Neštandardná námorná príruba: Dizajn, kovanie a schválenie

Keď sa štandardné príruby stanú nevhodnými

Štandardné námorné príruby, vyrábané podľa JIS F7804 pre menovité tlaky 5K, 10K, 16K a 20K alebo podľa ASME B16.5 pre triedy 150 až 2500, pokrývajú veľkú väčšinu lodných služieb vrátane balastovej vody, útora, prepravy vykurovacieho oleja a sladkej vody. Tieto príruby skladujú predajcovia a opravovne po celom svete a ich zameniteľnosť je základom námornej logistiky. Špecifické prevádzkové podmienky však nútia inžiniera opustiť štandardný stôl s prírubami.

Prvou podmienkou je teplota presahujúca štandardné materiálové limity. Štandardná príruba z uhlíkovej ocele S25C JIS 10K je určená na prevádzku medzi -10 °C a 300 °C . Keď tepelný olejový vykurovací systém pracuje pri 340 °C, materiál príruby musí byť vylepšený na zliatinu s molybdénom, ako je ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), ktorá nemá žiadny priamy ekvivalent JIS v štandardných tabuľkách prírub. Príruba musí byť potom navrhnutá z prvých princípov, s hrúbkami stien a veľkosťami skrutiek vypočítanými na prípustné napätie pri zvýšenej teplote.

Druhou podmienkou je chemická nekompatibilita. Nákladné linky na chemických tankeroch, ktoré manipulujú s koncentrovanou kyselinou fosforečnou s koncentráciou 85 %, vyžadujú príruby Super austenitická nehrdzavejúca oceľ UNS S31254 , trieda, ktorá nie je uvedená v žiadnej norme pre námornú prírubu. Rozmery príruby môžu odzrkadľovať štandardný vzor JIS alebo ASME pre zameniteľnosť s pobrežným potrubím, ale sledovateľnosť materiálu, mechanické testovanie a odolnosť proti korózii musia byť certifikované podľa výrobnej špecifikácie na mieru.

Treťou podmienkou je priestorové obmedzenie. Potrubie strojovne v útorových šachtách pod hlavnou motorovou nádržou často vedie cez medzery, ktoré sú príliš tesné na štandardnú vyvýšenú prírubu so skrutkovým kruhom v plnej veľkosti. Vonkajší priemer príruby sa musí zmenšiť pod štandardný rozmer, čo si vyžaduje neštandardný kruh skrutiek a skrutky s menším priemerom s vysokou pevnosťou v ťahu, aby sa udržalo napätie tesnenia pri montáži v rámci dostupného obalu.

Metodika návrhu a výpočet napätia

Neštandardná námorná príruba je navrhnutá pomocou metódy Taylor Forge, kodifikovanej v ASME kóde kotlov a tlakových nádob, oddiel VIII divízia 1, dodatok 2, čo je akceptovaný štandard výpočtu vo všetkých hlavných klasifikačných spoločnostiach. Metóda modeluje prírubový krúžok, náboj a pripojenú rúrku alebo plášť ako elasticky spojený systém, pričom nezávisle vypočíta napätia vyplývajúce z predpätia skrutky a vnútorného tlaku a potom ich kombinuje s príslušnými limitmi napätia.

Zaťaženie skrutiek v podmienkach dosadnutia tesnenia je sila potrebná na stlačenie tesnenia na jeho minimálne dosadacie napätie, čo je hodnota zverejnená výrobcom tesnenia. Pre špirálovo vinuté tesnenie s PTFE výplňou a vonkajším krúžkom je minimálne namáhanie v sedle typicky 69 MPa (10 000 psi) pre šírku tesnenia 12 mm. Celková sila skrutky je potom výsledkom tohto napätia v sedle a kontaktnej plochy tesnenia. Plocha prierezu skrutky je dimenzovaná tak, aby napätie skrutky nepresiahlo 50 % minimálnej medze klzu materiálu skrutky pri projektovanej teplote s ďalším prídavkom na uvoľnenie tečenia tesnenia počas prvých 500 tepelných cyklov.

