Nestandardní námořní příruba: Design, kování a schválení

Když se standardní příruby stanou nedostatečnými

Standardní námořní příruby, vyráběné podle JIS F7804 pro jmenovité tlaky 5K, 10K, 16K a 20K nebo podle ASME B16.5 pro třídy 150 až 2500, pokrývají převážnou většinu lodních služeb včetně balastní vody, podpalubí, přepravy topného oleje a sladké vody. Tyto příruby jsou skladovány obchodníky a opravnami po celém světě a jejich zaměnitelnost je základem námořní logistiky. Specifické provozní podmínky však nutí technika opustit standardní přírubový stůl.

První podmínkou je teplota překračující standardní materiálové limity. Standardní příruba z uhlíkové oceli S25C JIS 10K je určena pro provoz mezi -10 °C a 300 °C . Když tepelný olejový topný systém pracuje při 340 °C, musí být materiál příruby upgradován na slitinu obsahující molybden, jako je ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), která nemá přímý ekvivalent JIS ve standardních tabulkách přírub. Příruba pak musí být navržena z prvních principů, s tloušťkami stěn a velikostí šroubů vypočtenými na dovolené napětí při zvýšené teplotě.

Druhou podmínkou je chemická nekompatibilita. Nákladní linky na chemických tankerech, které manipulují s koncentrovanou kyselinou fosforečnou v 85% koncentraci, vyžadují příruby UNS S31254 super austenitická nerezová ocel , jakost, která není uvedena v žádné normě námořních přírub. Rozměry příruby mohou odrážet standardní vzor JIS nebo ASME pro zaměnitelnost s pobřežním potrubím, ale sledovatelnost materiálu, mechanické testování a odolnost proti korozi musí být certifikovány podle výrobní specifikace na míru.

Třetí podmínkou je prostorové omezení. Potrubí strojovny v drenážních šachtách pod hlavní motorovou jímkou ​​často vede mezerami, které jsou příliš těsné na standardní zdviženou přírubu se šroubovým kruhem plné velikosti. Vnější průměr příruby musí být zmenšen pod standardní rozměr, což vyžaduje nestandardní kružnici šroubů a šrouby s menším průměrem s vysokou pevností v tahu, aby se udrželo namáhání těsnění při montáži v dostupném obalu.

Metodika návrhu a výpočet napětí

Nestandardní námořní příruba je navržena pomocí metody Taylor Forge, kodifikované v ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 Appendix 2, což je uznávaný výpočetní standard ve všech hlavních klasifikačních společnostech. Metoda modeluje přírubový kroužek, náboj a připojenou trubku nebo skořepinu jako pružně spojený systém, přičemž nezávisle vypočítává napětí vznikající z předpětí šroubu a vnitřního tlaku a poté je kombinuje s vhodnými limity napětí.

Zatížení šroubu při dosednutí těsnění je síla potřebná ke stlačení těsnění na jeho minimální dosedací napětí, což je hodnota zveřejněná výrobcem těsnění. U spirálově vinutého těsnění s PTFE výplní a vnějším kroužkem je minimální napětí v sedle typicky 69 MPa (10 000 psi) pro šířku těsnění 12 mm. Celková síla šroubu je pak součinem tohoto napětí v sedle a kontaktní plochy těsnění. Plocha průřezu šroubu je dimenzována tak, aby napětí šroubu nepřesáhlo 50 % minimální meze kluzu materiálu šroubu při projektované teplotě s dalším přídavkem pro relaxaci tečení těsnění během prvních 500 tepelných cyklů.

Samotný přírubový kroužek je posuzován proti třem kategoriím napětí: tangenciální napětí na vnitřním průměru kroužku, radiální napětí na kružnici šroubu a podélné napětí náboje ve spojení mezi nábojem a kroužkem. Přípustné limity definované v ASME, oddíl VIII divize 2 pro plavidla třídy 1, ale přizpůsobené pro námořní služby, jsou následující. Tangenciální napětí je omezeno na 1,5 násobek dovoleného návrhového napětí materiálu příruby . Radiální napětí je omezeno na základní dovolené návrhové napětí. Kombinovaná intenzita napětí v zaoblení mezi nábojem a kroužkem musí zůstat nižší 1,5 násobek dovoleného napětí . Příruba, která projde těmito třemi kontrolami s minimální rezervou 10 % pod limity, je považována za konstrukčně odpovídající.

Schvalovací cesta klasifikační společnosti

Nestandardní námořní přírubu nelze nainstalovat bez doloženého schválení klasifikační společností plavidla. Schvalovací proces se liší od procesu standardní příruby, která je akceptována na základě shody s uznávanou normou a platným materiálovým certifikátem. Nestandardní příruba vyžaduje balíček hodnocení návrhu předložený inspektorovi třídy ke kontrole a vyražení.

