Niet-standaard scheepsflens: ontwerp, smeden en goedkeuring

Wanneer standaardflenzen niet meer voldoen

Standaard scheepsflenzen, vervaardigd volgens JIS F7804 voor nominale drukken van 5K, 10K, 16K en 20K of volgens ASME B16.5 voor klasse 150 tot en met klasse 2500, dekken de overgrote meerderheid van de diensten aan boord, waaronder ballastwater, lenswater, het overbrengen van stookolie en zoet water. Deze flenzen worden wereldwijd op voorraad gehouden door leveranciers en reparatiewerven, en hun uitwisselbaarheid vormt de basis van de maritieme logistiek. Specifieke operationele omstandigheden dwingen de ingenieur echter af van de standaard flenstafel.

De eerste voorwaarde is dat de temperatuur de standaard materiaallimieten overschrijdt. Een standaard S25C koolstofstalen JIS 10K flens is geschikt voor onderhoud tussen -10°C en 300°C . Wanneer een verwarmingssysteem met thermische olie werkt op 340°C, moet het flensmateriaal worden opgewaardeerd tot een molybdeenhoudende legering zoals ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), die geen direct JIS-equivalent heeft in de standaard flenstabellen. De flens moet dan worden ontworpen vanuit de basisprincipes, waarbij de wanddiktes en boutafmetingen worden berekend op basis van de toegestane spanning bij de verhoogde temperatuur.

De tweede voorwaarde is chemische incompatibiliteit. Voor vrachtlijnen op chemicaliëntankers die geconcentreerd fosforzuur met een concentratie van 85% verwerken, zijn flenzen nodig UNS S31254 super austenitisch roestvrij staal , een kwaliteit die in geen enkele maritieme flensnorm wordt vermeld. De flensafmetingen kunnen een standaard JIS- of ASME-patroon weerspiegelen voor uitwisselbaarheid met het walspruitstuk, maar de traceerbaarheid van het materiaal, mechanische tests en corrosieweerstand moeten worden gecertificeerd volgens een op maat gemaakte productiespecificatie.

De derde voorwaarde is ruimtegebrek. De leidingen in de machinekamer in de lensputten onder het hoofdmotorcarter lopen vaak door spelingen die te klein zijn voor een standaard flens met verhoogd oppervlak en een volledige boutcirkel. De buitendiameter van de flens moet worden verkleind tot onder de standaardafmeting, waardoor een niet-standaard boutcirkel en bouten met een kleinere diameter en hoge treksterkte nodig zijn om de zitspanning van de pakking te behouden terwijl deze binnen het beschikbare omhulsel past.

Ontwerpmethodologie en spanningsberekening

Een niet-standaard scheepsflens wordt ontworpen met behulp van de Taylor Forge-methode, gecodificeerd in ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 Annex 2, wat de geaccepteerde berekeningsstandaard is bij alle grote classificatiebureaus. De methode modelleert de flensring, de naaf en de daaraan bevestigde pijp of schaal als een elastisch gekoppeld systeem, waarbij de spanningen die voortkomen uit de boutvoorspanning en de interne druk onafhankelijk worden berekend en deze vervolgens worden gecombineerd met de juiste spanningslimieten.

De boutbelasting bij plaatsing van de pakking is de kracht die nodig is om de pakking samen te drukken tot de minimale zitspanning, een waarde gepubliceerd door de fabrikant van de pakking. Voor een spiraalgewonden pakking met een PTFE-vuller en een buitenring is de minimale zitspanning typisch 69 MPa (10.000 psi) voor een pakkingbreedte van 12 mm. De totale boutkracht is dan het product van deze zitspanning en het contactoppervlak van de pakking. Het dwarsdoorsnedeoppervlak van de bout is zo bemeten dat de boutspanning niet groter wordt 50% van de minimale vloeigrens van het boutmateriaal bij de ontwerptemperatuur , met nog meer rekening houdend met de kruiprelaxatie van de pakking gedurende de eerste 500 thermische cycli.

