فلنج دریایی غیر استاندارد: طراحی، آهنگری و تایید

A فلنج دریایی غیر استاندارد هر اتصال دایره ای پیچ و مهره ای در سیستم لوله کشی کشتی است که ابعاد، درجه فشار یا درجه مواد آن خارج از پاکت منتشر شده ISO 7005-1، JIS F7804، یا ANSI/ASME B16.5 است. تصمیم برای تعیین یک فلنج غیر استاندارد توسط یکی از سه محدودیت هدایت می شود: نفوذ به بدنه قدیمی که به دایره پیچ سفارشی منطبق نیاز دارد، محموله شیمیایی که به مواد استاندارد فلنج حمله می کند، یا یک سیستم هیدرولیک فشار بالا که بالای 250 بار کار می کند، جایی که فلنج های کاتالوگ بسیار سنگین می شوند. . در هر مورد، فلنج همچنان باید قوانین جامعه طبقه بندی مربوطه را رعایت کند - Lloyd's Register، DNV، Bureau Veritas، ABS، یا ClassNK - به این معنی که یک طرح سفارشی فرآیند صدور گواهینامه را دور نمی زند. آن را به سادگی به جای یک استاندارد پذیرفته شده نوع، یک مسیر تایید مبتنی بر محاسبات را دنبال می کند.

Non-standard marine flange

وقتی فلنج های استاندارد ناکافی می شوند

فلنج‌های دریایی استاندارد، که با JIS F7804 برای فشارهای اسمی 5K، 10K، 16K و 20K یا ASME B16.5 برای کلاس 150 تا کلاس 2500 ساخته شده‌اند، اکثر خدمات کشتی از جمله آب بالاست، آب‌گیری، انتقال روغن سوخت و آب شیرین را پوشش می‌دهند. این فلنج ها توسط چندلرها و یاردهای تعمیر در سراسر جهان ذخیره می شوند و قابلیت تعویض آنها پایه و اساس لجستیک دریایی است. با این حال، شرایط عملیاتی خاص مهندس را مجبور می کند از جدول استاندارد فلنج خارج شود.

شرط اول دمای بیش از حد استاندارد مواد است. یک فلنج استاندارد S25C فولاد کربنی JIS 10K برای سرویس دهی بین رتبه بندی شده است -10 درجه سانتی گراد و 300 درجه سانتی گراد . هنگامی که یک سیستم گرمایش روغن حرارتی در دمای 340 درجه سانتیگراد کار می کند، مواد فلنج باید به یک آلیاژ مولیبدن دار مانند ASTM A182 F11 (1.25Cr-0.5Mo) ارتقا داده شود، که هیچ معادل مستقیم JIS در جداول فلنج استاندارد ندارد. سپس فلنج باید بر اساس اصول اولیه طراحی شود و ضخامت دیواره و اندازه پیچ و مهره با تنش مجاز در دمای بالا محاسبه شود.

شرط دوم ناسازگاری شیمیایی است. خطوط بار در تانکرهای شیمیایی که اسید فسفریک غلیظ را با غلظت 85 درصد جابجا می کنند، نیاز به فلنج دارند. فولاد ضد زنگ فوق آستنیتی UNS S31254 ، درجه ای که در هیچ استاندارد فلنج دریایی ذکر نشده است. ابعاد فلنج می تواند منعکس کننده یک الگوی استاندارد JIS یا ASME برای قابلیت تعویض با منیفولد ساحلی باشد، اما قابلیت ردیابی مواد، تست مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی باید در برابر مشخصات ساخت سفارشی تایید شود.

شرط سوم محدودیت فضا است. لوله‌کشی موتورخانه در چاه‌های آب‌گیر در زیر مخزن اصلی موتور اغلب از فاصله‌های بسیار تنگ برای فلنج استاندارد با صورت برجسته با یک دایره پیچ و مهره در اندازه کامل عبور می‌کند. قطر بیرونی فلنج باید کمتر از ابعاد استاندارد کاهش یابد و به یک دایره پیچ غیراستاندارد و پیچ‌های کششی با قطر کوچک‌تر نیاز دارد تا تنش نشیمنگاه واشر را در حین قرار گرفتن در پوشش موجود حفظ کند.

