Ei-standardi merilaippa: suunnittelu, taonta ja hyväksyntä

Kun vakiolaipat tulevat riittämättömiksi

Tavalliset merilaipat, jotka on valmistettu JIS F7804:n mukaan nimellispaineille 5K, 10K, 16K ja 20K tai ASME B16.5:lle luokille 150–2500, kattavat suurimman osan laivan palveluista, mukaan lukien painolastivettä, pilssi, polttoöljyn siirto ja makea vesi. Näitä laippoja on varastossa kauppiailla ja korjaamoilla maailmanlaajuisesti, ja niiden vaihdettavuus on merilogistiikan perusta. Erityiset käyttöolosuhteet pakottavat kuitenkin insinöörin pois vakiolaippapöydästä.

Ensimmäinen ehto on standardimateriaalirajat ylittävä lämpötila. Normaali S25C hiiliteräs JIS 10K laippa on mitoitettu käytettäväksi välillä -10°C ja 300°C . Kun lämpööljylämmitysjärjestelmä toimii 340 °C:ssa, laippamateriaali on päivitettävä molybdeenipitoiseen seokseen, kuten ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), jolla ei ole suoraa JIS-vastinetta vakiolaippataulukoissa. Laippa on tämän jälkeen suunniteltava ensimmäisten periaatteiden mukaan siten, että seinämän paksuudet ja pulttikoot lasketaan sallitun jännityksen mukaan korotetussa lämpötilassa.

Toinen ehto on kemiallinen yhteensopimattomuus. Kemikaalisäiliöalusten lastilinjat, jotka käsittelevät väkevää fosforihappoa 85 %:n pitoisuudella, vaativat laipat UNS S31254 superausteniittista ruostumatonta terästä , laatu, jota ei ole mainittu missään laippastandardissa. Laipan mitat voivat heijastaa standardin mukaista JIS- tai ASME-kuviota vaihdettavuuden vuoksi rantajakotukin kanssa, mutta materiaalin jäljitettävyys, mekaaninen testaus ja korroosionkestävyys on sertifioitava räätälöidyn valmistusspesifikaation mukaisesti.

Kolmas ehto on tilarajoitus. Konehuoneen putkistot pääkoneen öljypohjan alla olevissa pilssikaivoissa kulkevat usein liian tiukoilla välyksillä normaalikokoiselle kohotetulle laipalle, jossa on täysikokoinen pulttiympyrä. Laipan ulkohalkaisija on pienennettävä standardimitan alapuolelle, mikä vaatii ei-standardista pulttiympyrää ja halkaisijaltaan pienempiä korkealujuuksisia pultteja tiivisteen istukan jännityksen ylläpitämiseksi samalla, kun se mahtuu käytettävissä olevaan vaippaan.

Suunnittelumetodologia ja jännityslaskenta

Epätyypillinen merilaippa on suunniteltu Taylor Forge -menetelmällä, joka on kodifioitu ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 liitteeseen 2, joka on hyväksytty laskentastandardi kaikissa suurimmissa luokituslaitoksissa. Menetelmässä mallinnetaan laipparengasta, napaa ja kiinnitettyä putkea tai vaippaa elastisesti kytkettynä järjestelmänä laskemalla itsenäisesti pultin esijännityksestä ja sisäisestä paineesta aiheutuvat jännitykset ja yhdistämällä ne sopiviin jännitysrajoihin.

Pultin kuormitus tiivisteen kiinnitystilassa on voima, joka tarvitaan tiivisteen puristamiseen sen minimiin kiinnitysjännitykseen, tiivisteen valmistajan julkaisema arvo. PTFE-täyteaineella ja ulkorenkaalla varustetulle kierretiivisteelle pienin istukkajännitys on tyypillisesti 69 MPa (10 000 psi) tiivisteleveydelle 12 mm. Pultin kokonaisvoima on tällöin tämän istukan jännityksen ja tiivisteen kosketuspinnan tulos. Pultin poikkipinta-ala on mitoitettu siten, että pultin jännitys ei ylity 50 % pulttimateriaalin vähimmäismyötörajasta suunnittelulämpötilassa , jossa on lisävaraus tiivisteen virumisen rentoutumiseen ensimmäisten 500 lämpösyklin aikana.