De flensring zelf wordt gecontroleerd aan de hand van drie spanningscategorieën: tangentiële spanning bij de binnendiameter van de ring, radiale spanning bij de boutcirkel en longitudinale naafspanning bij de kruising tussen de naaf en de ring. De toegestane limieten, gedefinieerd in ASME Sectie VIII, Divisie 2 voor schepen van klasse 1, maar aangepast voor maritieme diensten, zijn als volgt. De tangentiële spanning is beperkt tot 1,5 keer de toegestane ontwerpspanning van het flensmateriaal . De radiale spanning is beperkt tot de toegestane basisontwerpspanning. De gecombineerde spanningsintensiteit bij de naaf-ringfilet moet beneden blijven 1,5 keer de toegestane spanning . Een flens die deze drie controles doorstaat met een minimale marge van 10% onder de limieten wordt als structureel adequaat beschouwd.

Goedkeuringstraject voor classificatiebureaus

Een niet-standaard scheepsflens kan niet worden geïnstalleerd zonder gedocumenteerde goedkeuring van het classificatiebureau van het schip. Het goedkeuringsproces verschilt van dat van een standaardflens, die wordt geaccepteerd op basis van het voldoen aan een erkende norm en een geldig materiaalcertificaat. Voor de niet-standaard flens is een ontwerpbeoordelingspakket vereist dat ter beoordeling en afstempeling aan de klasse-inspecteur wordt voorgelegd.

Het ontwerpbeoordelingspakket bevat de volgende verplichte documenten:

• De flensmaattekening, inclusief de buitendiameter, de diameter van de boutcirkel, het aantal en de diameter van de bouten, de afmetingen van het verhoogde oppervlak, de contactbreedte van de pakking en de naafgeometrie vanaf het achtervlak van de flens tot aan de lasvoorbereiding.
• De materiaalspecificatie voor het flenslichaam, bouten, moeren en pakking, inclusief de toepasselijke ASTM-, EN- of JIS-norm, de warmtebehandelingsconditie en de minimale mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur en bij de ontwerptemperatuur.
• De volledige spanningsberekening volgens ASME Sectie VIII Divisie 1 Bijlage 2 of de gelijkwaardige EN 13445-3 Clausule 11-methode, waarbij naar alle invoerwaarden wordt verwezen en alle tussenresultaten worden getoond. De berekening moet aantonen dat alle spanningsverhoudingen onder de 1 liggen, met een voorkeursmaximum van 0.90 dat de naafspanningsverhouding rekening houdt met de cyclische vermoeiingsbelasting die kenmerkend is voor trillingen aan boord van machines.
• De lasprocedurespecificatie en het procedurekwalificatierecord voor de las die de flens met de buis verbindt, waaruit blijkt dat de treksterkte en taaiheid van het lasmetaal gelijk zijn aan of groter zijn dan die van de basismaterialen.
• Het niet-destructieve testplan, dat 100% volumetrisch onderzoek van het flenssmeedwerk specificeert door middel van ultrasone tests om ASME SA-388 Klasse A voor flenzen met een nominale boring groter dan 4 inch of met een ontwerpdruk groter dan 100 bar.

Zodra de ontwerpbeoordeling is goedgekeurd, is de klasse-inspecteur getuige van de mechanische tests van een productierepresentatieve prototypeflens, inclusief een hydrostatische druktest op 1,5 maal de ontwerpdruk gedurende minimaal 10 minuten aangehouden zonder zichtbare lekkage of blijvende vervorming. Pas nadat het testrapport van het prototype is goedgekeurd, kunnen productieflenzen worden vervaardigd en voorzien van het certificeringsmerk van de klassenorganisatie.

Materiaalselectie voor corrosieve en cryogene maritieme diensten

Het materiaal van een niet-standaard flens wordt geselecteerd op basis van de corrosieve soorten, het temperatuurbereik en de mogelijkheid van galvanische interactie met de aangesloten pijpleiding en de rompconstructie. De volgende tabel geeft een overzicht van de standaard materiaalkwaliteiten die zijn gespecificeerd voor veel voorkomende niet-standaard toepassingen buiten de JIS- en ASME-catalogusreeksen.