روش طراحی و محاسبه تنش

یک فلنج دریایی غیراستاندارد با استفاده از روش Taylor Forge طراحی شده است که در ضمیمه 2 بخش VIII Boiler and Vessel Code کد ASME Boiler and Pressure Vessel Code ASME، که استاندارد محاسباتی پذیرفته شده در تمام انجمن های طبقه بندی اصلی است، طراحی شده است. این روش حلقه فلنج، توپی و لوله یا پوسته متصل را به عنوان یک سیستم جفت شده الاستیک مدل می کند، تنش های ناشی از پیش بار پیچ و فشار داخلی را به طور مستقل محاسبه می کند، سپس آنها را با محدودیت های تنش مناسب ترکیب می کند.

بار پیچ در شرایط نشیمنگاه واشر، نیروی مورد نیاز برای فشرده سازی واشر به حداقل تنش نشستن آن است، مقداری که توسط سازنده واشر منتشر شده است. برای یک واشر مارپیچی با پرکننده PTFE و یک حلقه بیرونی، حداقل تنش نشستن معمولاً 69 مگاپاسکال (10000 psi) برای عرض واشر 12 میلی متر. نیروی کل پیچ حاصل ضرب این تنش نشیمنگاه و ناحیه تماس واشر است. سطح مقطع پیچ به گونه ای اندازه می شود که تنش پیچ از آن بیشتر نشود 50% حداقل استحکام تسلیم مواد پیچ در دمای طراحی ، با کمک هزینه بیشتر برای آرامش خزش واشر در طول 500 سیکل حرارتی اول.

خود حلقه فلنج در برابر سه دسته تنش بررسی می شود: تنش مماسی در قطر داخلی حلقه، تنش شعاعی در دایره پیچ و تنش توپی طولی در محل اتصال بین توپی و حلقه. محدودیت های مجاز، که در بخش 2 ASME بخش VIII برای شناورهای کلاس 1 تعریف شده اما برای خدمات دریایی اقتباس شده است، به شرح زیر است. تنش مماسی محدود به 1.5 برابر استرس طراحی مجاز مواد فلنج . تنش شعاعی به تنش طراحی مجاز پایه محدود می شود. شدت تنش ترکیبی در فیله توپی به حلقه باید در زیر باقی بماند 1.5 برابر استرس مجاز . فلنجی که این سه بررسی را با حداقل حاشیه 10 درصد زیر حد عبور کند، از نظر ساختاری مناسب در نظر گرفته می شود.

مسیر تایید جامعه طبقه بندی

یک فلنج دریایی غیر استاندارد را نمی توان بدون تأیید مستند از جامعه طبقه بندی کشتی نصب کرد. فرآیند تایید با فلنج استاندارد متفاوت است که بر اساس انطباق با استاندارد شناخته شده و گواهی مواد معتبر پذیرفته می شود. فلنج غیر استاندارد نیاز به یک بسته ارزیابی طراحی دارد که برای بررسی و مهر زنی به نقشه بردار کلاس ارسال شود.

بسته ارزیابی طراحی شامل مدارک اجباری زیر است:

