Mặt bích biển phi tiêu chuẩn: Thiết kế, rèn và phê duyệt

Khi mặt bích tiêu chuẩn trở nên không phù hợp

Mặt bích hàng hải tiêu chuẩn, được sản xuất theo tiêu chuẩn JIS F7804 cho áp suất danh nghĩa 5K, 10K, 16K và 20K hoặc theo ASME B16.5 cho Loại 150 đến Loại 2500, bao gồm phần lớn các dịch vụ trên tàu bao gồm nước dằn, đáy tàu, vận chuyển dầu nhiên liệu và nước ngọt. Những mặt bích này được lưu trữ tại các nhà cung cấp dịch vụ và bãi sửa chữa trên toàn thế giới và khả năng thay thế lẫn nhau của chúng là nền tảng của hậu cần hàng hải. Tuy nhiên, các điều kiện vận hành cụ thể buộc kỹ sư phải rời khỏi bảng mặt bích tiêu chuẩn.

Điều kiện đầu tiên là nhiệt độ vượt quá giới hạn tiêu chuẩn của vật liệu. Mặt bích JIS 10K bằng thép carbon S25C tiêu chuẩn được xếp hạng để sử dụng giữa -10°C và 300°C . Khi hệ thống gia nhiệt dầu truyền nhiệt hoạt động ở nhiệt độ 340°C, vật liệu mặt bích phải được nâng cấp lên hợp kim chứa molypden như ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), hợp kim này không có JIS trực tiếp tương đương trong bảng mặt bích tiêu chuẩn. Mặt bích sau đó phải được thiết kế theo nguyên tắc đầu tiên, với độ dày thành và kích thước bu lông được tính toán theo ứng suất cho phép ở nhiệt độ cao.

Điều kiện thứ hai là không tương thích hóa học. Đường hàng hóa trên tàu chở hóa chất xử lý axit photphoric đậm đặc ở nồng độ 85% cần có mặt bích ở Thép không gỉ siêu austenit UNS S31254 , một loại không được liệt kê trong bất kỳ tiêu chuẩn mặt bích hàng hải nào. Kích thước mặt bích có thể phản ánh mẫu JIS hoặc ASME tiêu chuẩn để có khả năng thay thế lẫn nhau với ống góp trên bờ, nhưng khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu, thử nghiệm cơ học và khả năng chống ăn mòn phải được chứng nhận theo thông số kỹ thuật sản xuất riêng.

Điều kiện thứ ba là hạn chế về không gian. Đường ống buồng máy trong giếng đáy tàu bên dưới bể chứa động cơ chính thường xuyên đi qua các khe hở quá chặt đối với mặt bích nâng tiêu chuẩn có vòng tròn bắt vít kích thước đầy đủ. Đường kính ngoài của mặt bích phải giảm xuống dưới kích thước tiêu chuẩn, đòi hỏi vòng tròn bu lông không chuẩn và bu lông cường độ cao có đường kính nhỏ hơn để duy trì ứng suất tựa của miếng đệm trong khi vừa khít với vỏ có sẵn.

Phương pháp thiết kế và tính toán ứng suất

Mặt bích hàng hải phi tiêu chuẩn được thiết kế bằng phương pháp Taylor Forge, được hệ thống hóa trong Mã nồi hơi và bình áp lực ASME Phần VIII Phân khu 1 Phụ lục 2, là tiêu chuẩn tính toán được chấp nhận trong tất cả các hiệp hội phân loại chính. Phương pháp này mô hình hóa vòng mặt bích, trục và ống hoặc vỏ kèm theo như một hệ thống ghép đàn hồi, tính toán các ứng suất phát sinh từ tải trước bu lông và áp suất bên trong một cách độc lập, sau đó kết hợp chúng với các giới hạn ứng suất thích hợp.

Tải trọng bu lông trong điều kiện tựa của miếng đệm là lực cần thiết để nén miếng đệm đến ứng suất tựa tối thiểu, một giá trị do nhà sản xuất miếng đệm công bố. Đối với miếng đệm dạng xoắn ốc có chất độn PTFE và vòng ngoài, ứng suất tiếp xúc tối thiểu thường là 69 MPa (10.000 psi) cho chiều rộng miếng đệm là 12 mm. Khi đó lực tổng cộng của bu lông là tích của ứng suất tựa này và diện tích tiếp xúc của miếng đệm. Diện tích mặt cắt bu lông có kích thước sao cho ứng suất bu lông không vượt quá 50% giới hạn chảy tối thiểu của vật liệu bu lông ở nhiệt độ thiết kế , với sự cho phép hơn nữa về độ dãn của miếng đệm trong 500 chu kỳ nhiệt đầu tiên.

