Нестандартный морской фланец: проектирование, ковка и одобрение

Когда стандартные фланцы становятся неадекватными

Стандартные морские фланцы, изготовленные в соответствии с JIS F7804 для номинальных давлений 5K, 10K, 16K и 20K или в соответствии с ASME B16.5 для классов от 150 до 2500, охватывают подавляющее большинство судовых систем, включая балластную воду, трюмные воды, перекачку мазута и пресную воду. Эти фланцы имеются на складах чандлеров и ремонтных мастерских по всему миру, а их взаимозаменяемость является основой морской логистики. Однако особые условия эксплуатации вынуждают инженера отказаться от стандартной таблицы фланцев.

Первое условие — температура, превышающая стандартные пределы для материала. Стандартный фланец из углеродистой стали S25C JIS 10K рассчитан на эксплуатацию между -10°С и 300°С . Когда система нагрева термомасляным маслом работает при температуре 340°C, материал фланца должен быть заменен на молибденсодержащий сплав, такой как ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), который не имеет прямого эквивалента JIS в стандартных таблицах фланцев. Затем фланец необходимо спроектировать на основе основных принципов, при этом толщина стенок и размеры болтов должны быть рассчитаны с учетом допустимого напряжения при повышенной температуре.

Второе условие – химическая несовместимость. Грузовые линии на танкерах-химовозах, перевозящих концентрированную фосфорную кислоту с концентрацией 85%, требуют фланцев в UNS S31254 супераустенитная нержавеющая сталь , марка, не указанная ни в одном стандарте на морские фланцы. Размеры фланцев могут соответствовать стандартному образцу JIS или ASME для обеспечения взаимозаменяемости с береговым манифольдом, но отслеживаемость материала, механические испытания и коррозионная стойкость должны быть сертифицированы в соответствии с индивидуальной производственной спецификацией.

Третье условие – ограниченность пространства. Трубопроводы машинного отделения в трюмных колодцах под главным картером двигателя часто проходят через зазоры, слишком узкие для стандартного фланца с выступом и полноразмерным болтовым кольцом. Наружный диаметр фланца должен быть уменьшен ниже стандартного размера, поэтому требуется нестандартная окружность болта и высокопрочные болты меньшего диаметра, чтобы поддерживать напряжение посадки прокладки при установке в пределах доступного диапазона.

Методика проектирования и расчет напряжений

Нестандартный морской фланец проектируется с использованием метода Тейлора Форджа, кодифицированного в Кодексе норм по котлам и сосудам под давлением ASME, раздел VIII, раздел 1, приложение 2, который является общепринятым стандартом расчета во всех основных классификационных обществах. Этот метод моделирует фланцевое кольцо, ступицу и присоединенную трубу или оболочку как упруго связанную систему, независимо рассчитывая напряжения, возникающие в результате предварительного натяга болта и внутреннего давления, а затем комбинируя их с соответствующими пределами напряжения.

Нагрузка на болт в состоянии посадки прокладки — это сила, необходимая для сжатия прокладки до минимального напряжения посадки, значение, опубликованное производителем прокладки. Для спирально-навитой прокладки с наполнителем из ПТФЭ и наружным кольцом минимальное посадочное напряжение обычно составляет 69 МПа (10 000 фунтов на квадратный дюйм) для ширины прокладки 12 мм. Тогда общая сила болта является произведением напряжения посадки и площади контакта прокладки. Площадь поперечного сечения болта выбирают таким образом, чтобы напряжение болта не превышало 50 % минимального предела текучести материала болта при расчетной температуре. с дополнительным учетом релаксации ползучести прокладки в течение первых 500 термических циклов.

Само фланцевое кольцо проверяется на соответствие трем категориям напряжений: касательное напряжение на внутреннем диаметре кольца, радиальное напряжение на окружности болта и продольное напряжение ступицы в месте соединения ступицы и кольца. Допустимые пределы, определенные в разделе VIII раздела 2 ASME для судов класса 1, но адаптированные для морской эксплуатации, следующие. Касательное напряжение ограничивается В 1,5 раза превышает допустимое расчетное напряжение материала фланца. . Радиальное напряжение ограничено базовым допустимым расчетным напряжением. Суммарная интенсивность напряжений на галтеле ступицы к кольцу должна оставаться ниже В 1,5 раза превышающее допустимое напряжение . Фланец, прошедший эти три проверки с минимальным отклонением от пределов на 10 %, считается конструктивно адекватным.