Samotný prírubový krúžok sa kontroluje podľa troch kategórií napätia: tangenciálne napätie vo vnútornom priemere krúžku, radiálne napätie v kružnici skrutky a pozdĺžne napätie náboja v spoji medzi nábojom a krúžkom. Prípustné limity definované v ASME oddiel VIII divízia 2 pre plavidlá triedy 1, ale prispôsobené pre námornú službu, sú nasledovné. Tangenciálne napätie je obmedzené na 1,5-násobok prípustného konštrukčného napätia materiálu príruby . Radiálne napätie je obmedzené na základné prípustné návrhové napätie. Kombinovaná intenzita napätia v zaoblení medzi nábojom a krúžkom musí zostať nižšia 1,5-násobok prípustného napätia . Príruba, ktorá prejde týmito tromi kontrolami s minimálnou rezervou 10 % pod limitmi, sa považuje za štrukturálne primeranú.

Schvaľovacia cesta klasifikačnej spoločnosti

Neštandardná námorná príruba nemôže byť inštalovaná bez zdokumentovaného súhlasu klasifikačnej spoločnosti plavidla. Schvaľovací proces sa líši od procesu štandardnej príruby, ktorá je akceptovaná na základe zhody s uznávanou normou a platným materiálovým certifikátom. Neštandardná príruba vyžaduje balík hodnotenia návrhu predložený triednemu inšpektorovi na kontrolu a vyrazenie.

Balík hodnotenia dizajnu obsahuje tieto povinné dokumenty:

• Výkres rozmerov príruby vrátane vonkajšieho priemeru, priemeru kružnice skrutiek, počtu a priemeru skrutiek, rozmerov zvýšenej plochy, šírky kontaktu tesnenia a geometrie náboja od zadnej strany príruby po prípravu zvaru.
• Špecifikácia materiálu pre telo príruby, skrutky, matice a tesnenie vrátane príslušnej normy ASTM, EN alebo JIS, podmienky tepelného spracovania a minimálne mechanické vlastnosti pri izbovej teplote a pri projektovanej teplote.
• Úplný výpočet napätia podľa ASME sekcie VIII divízie 1 dodatku 2 alebo ekvivalentnej metódy EN 13445-3, kapitola 11, so všetkými referenčnými vstupnými hodnotami a zobrazenými všetkými medzivýsledkami. Výpočet musí preukázať, že všetky pomery napätia sú nižšie ako jedna, s preferovaným maximom 0.90 pre pomer namáhania náboja, aby sa zohľadnila charakteristika cyklického únavového zaťaženia charakteristického pre vibrácie lodných strojov.
• Špecifikácia postupu zvárania a záznam kvalifikácie postupu pre zvar, ktorý spojí prírubu s rúrkou, preukazujúci, že pevnosť v ťahu a húževnatosť zvarového kovu sa rovnajú alebo prevyšujú hodnoty základných materiálov.
• Plán nedeštruktívneho testovania, ktorý špecifikuje 100% objemové vyšetrenie výkovku príruby ultrazvukovým testovaním ASME SA-388 Trieda A pre príruby s menovitým otvorom nad 4 palce alebo s konštrukčným tlakom presahujúcim 100 barov.

Po schválení posúdenia konštrukcie sa inšpektor triedy stane svedkom mechanického testovania prototypovej príruby reprezentujúcej výrobu, vrátane hydrostatickej tlakovej skúšky pri 1,5-násobok projektovaného tlaku udržiavaného minimálne 10 minút bez viditeľného presakovania alebo trvalej deformácie. Až po schválení protokolu o skúške prototypu môžu byť výrobné príruby vyrobené a označené certifikačnou značkou triedy spoločnosti.

Výber materiálu pre korozívne a kryogénne námorné služby

Materiál neštandardnej príruby je vybraný podľa korozívnych druhov, teplotného rozsahu a potenciálu galvanickej interakcie s pripojeným potrubím a konštrukciou trupu. Nasledujúca tabuľka sumarizuje štandardné triedy materiálov špecifikované pre bežné neštandardné aplikácie mimo katalógových radov JIS a ASME.

