Nicht standardmäßige Marineflansche: Design, Schmieden und Zulassung

Wenn Standardflansche nicht mehr ausreichen

Standard-Schiffsflansche, hergestellt nach JIS F7804 für Nenndrücke von 5K, 10K, 16K und 20K oder nach ASME B16.5 für die Klassen 150 bis 2500, decken den Großteil der Borddienste ab, einschließlich Ballastwasser, Bilge, Heizöltransfer und Frischwasser. Diese Flansche werden von Ausrüstern und Reparaturwerften weltweit auf Lager gehalten und ihre Austauschbarkeit ist die Grundlage der maritimen Logistik. Spezifische Betriebsbedingungen zwingen den Ingenieur jedoch dazu, sich nicht auf die Standardflanschtabelle zu verlassen.

Die erste Bedingung ist, dass die Temperatur die Standard-Materialgrenzwerte überschreitet. Ein standardmäßiger JIS 10K-Flansch aus S25C-Kohlenstoffstahl ist für den Einsatz zwischen ausgelegt -10°C und 300°C . Wenn ein Thermoölheizsystem bei 340 °C betrieben wird, muss das Flanschmaterial auf eine molybdänhaltige Legierung wie ASTM A182 F11 (1,25 Cr-0,5 Mo) aufgerüstet werden, für die es in den Standardflanschtabellen kein direktes JIS-Äquivalent gibt. Der Flansch muss dann nach Grundprinzipien konstruiert werden, wobei Wandstärken und Schraubengrößen entsprechend der zulässigen Spannung bei erhöhter Temperatur berechnet werden.

Die zweite Bedingung ist die chemische Unverträglichkeit. Ladeleitungen auf Chemikalientankern, die konzentrierte Phosphorsäure mit einer Konzentration von 85 % transportieren, erfordern Flansche Superaustenitischer Edelstahl UNS S31254 , eine Sorte, die in keiner Schiffsflanschnorm aufgeführt ist. Die Flanschabmessungen können zur Austauschbarkeit mit dem Shore-Verteiler einem Standard-JIS- oder ASME-Muster entsprechen, die Materialrückverfolgbarkeit, die mechanische Prüfung und die Korrosionsbeständigkeit müssen jedoch anhand einer maßgeschneiderten Fertigungsspezifikation zertifiziert werden.

Die dritte Bedingung ist Platzbeschränkung. Die Rohrleitungen des Maschinenraums in den Bilgenbrunnen unter dem Hauptmotorsumpf verlaufen häufig durch Zwischenräume, die für einen Standardflansch mit erhöhter Stirnfläche und einem Lochkreis in voller Größe zu eng sind. Der Außendurchmesser des Flansches muss unter das Standardmaß reduziert werden, was einen nicht standardmäßigen Lochkreis und hochfeste Schrauben mit kleinerem Durchmesser erfordert, um die Sitzspannung der Dichtung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig in den verfügbaren Raum zu passen.

Entwurfsmethodik und Spannungsberechnung

Ein nicht standardmäßiger Schiffsflansch wird nach der Taylor-Forge-Methode entworfen, die im ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII Division 1 Anhang 2 kodifiziert ist und der von allen großen Klassifikationsgesellschaften akzeptierte Berechnungsstandard ist. Die Methode modelliert den Flanschring, die Nabe und das daran befestigte Rohr oder Gehäuse als ein elastisch gekoppeltes System, wobei die Spannungen, die sich aus der Schraubenvorspannung und dem Innendruck ergeben, unabhängig voneinander berechnet und dann mit geeigneten Spannungsgrenzen kombiniert werden.

Die Schraubenlast im Sitzzustand der Dichtung ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Dichtung auf ihre minimale Sitzspannung zusammenzudrücken, ein vom Dichtungshersteller veröffentlichter Wert. Bei einer Spiraldichtung mit PTFE-Füllstoff und Außenring beträgt die minimale Sitzspannung typischerweise 69 MPa (10.000 psi) für eine Dichtungsbreite von 12 mm. Die Gesamtschraubenkraft ist dann das Produkt dieser Sitzspannung und der Dichtungskontaktfläche. Die Querschnittsfläche des Bolzens ist so bemessen, dass die Bolzenspannung nicht übersteigt 50 % der Mindeststreckgrenze des Schraubenmaterials bei der Auslegungstemperatur , mit einer weiteren Berücksichtigung der Kriechentspannung der Dichtung während der ersten 500 thermischen Zyklen.