ترسیم ابعاد فلنج، شامل قطر بیرونی، قطر دایره پیچ، تعداد و قطر پیچ‌ها، ابعاد صفحه برجسته، عرض تماس واشر، و هندسه توپی از سطح پشت فلنج تا آماده‌سازی جوش.
مشخصات مواد برای بدنه فلنج، پیچ‌ها، مهره‌ها و واشر، از جمله استانداردهای قابل اجرا ASTM، EN، یا JIS، شرایط عملیات حرارتی، و حداقل خواص مکانیکی در دمای اتاق و در دمای طراحی.
محاسبه تنش کامل بر اساس ASME بخش VIII بخش 1 پیوست 2 یا روش معادل EN 13445-3 بند 11، با همه مقادیر ورودی ارجاع شده و همه نتایج میانی نشان داده شده است. محاسبه باید نشان دهد که همه نسبت‌های تنش کمتر از واحد هستند، با حداکثر ترجیحی 0.90 برای نسبت تنش توپی برای محاسبه مشخصه بارگذاری خستگی چرخه ای ارتعاش ماشین آلات کشتی.
مشخصات روش جوشکاری و صلاحیت فرآیند برای جوشی که فلنج را به لوله می‌پیوندد، نشان می‌دهد که استحکام کششی و چقرمگی فلز جوش برابر یا بیشتر از مواد پایه است.
طرح آزمایش غیر مخرب، تعیین 100٪ بررسی حجمی آهنگری فلنج با آزمایش اولتراسونیک ASME SA-388 کلاس A برای فلنج های بالاتر از 4 اینچ سوراخ اسمی یا با فشار طراحی بیش از 100 بار.

هنگامی که ارزیابی طراحی تأیید شد، نقشه بردار کلاس شاهد آزمایش مکانیکی یک فلنج نمونه اولیه تولیدی، از جمله آزمایش فشار هیدرواستاتیک در 1.5 برابر فشار طراحی برای حداقل 10 دقیقه نگه داشته می شود بدون نشتی قابل مشاهده یا تغییر شکل دائمی. تنها پس از تأیید گزارش آزمایش نمونه اولیه، می‌توان فلنج‌های تولیدی را تولید و با علامت گواهی جامعه طبقه بندی کرد.

انتخاب مواد برای خدمات دریایی خورنده و برودتی

مواد یک فلنج غیر استاندارد در برابر گونه های خورنده، محدوده دما و پتانسیل تعامل گالوانیکی با لوله متصل و ساختار بدنه انتخاب می شود. جدول زیر نمرات مواد استاندارد مشخص شده برای کاربردهای معمولی غیر استاندارد خارج از محدوده کاتالوگ JIS و ASME را خلاصه می کند.

درجه مواد معمولاً برای فلنج های دریایی غیر استاندارد در خدمات تخصصی کشتی مشخص می شود
وضعیت خدمات	مواد توصیه شده	محدوده دما (درجه سانتیگراد)	عناصر کلیدی آلیاژی
محموله LNG در -163 درجه سانتیگراد	ASTM A182 F304L	-196 تا 300	18Cr-8Ni، کربن کم
اسید سولفوریک 98 درصد در دمای 40 درجه سانتی گراد	ASTM A182 F44 (UNS S31254)	-20 تا 200	20Cr-18Ni-6Mo-Cu-N
خنک کننده آب دریا در 10 بار	UNS C70600 (90Cu-10Ni)	-30 تا 200	90% مس، 10% نیکل، ردیابی آهن و منگنز
روغن حرارتی در 340 درجه سانتی گراد، 15 بار	ASTM A182 F11 کلاس 2	-30 تا 540	1.25Cr-0.5Mo
روغن هیدرولیک 350 بار	ASTM A182 F51 (دوبلکس)	-50 تا 280	22Cr-5Ni-3Mo-N

آهنگری در مقابل ساخت صفحه

یک فلنج دریایی غیراستاندارد را می توان با دو مسیر تولید اساساً متفاوت تولید کرد: آهنگری از یک شمش جامد، یا برش شعله از استوک صفحه و به دنبال آن ماشینکاری. تمایز آرایشی نیست. این به طور مستقیم بر یکپارچگی متالورژیکی فلنج تمام شده و مناسب بودن آن برای سرویس مورد نظر تأثیر می گذارد.

