Nestandardna brodska prirubnica: dizajn, kovanje i odobrenje

Kada standardne prirubnice postanu neadekvatne

Standardne brodske prirubnice, proizvedene prema JIS F7804 za nazivne tlakove od 5K, 10K, 16K i 20K ili prema ASME B16.5 za klasu 150 do klase 2500, pokrivaju veliku većinu brodskih usluga uključujući balastnu vodu, kaljužu, prijenos loživog ulja i slatku vodu. Ove prirubnice imaju opskrbljivači i servisna dvorišta diljem svijeta, a njihova je zamjenjivost temelj pomorske logistike. Međutim, specifični radni uvjeti prisiljavaju inženjera da odustane od standardnog stola s prirubnicama.

Prvi uvjet je temperatura koja prelazi standardne granice materijala. Standardna prirubnica od ugljičnog čelika S25C JIS 10K ocijenjena je za rad između -10°C i 300°C . Kada sustav grijanja na termalno ulje radi na 340°C, materijal prirubnice mora biti nadograđen na leguru koja sadrži molibden kao što je ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), koja nema izravni JIS ekvivalent u standardnim tablicama prirubnica. Prirubnica se tada mora projektirati prema prvim načelima, s debljinom stijenke i veličinom vijaka izračunatim prema dopuštenom naprezanju pri povišenoj temperaturi.

Drugi uvjet je kemijska nekompatibilnost. Teretni vodovi na kemijskim tankerima koji rukuju koncentriranom fosfornom kiselinom u koncentraciji od 85% zahtijevaju prirubnice u UNS S31254 super austenitni nehrđajući čelik , stupanj koji nije naveden ni u jednom standardu brodske prirubnice. Dimenzije prirubnice mogu odražavati standardni JIS ili ASME obrazac za zamjenjivost s Shore razvodnikom, ali sljedivost materijala, mehaničko ispitivanje i otpornost na koroziju moraju biti certificirani u skladu s posebnom proizvodnom specifikacijom.

Treći uvjet je prostorna ograničenost. Cjevovod strojarnice u kaljužnim bunarima ispod glavnog korita motora često prolazi kroz pretijesne zazore za standardnu ​​uzdignutu prirubnicu s kružnim zavrtanjem pune veličine. Vanjski promjer prirubnice mora biti smanjen ispod standardne dimenzije, zahtijevajući nestandardni krug vijaka i vijke manjeg promjera visoke rastezljivosti kako bi se održalo naprezanje pri postavljanju brtve dok se uklapa unutar dostupne ovojnice.

Metodologija projektiranja i proračun naprezanja

Nestandardna brodska prirubnica dizajnirana je korištenjem Taylor Forge metode, kodificirane u ASME kodu za kotlove i tlačne posude, odjeljak VIII, odjeljak 1, dodatak 2, što je prihvaćeni standard za izračun u svim glavnim klasifikacijskim društvima. Metoda modelira prsten s prirubnicom, glavčinu i pričvršćenu cijev ili ljusku kao elastično spregnuti sustav, neovisno računajući naprezanja koja proizlaze iz prednaprezanja vijka i unutarnjeg tlaka, a zatim ih kombinira s odgovarajućim granicama naprezanja.

Opterećenje vijka u uvjetima nalijeganja brtve je sila potrebna da se brtva sabije do njezinog minimalnog naprezanja, vrijednost koju je objavio proizvođač brtve. Za spiralno namotanu brtvu s PTFE punilom i vanjskim prstenom, minimalno naprezanje sjedišta obično je 69 MPa (10 000 psi) za širinu brtve od 12 mm. Ukupna sila vijka tada je umnožak ovog naprezanja i kontaktne površine brtve. Površina poprečnog presjeka vijka je dimenzionirana tako da naprezanje vijka ne prelazi 50% minimalne granice razvlačenja materijala vijka na projektiranoj temperaturi , s dodatnim dopuštenjem za opuštanje puzanja brtve tijekom prvih 500 toplinskih ciklusa.