Itse laipparengas tarkistetaan kolmen jännityskategorian suhteen: tangentiaalinen jännitys renkaan sisähalkaisijassa, säteittäinen jännitys pulttiympyrässä ja pituussuuntainen navan jännitys navan ja renkaan liitoksessa. Sallitut rajat, jotka on määritelty ASME Section VIII Division 2 luokan 1 aluksille, mutta jotka on mukautettu meriliikenteeseen, ovat seuraavat. Tangentiaalinen jännitys rajoittuu 1,5 kertaa laippamateriaalin sallittu suunnittelujännitys . Säteittäinen jännitys on rajoitettu pohjan sallittuun suunnittelujännitykseen. Yhdistetty jännitysvoimakkuus navan ja renkaan välisellä alueella tulee pysyä alle 1,5 kertaa sallittu rasitus . Laippaa, joka läpäisee nämä kolme tarkastusta vähintään 10 % rajojen alapuolella, pidetään rakenteellisesti riittävänä.

Luokituslaitoksen hyväksyntäpolku

Epätyypillistä merilaippaa ei voida asentaa ilman aluksen luokituslaitoksen dokumentoitua hyväksyntää. Hyväksyntäprosessi eroaa standardilaipan hyväksynnästä, joka hyväksytään tunnustetun standardin ja voimassa olevan materiaalitodistuksen noudattamisen perusteella. Epätyypillinen laippa vaatii suunnittelun arviointipaketin, joka toimitetaan luokan katsastajalle tarkastettavaksi ja leimattavaksi.

Suunnittelun arviointipaketti sisältää seuraavat pakolliset asiakirjat:

• Laipan mittapiirustus, joka sisältää ulkohalkaisijan, pulttiympyrän halkaisijan, pulttien lukumäärän ja halkaisijan, kohopinnan mitat, tiivisteen kosketusleveyden ja navan geometrian laipan takapinnasta hitsin valmisteluun.
• Laipparungon, pulttien, muttereiden ja tiivisteen materiaalispesifikaatio, mukaan lukien sovellettava ASTM-, EN- tai JIS-standardi, lämpökäsittelyolosuhteet ja vähimmäismekaaniset ominaisuudet huoneenlämpötilassa ja suunnittelulämpötilassa.
• Täydellinen jännityslaskelma ASME Section VIII Division 1 liitteen 2 tai vastaavan standardin EN 13445-3 lausekkeen 11 menetelmän mukaisesti, kaikkiin tuloarvoihin viitaten ja kaikki välitulokset näytetään. Laskelman on osoitettava, että kaikki jännityssuhteet ovat ykkösarvon alapuolella, suositellun maksimiarvon ollessa 0.90 jotta navan jännityssuhde ottaisi huomioon laivan koneiston tärinän syklisen väsymiskuormituksen.
• Laipan putkeen yhdistävän hitsin hitsausmenetelmän eritelmä ja menettelyn kelpuutus, joka osoittaa, että hitsin metallin vetolujuus ja sitkeys ovat yhtä suuret tai suuremmat kuin perusmateriaalien.
• Rikkomaton testaussuunnitelma, jossa määritellään 100 %:n tilavuustutkimus laipan taonnasta ultraäänitestauksella ASME SA-388 luokka A laippoihin, joiden nimellisreikä on yli 4 tuumaa tai joiden suunnittelupaine on yli 100 baaria.

Kun suunnittelun arviointi on hyväksytty, luokan katsastaja seuraa tuotantoa edustavan prototyypin laipan mekaanista testausta, mukaan lukien hydrostaattisen painetestin klo. 1,5-kertainen suunnittelupaine säilyy vähintään 10 minuuttia ilman näkyvää vuotoa tai pysyvää muodonmuutosta. Vasta prototyypin testiraportin hyväksymisen jälkeen tuotantolaipat voidaan valmistaa ja leimata luokkayhdistyksen sertifiointimerkillä.

