비표준 해양 플랜지: 설계, 단조 및 승인

표준 플랜지가 부적합한 경우

5K, 10K, 16K 및 20K의 공칭 압력에 대해 JIS F7804 또는 클래스 150~클래스 2500에 대해 ASME B16.5에 따라 제조된 표준 해양 플랜지는 밸러스트수, 빌지, 연료유 이송 및 담수를 포함한 대부분의 선상 서비스를 포괄합니다. 이러한 플랜지는 전 세계적으로 챈들러 및 수리업체에서 비축하고 있으며 상호 호환성은 해상 물류의 기초입니다. 그러나 특정 작동 조건으로 인해 엔지니어는 표준 플랜지 테이블을 벗어나게 됩니다.

첫 번째 조건은 표준 재료 한계를 초과하는 온도입니다. 표준 S25C 탄소강 JIS 10K 플랜지는 -10°C 및 300°C . 열매체유 가열 시스템이 340°C에서 작동하는 경우 플랜지 재료는 ASTM A182 F11(1.25Cr-0.5Mo)과 같은 몰리브덴 함유 합금으로 업그레이드되어야 하며 표준 플랜지 표에는 직접 JIS와 동등한 것이 없습니다. 그런 다음 플랜지는 고온에서 허용되는 응력에 따라 벽 두께와 볼트 크기를 계산하여 첫 번째 원칙에 따라 설계해야 합니다.

두 번째 조건은 화학적 비호환성입니다. 85% 농도의 농축 인산을 취급하는 케미컬 탱커의 화물 라인에는 플랜지가 필요합니다. UNS S31254 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강 , 해양 플랜지 표준에 등재되지 않은 등급입니다. 플랜지 치수는 쇼어 매니폴드와의 호환성을 위해 표준 JIS 또는 ASME 패턴을 반영할 수 있지만 재료 추적성, 기계적 테스트 및 내식성은 맞춤형 제조 사양에 대해 인증되어야 합니다.

세 번째 조건은 공간적 제약이다. 주 엔진 섬프 아래의 빌지 우물에 있는 엔진룸 배관은 전체 크기의 볼트 체결 원형이 있는 표준 돌출면 플랜지에 비해 너무 좁은 간격을 통과하는 경우가 많습니다. 플랜지 외부 직경은 표준 치수 아래로 줄여야 하며, 사용 가능한 범위 내에 장착하면서 개스킷 장착 응력을 유지하려면 비표준 볼트 원형과 더 작은 직경의 고장력 볼트가 필요합니다.

설계 방법론 및 응력 계산

비표준 해양 플랜지는 모든 주요 선급 협회에서 승인된 계산 표준인 ASME 보일러 및 압력 용기 코드 섹션 VIII Division 1 부록 2에 성문화된 Taylor Forge 방법을 사용하여 설계되었습니다. 이 방법은 플랜지 링, 허브, 부착된 파이프 또는 쉘을 탄성 결합 시스템으로 모델링하고, 볼트 예압과 내부 압력에서 발생하는 응력을 독립적으로 계산한 다음 이를 적절한 응력 한계와 결합합니다.

개스킷 장착 상태에서 볼트 하중은 개스킷을 최소 장착 응력으로 압축하는 데 필요한 힘으로, 개스킷 제조업체가 게시한 값입니다. PTFE 필러와 외부 링이 있는 나선형으로 감긴 개스킷의 경우 최소 장착 응력은 일반적으로 다음과 같습니다. 69MPa(10,000psi) 개스킷 폭이 12mm인 경우. 총 볼트 힘은 이 장착 응력과 개스킷 접촉 면적의 곱입니다. 볼트 단면적은 볼트 응력이 초과되지 않도록 크기가 결정됩니다. 설계 온도에서 볼트 재료의 최소 항복 강도의 50% , 처음 500회의 열 주기 동안 개스킷 크리프 완화를 추가로 허용합니다.

플랜지 링 자체는 세 가지 응력 범주, 즉 링 내경의 접선 응력, 볼트 원의 반경 방향 응력, 허브와 링 사이 접합부의 세로 허브 응력에 대해 검사됩니다. Class 1 선박에 대해 ASME 섹션 VIII Division 2에 정의되어 있지만 해상 서비스에 맞게 조정된 허용 한계는 다음과 같습니다. 접선 응력은 다음으로 제한됩니다. 플랜지 재질의 허용 설계 응력의 1.5배 . 반경 방향 응력은 기본 허용 설계 응력으로 제한됩니다. 허브-링 필렛의 결합된 응력 강도는 아래로 유지되어야 합니다. 허용응력의 1.5배 . 한계보다 최소 10% 낮은 여유로 이 세 가지 검사를 통과하는 플랜지는 구조적으로 적절한 것으로 간주됩니다.

