非標準マリンフランジ: 設計、鍛造、承認

標準フランジが足りなくなった場合

標準船舶用フランジは、公称圧力 5K、10K、16K、20K の場合は JIS F7804 に準拠して、またはクラス 150 ～ クラス 2500 の場合は ASME B16.5 に準拠して製造されており、バラスト水、ビルジ、燃料油の移送、淡水などの船上サービスの大部分をカバーします。これらのフランジは世界中のチャンドラーや修理工場に在庫されており、その互換性が海上物流の基礎となっています。ただし、特定の動作条件では、エンジニアは標準フランジ テーブルから離れる必要があります。

最初の条件は、温度が標準材料限界を超えていることです。標準の S25C 炭素鋼 JIS 10K フランジは、次の範囲での使用に適しています。 -10℃および300℃ 。サーマルオイル加熱システムが 340°C で動作する場合、フランジの材質は ASTM A182 F11 (1.25Cr-0.5Mo) などのモリブデン含有合金にアップグレードする必要がありますが、標準フランジ表には直接 JIS に相当するものはありません。次に、高温での許容応力を計算して肉厚とボルトのサイズを計算し、第一原理に基づいてフランジを設計する必要があります。

2 番目の条件は化学的不適合性です。濃度 85% の濃リン酸を扱うケミカルタンカーの貨物ラインには、フランジが必要です。 UNS S31254 スーパーオーステナイトステンレス鋼 、海洋フランジ規格には記載されていないグレードです。フランジの寸法は、海岸マニホールドと互換性を持たせるために標準の JIS または ASME パターンを反映できますが、材料のトレーサビリティ、機械的テスト、および耐食性は、特注の製造仕様に対して認証される必要があります。

3 番目の条件はスペースの制約です。メイン エンジン サンプの下のビルジ ウェルにあるエンジン ルームの配管は、フルサイズのボルト締めサークルを備えた標準的な平面フランジには狭すぎるクリアランスを通って配線されることがよくあります。フランジの外径は標準寸法よりも小さくする必要があり、利用可能なエンベロープ内に収まりながらガスケットの着座応力を維持するには、非標準のボルトサークルと小径の高張力ボルトが必要になります。

設計方法と応力計算

非標準の船舶用フランジは、ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション VIII ディビジョン 1 付録 2 で成文化された Taylor Forge 法を使用して設計されます。これは、すべての主要な船級協会で受け入れられている計算標準です。この方法では、フランジ リング、ハブ、および取り付けられたパイプまたはシェルを弾性結合システムとしてモデル化し、ボルトの予圧と内圧から生じる応力を個別に計算し、それらを適切な応力制限と組み合わせます。

ガスケットの取り付け状態でのボルト荷重は、ガスケットを最小の取り付け応力まで圧縮するのに必要な力であり、ガスケットのメーカーが公表している値です。 PTFE フィラーと外輪を備えたうず巻形ガスケットの場合、最小着座応力は通常、 69 MPa (10,000 psi) ガスケット幅12mm用。ボルトの総力は、この着座応力とガスケット接触面積の積になります。ボルトの断面積は、ボルトの応力が次の値を超えないように設計されています。 設計温度におけるボルト材料の最小降伏強度の 50% 、最初の 500 熱サイクルにわたるガスケットのクリープ緩和をさらに許容します。

フランジ リング自体は、リング内径での接線方向応力、ボルト円での半径方向応力、ハブとリング間の接合部での縦方向ハブ応力の 3 つの応力カテゴリに対してチェックされます。 ASME セクション VIII ディビジョン 2 でクラス 1 船舶に対して定義されているが、海上業務に適合した許容限度は次のとおりです。接線応力は次のように制限されます。 フランジ材質の許容設計応力の1.5倍 。ラジアル応力は、ベースの許容設計応力に制限されます。ハブとリングのフィレットの結合応力強度は以下に維持する必要があります。 許容応力の1.5倍 。限界値より少なくとも 10% 低いマージンを持ってこれら 3 つのチェックに合格したフランジは、構造的に適切であるとみなされます。