Sam prsten s prirubnicom provjerava se prema tri kategorije naprezanja: tangencijalno naprezanje na unutarnjem promjeru prstena, radijalno naprezanje u krugu vijka i uzdužno naprezanje u glavčini na spoju između glavčine i prstena. Dopuštena ograničenja, definirana u ASME odjeljku VIII odjeljak 2 za plovila klase 1, ali prilagođena za pomorsku službu, su sljedeća. Tangencijalno naprezanje ograničeno je na 1,5 puta veće od dopuštenog proračunskog naprezanja materijala prirubnice . Radijalno naprezanje ograničeno je na osnovno dopušteno proračunsko naprezanje. Kombinirani intenzitet naprezanja na rubu glavčine do prstena mora ostati ispod 1,5 puta veći od dopuštenog naprezanja . Prirubnica koja prođe ove tri provjere s minimalnom maržom od 10% ispod ograničenja smatra se strukturno odgovarajućom.

Put do odobrenja klasifikacijskog društva

Nestandardna brodska prirubnica ne može se ugraditi bez dokumentiranog odobrenja klasifikacijskog društva plovila. Proces odobravanja razlikuje se od procesa standardne prirubnice, koja se prihvaća na temelju sukladnosti s priznatim standardom i važećim certifikatom o materijalu. Nestandardna prirubnica zahtijeva paket procjene dizajna koji se podnosi nadzorniku klase na pregled i žigosanje.

Paket za ocjenu dizajna sadrži sljedeće obvezne dokumente:

• Nacrt dimenzija prirubnice, uključujući vanjski promjer, promjer kruga vijka, broj i promjer vijaka, dimenzije podignute površine, kontaktnu širinu brtve i geometriju glavčine od stražnje strane prirubnice do pripreme zavara.
• Specifikacija materijala za tijelo prirubnice, vijke, matice i brtvu, uključujući primjenjivi standard ASTM, EN ili JIS, uvjet toplinske obrade i minimalna mehanička svojstva na sobnoj temperaturi i na projektiranoj temperaturi.
• Potpuni izračun naprezanja prema ASME Odjeljku VIII Diviziji 1 Dodatak 2 ili ekvivalentnoj EN 13445-3 metodi klauzule 11, sa svim navedenim ulaznim vrijednostima i prikazanim svim međurezultatima. Izračun mora pokazati da su svi omjeri naprezanja ispod jedinice, s preferiranim maksimumom od 0.90 za omjer naprezanja u glavčini kako bi se uzela u obzir cikličko opterećenje od zamora karakteristično za vibracije brodskih strojeva.
• Specifikacija postupka zavarivanja i zapis o kvalifikaciji postupka za zavar koji će spojiti prirubnicu na cijev, pokazujući da je vlačna čvrstoća i žilavost metala zavara jednaka ili veća od čvrstoće i žilavosti osnovnih materijala.
• Plan ispitivanja bez razaranja, koji navodi 100% volumetrijsko ispitivanje otkovka prirubnice ultrazvučnim ispitivanjem ASME SA-388 klasa A za prirubnice iznad 4 inča nominalnog provrta ili s projektiranim tlakom većim od 100 bara.

Nakon što je procjena dizajna odobrena, nadzornik klase svjedoči mehaničkom ispitivanju prirubnice prototipa reprezentativne za proizvodnju, uključujući ispitivanje hidrostatskog tlaka na 1,5 puta veći od proračunskog tlaka koji se održava najmanje 10 minuta bez vidljivog curenja ili trajne deformacije. Tek nakon što se potvrdi izvješće o ispitivanju prototipa, proizvodne prirubnice se mogu proizvesti i označiti certifikacijskom oznakom klasnog društva.