Smeden versus plaatfabricage

Een niet-standaard scheepsflens kan worden geproduceerd via twee fundamenteel verschillende productieroutes: smeden uit een massieve knuppel, of vlamsnijden uit plaatmateriaal gevolgd door machinale bewerking. Het onderscheid is niet cosmetisch; het heeft rechtstreeks invloed op de metallurgische integriteit van de voltooide flens en de geschiktheid ervan voor de beoogde dienst.

Een gesmede flens begint als een continu gegoten knuppel met de gespecificeerde hitte van staal, verwarmd tot smeedtemperatuur en bewerkt in een open matrijspers of ringroller om de gegoten korrelstructuur te verfijnen tot een continu graanstroompatroon dat de contouren van de flens volgt. Het smeedproces vermindert de gemiddelde korrelgrootte van koolstofstaal van ongeveer ASTM 4 tot ASTM 7 of fijner , waardoor zowel de treksterkte als de Charpy-slagvastheid toenemen. De naaf is integraal gesmeed, waardoor de omtrekslas die een afzonderlijke naaf met een plaatgesneden ring zou verbinden, wordt geëlimineerd. Classificatiebureaus schrijven een gesmede constructie voor voor alle flenzen die hierboven in gebruik zijn Ontwerpdruk van 40 bar of ontwerptemperatuur lager dan -10°C , omdat de rekbaarheid en slageigenschappen in de doorgaande dikterichting van een gewalste plaat inherent inferieur zijn aan die van een smeedstuk.

Een uit platen vervaardigde flens wordt geaccepteerd in lagedrukwatervoorzieningen zoals brandleiding- en ballastleidingen onder 16 bar. De flensring wordt met een vlam of plasma gesneden uit plaatmateriaal en een machinaal bewerkte naaf wordt aan de ring gelast met een groeflas met volledige penetratie. De las moet 100% radiografisch of ultrasoon worden getest, en de door hitte beïnvloede zone moet na het lassen een warmtebehandeling ondergaan als het koolstofequivalent van de plaat groter is dan 0.43 , om door waterstof geïnduceerd kraken in het grofkorrelige gebied grenzend aan de fusielijn te voorkomen. Zelfs met deze voorzorgsmaatregelen wordt een uit plaat vervaardigde flens minder gewaardeerd 15% toegestane druk vergeleken met een gesmede flens met identieke afmetingen , zoals gespecificeerd in de buizenfabricageregels van de meeste classificatiebureaus.

Pakkingselectie en procedure voor aanhaalmomenten

Het niet-standaard flensontwerp is onlosmakelijk verbonden met de pakking- en boutspecificaties. De boutbelasting die tijdens het flensontwerp wordt berekend, gaat uit van een specifiek pakkingmateriaal met bekende minimale zitspanning en bedrijfspakkingsfactor, bekend als de "m" -factor in de ASME-codeterminologie. Wijzigen van het type pakking nadat de flens is bewerkt, van een spiraalgewonden pakking met een m-factor van 3.0 aan een pakking van samengeperste vezels met een m-factor van 2,0, vermindert de vereiste boutkracht en verlaagt daardoor de flensspanning, wat over het algemeen veilig is. De omgekeerde vervanging, waarbij een pakking wordt geïntroduceerd die een hogere zitspanning vereist, leidt tot overbelasting van de flens en is niet toegestaan ​​zonder dat de ontwerpbeoordeling opnieuw moet worden ingediend.