船級協会の承認経路

非標準の船舶用フランジは、船舶の船級協会からの文書による承認がなければ設置できません。承認プロセスは、認知された規格への準拠と有効な材料証明書に基づいて承認される標準フランジのプロセスとは異なります。非標準フランジの場合は、検査とスタンプのために級検査官に提出される設計評価パッケージが必要です。

設計評価パッケージには、次の必須書類が含まれています。

• 外径、ボルト円径、ボルトの数と直径、凸面寸法、ガスケット接触幅、フランジ背面から溶接準備までのハブ形状を含むフランジ寸法図。
• 適用される ASTM、EN、または JIS 規格、熱処理条件、および室温および設計温度での最小機械的特性を含む、フランジ本体、ボルト、ナット、およびガスケットの材料仕様。
• ASME セクション VIII ディビジョン 1 付録 2 または同等の EN 13445-3 第 11 条の方法に基づく完全な応力計算。すべての入力値が参照され、すべての中間結果が表示されます。計算では、すべての応力比が 1 未満であり、好ましい最大値は次のとおりであることを証明する必要があります。 0.90 船上機械の振動の周期疲労荷重特性を考慮したハブ応力比。
• フランジとパイプを接合する溶接の溶接手順仕様書および手順認定記録。溶接金属の引張強度および靭性が母材と同等以上であることを証明します。
• 非破壊検査計画では、超音波検査によるフランジ鍛造品の全数検査を指定し、 ASME SA-388 クラス A 公称ボアが 4 インチを超えるフランジ、または設計圧力が 100 bar を超えるフランジの場合。

設計評価が承認されると、クラス検査員は、製造現場での静水圧試験を含む、生産を代表するプロトタイプ フランジの機械的試験に立ち会います。 設計圧力の 1.5 倍を最低 10 分間保持 目に見える漏れや永久変形がないこと。プロトタイプのテストレポートが承認された場合にのみ、製品フランジを製造し、クラス協会の認証マークを押すことができます。

腐食性および極低温の海洋サービス向けの材料の選択

非標準フランジの材質は、腐食種、温度範囲、接続されたパイプや船体構造との電気的相互作用の可能性を考慮して選択されます。次の表は、JIS および ASME カタログ範囲外の一般的な非標準用途に指定されている標準材料グレードをまとめたものです。

鍛造と板材の製造

非標準の船舶用フランジは、固体ビレットからの鍛造、またはプレート素材からの火炎切断とその後の機械加工という 2 つの根本的に異なる製造ルートによって製造できます。この違いは表面的なものではありません。それは、完成したフランジの冶金学的完全性と、意図された用途への適合性に直接影響します。

鍛造フランジは、鋼の指定された熱で連続鋳造されたビレットとして始まり、鍛造温度まで加熱され、オープンダイプレスまたはリングローラーで加工されて、鋳放しの粒子構造をフランジの輪郭に従う連続的な粒子流動パターンに精製します。鍛造プロセスにより、炭素鋼の平均粒径が約 ASTM 4 ～ ASTM 7 以上 、引張強さとシャルピー衝撃靱性の両方を向上させます。ハブは一体的に鍛造されており、別個のハブをプレートカットリングに接合する円周溶接が不要です。船級協会は、上記の使用中のすべてのフランジに鍛造構造を義務付けています 40 bar の設計圧力または -10°C 未満の設計温度 これは、圧延板の厚さ方向の引張延性と衝撃特性が鍛造品よりも本質的に劣るためです。

プレート製造フランジは、16 bar 未満の消防本管やバラスト配管などの低圧水道サービスで受け入れられます。フランジ リングはプレート ストックからフレーム カットまたはプラズマ カットされ、機械加工されたハブが完全溶け込み溝溶接でリングに溶接されます。溶接部は 100% X 線撮影または超音波検査を行う必要があり、プレートの炭素当量が 100% を超える場合は、熱影響部を溶接後に熱処理する必要があります。 0.43 、融解線に隣接する粗粒領域における水素誘起の亀裂を防止します。これらの予防措置を講じたとしても、板加工されたフランジの定格は次のとおりです。 同寸法の鍛造フランジと比較して許容圧力が15％向上 、ほとんどの船級協会の配管製造規則に指定されています。