Materiaalivalinta syövyttäviä ja kryogeenisiä meripalveluja varten

Epätyypillisen laipan materiaali valitaan syövyttäviä lajeja, lämpötila-aluetta ja mahdollista galvaanista vuorovaikutusta vastaan liitetyn putken ja rungon rakenteen kanssa. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto vakiomateriaaliluokista, jotka on määritetty yleisiin epästandardeihin sovelluksiin JIS- ja ASME-luettelosarjojen ulkopuolella.

Takominen versus levyjen valmistus

Epätyypillinen merilaippa voidaan valmistaa kahdella pohjimmiltaan erilaisella valmistusreitillä: takomalla kiinteästä aihiosta tai polttoleikkauksella levymassasta, jota seuraa koneistus. Ero ei ole kosmeettinen; se vaikuttaa suoraan valmiin laipan metallurgiseen eheyteen ja soveltuvuuteen aiottuun käyttöön.

Taottu laippa alkaa jatkuvasti valetusta teräksestä valmistettuna aihiona, joka kuumennetaan taontalämpötilaan ja työstetään avopuristimella tai rengastelalla valettu raerakenteen jalostamiseksi jatkuvaksi raevirtauskuvioksi, joka seuraa laipan muotoa. Taontaprosessi pienentää hiiliteräksen keskimääräistä raekokoa noin ASTM 4 - ASTM 7 tai hienompi , mikä lisää sekä vetolujuutta että Charpy-iskulujuutta. Napa on kiinteästi taottu, mikä eliminoi kehähitsin, joka liittäisi erillisen navan levyrenkaaseen. Luokituslaitokset määräävät taotun rakenteen kaikille yllä oleville laippoille 40 bar suunnittelupaine tai alle -10°C suunnittelulämpötila , koska valssatun levyn vetolujuus ja iskunkestävyys ovat luonteeltaan huonommat kuin taon.

Levyvalmisteinen laippa hyväksytään matalapaineisiin vesipalveluihin, kuten palo- ja painolastiputkiin alle 16 baarissa. Laipparengas on poltto- tai plasmaleikattu levymassasta ja koneistettu napa hitsataan renkaaseen täysläpivientiurahitsauksella. Hitsaus on 100-prosenttisesti röntgenkuvattu tai ultraäänitestattu, ja lämpövaikuttama alue on lämpökäsiteltävä hitsauksen jälkeen, jos levyn hiiliekvivalentti ylittää 0.43 , estämään vedyn aiheuttama halkeilu fuusiolinjan vieressä olevalla karkearakeisella alueella. Näistäkin varotoimista huolimatta levystä valmistettu laippa heikkenee 15 % sallitussa paineessa verrattuna samankokoiseen taottuun laippaan , kuten useimpien luokituslaitosten putkien valmistussäännöissä on määritelty.

Tiivisteen valinta ja pulttien kiristysmomentti

Epätyypillinen laipparakenne liittyy erottamattomasti tiiviste- ja pulttispesifikaatioon. Laipan suunnittelun aikana laskettu pulttikuorma olettaa tietyn tiivistemateriaalin, jolla on tiedossa pienin istukkajännitys ja käyttötiivistekerroin, joka tunnetaan ASME-koodin terminologiassa "m"-tekijänä. Tiivisteen tyypin vaihto laipan koneistuksen jälkeen spiraalikierretystä tiivisteestä, jonka m-kerroin 3.0 puristettuun kuitutiivisteeseen, jonka m-kerroin on 2,0, vähentää tarvittavaa pulttikuormaa ja siten laipan jännitystä, mikä on yleensä turvallista. Käänteinen vaihtaminen, jossa otetaan käyttöön suurempaa istukkajännitystä vaativa tiiviste, ylikuormittaa laippaa, eikä sitä sallita ilman suunnitteluarvioinnin uudelleen toimittamista.