Bản thân vòng mặt bích được kiểm tra dựa trên ba loại ứng suất: ứng suất tiếp tuyến ở đường kính trong của vòng, ứng suất hướng tâm tại vòng tròn bu lông và ứng suất dọc trục tại điểm nối giữa trục và vòng. Các giới hạn cho phép, được xác định trong ASME Phần VIII Phân khu 2 đối với tàu loại 1 nhưng được điều chỉnh cho hoạt động hàng hải, như sau. Ứng suất tiếp tuyến được giới hạn ở 1,5 lần ứng suất thiết kế cho phép của vật liệu mặt bích . Ứng suất hướng kính được giới hạn ở ứng suất thiết kế cơ bản cho phép. Cường độ ứng suất tổng hợp ở phần phi lê từ trục đến vòng phải duy trì ở mức dưới 1,5 lần ứng suất cho phép . Một mặt bích vượt qua ba bước kiểm tra này với mức chênh lệch tối thiểu 10% dưới giới hạn được coi là phù hợp về mặt cấu trúc.

Con đường phê duyệt xã hội phân loại

Không thể lắp đặt mặt bích hàng hải không đạt tiêu chuẩn nếu không có sự chấp thuận bằng văn bản của tổ chức phân cấp tàu. Quy trình phê duyệt khác với quy trình phê duyệt mặt bích tiêu chuẩn, được chấp nhận trên cơ sở tuân thủ tiêu chuẩn được công nhận và chứng chỉ vật liệu hợp lệ. Mặt bích không đạt tiêu chuẩn yêu cầu gói thẩm định thiết kế được gửi cho người khảo sát lớp để xem xét và dán tem.

Gói thẩm định thiết kế bao gồm các tài liệu bắt buộc sau:

• Bản vẽ kích thước mặt bích, bao gồm đường kính ngoài, đường kính vòng tròn bu lông, số lượng và đường kính bu lông, kích thước mặt nâng, chiều rộng tiếp xúc của miếng đệm và hình dạng trung tâm từ mặt sau của mặt bích đến quá trình chuẩn bị mối hàn.
• Thông số kỹ thuật vật liệu cho thân mặt bích, bu lông, đai ốc và miếng đệm, bao gồm tiêu chuẩn ASTM, EN hoặc JIS hiện hành, điều kiện xử lý nhiệt và các đặc tính cơ học tối thiểu ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ thiết kế.
• Tính toán ứng suất hoàn chỉnh theo ASME Phần VIII Phân khu 1 Phụ lục 2 hoặc phương pháp EN 13445-3 Điều 11 tương đương, với tất cả các giá trị đầu vào được tham chiếu và tất cả các kết quả trung gian được hiển thị. Việc tính toán phải chứng minh rằng tất cả các tỷ lệ ứng suất đều dưới mức thống nhất, với mức tối đa được ưu tiên là 0.90 để tính tỷ số ứng suất ở trục bánh xe để tính đến đặc tính tải mỏi có chu kỳ của rung động máy móc trên tàu.
• Bản ghi đặc tính kỹ thuật quy trình hàn và hồ sơ chấp nhận quy trình đối với mối hàn sẽ nối mặt bích với đường ống, chứng minh rằng độ bền kéo và độ bền của kim loại mối hàn bằng hoặc vượt quá độ bền kéo và độ bền của vật liệu cơ bản.
• Kế hoạch kiểm tra không phá hủy, chỉ định kiểm tra thể tích 100% của việc rèn mặt bích bằng kiểm tra siêu âm để ASME SA-388 Loại A đối với mặt bích có lỗ khoan danh nghĩa trên 4 inch hoặc có áp suất thiết kế vượt quá 100 bar.

Sau khi đánh giá thiết kế được phê duyệt, người khảo sát cấp chứng kiến thử nghiệm cơ học của mặt bích nguyên mẫu tiêu biểu trong sản xuất, bao gồm thử nghiệm áp suất thủy tĩnh tại 1,5 lần áp suất thiết kế được giữ trong tối thiểu 10 phút không có rò rỉ nhìn thấy được hoặc biến dạng vĩnh viễn. Chỉ sau khi báo cáo thử nghiệm nguyên mẫu được xác nhận thì mặt bích sản xuất mới có thể được sản xuất và đóng dấu chứng nhận của xã hội đẳng cấp.