ガスケットの選定と締め付けトルク手順

非標準のフランジ設計は、ガスケットおよびボルト仕様と密接に関係しています。フランジ設計中に計算されるボルト荷重は、既知の最小着座応力と動作ガスケット係数 (ASME コード用語では「m」係数として知られる) を備えた特定のガスケット材料を想定しています。フランジ加工後のガスケットタイプを、m値のうず巻形ガスケットから変更する場合 3.0 m 係数 2.0 の圧縮繊維ガスケットを使用すると、必要なボルト荷重が軽減され、その結果フランジ応力が低下し、一般に安全です。逆の置換は、より高い着座応力を必要とするガスケットの導入であり、フランジに過剰な応力を与えるため、設計評価を再提出することなく許可されません。

ボルトの締め付け順序と目標トルクは、ボルトの円直径が小さくなるとボルトの荷重がより小さな環状領域に集中し、フランジ リングの曲げモーメントが増加するため、非標準フランジでは重要です。ボルトは、星型パターンのシーケンスを使用して、少なくとも 3 回のパスで締められます。最初のパスでは、すべてのボルトが次の位置に移動します。 目標トルクの30％ 。 2 回目のパスでは 60% に増加し、3 回目のパスでは 100% に達します。最低 4 時間の待ち時間の後、ガスケットのクリープ緩和を補うために 100% のトルクで 4 回目のパスが適用されます。目標トルクは、一般的なトルク表からではなく、ねじ山ピッチ直径、ねじ山内およびナット面下の摩擦係数、および硬化ワッシャーを備えた潤滑スタッドの場合のナット係数 K を組み込んだ公式を使用して、設計ボルトの応力から計算されます。 0.16～0.20 .

寸法互換性とスペアパーツ戦略

定義上、非標準フランジは、ボルトの円と盛り上がった面の寸法が偶然一致しない限り、同じ公称パイプ サイズの標準フランジとはかん合しません。これにより、設計段階で対処する必要があるスペアパーツの負担が生じます。船舶の配管等角図とフランジ管理データベースは、すべての非標準フランジに固有の識別コードを付けて明確にフラグを立てる必要があり、非標準サイズごとに少なくとも 2 つの予備フランジと 2 つの予備ガスケット セットを船舶の必須の予備ギア在庫の一部として船内に持ち込む必要があります。

陸上マニホールドに接続するケミカルタンカーおよび製品運搬船の場合、船側の非標準フランジはマニホールドの表示面で標準フランジに移行する必要があります。構造ウェブフレームを通過するために外径が縮小されたステンレス鋼製カーゴラインの非標準フランジは、ショアホースカップリングボルトが接続される末端フランジであってはなりません。代わりに、船内端に非標準フランジを備え、船外端に標準 ASME B16.5 クラス 150 フランジを備えた子部品により、船と陸の境界面での互換性が回復されます。子部品は別個のアセンブリとして静水圧試験され、取り付け前に両方のフランジ識別コードが刻印されます。

現用検査と退役基準

非標準フランジは、船舶の継続検査サイクルの下で標準フランジと同じ検査間隔の対象となり、通常は年に一度の一般的な目視検査と、5 年ごとの特別検査でより詳細な厚さ測定と非破壊検査が行われます。検査の焦点はハブからリングまでのフィレット半径にあります。これは計算された最大応力の位置であり、疲労亀裂が発生する最も一般的な部位です。

フィレット領域の磁粉検査は、圧力がゼロから設計圧力以上に変動するカーゴポンプ排出ラインや蒸気窒息システムなどの周期的サービスにおける非標準フランジに対して実行されます。 年間10,000サイクル 。フィレットの表面に長さ 3 mm を超える線状の兆候がある場合は、フランジの不合格および交換の根拠となります。これは、フィレットの応力集中係数が約 2.5～3.0 これは、小さな表面亀裂が次の動作サイクルのほんの一瞬でハブの壁の厚さ全体に広がることを意味します。隆起面の鋸歯状部分の厚さ測定も記録されます。下の鋸歯状の深さの減少 0.4 mm (1/64 インチ) 鋸歯状の機械的グリップが圧力下でのガスケットの吹き出しを防止するため、フランジ面を再加工するか、フランジを交換する必要があります。