Der Flanschring selbst wird anhand von drei Spannungskategorien geprüft: Tangentialspannung am Innendurchmesser des Rings, Radialspannung am Lochkreis und Nabenlängsspannung an der Verbindungsstelle zwischen Nabe und Ring. Die zulässigen Grenzwerte, die in ASME Abschnitt VIII Division 2 für Schiffe der Klasse 1 definiert, aber für den Seeverkehr angepasst sind, lauten wie folgt. Die Tangentialspannung ist begrenzt auf Das 1,5-fache der zulässigen Auslegungsspannung des Flanschmaterials . Die Radialspannung ist auf die zulässige Grundbemessungsspannung begrenzt. Die kombinierte Spannungsintensität an der Nabe-zu-Ring-Verrundung muss unterschritten werden 1,5-fache der zulässigen Spannung . Ein Flansch, der diese drei Prüfungen mit einem Mindestabstand von 10 % unter den Grenzwerten besteht, gilt als strukturell ausreichend.

Genehmigungsweg der Klassifikationsgesellschaft

Ein nicht standardmäßiger Schiffsflansch kann nicht ohne dokumentierte Genehmigung der Klassifikationsgesellschaft des Schiffes installiert werden. Der Zulassungsprozess unterscheidet sich von dem eines Standardflansches, der auf der Grundlage der Einhaltung einer anerkannten Norm und eines gültigen Materialzertifikats akzeptiert wird. Für den nicht standardmäßigen Flansch ist ein Entwurfsgutachtenpaket erforderlich, das dem Klassengutachter zur Prüfung und Stempelung vorgelegt wird.

Das Designbewertungspaket enthält die folgenden obligatorischen Dokumente:

• Die Zeichnung der Flanschabmessungen, einschließlich des Außendurchmessers, des Lochkreisdurchmessers, der Anzahl und des Durchmessers der Schrauben, der Abmessungen der erhöhten Fläche, der Breite des Dichtungskontakts und der Nabengeometrie von der Flanschrückseite bis zur Schweißnahtvorbereitung.
• Die Materialspezifikation für den Flanschkörper, die Schrauben, Muttern und die Dichtung, einschließlich der geltenden ASTM-, EN- oder JIS-Norm, der Wärmebehandlungsbedingung und der minimalen mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei der Auslegungstemperatur.
• Die vollständige Spannungsberechnung gemäß ASME Abschnitt VIII Division 1 Anhang 2 oder der entsprechenden EN 13445-3 Klausel 11-Methode, mit allen Eingabewerten als Referenz und allen angezeigten Zwischenergebnissen. Die Berechnung muss zeigen, dass alle Spannungsverhältnisse unter eins liegen, mit einem bevorzugten Maximum von 0.90 für das Nabenspannungsverhältnis, um die zyklische Ermüdungsbelastungscharakteristik der Maschinenvibrationen an Bord zu berücksichtigen.
• Die Schweißverfahrensspezifikation und die Verfahrensqualifikationsaufzeichnung für die Schweißnaht, die den Flansch mit dem Rohr verbindet, aus der hervorgeht, dass die Zugfestigkeit und Zähigkeit des Schweißguts denen der Grundmaterialien entspricht oder diese übersteigt.
• Der zerstörungsfreie Prüfplan, der eine 100-prozentige volumetrische Prüfung des Flanschschmiedestücks durch Ultraschallprüfung vorsieht ASME SA-388 Klasse A für Flansche über 4 Zoll Nennweite oder mit einem Auslegungsdruck über 100 bar.

Sobald die Entwurfsbewertung genehmigt ist, ist der Klassengutachter Zeuge der mechanischen Prüfung eines produktionsrepräsentativen Prototypflansches, einschließlich eines hydrostatischen Drucktests Das 1,5-fache des Auslegungsdrucks wird mindestens 10 Minuten lang gehalten ohne sichtbare Leckage oder bleibende Verformung. Erst nachdem der Prototyp-Testbericht bestätigt wurde, können Produktionsflansche hergestellt und mit dem Zertifizierungszeichen der Klassengesellschaft versehen werden.

Materialauswahl für korrosive und kryogene Meeresanwendungen

Das Material eines nicht standardmäßigen Flansches wird entsprechend der korrosiven Spezies, dem Temperaturbereich und der Möglichkeit einer galvanischen Wechselwirkung mit dem angeschlossenen Rohr und der Rumpfstruktur ausgewählt. Die folgende Tabelle fasst die Standardmaterialqualitäten zusammen, die für gängige, nicht standardmäßige Anwendungen außerhalb der JIS- und ASME-Katalogbereiche spezifiziert sind.