Kovanie verzus výroba plechu

Neštandardná lodná príruba môže byť vyrobená dvoma zásadne odlišnými výrobnými cestami: kovaním z plného predvalku alebo rezaním plameňom z plechu s následným obrábaním. Rozdiel nie je kozmetický; priamo ovplyvňuje metalurgickú integritu hotovej príruby a jej vhodnosť pre zamýšľanú prevádzku.

Kovaná príruba začína ako kontinuálne odlievaný predvalok so špecifikovaným teplom ocele, zahriaty na teplotu kovania a opracovaný v lisovacom lise alebo prstencovom valci, aby sa zjemnila štruktúra zrna odliateho do tvaru súvislého toku zrna, ktorý sleduje obrys príruby. Proces kovania znižuje priemernú veľkosť zŕn uhlíkovej ocele z približne ASTM 4 až ASTM 7 alebo jemnejšie , čím sa zvyšuje pevnosť v ťahu a rázová húževnatosť podľa Charpyho. Náboj je integrálne kovaný, čím sa eliminuje obvodový zvar, ktorý by spájal samostatný náboj s prstencom vyrezaným z platne. Klasifikačné spoločnosti nariaďujú kovanú konštrukciu pre všetky vyššie uvedené príruby v prevádzke Návrhový tlak 40 barov alebo návrhová teplota pod -10 °C , pretože ťažnosť v ťahu a rázové vlastnosti v smere cez hrúbku valcovaného plechu sú vo svojej podstate horšie ako vlastnosti výkovku.

Dosková príruba je akceptovaná v nízkotlakových vodovodných zariadeniach, ako sú požiarne hlavné a balastné potrubia pod 16 bar. Prírubový krúžok je vyrezaný plameňom alebo plazmou z plechu a opracovaný náboj je privarený ku krúžku zvarom s drážkou s plnou penetráciou. Zvar musí byť 100% röntgenový alebo ultrazvukovo testovaný a tepelne ovplyvnená zóna musí byť po zváraní tepelne spracovaná, ak uhlíkový ekvivalent dosky prekročí 0.43 aby sa zabránilo praskaniu spôsobenému vodíkom v hrubozrnnej oblasti susediacej s fúznou líniou. Aj pri týchto opatreniach je príruba vyrobená z platne znížená 15 % prípustného tlaku v porovnaní s kovanou prírubou rovnakých rozmerov , ako je uvedené v pravidlách výroby potrubí väčšiny klasifikačných spoločností.

Postup výberu tesnenia a uťahovacieho momentu

Neštandardná konštrukcia príruby je neoddeliteľne spojená so špecifikáciou tesnenia a skrutiek. Zaťaženie skrutiek vypočítané počas návrhu príruby predpokladá špecifický materiál tesnenia so známym minimálnym napätím dosadnutia a prevádzkovým faktorom tesnenia, známym ako faktor "m" v terminológii kódu ASME. Zmena typu tesnenia po opracovaní príruby zo špirálovo vinutého tesnenia s m-faktorom 3.0 na tesnenie zo stlačeného vlákna s m-faktorom 2,0, znižuje požadované zaťaženie skrutiek a následne znižuje napätie príruby, čo je vo všeobecnosti bezpečné. Opačná náhrada, ktorá zavádza tesnenie vyžadujúce vyššie namáhanie v sedle, nadmerne namáha prírubu a nie je povolená bez opätovného predloženia posudku konštrukcie.

