang open-die press o ring roller upang pinuhin ang as-cast na istraktura ng butil sa isang tuluy-tuloy na pattern ng daloy ng butil na sumusunod sa contour ng flange. Ang proseso ng forging ay binabawasan ang average na laki ng butil ng isang carbon steel mula sa humigit-kumulang ASTM 4 hanggang ASTM 7 o mas pino , pinapataas ang parehong tensile strength at Charpy impact toughness. Ang hub ay integral na huwad, inaalis ang circumferential weld na magsasama sa isang hiwalay na hub sa isang plate-cut ring. Ang mga klasipikasyong lipunan ay nag-uutos ng huwad na konstruksyon para sa lahat ng flanges sa serbisyo sa itaas 40 bar na presyon ng disenyo o mas mababa sa -10°C na temperatura ng disenyo , dahil ang tensile ductility at impact properties sa through-thickness na direksyon ng isang rolled plate ay likas na mas mababa kaysa sa isang forging.

Ang isang plate-fabricated flange ay tinatanggap sa mga serbisyo ng mababang presyon ng tubig tulad ng fire main at ballast piping sa ibaba ng 16 bar. Ang flange ring ay flame-cut o plasma-cut mula sa plate stock, at ang isang machined hub ay hinangin sa ring na may full-penetration groove weld. Ang weld ay dapat na 100% radiographed o ultrasonically tested, at ang heat-affected zone ay dapat na post-weld heat treated kung ang carbon equivalent ng plate ay lumampas. 0.43 , upang maiwasan ang hydrogen-induced cracking sa coarse-grained region na katabi ng fusion line. Kahit na sa mga pag-iingat na ito, ang isang plate-fabricated flange ay derated ng 15% sa pinapahintulutang presyon kumpara sa isang huwad na flange ng magkaparehong sukat , gaya ng tinukoy sa mga tuntunin sa paggawa ng tubo ng karamihan sa mga lipunan ng pag-uuri.

Pagpili ng gasket at pamamaraan ng bolting torque

Ang hindi karaniwang disenyo ng flange ay hindi mapaghihiwalay na naka-link sa gasket at bolting na detalye. Ang bolt load na kinakalkula sa panahon ng disenyo ng flange ay nagpapalagay ng isang partikular na gasket material na may alam na minimum na seating stress at operating gasket factor, na kilala bilang "m" factor sa ASME code terminology. Ang pagpapalit ng uri ng gasket pagkatapos ma-machine ang flange, mula sa isang spiral-wound gasket na may m-factor na 3.0 sa isang compressed fiber gasket na may m-factor na 2.0, binabawasan ang kinakailangang bolt load at dahil dito ay binabawasan ang flange stress, na sa pangkalahatan ay ligtas. Ang reverse substitution, na naglalagay ng gasket na nangangailangan ng mas mataas na seating stress, ay nag-over-stress sa flange at hindi pinahihintulutan nang walang muling pagsusumite ng design appraisal.

Ang bolt tightening sequence at target torque ay kritikal para sa non-standard flanges dahil ang pinababang bolt circle na diameter ay tumutuon sa bolt load sa isang mas maliit na annular area, na nagpapataas ng flange ring bending moment. Ang mga bolts ay hinihigpitan sa hindi bababa sa tatlong pass gamit ang pagkakasunud-sunod ng pattern ng bituin. Dinadala ng unang pass ang lahat ng bolts 30% ng target na metalikang kuwintas . Ang pangalawang pass ay tumataas sa 60%, at ang ikatlong pass ay umabot sa 100%. Pagkatapos ng pinakamababang panahon ng paghihintay na apat na oras, ang ikaapat na pass sa 100% torque ay inilapat upang mabayaran ang gasket creep relaxation. Ang target na torque ay kinakalkula mula sa bolt stress ng disenyo, hindi mula sa isang generic na torque table, gamit ang formula na nagsasama ng thread pitch diameter, ang friction coefficient sa mga thread at sa ilalim ng nut face, at ang nut factor K, na para sa isang lubricated stud na may hardened washer ay 0.16 hanggang 0.20 .

