Flangia marina non standard: progettazione, forgiatura e approvazione

Quando le flange standard diventano inadeguate

Le flange marine standard, prodotte secondo JIS F7804 per pressioni nominali di 5K, 10K, 16K e 20K o secondo ASME B16.5 per le classi dalla Classe 150 alla Classe 2500, coprono la stragrande maggioranza dei servizi di bordo, tra cui acqua di zavorra, sentina, trasferimento di olio combustibile e acqua dolce. Queste flange sono rifornite da fornitori e cantieri di riparazione in tutto il mondo e la loro intercambiabilità è il fondamento della logistica marittima. Tuttavia, condizioni operative specifiche costringono il tecnico ad abbandonare la tabella delle flange standard.

La prima condizione è che la temperatura superi i limiti del materiale standard. Una flangia standard JIS 10K in acciaio al carbonio S25C è classificata per il servizio tra -10°C e 300°C . Quando un sistema di riscaldamento ad olio diatermico funziona a 340°C, il materiale della flangia deve essere aggiornato con una lega contenente molibdeno come ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), che non ha un equivalente JIS diretto nelle tabelle delle flange standard. La flangia deve quindi essere progettata secondo i principi primi, con spessori di parete e dimensioni dei bulloni calcolati in base alla sollecitazione ammissibile a temperatura elevata.

La seconda condizione è l'incompatibilità chimica. Le linee di carico sulle navi cisterna per prodotti chimici che trasportano acido fosforico concentrato alla concentrazione dell'85% richiedono l'inserimento di flange Acciaio inossidabile super austenitico UNS S31254 , un grado non elencato in nessuno standard sulle flange marine. Le dimensioni della flangia possono rispecchiare un modello standard JIS o ASME per l'intercambiabilità con il collettore Shore, ma la tracciabilità del materiale, i test meccanici e la resistenza alla corrosione devono essere certificati rispetto a specifiche di produzione su misura.

La terza condizione è il vincolo di spazio. Le tubazioni della sala macchine nei pozzetti di sentina sotto la coppa del motore principale spesso attraversano spazi troppo stretti per una flangia a faccia rialzata standard con un cerchio di bullonatura a grandezza naturale. Il diametro esterno della flangia deve essere ridotto al di sotto della dimensione standard, richiedendo un cerchio di bulloni non standard e bulloni ad alta resistenza di diametro inferiore per mantenere la sollecitazione di inserimento della guarnizione durante il montaggio all'interno dell'involucro disponibile.

Metodologia di progettazione e calcolo delle sollecitazioni

Una flangia marina non standard è progettata utilizzando il metodo Taylor Forge, codificato nel codice ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sezione VIII Divisione 1 Appendice 2, che è lo standard di calcolo accettato da tutte le principali società di classificazione. Il metodo modella l'anello della flangia, il mozzo e il tubo o guscio collegato come un sistema accoppiato elasticamente, calcolando le sollecitazioni derivanti dal precarico del bullone e dalla pressione interna in modo indipendente, quindi combinandole con i limiti di sollecitazione appropriati.

Il carico del bullone in condizioni di inserimento della guarnizione è la forza richiesta per comprimere la guarnizione fino alla sollecitazione minima di inserimento, un valore pubblicato dal produttore della guarnizione. Per una guarnizione a spirale con riempitivo in PTFE e un anello esterno, la sollecitazione di sede minima è tipicamente 69 MPa (10.000 psi) per una larghezza della guarnizione di 12 mm. La forza totale del bullone è quindi il prodotto di questa sollecitazione di inserimento e dell'area di contatto della guarnizione. L'area della sezione trasversale del bullone è dimensionata in modo tale che la sollecitazione del bullone non superi 50% del carico di snervamento minimo del materiale del bullone alla temperatura di progetto , con un'ulteriore tolleranza per il rilassamento dello scorrimento della guarnizione durante i primi 500 cicli termici.

L'anello della flangia stesso viene controllato rispetto a tre categorie di sollecitazione: sollecitazione tangenziale sul diametro interno dell'anello, sollecitazione radiale sulla circonferenza del bullone e sollecitazione longitudinale del mozzo sulla giunzione tra il mozzo e l'anello. I limiti consentiti, definiti nell'ASME Sezione VIII Divisione 2 per le navi di Classe 1 ma adattate per il servizio marittimo, sono i seguenti. Lo stress tangenziale è limitato a 1,5 volte la sollecitazione di progetto ammissibile del materiale della flangia . La sollecitazione radiale è limitata alla sollecitazione di progetto ammissibile di base. L'intensità della sollecitazione combinata nel raccordo mozzo-anello deve rimanere inferiore 1,5 volte lo stress consentito . Una flangia che supera questi tre controlli con un margine minimo del 10% al di sotto dei limiti è considerata strutturalmente adeguata.

Percorso di approvazione delle società di classificazione

Una flangia marina non standard non può essere installata senza l'approvazione documentata della società di classificazione della nave. Il processo di approvazione differisce da quello di una flangia standard, che viene accettata sulla base del rispetto di uno standard riconosciuto e di un certificato del materiale valido. La flangia non standard richiede un pacchetto di valutazione del progetto presentato al geometra di classe per la revisione e la timbratura.