Lựa chọn vật liệu cho các dịch vụ hàng hải ăn mòn và đông lạnh

Vật liệu của mặt bích không đạt tiêu chuẩn được chọn để chống lại các loại ăn mòn, phạm vi nhiệt độ và khả năng tương tác điện với đường ống được kết nối và cấu trúc thân tàu. Bảng sau đây tóm tắt các loại vật liệu tiêu chuẩn được chỉ định cho các ứng dụng phi tiêu chuẩn phổ biến ngoài phạm vi danh mục JIS và ASME.

Rèn so với chế tạo tấm

Một mặt bích hàng hải không đạt tiêu chuẩn có thể được sản xuất bằng hai phương pháp sản xuất cơ bản khác nhau: rèn từ phôi rắn hoặc cắt bằng ngọn lửa từ tấm nguyên liệu sau đó gia công. Sự khác biệt không mang tính thẩm mỹ; nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính toàn vẹn luyện kim của mặt bích đã hoàn thiện và sự phù hợp của nó đối với mục đích sử dụng.

Mặt bích rèn bắt đầu như một phôi thép được đúc liên tục ở nhiệt độ quy định của thép, được nung nóng đến nhiệt độ rèn và được gia công trong máy ép khuôn mở hoặc con lăn vòng để tinh chỉnh cấu trúc hạt đúc thành mô hình dòng hạt liên tục theo đường viền của mặt bích. Quá trình rèn làm giảm kích thước hạt trung bình của thép cacbon từ khoảng ASTM 4 đến ASTM 7 hoặc tốt hơn , tăng cả độ bền kéo và độ bền va đập Charpy. Trục được rèn toàn bộ, loại bỏ mối hàn theo chu vi sẽ nối một trục riêng biệt với một vòng cắt dạng tấm. Các tổ chức phân loại bắt buộc phải xây dựng giả mạo cho tất cả các mặt bích đang hoạt động ở trên Áp suất thiết kế 40 bar hoặc nhiệt độ thiết kế dưới -10°C , bởi vì độ dẻo kéo và đặc tính va đập theo hướng xuyên suốt của tấm cán vốn đã kém hơn so với vật rèn.

Mặt bích chế tạo dạng tấm được chấp nhận trong các dịch vụ nước áp suất thấp như đường ống chữa cháy chính và đường ống dằn dưới 16 bar. Vòng mặt bích được cắt bằng ngọn lửa hoặc cắt plasma từ tấm nguyên bản và trục gia công được hàn vào vòng bằng mối hàn rãnh xuyên thấu hoàn toàn. Mối hàn phải được kiểm tra bằng tia X hoặc siêu âm 100% và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt phải được xử lý nhiệt sau hàn nếu lượng carbon tương đương của tấm vượt quá 0.43 , để ngăn chặn vết nứt do hydro gây ra ở vùng hạt thô tiếp giáp với đường nhiệt hạch. Ngay cả với những biện pháp phòng ngừa này, mặt bích chế tạo bằng tấm vẫn bị giảm hiệu suất do 15% áp suất cho phép so với mặt bích rèn có kích thước giống hệt nhau , như được quy định trong các quy tắc chế tạo đường ống của hầu hết các tổ chức phân loại.

Lựa chọn miếng đệm và quy trình mô men xoắn bu lông

Thiết kế mặt bích phi tiêu chuẩn được liên kết không thể tách rời với đặc điểm kỹ thuật của miếng đệm và bu lông. Tải trọng bu lông được tính toán trong quá trình thiết kế mặt bích giả định vật liệu đệm cụ thể có ứng suất tựa tối thiểu đã biết và hệ số đệm vận hành đã biết, được gọi là hệ số "m" trong thuật ngữ mã ASME. Thay đổi loại gioăng sau khi gia công mặt bích, từ gioăng dạng xoắn ốc có hệ số m là 3.0 đến một miếng đệm sợi nén có hệ số m là 2,0, làm giảm tải trọng bu lông cần thiết và do đó làm giảm ứng suất mặt bích, nhìn chung là an toàn. Việc thay thế ngược lại, sử dụng một miếng đệm đòi hỏi ứng suất tiếp xúc cao hơn, gây ứng suất quá mức cho mặt bích và không được phép nếu không nộp lại bản đánh giá thiết kế.