فلنج آهنگری به‌عنوان یک شمش ریخته‌گری پیوسته از گرمای مشخص فولاد شروع می‌شود، تا دمای آهنگری حرارت داده می‌شود و در یک پرس قالب باز یا غلتک حلقه‌ای کار می‌شود تا ساختار دانه‌های ریخته‌شده را به یک الگوی جریان دانه پیوسته که از خط فلنج پیروی می‌کند، اصلاح کند. فرآیند آهنگری میانگین اندازه دانه فولاد کربنی را از تقریباً کاهش می دهد ASTM 4 تا ASTM 7 یا بهتر ، هم استحکام کششی و هم چقرمگی ضربه Charpy را افزایش می دهد. توپی به طور یکپارچه آهنگری شده است و جوش محیطی را که یک توپی جداگانه را به یک حلقه برش صفحه می پیوندد از بین می برد. انجمن های طبقه بندی ساخت و ساز آهنگری را برای تمام فلنج های در خدمت بالا الزام می کنند فشار طراحی 40 بار یا دمای طراحی کمتر از -10 درجه سانتیگراد ، زیرا شکل پذیری کششی و خواص ضربه در جهت ضخامت یک صفحه نورد ذاتاً پایین تر از آهنگری است.

فلنج ساخته شده از صفحه در خدمات آب کم فشار مانند لوله کشی اصلی آتش نشانی و بالاست زیر 16 بار پذیرفته می شود. حلقه فلنج به صورت شعله برش یا برش پلاسما از استوک صفحه است و یک توپی ماشینکاری شده با یک جوش شیاری با نفوذ کامل به حلقه جوش داده می شود. جوش باید 100% رادیوگرافی یا اولتراسونیک آزمایش شود و ناحیه متاثر از حرارت باید پس از جوشکاری حرارتی انجام شود اگر معادل کربن صفحه بیش از حد باشد. 0.43 برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از هیدروژن در ناحیه دانه درشت مجاور خط همجوشی. حتی با وجود این اقدامات احتیاطی، یک فلنج ساخته شده از صفحه به وسیله آن کاهش می یابد 15 درصد در فشار مجاز در مقایسه با فلنج آهنگری با ابعاد یکسان همانطور که در قوانین ساخت لوله کشی اکثر انجمن های طبقه بندی مشخص شده است.

روش انتخاب واشر و گشتاور پیچ و مهره

طراحی فلنج غیر استاندارد به طور جدایی ناپذیر با مشخصات واشر و پیچ و مهره مرتبط است. بار پیچ محاسبه شده در طول طراحی فلنج، یک ماده واشر خاص با حداقل تنش نشستن و ضریب واشر عملیاتی شناخته شده را در نظر می گیرد که در اصطلاحات کد ASME به عنوان ضریب "m" شناخته می شود. تغییر نوع واشر پس از ماشین کاری فلنج، از یک واشر مارپیچی با ضریب m 3.0 به یک واشر فیبر فشرده با ضریب m 2.0، بار پیچ مورد نیاز را کاهش می دهد و در نتیجه تنش فلنج را کاهش می دهد، که به طور کلی ایمن است. جایگزینی معکوس، معرفی یک واشر که نیاز به تنش نشستن بالاتری دارد، فشار بیش از حد به فلنج وارد می‌کند و بدون ارائه مجدد ارزیابی طراحی مجاز نیست.

دنباله سفت کردن پیچ و گشتاور هدف برای فلنج های غیر استاندارد بسیار مهم است زیرا کاهش قطر دایره پیچ بار پیچ را در یک ناحیه حلقوی کوچکتر متمرکز می کند و گشتاور خمشی حلقه فلنج را افزایش می دهد. پیچ ها با استفاده از دنباله الگوی ستاره ای در حداقل سه بار سفت می شوند. اولین پاس همه پیچ ها را به 30 درصد گشتاور هدف . پاس دوم به 60% و پاس سوم به 100% می رسد. پس از حداقل دوره انتظار چهار ساعته، پاس چهارم با گشتاور 100% برای جبران آرامش خزش واشر اعمال می شود. گشتاور هدف از تنش پیچ طراحی محاسبه می شود، نه از جدول گشتاور عمومی، با استفاده از فرمول شامل قطر گام رزوه، ضریب اصطکاک در رزوه ها و زیر سطح مهره، و ضریب مهره K، که برای یک گل میخ روغن کاری شده با واشر سخت شده است. 0.16 تا 0.20 .