Schmieden versus Plattenherstellung

Ein nicht standardmäßiger Schiffsflansch kann auf zwei grundlegend unterschiedlichen Herstellungswegen hergestellt werden: Schmieden aus einem massiven Block oder Brennschneiden aus Plattenmaterial mit anschließender maschineller Bearbeitung. Die Unterscheidung ist nicht kosmetischer Natur; Dies wirkt sich direkt auf die metallurgische Integrität des fertigen Flansches und seine Eignung für den vorgesehenen Einsatz aus.

Ein geschmiedeter Flansch besteht zunächst aus einem stranggegossenen Barren aus Stahl mit der angegebenen Temperatur, der auf Schmiedetemperatur erhitzt und in einer Freiformpresse oder einer Ringwalze bearbeitet wird, um die Kornstruktur im Gusszustand zu einem kontinuierlichen Kornflussmuster zu verfeinern, das der Kontur des Flansches folgt. Durch den Schmiedeprozess verringert sich die durchschnittliche Korngröße eines Kohlenstoffstahls um ca ASTM 4 bis ASTM 7 oder feiner , wodurch sowohl die Zugfestigkeit als auch die Charpy-Schlagzähigkeit erhöht werden. Die Nabe ist einstückig geschmiedet, wodurch die umlaufende Schweißnaht entfällt, die eine separate Nabe mit einem aus Blech geschnittenen Ring verbinden würde. Die Klassifizierungsgesellschaften schreiben für alle oben genannten im Einsatz befindlichen Flansche eine geschmiedete Konstruktion vor 40 bar Auslegungsdruck oder unter -10 °C Auslegungstemperatur , da die Zugduktilität und die Schlageigenschaften in der Dickenrichtung eines gewalzten Blechs von Natur aus schlechter sind als die eines Schmiedestücks.

Ein aus Blech gefertigter Flansch wird in Niederdruckwasserleitungen wie Feuerlöschleitungen und Ballastleitungen unter 16 bar akzeptiert. Der Flanschring wird aus Plattenmaterial brenn- oder plasmageschnitten, und eine bearbeitete Nabe wird mit einer volldurchdringenden Nutschweißung an den Ring geschweißt. Die Schweißnaht muss zu 100 % einer Röntgen- oder Ultraschallprüfung unterzogen werden, und die Wärmeeinflusszone muss nach dem Schweißen wärmebehandelt werden, wenn das Kohlenstoffäquivalent der Platte diesen Wert überschreitet 0.43 , um wasserstoffinduzierte Rissbildung im grobkörnigen Bereich neben der Schmelzlinie zu verhindern. Trotz dieser Vorsichtsmaßnahmen weist ein aus Blech gefertigter Flansch eine Leistungsminderung auf 15 % zulässiger Druck im Vergleich zu einem geschmiedeten Flansch mit identischen Abmessungen , wie in den Rohrleitungsbauregeln der meisten Klassifikationsgesellschaften angegeben.

Verfahren zur Auswahl der Dichtung und zum Anzugsmoment der Schrauben

Die vom Standard abweichende Flanschkonstruktion ist untrennbar mit der Dichtungs- und Verschraubungsspezifikation verbunden. Die bei der Flanschkonstruktion berechnete Schraubenlast setzt ein bestimmtes Dichtungsmaterial mit bekannter Mindestsitzspannung und Betriebsdichtungsfaktor voraus, der in der ASME-Code-Terminologie als „m“-Faktor bezeichnet wird. Wechsel des Dichtungstyps nach der Bearbeitung des Flansches von einer Spiraldichtung mit einem M-Faktor von 3.0 B. einer komprimierten Faserdichtung mit einem M-Faktor von 2,0, reduziert die erforderliche Schraubenlast und senkt folglich die Flanschspannung, was im Allgemeinen sicher ist. Der umgekehrte Ersatz, bei dem eine Dichtung eingesetzt wird, die eine höhere Sitzspannung erfordert, führt zu einer Überbeanspruchung des Flansches und ist ohne erneute Einreichung der Konstruktionsbewertung nicht zulässig.