Путь одобрения классификационного общества

Нестандартный морской фланец не может быть установлен без документального одобрения классификационного общества судна. Процесс утверждения отличается от процесса утверждения стандартного фланца, который принимается на основании соответствия признанному стандарту и действующего сертификата на материал. Для нестандартного фланца требуется пакет проектно-оценочной документации, который представляется инспектору класса для проверки и штамповки.

В пакет экспертизы проекта входят следующие обязательные документы:

• Габаритный чертеж фланца, включая внешний диаметр, диаметр окружности болтов, количество и диаметр болтов, размеры выступающей поверхности, ширину контакта прокладки и геометрию ступицы от задней поверхности фланца до подготовки к сварке.
• Спецификация материала корпуса фланца, болтов, гаек и прокладки, включая применимый стандарт ASTM, EN или JIS, условия термообработки и минимальные механические свойства при комнатной температуре и при расчетной температуре.
• Полный расчет напряжения в соответствии с ASME Раздел VIII Раздел 1 Приложение 2 или эквивалентным методом EN 13445-3 Пункт 11 со всеми ссылками на входные значения и отображением всех промежуточных результатов. Расчет должен продемонстрировать, что все коэффициенты напряжений ниже единицы, с предпочтительным максимумом 0.90 чтобы коэффициент напряжения ступицы учитывал циклическую усталостную нагрузку, характерную для вибрации судовых механизмов.
• Спецификация процедуры сварки и протокол аттестации процедуры для сварного шва, который будет соединять фланец с трубой, демонстрирующий, что прочность и ударная вязкость металла сварного шва равны или превосходят таковые у основных материалов.
• План неразрушающего контроля, предусматривающий 100% объемный контроль поковки фланца ультразвуковым контролем для ASME SA-388 Класс А для фланцев с номинальным диаметром более 4 дюймов или с расчетным давлением более 100 бар.

После утверждения проекта эксперт-инспектор становится свидетелем проведения механических испытаний фланца серийного прототипа, включая испытание гидростатическим давлением при Давление, превышающее расчетное в 1,5 раза, выдерживается не менее 10 минут. без видимых утечек или остаточной деформации. Только после утверждения протокола испытаний прототипа можно изготавливать серийные фланцы и ставить на них знак сертификации классового общества.

Выбор материалов для коррозионных и криогенных морских условий

Материал нестандартного фланца подбирается с учетом коррозионно-активных веществ, температурного диапазона и возможности гальванического взаимодействия с присоединяемой трубой и корпусной конструкцией. В следующей таблице приведены стандартные марки материалов, указанные для распространенных нестандартных применений за пределами диапазонов каталогов JIS и ASME.

Ковка против изготовления пластин

Нестандартный морской фланец может быть изготовлен двумя принципиально разными способами изготовления: ковкой из цельной заготовки или газопламенной резкой из листовой заготовки с последующей механической обработкой. Это различие не косметическое; это напрямую влияет на металлургическую целостность готового фланца и его пригодность для эксплуатации по назначению.

Кованый фланец начинается с непрерывно отлитой заготовки из стали указанной плавки, нагретой до температуры ковки и обработанной на прессе с открытым штампом или кольцевом валке для измельчения зеренной структуры литого изделия до непрерывного потока зерен, повторяющего контур фланца. Процесс ковки уменьшает средний размер зерна углеродистой стали примерно с От ASTM 4 до ASTM 7 или выше , увеличивая как прочность на разрыв, так и ударную вязкость по Шарпи. Ступица цельнокованая, что исключает необходимость сварки по окружности, которая могла бы соединить отдельную ступицу с пластинчатым кольцом. Классификационные общества требуют кованой конструкции для всех фланцев, находящихся в эксплуатации выше. Расчетное давление 40 бар или расчетная температура ниже -10°C. , поскольку пластичность при растяжении и ударные свойства в направлении по толщине прокатанного листа по своей сути хуже, чем у поковки.

Пластинчатый фланец допускается использовать в системах водоснабжения низкого давления, таких как пожарные магистрали и балластные трубопроводы с давлением ниже 16 бар. Фланцевое кольцо вырезается газовой или плазменной резкой из листовой заготовки, а обработанная ступица приваривается к кольцу сварным швом с канавкой с полным проваром. Сварной шов должен быть на 100% подвергнут радиографическому или ультразвуковому контролю, а зона термического влияния должна быть подвергнута термообработке после сварки, если углеродный эквивалент пластины превышает 0.43 , чтобы предотвратить водородное растрескивание в крупнозернистой области, прилегающей к линии сплавления. Даже при соблюдении этих мер предосторожности характеристики листового фланца снижаются из-за 15 % допустимого давления по сравнению с кованым фланцем тех же размеров. , как указано в правилах изготовления трубопроводов большинства классификационных обществ.