Pultin kiristysjärjestys ja tavoitemomentti ovat kriittisiä ei-standardilaipoille, koska pulttiympyrän pienentynyt halkaisija keskittää pultin kuorman pienemmälle rengasmaiselle alueelle, mikä lisää laipparenkaan taivutusmomenttia. Pultit kiristetään vähintään kolmella kierrolla tähtikuvion mukaan. Ensimmäinen läpikulku tuo kaikki pultit 30 % tavoitevääntömomentista . Toinen kierros nousee 60 %:iin ja kolmas kierros saavuttaa 100 %. Vähintään neljän tunnin odotusajan jälkeen suoritetaan neljäs kierros 100 % vääntömomentilla kompensoimaan tiivisteen virumisen rentoutumista. Tavoitevääntömomentti lasketaan pultin mitoitusjännityksestä, ei yleisestä vääntömomenttitaulukosta, käyttäen kaavaa, joka sisältää kierteen nousun halkaisijan, kitkakertoimen kierteissä ja mutterin pinnan alla sekä mutterin tekijän K, joka voideltulle nastan ja karkaistun aluslevyn tapauksessa on 0,16 - 0,20 .

Mittojen vaihdettavuus ja varaosien strategia

Epätyypillinen laippa ei määritelmän mukaan liity vakiolaippaan, jolla on sama nimellinen putken koko, elleivät pultin ympyrän ja kohotetun pinnan mitat kohtaa. Tämä luo varaosataakkaa, joka on otettava huomioon suunnitteluvaiheessa. Aluksen putkiston isometrisissa piirustuksissa ja laippahallintatietokannassa tulee selvästi merkitä jokainen ei-standardilaippa yksilöivällä tunnistekoodilla, ja aluksella on oltava vähintään kaksi varalaippaa ja kaksi varatiivistesarjaa poikkeavaa kokoa kohden osana aluksen pakollista varavarustevarastoa.

Kemikaalisäiliöaluksissa ja tuotekuljetuksissa, jotka yhdistetään rantajakotukiin, laivan puoleisen laipan on vaihdettava vakiolaippaan jakotukin esittelypinnassa. Ruostumattomasta teräksestä valmistetun lastilinjan epästandardi laippa, jonka ulkohalkaisija on pienennetty rakenteellisen uumakehyksen poistamiseksi, ei saa olla päätelaippa, johon rantaletkun kytkentäpultit kiinnitetään. Sen sijaan pentukappale, jossa on epästandardi laippa sisäpäässä ja ASME B16.5 Class 150 -standardilaippa uloimmassa päässä, palauttaa vaihdettavuuden laivan ja rannikon välisessä rajapinnassa. Pentu on hydrostaattisesti testattu erillisenä kokoonpanona ja leimattu molemmilla laipan tunnistekoodeilla ennen asennusta.

Käyttökatsastus ja eläkkeelle jäämisen kriteerit

Epätyypillisiin laipoihin tehdään samat tarkastusvälit kuin vakiolaippoihin aluksen jatkuvassa mittausjaksossa, tyypillisesti yleinen silmämääräinen tarkastus vuosittain ja tarkempi paksuusmittaus ja rikkomaton tarkastus viiden vuoden erikoistarkastuksessa. Tarkastuksessa keskitytään navan ja renkaan väliseen säteeseen, joka on suurimman lasketun jännityksen paikka ja yleisin väsymishalkeaman alkamispaikka.

Hiukkasalueen magneettinen tarkastus suoritetaan syklisissä palveluissa, kuten lastipumppujen poistolinjoissa ja höyryn tukahdutusjärjestelmissä, joissa paine vaihtelee nollasta suunnittelupaineeseen enemmän kuin 10 000 sykliä vuodessa . Yli 3 mm pituinen lineaarinen merkintä fileen pinnalla on peruste laipan hylkäämiselle ja vaihtamiselle, koska fileen jännityspitoisuuskerroin on noin 2,5 - 3,0 tarkoittaa, että pieni pintahalkeama etenee navan seinämän paksuuden läpi murto-osassa seuraavasta käyttöjaksosta. Myös paksuusmittaukset kohotettujen kasvojen hammastuskohdissa tallennetaan; hammastussyvyyden pieneneminen alla 0,4 mm (1/64 tuumaa) vaatii laippapinnan koneistuksen tai laipan vaihtamisen, koska hammastukset tarjoavat mekaanisen otteen, joka estää tiivisteen puhalluksen paineen alaisena.