قابلیت تعویض ابعادی و استراتژی قطعات یدکی

فلنج غیر استاندارد، طبق تعریف، با فلنج استاندارد با همان اندازه اسمی لوله جفت نمی شود، مگر اینکه ابعاد دایره پیچ و صورت برجسته با هم مطابقت داشته باشند. این باعث ایجاد بار قطعات یدکی می شود که باید در مرحله طراحی برطرف شود. نقشه های ایزومتریک لوله کشی کشتی و پایگاه داده مدیریت فلنج باید به وضوح هر فلنج غیر استاندارد را با یک کد شناسایی منحصر به فرد علامت گذاری کند و حداقل دو فلنج یدکی و دو مجموعه واشر یدکی در هر اندازه غیر استاندارد باید به عنوان بخشی از موجودی دنده یدکی اجباری کشتی حمل شود.

برای تانکرهای شیمیایی و حامل‌های محصولاتی که به منیفولدهای ساحلی متصل می‌شوند، فلنج غیر استاندارد در سمت کشتی باید به فلنج استاندارد در وجه نمایش منیفولد تبدیل شود. فلنج غیر استاندارد روی خط باربری فولادی ضد زنگ با قطر بیرونی کاهش یافته برای پاکسازی یک قاب ساختاری نباید فلنج انتهایی باشد که پیچ اتصال شلنگ ساحلی به آن می‌پیوندد. در عوض، یک قطعه توله سگ با فلنج غیر استاندارد در انتهای داخلی و یک فلنج استاندارد ASME B16.5 کلاس 150 در انتهای قایق، قابلیت تعویض را در رابط کشتی به ساحل بازیابی می کند. قطعه توله سگ به عنوان یک مجموعه جداگانه به صورت هیدرواستاتیک آزمایش می شود و قبل از نصب با هر دو کد شناسایی فلنج مهر می شود.

بازرسی ضمن خدمت و ضوابط بازنشستگی

فلنج‌های غیر استاندارد در معرض همان فواصل بررسی قرار می‌گیرند که فلنج‌های استاندارد تحت چرخه بررسی مداوم کشتی، معمولاً یک بازرسی بصری کلی سالانه و اندازه‌گیری دقیق‌تر ضخامت و بررسی غیر مخرب در بررسی ویژه پنج ساله انجام می‌شود. تمرکز بازرسی بر روی شعاع فیله توپی به حلقه است، که محل حداکثر تنش محاسبه‌شده و رایج‌ترین مکان برای شروع ترک خستگی است.

بازرسی ذرات مغناطیسی ناحیه فیله بر روی فلنج‌های غیر استاندارد در خدمات چرخه‌ای مانند خطوط تخلیه پمپ بار و سیستم‌های خفه‌کننده بخار انجام می‌شود، که در آن فشار از صفر تا فشار طراحی بیشتر از آن در نوسان است. 10000 سیکل در سال . هر نشانه خطی بیش از 3 میلی متر طول در سطح فیله دلیلی برای رد و جایگزینی فلنج است، زیرا ضریب غلظت تنش فیله تقریباً 2.5 تا 3.0 به این معنی که یک ترک سطحی کوچک در کسری از چرخه عملیاتی بعدی در ضخامت دیواره هاب منتشر می شود. اندازه گیری ضخامت در دندانه های صورت برجسته نیز ثبت می شود. کاهش عمق دندانه در زیر 0.4 میلی متر (1/64 اینچ) نیاز به ماشینکاری مجدد صفحه فلنج یا تعویض فلنج دارد، زیرا دندانه ها چسبندگی مکانیکی را فراهم می کنند که از انفجار واشر تحت فشار جلوگیری می کند.