Izbor materijala za korozivne i kriogene pomorske usluge

Materijal nestandardne prirubnice odabire se prema korozivnim vrstama, temperaturnom rasponu i mogućnosti galvanske interakcije sa spojenom cijevi i strukturom trupa. Sljedeća tablica sažima standardne stupnjeve materijala navedene za uobičajene nestandardne primjene izvan raspona kataloga JIS i ASME.

Kovanje u odnosu na izradu ploča

Nestandardna brodska prirubnica može se proizvesti dvama temeljno različitim proizvodnim rutama: kovanjem iz pune gredice ili plamenim rezanjem od pločastog materijala nakon čega slijedi strojna obrada. Razlika nije kozmetička; izravno utječe na metalurški integritet gotove prirubnice i njezinu prikladnost za predviđenu uslugu.

Kovana prirubnica počinje kao kontinuirano lijevana gredica određene topline čelika, zagrijana na temperaturu kovanja i obrađena u otvorenoj preši ili prstenastom valjku kako bi se pročistila lijevana zrnasta struktura u kontinuirani uzorak strujanja zrna koji slijedi konturu prirubnice. Proces kovanja smanjuje prosječnu veličinu zrna ugljičnog čelika s približno ASTM 4 do ASTM 7 ili finiji , povećavajući i vlačnu čvrstoću i udarnu žilavost po Charpyju. Glavčina je integralno kovana, čime se eliminira obodni zavar koji bi spojio zasebnu glavčinu na pločasti prsten. Klasifikacijska društva nalažu kovanu konstrukciju za sve gore navedene prirubnice 40 bara projektnog tlaka ili ispod -10°C projektne temperature , jer su vlačna rastezljivost i udarna svojstva u smjeru debljine valjane ploče inherentno lošija od onih kod otkovka.

Pločasta prirubnica prihvatljiva je u vodoopskrbnim sustavima niskog tlaka kao što su glavni protupožarni i balastni cjevovod ispod 16 bara. Prsten s prirubnicom izrezan je plamenom ili plazma iz pločastog materijala, a strojno obrađena glavčina zavarena je na prsten s punim prodiranjem utora. Zavar mora biti 100% radiografski ili ultrazvučno ispitan, a zona zahvaćena toplinom mora biti toplinski obrađena nakon zavarivanja ako ekvivalent ugljika ploče prelazi 0.43 , kako bi se spriječilo pucanje izazvano vodikom u području grubih zrna u blizini linije fuzije. Čak i uz ove mjere opreza, prirubnica izrađena od ploče je smanjena za 15% dopuštenog tlaka u usporedbi s kovanom prirubnicom istih dimenzija , kako je navedeno u pravilima za izradu cjevovoda većine klasifikacijskih društava.

Izbor brtve i postupak zakretnog momenta zavrtnja

Nestandardni dizajn prirubnice neodvojivo je povezan sa specifikacijom brtve i vijaka. Opterećenje vijka izračunato tijekom dizajna prirubnice pretpostavlja specifičan materijal brtve s poznatim minimalnim naprezanjem i radnim faktorom brtve, poznatim kao faktor "m" u terminologiji koda ASME. Promjena tipa brtve nakon što je prirubnica strojno obrađena, sa spiralno namotane brtve s m-faktorom od 3.0 na brtvu od komprimiranih vlakana s m-faktorom od 2,0, smanjuje potrebno opterećenje vijka i posljedično smanjuje naprezanje prirubnice, što je općenito sigurno. Obrnuta zamjena, uvođenjem brtve koja zahtijeva veće naprezanje dosjeda, prenapreže prirubnicu i nije dopuštena bez ponovnog podnošenja procjene projekta.