Balíček hodnocení designu obsahuje následující povinné dokumenty:

• Výkres rozměrů příruby, včetně vnějšího průměru, průměru kružnice šroubu, počtu a průměru šroubů, rozměrů zvýšené plochy, šířky kontaktu těsnění a geometrie náboje od zadní strany příruby po přípravu svaru.
• Specifikace materiálu pro tělo příruby, šrouby, matice a těsnění, včetně příslušné normy ASTM, EN nebo JIS, podmínky tepelného zpracování a minimální mechanické vlastnosti při pokojové teplotě a při konstrukční teplotě.
• Kompletní výpočet napětí podle ASME Section VIII Division 1 Appendix 2 nebo ekvivalentní metody EN 13445-3, kapitola 11, se všemi referenčními vstupními hodnotami a zobrazenými všemi mezivýsledky. Výpočet musí prokázat, že všechny poměry napětí jsou pod jednotnou, s preferovaným maximem 0.90 pro poměr napětí v náboji, aby zohlednil charakteristiku cyklického únavového zatížení vibrací lodních strojů.
• Specifikace postupu svařování a záznam kvalifikace postupu pro svar, který spojí přírubu s trubkou, prokazující, že pevnost a houževnatost svarového kovu v tahu a houževnatost jsou stejné nebo vyšší než u základních materiálů.
• Plán nedestruktivních zkoušek, který specifikuje 100% objemovou kontrolu výkovku příruby ultrazvukovou zkouškou ASME SA-388 Třída A pro příruby s jmenovitým vrtáním nad 4 palce nebo s návrhovým tlakem vyšším než 100 bar.

Jakmile je schváleno posouzení návrhu, inspektor třídy je svědkem mechanického testování prototypové příruby reprezentující výrobu, včetně hydrostatické tlakové zkoušky při 1,5násobek projektovaného tlaku udržovaného po dobu minimálně 10 minut bez viditelného úniku nebo trvalé deformace. Teprve po schválení protokolu o zkoušce prototypu mohou být vyrobeny výrobní příruby a opatřeny certifikační značkou třídy společnosti.

Výběr materiálu pro korozivní a kryogenní námořní služby

Materiál nestandardní příruby je vybírán s ohledem na korozivní druhy, teplotní rozsah a potenciál galvanické interakce s připojeným potrubím a konstrukcí trupu. Následující tabulka shrnuje standardní třídy materiálů specifikované pro běžné nestandardní aplikace mimo katalogové řady JIS a ASME.

Kování versus výroba plechů

Nestandardní lodní přírubu lze vyrobit dvěma zásadně odlišnými výrobními cestami: kováním z plného sochoru nebo řezáním plamenem z plechu s následným obráběním. Rozdíl není kosmetický; přímo ovlivňuje metalurgickou integritu hotové příruby a její vhodnost pro zamýšlený provoz.

Kovaná příruba začíná jako kontinuálně odlévaný předvalek o specifikovaném teplu oceli, zahřátý na kovací teplotu a opracovaný v otevřeném lisu nebo prstencovém válci, aby se zjemnila struktura zrna v odlévaném stavu do kontinuálního vzoru toku zrna, který sleduje obrys příruby. Proces kování snižuje průměrnou velikost zrna uhlíkové oceli z přibližně ASTM 4 až ASTM 7 nebo jemnější zvyšuje jak pevnost v tahu, tak i Charpyho rázovou houževnatost. Náboj je integrálně kovaný, čímž se eliminuje obvodový svar, který by připojoval samostatný náboj k prstenci řezanému plechem. Klasifikační společnosti nařizují kovanou konstrukci všech výše uvedených přírub v provozu 40 bar návrhový tlak nebo nižší návrhová teplota -10°C , protože tažnost v tahu a rázové vlastnosti ve směru přes tloušťku válcované desky jsou ze své podstaty horší než vlastnosti výkovku.

Desková příruba je akceptována v nízkotlakých vodovodních systémech, jako je požární potrubí a balastní potrubí pod 16 bar. Přírubový kroužek je vyřezán plamenem nebo plazmou z plechu ak kroužku je přivařen obrobený náboj s celopronikajícím drážkovým svarem. Svar musí být 100% rentgenován nebo testován ultrazvukem a tepelně ovlivněná zóna musí být po svařování tepelně zpracována, pokud uhlíkový ekvivalent desky překročí 0.43 , aby se zabránilo vodíkem indukovanému praskání v hrubozrnné oblasti sousedící s fúzní linií. I přes tato opatření je příruba vyrobená z desky snížena 15 % v povoleném tlaku ve srovnání s kovanou přírubou stejných rozměrů , jak je uvedeno v pravidlech výroby potrubí většiny klasifikačních společností.