Poradie uťahovania skrutiek a cieľový krútiaci moment sú rozhodujúce pre neštandardné príruby, pretože zmenšený priemer kružnice skrutiek koncentruje zaťaženie skrutiek na menšiu prstencovú plochu, čím sa zvyšuje ohybový moment prírubového krúžku. Skrutky sa uťahujú minimálne na tri prechody pomocou hviezdicového vzoru. Prvý prechod prinesie všetky skrutky 30 % cieľového krútiaceho momentu . Druhý prechod sa zvýši na 60 % a tretí prechod dosiahne 100 %. Po minimálnej čakacej dobe štyroch hodín sa použije štvrtý prechod pri 100% krútiacom momente, aby sa kompenzovalo uvoľnenie tesnenia. Cieľový krútiaci moment sa vypočíta z konštrukčného napätia skrutky, nie zo všeobecnej tabuľky krútiacich momentov, pomocou vzorca zahŕňajúceho priemer stúpania závitu, koeficient trenia v závitoch a pod čelom matice a súčiniteľ matice K, ktorý je pre mazaný čap s tvrdenou podložkou 0,16 až 0,20 .

Stratégia rozmerovej zameniteľnosti a náhradných dielov

Neštandardná príruba sa podľa definície nezhoduje so štandardnou prírubou rovnakej menovitej veľkosti potrubia, pokiaľ sa nezhodujú rozmery kruhu skrutky a vyvýšenej plochy. To vytvára zaťaženie náhradnými dielmi, ktoré sa musí riešiť vo fáze návrhu. Izometrické výkresy potrubia plavidla a databáza manažmentu prírub musia jasne označiť každú neštandardnú prírubu jedinečným identifikačným kódom a na palube sa musia prepravovať minimálne dve náhradné príruby a dve súpravy náhradných tesnení na neštandardnú veľkosť ako súčasť povinného inventára náhradného výstroja plavidla.

Pre chemické tankery a nosiče produktov, ktoré sa pripájajú k pobrežným potrubiam, musí neštandardná príruba na strane lode prejsť na štandardnú prírubu na prezentačnej ploche potrubia. Neštandardná príruba na nákladnom vedení z nehrdzavejúcej ocele so zmenšeným vonkajším priemerom na uvoľnenie štrukturálneho rebrového rámu nesmie byť koncovou prírubou, ku ktorej sa priskrutkuje spojka pobrežnej hadice. Namiesto toho šteňa s neštandardnou prírubou na vnútornom konci a štandardnou prírubou ASME B16.5 triedy 150 na vonkajšom konci obnovuje zameniteľnosť na rozhraní loď-pobrežie. Kus šteňa je hydrostaticky testovaný ako samostatná zostava a pred inštaláciou sú označené oboma identifikačnými kódmi príruby.

Kritériá kontroly počas prevádzky a odchodu do dôchodku

Neštandardné príruby podliehajú rovnakým intervalom prieskumu ako štandardné príruby v rámci nepretržitého cyklu prieskumu plavidla, zvyčajne všeobecná vizuálna kontrola ročne a podrobnejšie meranie hrúbky a nedeštruktívne vyšetrenie na päťročnom špeciálnom prieskume. Inšpekcia sa zameriava na polomer zaoblenia náboja po prstenec, čo je miesto maximálneho vypočítaného napätia a najbežnejšie miesto iniciácie únavovej trhliny.

Kontrola magnetických častíc oblasti filé sa vykonáva na neštandardných prírubách v cyklických prevádzkach, ako sú výtlačné potrubia nákladného čerpadla a systémy dusenia pary, kde tlak kolíše od nuly do projektovaného tlaku viac ako 10 000 cyklov za rok . Akákoľvek lineárna indikácia presahujúca dĺžku 3 mm na povrchu zaoblenia je dôvodom na odmietnutie a výmenu príruby, pretože faktor koncentrácie napätia zaoblenia je približne 2,5 až 3,0 znamená, že malá povrchová trhlina sa rozšíri hrúbkou steny náboja v zlomku nasledujúceho prevádzkového cyklu. Zaznamenávajú sa aj merania hrúbky na vyvýšených čelných zúbkoch; nižšie zníženie hĺbky zúbkovania 0,4 mm (1/64 palca) vyžaduje opätovné opracovanie čela príruby alebo výmenu príruby, pretože zúbky poskytujú mechanické uchopenie, ktoré zabraňuje prasknutiu tesnenia pod tlakom.