Redoslijed zatezanja vijaka i ciljni zakretni moment ključni su za nestandardne prirubnice jer smanjeni promjer kruga vijka koncentrira opterećenje vijka na manju prstenastu površinu, povećavajući moment savijanja prstena prirubnice. Vijci se zatežu u najmanje tri prolaza prema zvjezdastom nizu. Prvi prolaz dovodi sve vijke 30% ciljnog momenta . Drugi prolaz se povećava na 60%, a treći prolaz doseže 100%. Nakon minimalnog razdoblja čekanja od četiri sata, primjenjuje se četvrti prolaz sa 100% zakretnim momentom kako bi se kompenziralo opuštanje puzanja brtve. Ciljani zakretni moment izračunava se iz proračunskog naprezanja vijka, a ne iz generičke tablice zakretnog momenta, koristeći formulu koja uključuje promjer koraka navoja, koeficijent trenja u navojima i ispod površine matice i faktor matice K, koji za podmazani svornjak s očvrslom podloškom iznosi 0,16 do 0,20 .

Dimenzionalna zamjenjivost i strategija rezervnih dijelova

Nestandardna prirubnica, po definiciji, neće se spojiti sa standardnom prirubnicom iste nominalne veličine cijevi osim ako se krug vijka i dimenzije izdignute površine slučajno ne podudaraju. To stvara teret rezervnih dijelova koji se mora riješiti u fazi projektiranja. Izometrijski crteži cjevovoda plovila i baza podataka za upravljanje prirubnicama moraju jasno označiti svaku nestandardnu ​​prirubnicu jedinstvenim identifikacijskim kodom, a najmanje dvije rezervne prirubnice i dva rezervna kompleta brtvila po nestandardnoj veličini moraju se nalaziti na brodu kao dio obveznog inventara rezervne opreme plovila.

Za tankere za kemikalije i nosače proizvoda koji se spajaju na obalne razdjelnike, nestandardna prirubnica na strani broda mora prijeći u standardnu ​​prirubnicu na prednjoj strani razdjelnika. Nestandardna prirubnica na liniji tereta od nehrđajućeg čelika sa smanjenim vanjskim promjerom za pročišćavanje okvira konstrukcijske mreže ne smije biti prirubnica terminala na koju se pričvršćuju spojni vijci obalnog crijeva. Umjesto toga, komad s nestandardnom prirubnicom na unutarnjem kraju i standardnom prirubnicom ASME B16.5 klase 150 na vanjskom kraju vraća zamjenjivost na sučelju brod-obala. Pup je hidrostatski ispitan kao zaseban sklop i utisnut s oba identifikacijska koda prirubnice prije ugradnje.

Kontrola tijekom rada i kriteriji za umirovljenje

Nestandardne prirubnice podliježu istim intervalima pregleda kao i standardne prirubnice u okviru kontinuiranog ciklusa pregleda plovila, obično općeg vizualnog pregleda jednom godišnje i detaljnijeg mjerenja debljine i ispitivanja bez razaranja tijekom petogodišnjeg posebnog pregleda. Fokus inspekcije je na radijusu ugla glavčine do prstena, što je mjesto najvećeg izračunatog naprezanja i najčešće mjesto za početak pukotine uslijed zamora.

Inspekcija područja ugla magnetskim česticama provodi se na nestandardnim prirubnicama u cikličkim uslugama kao što su ispusni vodovi pumpi za teret i sustavi za prigušivanje parom, gdje tlak varira od nule do projektnog tlaka više od 10 000 ciklusa godišnje . Svaka linearna indikacija koja premašuje duljinu od 3 mm na površini ugla je osnova za odbacivanje i zamjenu prirubnice, jer je faktor koncentracije naprezanja u užetu od približno 2,5 do 3,0 znači da će se mala površinska pukotina proširiti kroz debljinu stijenke glavčine u djeliću sljedećeg radnog ciklusa. Također se bilježe mjerenja debljine na uzdignutim čeonim nazubljenjima; smanjenje dubine nazubljenja ispod 0,4 mm (1/64 inča) zahtijeva ponovnu strojnu obradu površine prirubnice ili zamjenu prirubnice, jer nazubljeni dijelovi pružaju mehanički zahvat koji sprječava ispuhivanje brtve pod pritiskom.