Trình tự siết chặt bu lông và mô men xoắn mục tiêu là rất quan trọng đối với các mặt bích không chuẩn vì đường kính vòng tròn bu lông giảm sẽ tập trung tải trọng bu lông lên một diện tích hình khuyên nhỏ hơn, làm tăng mômen uốn vòng mặt bích. Các bu lông được siết chặt tối thiểu ba lần theo trình tự hình ngôi sao. Lần vượt qua đầu tiên mang tất cả các bu lông đến 30% mô-men xoắn mục tiêu . Lần thứ hai tăng lên 60% và lần thứ ba đạt 100%. Sau khoảng thời gian chờ tối thiểu là bốn giờ, lần thứ tư với mô-men xoắn 100% được áp dụng để bù cho độ giãn của gioăng đệm. Mômen mục tiêu được tính từ ứng suất bu lông thiết kế, không phải từ bảng mômen chung, sử dụng công thức kết hợp đường kính bước ren, hệ số ma sát trong ren và dưới mặt đai ốc, và hệ số đai ốc K, đối với trụ được bôi trơn với vòng đệm cứng là 0,16 đến 0,20 .

Chiến lược về khả năng thay thế lẫn nhau và phụ tùng thay thế

Theo định nghĩa, một mặt bích không chuẩn sẽ không khớp với một mặt bích tiêu chuẩn có cùng kích thước ống danh nghĩa trừ khi kích thước vòng tròn bu lông và mặt nâng lên trùng khớp. Điều này tạo ra gánh nặng về phụ tùng thay thế cần được giải quyết ở giai đoạn thiết kế. Các bản vẽ đẳng cự đường ống của tàu và cơ sở dữ liệu quản lý mặt bích phải gắn cờ rõ ràng cho mọi mặt bích phi tiêu chuẩn bằng một mã nhận dạng duy nhất và tối thiểu hai mặt bích dự phòng và hai bộ đệm dự phòng cho mỗi kích thước không chuẩn phải được mang lên tàu như một phần trong kho thiết bị dự phòng bắt buộc của tàu.

Đối với các tàu chở hóa chất và tàu chở sản phẩm kết nối với các ống góp trên bờ, mặt bích phi tiêu chuẩn ở phía tàu phải chuyển sang mặt bích tiêu chuẩn ở mặt trình bày ống góp. Mặt bích phi tiêu chuẩn trên đường chở hàng bằng thép không gỉ có đường kính ngoài giảm để thông khung kết cấu không được là mặt bích đầu cuối mà khớp nối ống bờ bắt vít vào. Thay vào đó, một mảnh con nhộng có mặt bích phi tiêu chuẩn ở đầu bên trong và mặt bích ASME B16.5 Class 150 tiêu chuẩn ở đầu bên ngoài sẽ khôi phục khả năng thay thế lẫn nhau ở giao diện tàu với bờ. Mảnh con nhộng được kiểm tra thủy tĩnh như một bộ phận lắp ráp riêng biệt và được đóng dấu bằng cả hai mã nhận dạng mặt bích trước khi lắp đặt.

Tiêu chí kiểm tra tại chức và nghỉ hưu

Các mặt bích phi tiêu chuẩn phải tuân theo các khoảng thời gian kiểm tra giống như các mặt bích tiêu chuẩn trong chu kỳ kiểm tra liên tục của tàu, thường là kiểm tra trực quan chung hàng năm và đo độ dày chi tiết hơn cũng như kiểm tra không phá hủy trong cuộc kiểm tra đặc biệt 5 năm. Trọng tâm kiểm tra là bán kính phi lê từ trục đến vòng, đây là vị trí có ứng suất tính toán tối đa và là vị trí phổ biến nhất bắt đầu xuất hiện vết nứt mỏi.

Việc kiểm tra hạt từ tính của vùng phi lê được thực hiện trên các mặt bích phi tiêu chuẩn trong các dịch vụ tuần hoàn như đường xả của bơm hàng hóa và hệ thống làm kín hơi nước, trong đó áp suất dao động từ 0 đến áp suất thiết kế lớn hơn 10.000 chu kỳ mỗi năm . Bất kỳ chỉ dẫn tuyến tính nào có chiều dài vượt quá 3 mm trên bề mặt của miếng góc đều là cơ sở để loại bỏ và thay thế mặt bích, bởi vì hệ số tập trung ứng suất của miếng lượn xấp xỉ 2,5 đến 3,0 có nghĩa là một vết nứt bề mặt nhỏ sẽ lan truyền qua độ dày thành trục trong một phần nhỏ của chu kỳ vận hành tiếp theo. Các phép đo độ dày tại các răng cưa của mặt nâng lên cũng được ghi lại; giảm độ sâu răng cưa bên dưới 0,4 mm (1/64 inch) yêu cầu mặt mặt bích phải được gia công lại hoặc mặt bích được thay thế, vì các răng cưa cung cấp độ bám cơ học giúp ngăn chặn sự nổ tung của miếng đệm dưới áp lực.