De aanhaalvolgorde van de bouten en het beoogde koppel zijn van cruciaal belang voor niet-standaard flenzen, omdat de kleinere diameter van de boutcirkel de boutbelasting over een kleiner ringvormig gebied concentreert, waardoor het buigmoment van de flensring toeneemt. De bouten worden in minimaal drie stappen vastgedraaid volgens de sterpatroonvolgorde. De eerste pas brengt alle bouten naar 30% van het doelkoppel . De tweede doorgang neemt toe tot 60% en de derde doorgang bereikt 100%. Na een minimale wachtperiode van vier uur wordt een vierde passage met 100% koppel uitgevoerd om de kruiprelaxatie van de pakking te compenseren. Het doelkoppel wordt berekend op basis van de ontwerpboutspanning, en niet op basis van een algemene koppeltabel, met behulp van de formule die de spoeddiameter van de schroefdraad, de wrijvingscoëfficiënt in de schroefdraad en onder het moervlak, en de moerfactor K omvat, die voor een gesmeerde tapeind met een geharde ring gelijk is aan 0,16 tot 0,20 .

Dimensionale uitwisselbaarheid en strategie voor reserveonderdelen

Een niet-standaardflens past per definitie niet op een standaardflens met dezelfde nominale buismaat, tenzij de afmetingen van de boutcirkel en het verhoogde vlak toevallig samenvallen. Dit creëert een last voor reserveonderdelen die in de ontwerpfase moet worden aangepakt. De isometrische tekeningen van de leidingen van het schip en de database voor flensbeheer moeten elke niet-standaard flens duidelijk markeren met een unieke identificatiecode, en er moeten minimaal twee reserveflenzen en twee reservepakkingsets per niet-standaard maat aan boord worden meegenomen als onderdeel van de verplichte inventaris van reserveuitrusting van het schip.

Voor chemicaliëntankers en productcarriers die aansluiten op walspruitstukken moet de niet-standaard flens aan de scheepszijde overgaan in een standaardflens aan de presentatiezijde van het verdeelstuk. Een niet-standaard flens op een roestvrijstalen ladinglijn met een kleinere buitendiameter om een ​​structureel webframe vrij te maken, mag niet de eindflens zijn waaraan de walslangkoppeling wordt vastgeschroefd. In plaats daarvan herstelt een pup-stuk met de niet-standaard flens aan het binnenboorduiteinde en een standaard ASME B16.5 klasse 150 flens aan het buitenboorduiteinde de uitwisselbaarheid op het schip-naar-wal-interface. Het pup-stuk wordt als afzonderlijk geheel hydrostatisch getest en vóór installatie voorzien van beide flensidentificatiecodes.

In-service inspectie en pensioneringscriteria

Niet-standaard flenzen zijn onderworpen aan dezelfde onderzoeksintervallen als standaardflenzen tijdens de continue onderzoekscyclus van het schip, doorgaans jaarlijks een algemene visuele inspectie en een meer gedetailleerde diktemeting en niet-destructief onderzoek tijdens het vijfjaarlijkse speciale onderzoek. De focus van de inspectie ligt op de straal van de naaf tot de ring, de locatie van de maximaal berekende spanning en de meest voorkomende plaats voor het ontstaan ​​van vermoeiingsscheuren.

Een magnetische deeltjesinspectie van het filetgebied wordt uitgevoerd op niet-standaard flenzen in cyclische toepassingen zoals afvoerleidingen van ladingpompen en stoomverstikkingssystemen, waarbij de druk schommelt van nul tot een ontwerpdruk van meer dan 10.000 cycli per jaar . Elke lineaire indicatie met een lengte van meer dan 3 mm op het oppervlak van de afronding is een reden voor afwijzing en vervanging van de flens, omdat de hoekspanningsconcentratiefactor van ongeveer 2,5 tot 3,0 betekent dat een kleine oppervlaktescheur zich in een fractie van de volgende operationele cyclus door de dikte van de naafwand zal voortplanten. Diktemetingen bij de verhoogde vlakvertandingen worden ook geregistreerd; een vermindering van de karteldiepte hieronder 0,4 mm (1/64 inch) vereist dat het flensvlak opnieuw wordt bewerkt of dat de flens wordt vervangen, omdat de kartels voor de mechanische grip zorgen die voorkomt dat de pakking onder druk uitblaast.