Il pacchetto di valutazione del progetto contiene i seguenti documenti obbligatori:

• Il disegno delle dimensioni della flangia, incluso il diametro esterno, il diametro del cerchio dei bulloni, il numero e il diametro dei bulloni, le dimensioni della faccia rialzata, la larghezza di contatto della guarnizione e la geometria del mozzo dalla faccia posteriore della flangia alla preparazione della saldatura.
• Le specifiche del materiale per il corpo della flangia, i bulloni, i dadi e la guarnizione, inclusi gli standard ASTM, EN o JIS applicabili, le condizioni di trattamento termico e le proprietà meccaniche minime a temperatura ambiente e alla temperatura di progetto.
• Il calcolo completo della sollecitazione secondo ASME Sezione VIII Divisione 1 Appendice 2 o il metodo equivalente EN 13445-3 Clausola 11, con tutti i valori di input referenziati e tutti i risultati intermedi mostrati. Il calcolo deve dimostrare che tutti i rapporti di sollecitazione sono inferiori all'unità, con un massimo preferito pari a 0.90 affinché il rapporto di sollecitazione del mozzo tenga conto del carico di fatica ciclico caratteristico delle vibrazioni dei macchinari di bordo.
• La specifica della procedura di saldatura e il record di qualificazione della procedura per la saldatura che unirà la flangia al tubo, dimostrando che la resistenza alla trazione e la tenacità del metallo saldato sono pari o superiori a quelle dei materiali di base.
• Il piano di controlli non distruttivi, che specifica l'esame volumetrico al 100% della flangia forgiata mediante test ad ultrasuoni per ASME SA-388 Classe A per flange con foro nominale superiore a 4 pollici o con pressione di progetto superiore a 100 bar.

Una volta approvata la valutazione del progetto, il perito della classe assiste al test meccanico di un prototipo di flangia rappresentativo della produzione, compreso un test di pressione idrostatica a 1,5 volte la pressione di progetto mantenuta per un minimo di 10 minuti senza perdite visibili o deformazioni permanenti. Solo dopo che il rapporto di prova del prototipo è stato approvato, le flange di produzione possono essere fabbricate e contrassegnate con il marchio di certificazione della società di classe.

Selezione dei materiali per servizi marini corrosivi e criogenici

Il materiale di una flangia non standard viene selezionato in base alle specie corrosive, all'intervallo di temperatura e al potenziale di interazione galvanica con il tubo collegato e la struttura dello scafo. La tabella seguente riassume i gradi di materiale standard specificati per applicazioni non standard comuni al di fuori delle gamme dei cataloghi JIS e ASME.

Forgiatura contro fabbricazione di piastre

Una flangia marina non standard può essere prodotta mediante due percorsi di produzione fondamentalmente diversi: forgiatura da una billetta solida o taglio a fiamma da lamiera seguita da lavorazione. La distinzione non è estetica; influisce direttamente sull'integrità metallurgica della flangia finita e sulla sua idoneità al servizio previsto.

Una flangia forgiata inizia come una billetta colata in continuo del calore specificato dell'acciaio, riscaldata alla temperatura di forgiatura e lavorata in una pressa a stampo aperto o in un rullo ad anello per affinare la struttura dei grani come fusa in un modello di flusso continuo dei grani che segue il contorno della flangia. Il processo di forgiatura riduce la dimensione media dei grani di un acciaio al carbonio da circa Da ASTM 4 a ASTM 7 o superiore , aumentando sia la resistenza alla trazione che la tenacità all'urto Charpy. Il mozzo è forgiato integralmente, eliminando la saldatura circonferenziale che unirebbe un mozzo separato a un anello tagliato a piastra. Le società di classificazione impongono la costruzione forgiata per tutte le flange in servizio di cui sopra Pressione di progetto di 40 bar o temperatura di progetto inferiore a -10°C , perché la duttilità a trazione e le proprietà di impatto nella direzione dello spessore di una lamiera laminata sono intrinsecamente inferiori a quelle di una forgiatura.

Una flangia realizzata in piastra è accettata nei servizi idrici a bassa pressione come le tubazioni antincendio e di zavorra inferiori a 16 bar. L'anello della flangia è tagliato a fiamma o al plasma da lamiera grezza e un mozzo lavorato è saldato all'anello con una saldatura con scanalatura a penetrazione completa. La saldatura deve essere radiografata al 100% o testata con ultrasuoni e la zona interessata dal calore deve essere sottoposta a trattamento termico post-saldatura se il carbonio equivalente della piastra supera 0.43 , per prevenire la fessurazione indotta dall'idrogeno nella regione a grana grossa adiacente alla linea di fusione. Anche con queste precauzioni, una flangia realizzata con piastra subisce un declassamento 15% di pressione ammissibile rispetto ad una flangia forgiata di identiche dimensioni , come specificato nelle regole di fabbricazione delle tubazioni della maggior parte delle società di classificazione.