Die Reihenfolge des Anziehens der Schrauben und das Solldrehmoment sind für nicht standardmäßige Flansche von entscheidender Bedeutung, da der verringerte Lochkreisdurchmesser die Schraubenlast auf einen kleineren Ringbereich konzentriert und so das Biegemoment des Flanschrings erhöht. Die Schrauben werden in mindestens drei Durchgängen sternförmig angezogen. Der erste Durchgang bringt alle Schrauben zusammen 30 % des Solldrehmoments . Der zweite Durchgang erhöht sich auf 60 % und der dritte Durchgang erreicht 100 %. Nach einer Mindestwartezeit von vier Stunden wird ein vierter Durchgang mit 100 % Drehmoment durchgeführt, um die Kriechentspannung der Dichtung auszugleichen. Das Zieldrehmoment wird anhand der konstruktiven Schraubenspannung und nicht anhand einer generischen Drehmomenttabelle berechnet. Dabei wird die Formel verwendet, die den Gewindesteigungsdurchmesser, den Reibungskoeffizienten im Gewinde und unter der Mutterfläche sowie den Mutterfaktor K berücksichtigt, der für einen geschmierten Bolzen mit einer gehärteten Unterlegscheibe gilt 0,16 bis 0,20 .

Maßliche Austauschbarkeit und Ersatzteilstrategie

Ein nicht standardmäßiger Flansch passt per Definition nicht zu einem Standardflansch derselben Rohrnenngröße, es sei denn, der Lochkreis und die Abmessungen der erhöhten Fläche stimmen zufällig überein. Dies führt zu einer Ersatzteilbelastung, die bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden muss. In den isometrischen Rohrleitungszeichnungen des Schiffes und in der Flanschverwaltungsdatenbank muss jeder nicht standardmäßige Flansch eindeutig mit einem eindeutigen Identifikationscode gekennzeichnet sein. Außerdem müssen mindestens zwei Ersatzflansche und zwei Ersatzdichtungssätze pro nicht standardmäßiger Größe als Teil des obligatorischen Ersatzausrüstungsbestands des Schiffes an Bord mitgeführt werden.

Bei Chemikalientankern und Produktträgern, die an Landverteiler angeschlossen werden, muss der nicht standardmäßige Flansch auf der Schiffsseite in einen Standardflansch an der Präsentationsfläche des Verteilers übergehen. Ein nicht standardmäßiger Flansch an einer Frachtleitung aus rostfreiem Stahl mit einem reduzierten Außendurchmesser, um einen strukturellen Stegrahmen freizugeben, darf nicht der Endflansch sein, an dem die Landschlauchkupplung angeschraubt wird. Stattdessen stellt ein Pup-Stück mit dem nicht standardmäßigen Flansch am inneren Ende und einem standardmäßigen ASME B16.5 Klasse 150-Flansch am äußeren Ende die Austauschbarkeit an der Schnittstelle zwischen Schiff und Land wieder her. Das Pup-Stück wird als separate Baugruppe hydrostatisch getestet und vor der Installation mit beiden Flansch-Identifikationscodes versehen.

Kriterien für die Betriebsinspektion und den Ruhestand

Nicht standardmäßige Flansche unterliegen im Rahmen des kontinuierlichen Inspektionszyklus des Schiffes den gleichen Inspektionsintervallen wie Standardflansche, typischerweise einer allgemeinen visuellen Inspektion jährlich und einer detaillierteren Dickenmessung und zerstörungsfreien Prüfung bei der fünfjährigen Sonderuntersuchung. Der Schwerpunkt der Prüfung liegt auf dem Hohlkehlenradius zwischen Nabe und Ring. Dies ist der Ort der maximalen berechneten Spannung und der häufigste Ort für die Entstehung von Ermüdungsrissen.

Eine Magnetpartikelprüfung des Kehlbereichs wird an nicht standardmäßigen Flanschen in zyklischen Anwendungen wie Auslassleitungen von Ladungspumpen und Dampferstickungssystemen durchgeführt, bei denen der Druck von Null bis zum Auslegungsdruck über mehr als 100 % schwankt 10.000 Zyklen pro Jahr . Jede lineare Markierung mit einer Länge von mehr als 3 mm auf der Oberfläche der Hohlkehle ist ein Grund für die Ablehnung und den Austausch des Flansches, da der Spannungskonzentrationsfaktor der Kehle bei ungefähr 2,5 bis 3,0 bedeutet, dass sich innerhalb eines Bruchteils des nächsten Betriebszyklus ein kleiner Oberflächenriss durch die Nabenwanddicke ausbreitet. Dickenmessungen an den erhabenen Stirnverzahnungen werden ebenfalls aufgezeichnet; eine Verringerung der Verzahnungstiefe unten 0,4 mm (1/64 Zoll) erfordert eine Nachbearbeitung der Flanschfläche oder einen Austausch des Flansches, da die Verzahnungen für den mechanischen Halt sorgen, der ein Ausplatzen der Dichtung unter Druck verhindert.