Diskarte sa pagpapalitan ng dimensional at ekstrang bahagi

Ang isang hindi karaniwang flange, ayon sa kahulugan, ay hindi makikipag-ugnay sa isang karaniwang flange ng parehong nominal na laki ng tubo maliban kung ang bolt circle at nakataas na mga dimensyon ng mukha ay nagtutugma. Lumilikha ito ng pasanin ng ekstrang bahagi na dapat matugunan sa yugto ng disenyo. Ang mga piping isometric na drawing ng sasakyang pandagat at ang database ng pamamahala ng flange ay dapat na malinaw na i-flag ang bawat hindi karaniwang flange na may natatanging identification code, at hindi bababa sa dalawang ekstrang flanges at dalawang ekstrang gasket set bawat hindi karaniwang laki ay dapat dalhin sa board bilang bahagi ng mandatoryong imbentaryo ng ekstrang gear ng sasakyang pandagat.

Para sa mga chemical tanker at mga tagadala ng produkto na kumokonekta sa mga shore manifold, ang hindi karaniwang flange sa gilid ng barko ay dapat lumipat sa isang karaniwang flange sa mukha ng manifold presentation. Ang isang hindi karaniwang flange sa isang hindi kinakalawang na asero na linya ng kargamento na may pinababang diameter sa labas upang i-clear ang isang structural web frame ay hindi dapat ang terminal flange kung saan ang shore hose coupling bolts. Sa halip, ang isang pup piece na may non-standard na flange sa inboard na dulo at isang standard na ASME B16.5 Class 150 flange sa outboard end ay nagpapanumbalik ng interchangeability sa interface ng ship-to-shore. Ang piraso ng tuta ay nasubok sa hydrostatically bilang isang hiwalay na pagpupulong at nakatatak ng parehong mga flange identification code bago i-install.

In-service inspection at pamantayan sa pagreretiro

Ang mga hindi karaniwang flanges ay napapailalim sa parehong mga agwat ng survey gaya ng mga karaniwang flanges sa ilalim ng tuluy-tuloy na ikot ng survey ng sasakyang-dagat, karaniwang isang pangkalahatang visual na inspeksyon taun-taon at isang mas detalyadong pagsukat ng kapal at hindi mapanirang pagsusuri sa limang taong espesyal na survey. Ang focus ng inspeksyon ay nasa hub-to-ring fillet radius, na siyang lokasyon ng maximum na nakalkulang stress at ang pinakakaraniwang lugar para sa fatigue crack initiation.

Isinasagawa ang magnetic particle inspection ng fillet region sa mga hindi karaniwang flanges sa mga serbisyong paikot tulad ng mga cargo pump discharge lines at steam smothering system, kung saan ang presyon ay nagbabago mula sa zero hanggang sa disenyo ng presyon ng higit sa 10,000 cycle bawat taon . Ang anumang linear na indikasyon na lumampas sa 3 mm ang haba sa ibabaw ng fillet ay batayan para sa pagtanggi at pagpapalit ng flange, dahil ang salik ng konsentrasyon ng stress ng fillet ay humigit-kumulang 2.5 hanggang 3.0 nangangahulugan na ang isang maliit na bitak sa ibabaw ay magpapalaganap sa kapal ng pader ng hub sa isang bahagi ng susunod na ikot ng pagpapatakbo. Ang mga sukat ng kapal sa mga nakataas na serrations ng mukha ay naitala din; isang pagbawas sa lalim ng serration sa ibaba 0.4 mm (1/64 pulgada) nangangailangan ng flange face na muling ma-machine o ang flange ay palitan, dahil ang mga serrations ay nagbibigay ng mekanikal na grip na pumipigil sa gasket blowout sa ilalim ng pressure.