Порядок выбора прокладки и момента затяжки болтов

Нестандартная конструкция фланцев неразрывно связана со спецификациями прокладок и болтов. Нагрузка на болт, рассчитанная при проектировании фланца, предполагает использование конкретного материала прокладки с известным минимальным напряжением посадки и рабочим коэффициентом прокладки, известным как коэффициент «m» в терминологии норм ASME. Изменение типа прокладки после механической обработки фланца со спирально-навитой прокладки с м-фактором 3.0 Использование прокладки из сжатого волокна с коэффициентом М 2,0 снижает требуемую нагрузку на болты и, следовательно, снижает напряжение фланца, что в целом безопасно. Обратная замена, предусматривающая использование прокладки, требующей более высокого напряжения посадки, приводит к чрезмерному напряжению фланца и не допускается без повторной оценки конструкции.

Последовательность затяжки болтов и заданный крутящий момент имеют решающее значение для нестандартных фланцев, поскольку уменьшенный диаметр окружности болта концентрирует нагрузку на болт на меньшей кольцевой площади, увеличивая изгибающий момент фланцевого кольца. Болты затягиваются минимум за три прохода, используя звездообразную последовательность. Первый проход приводит все болты в 30% целевого крутящего момента . Второй проход увеличивается до 60%, а третий проход достигает 100%. После минимального периода ожидания в четыре часа выполняется четвертый проход с крутящим моментом 100 %, чтобы компенсировать релаксацию ползучести прокладки. Целевой крутящий момент рассчитывается на основе расчетного напряжения болта, а не на основе общей таблицы крутящих моментов, с использованием формулы, включающей диаметр шага резьбы, коэффициент трения в резьбе и под торцом гайки, а также коэффициент гайки K, который для смазываемой шпильки с закаленной шайбой составляет от 0,16 до 0,20 .

Взаимозаменяемость размеров и стратегия запасных частей

Нестандартный фланец по определению не будет сопрягаться со стандартным фланцем трубы того же номинального размера, если диаметр окружности болта и размеры выступающей поверхности не совпадают. Это создает нагрузку на запасные части, которую необходимо учитывать на этапе проектирования. Изометрические чертежи трубопроводов судна и база данных по управлению фланцами должны четко обозначать каждый нестандартный фланец уникальным идентификационным кодом, а на борту судна должно находиться как минимум два запасных фланца и два комплекта запасных прокладок каждого нестандартного размера как часть обязательного запасного оборудования.

Для танкеров-химовозов и танкеров-продуктовозов, которые подключаются к береговым манифольдам, нестандартный фланец со стороны судна должен переходить на стандартный фланец на лицевой стороне манифольда. Нестандартный фланец на грузовом трубопроводе из нержавеющей стали с уменьшенным наружным диаметром для просвета несущей рамы не должен быть концевым фланцем, к которому крепятся болты соединения берегового шланга. Вместо этого втулка с нестандартным фланцем на внутреннем конце и стандартным фланцем ASME B16.5 класса 150 на внешнем конце восстанавливает взаимозаменяемость на границе между судном и берегом. Прижимная деталь подвергается гидростатическим испытаниям как отдельная сборка и перед установкой на ней проштамповываются идентификационные коды обоих фланцев.

Критерии проверки при эксплуатации и вывода из эксплуатации

Нестандартные фланцы подлежат таким же интервалам освидетельствований, как и стандартные фланцы, в рамках непрерывного цикла освидетельствований судна, обычно ежегодному общему визуальному осмотру, а также более детальному измерению толщины и неразрушающему контролю при пятилетнем специальном освидетельствовании. Основное внимание при проверке уделяется радиусу сопряжения ступицы и кольца, который является местом максимального расчетного напряжения и наиболее частым местом возникновения усталостных трещин.

Магнитопорошковый контроль области галтели выполняется на нестандартных фланцах в циклических установках, таких как линии нагнетания грузовых насосов и системы пародушения, где давление колеблется от нуля до расчетного давления более чем 10 000 циклов в год . Любое линейное указание длиной более 3 мм на поверхности галтели является основанием для браковки и замены фланца, поскольку коэффициент концентрации напряжений галтели примерно равен от 2,5 до 3,0 означает, что небольшая поверхностная трещина распространится по толщине стенки ступицы за долю следующего рабочего цикла. Также записываются измерения толщины выступающих зубцов; уменьшение глубины зубцов ниже 0,4 мм (1/64 дюйма) требует повторной обработки поверхности фланца или замены фланца, поскольку зубцы обеспечивают механическое сцепление, предотвращающее выброс прокладки под давлением.