Selezione della guarnizione e procedura di coppia di serraggio

Il design della flangia non standard è inseparabilmente legato alle specifiche della guarnizione e della bullonatura. Il carico del bullone calcolato durante la progettazione della flangia presuppone un materiale di guarnizione specifico con sollecitazione minima di sede e fattore di guarnizione operativo noti, noto come fattore "m" nella terminologia del codice ASME. Modifica del tipo di guarnizione dopo che la flangia è stata lavorata, da una guarnizione a spirale con un fattore m di 3.0 a una guarnizione in fibra compressa con un fattore m pari a 2,0, riduce il carico richiesto del bullone e di conseguenza riduce lo stress della flangia, il che è generalmente sicuro. La sostituzione inversa, introducendo una guarnizione che richiede una maggiore sollecitazione di alloggiamento, sollecita eccessivamente la flangia e non è consentita senza la nuova presentazione della valutazione del progetto.

La sequenza di serraggio dei bulloni e la coppia target sono fondamentali per le flange non standard perché il diametro ridotto del cerchio dei bulloni concentra il carico del bullone su un'area anulare più piccola, aumentando il momento flettente dell'anello della flangia. I bulloni vengono serrati in almeno tre passaggi utilizzando la sequenza a stella. Il primo passaggio porta tutti gli spit 30% della coppia target . Il secondo passaggio aumenta al 60% e il terzo passaggio raggiunge il 100%. Dopo un periodo di attesa minimo di quattro ore, viene applicato un quarto passaggio al 100% della coppia per compensare il rilassamento dello scorrimento della guarnizione. La coppia target viene calcolata dalla sollecitazione di progetto del bullone, non da una tabella di coppia generica, utilizzando la formula che incorpora il diametro primitivo della filettatura, il coefficiente di attrito nelle filettature e sotto la faccia del dado e il fattore K del dado, che per un prigioniero lubrificato con una rondella temprata è 0,16-0,20 .

Intercambiabilità dimensionale e strategia dei ricambi

Una flangia non standard, per definizione, non si accoppierà con una flangia standard della stessa dimensione nominale del tubo a meno che il cerchio dei bulloni e le dimensioni della faccia rialzata non coincidano. Ciò crea un onere relativo ai pezzi di ricambio che deve essere affrontato in fase di progettazione. I disegni isometrici delle tubazioni della nave e il database di gestione delle flange devono contrassegnare chiaramente ogni flangia non standard con un codice identificativo univoco e un minimo di due flange di ricambio e due set di guarnizioni di ricambio per dimensione non standard devono essere trasportati a bordo come parte dell'inventario obbligatorio degli attrezzi di ricambio della nave.

Per le navi cisterna per prodotti chimici e i trasportatori di prodotti che si collegano ai collettori a terra, la flangia non standard sul lato della nave deve passare a una flangia standard sulla faccia di presentazione del collettore. Una flangia non standard su una linea di carico in acciaio inossidabile con un diametro esterno ridotto per liberare un telaio strutturale non deve essere la flangia terminale a cui si fissa l'accoppiamento del tubo da banchina. Invece, un pezzo pup con la flangia non standard sull'estremità interna e una flangia standard ASME B16.5 Classe 150 sull'estremità esterna ripristina l'intercambiabilità all'interfaccia nave-terra. La pupa viene testata idrostaticamente come gruppo separato e stampigliata con i codici di identificazione di entrambe le flange prima dell'installazione.

Ispezione in servizio e criteri di pensionamento

Le flange non standard sono soggette agli stessi intervalli di ispezione delle flange standard nell'ambito del ciclo di ispezione continua della nave, in genere un'ispezione visiva generale annuale e una misurazione dello spessore più dettagliata e un esame non distruttivo durante l'ispezione speciale quinquennale. L'attenzione dell'ispezione si concentra sul raggio di raccordo tra mozzo e anello, che è la posizione della massima sollecitazione calcolata e il sito più comune per l'innesco di cricche da fatica.

Un'ispezione con particelle magnetiche della regione di raccordo viene eseguita su flange non standard in servizi ciclici come linee di scarico delle pompe del carico e sistemi di soffocamento del vapore, dove la pressione oscilla da zero alla pressione di progetto più di 10.000 cicli all'anno . Qualsiasi indicazione lineare superiore a 3 mm di lunghezza sulla superficie del raccordo è motivo di rifiuto e sostituzione della flangia, poiché il fattore di concentrazione delle tensioni del raccordo è pari a circa 2,5-3,0 significa che una piccola fessura superficiale si propagherà attraverso lo spessore della parete del mozzo in una frazione del ciclo operativo successivo. Vengono registrate anche le misurazioni dello spessore in corrispondenza delle dentellature della faccia sollevata; una riduzione della profondità della dentellatura sottostante 0,4 mm (1/64 di pollice) richiede la rilavorazione della faccia della flangia o la sostituzione della flangia, poiché le dentellature forniscono la presa meccanica che impedisce lo scoppio della guarnizione sotto pressione.