Postup výběru těsnění a utahovacího momentu šroubů

Nestandardní provedení příruby je neoddělitelně spojeno se specifikací těsnění a šroubů. Zatížení šroubu vypočtené během návrhu příruby předpokládá specifický materiál těsnění se známým minimálním napětím v sedle a faktorem provozního těsnění, známým jako faktor "m" v terminologii kódu ASME. Změna typu těsnění po obrobení příruby ze spirálově vinutého těsnění s m-faktorem 3.0 na těsnění ze stlačeného vlákna s m-faktorem 2,0, snižuje požadované zatížení šroubu a následně snižuje napětí příruby, což je obecně bezpečné. Opačná záměna, která zavádí těsnění vyžadující vyšší napětí v sedle, přetěžuje přírubu a není povolena bez opětovného předložení posouzení návrhu.

Pořadí utahování šroubů a cílový krouticí moment jsou pro nestandardní příruby kritické, protože zmenšený průměr kružnice šroubu koncentruje zatížení šroubu na menší prstencovou plochu, čímž se zvyšuje ohybový moment přírubového kroužku. Šrouby se utahují minimálně ve třech průchodech pomocí hvězdicového vzoru. První průchod přinese všechny šrouby 30 % cílového točivého momentu . Druhý průchod se zvýší na 60 % a třetí průchod dosáhne 100 %. Po minimální čekací době čtyř hodin se použije čtvrtý průchod při 100% kroutícím momentu, aby se kompenzovalo uvolnění těsnění. Cílový krouticí moment se vypočítá z konstrukčního napětí šroubu, nikoli z obecné tabulky krouticího momentu, pomocí vzorce zahrnujícího průměr stoupání závitu, koeficient tření v závitech a pod čelem matice a součinitel matice K, který je pro mazaný čep s tvrzenou podložkou 0,16 až 0,20 .

Strategie rozměrové zaměnitelnosti a náhradních dílů

Nestandardní příruba podle definice nebude lícovat se standardní přírubou stejné jmenovité velikosti trubky, pokud se rozměry kružnice šroubu a zvýšeného čela náhodou neshodují. To vytváří zátěž náhradními díly, kterou je třeba řešit ve fázi návrhu. Izometrické výkresy potrubí plavidla a databáze správy přírub musí jasně označit každou nestandardní přírubu jedinečným identifikačním kódem a na palubě musí být v rámci povinného inventáře náhradního vybavení plavidla přepravovány minimálně dvě náhradní příruby a dvě sady náhradních těsnění na nestandardní velikost.

U chemických tankerů a nosičů produktů, které se připojují k pobřežnímu potrubí, musí nestandardní příruba na straně lodi přecházet na standardní přírubu na prezentační ploše potrubí. Nestandardní příruba na nákladní lince z nerezové oceli se zmenšeným vnějším průměrem pro uvolnění konstrukčního rámu nesmí být koncovou přírubou, ke které je přišroubována spojka pobřežní hadice. Místo toho štětec s nestandardní přírubou na vnitřním konci a standardní přírubou ASME B16.5 Class 150 na vnějším konci obnovuje zaměnitelnost na rozhraní loď-břeh. Kus štěněte je hydrostaticky testován jako samostatná sestava a před instalací je označen oběma identifikačními kódy přírub.

Inspekce v provozu a kritéria odchodu do důchodu

Nestandardní příruby podléhají stejným intervalům průzkumu jako standardní příruby v rámci nepřetržitého cyklu průzkumu plavidla, obvykle obecná vizuální kontrola ročně a podrobnější měření tloušťky a nedestruktivní zkouška při pětiletém speciálním průzkumu. Kontrola je zaměřena na poloměr zaoblení náboje k prstenci, což je místo maximálního vypočteného napětí a nejčastější místo iniciace únavové trhliny.

Inspekce oblasti filé pomocí magnetických částic se provádí na nestandardních přírubách v cyklických provozech, jako jsou výtlačné potrubí nákladního čerpadla a systémy dusání páry, kde tlak kolísá od nuly do projektovaného tlaku více než 10,000 cycles per year . Jakákoli lineární indikace přesahující délku 3 mm na povrchu zaoblení je důvodem pro odmítnutí a výměnu příruby, protože faktor koncentrace napětí zaoblení je přibližně 2.5 to 3.0 znamená, že malá povrchová trhlina se bude šířit skrz tloušťku stěny náboje ve zlomku příštího provozního cyklu. Zaznamenávají se také měření tloušťky na vyvýšeném čelním vroubkování; snížení hloubky zoubkování níže 0.4 mm (1/64 inch) vyžaduje opětovné opracování čela příruby nebo výměnu příruby, protože vroubkování zajišťuje mechanické uchopení, které zabraňuje prasknutí těsnění pod tlakem.