선급협회 승인 경로

비표준 해양 플랜지는 선박 선급 협회의 문서화된 승인 없이는 설치할 수 없습니다. 승인 프로세스는 인정된 표준 및 유효한 재료 인증서 준수를 기반으로 승인되는 표준 플랜지의 프로세스와 다릅니다. 비표준 플랜지에는 검토 및 스탬프를 위해 선급 검사관에게 제출된 설계 평가 패키지가 필요합니다.

설계 평가 패키지에는 다음과 같은 필수 문서가 포함되어 있습니다.

• 외경, 볼트 원 직경, 볼트 수 및 직경, 돌출면 치수, 개스킷 접촉 폭, 플랜지 뒷면에서 용접 준비까지의 허브 형상을 포함한 플랜지 치수 도면.
• 해당 ASTM, EN 또는 JIS 표준, 열처리 조건, 실온 및 설계 온도에서의 최소 기계적 특성을 포함한 플랜지 본체, 볼트, 너트 및 개스킷에 대한 재료 사양입니다.
• ASME 섹션 VIII 부문 1 부록 2 또는 이에 상응하는 EN 13445-3 조항 11 방법에 따른 전체 응력 계산(모든 입력 값 참조 및 모든 중간 결과 표시). 계산에서는 모든 응력 비율이 1 미만임을 입증해야 하며, 선호되는 최대값은 다음과 같습니다. 0.90 선박 기계 진동의 주기적 피로 하중 특성을 설명하기 위한 허브 응력 비율.
• 플랜지를 파이프에 연결하는 용접에 대한 용접 절차 사양 및 절차 인증 기록으로, 용접 금속 인장 강도 및 인성이 모재의 인장 강도 및 인성과 동일하거나 이를 초과함을 입증합니다.
• 비파괴 검사 계획은 초음파 검사를 통해 단조 플랜지의 100% 체적 검사를 지정합니다. ASME SA-388 클래스 A 공칭 내경이 4인치 이상이거나 설계 압력이 100bar를 초과하는 플랜지용.

설계 평가가 승인되면 등급 측량사는 정수압 테스트를 포함하여 생산을 대표하는 프로토타입 플랜지의 기계적 테스트를 참관합니다. 최소 10분 동안 설계 압력의 1.5배 유지 눈에 띄는 누출이나 영구 변형이 없습니다. 프로토타입 테스트 보고서가 승인된 후에만 생산 플랜지를 제조하고 Class Society 인증 마크를 찍을 수 있습니다.

부식성 및 극저온 해양 서비스를 위한 재료 선택

비표준 플랜지의 재료는 부식성 종, 온도 범위, 연결된 파이프 및 선체 구조와의 갈바닉 상호 작용 가능성을 고려하여 선택됩니다. 다음 표에는 JIS 및 ASME 카탈로그 범위를 벗어난 일반적인 비표준 응용 분야에 지정된 표준 재료 등급이 요약되어 있습니다.

단조 대 판 제조

비표준 해양 플랜지는 근본적으로 다른 두 가지 제조 경로, 즉 솔리드 빌렛을 단조하거나 플레이트 스톡을 화염 절단한 후 기계 가공하여 생산할 수 있습니다. 그 구별은 미용적인 것이 아닙니다. 이는 완성된 플랜지의 야금학적 완전성과 의도된 서비스에 대한 적합성에 직접적인 영향을 미칩니다.

단조 플랜지는 지정된 강철 열의 연속 주조 빌렛으로 시작하여 단조 온도로 가열되고 개방형 프레스 또는 링 롤러에서 작업하여 주조된 입자 구조를 플랜지의 윤곽을 따르는 연속 입자 흐름 패턴으로 미세화합니다. 단조 공정은 탄소강의 평균 입자 크기를 대략적으로 줄입니다. ASTM 4 ~ ASTM 7 이상 , 인장 강도와 샤르피 충격 인성이 모두 증가합니다. 허브는 일체형으로 단조되어 별도의 허브를 플레이트 컷 링에 연결하는 원주 용접이 필요하지 않습니다. 선급 협회는 위에서 사용되는 모든 플랜지에 대해 단조 구조를 의무화합니다. 40bar 설계 압력 또는 -10°C 설계 온도 미만 이는 압연판의 두께 방향 인장 연성과 충격 특성이 본질적으로 단조품에 비해 열등하기 때문이다.

판형 플랜지는 16bar 이하의 소화 본관 및 밸러스트 배관과 같은 저압 수자원 서비스에 허용됩니다. 플랜지 링은 플레이트 스톡에서 화염 절단 또는 플라즈마 절단되고, 가공된 허브는 완전 관통 홈 용접으로 링에 용접됩니다. 용접부는 100% 방사선 촬영 또는 초음파 테스트를 거쳐야 하며, 플레이트의 탄소 당량이 초과되는 경우 열 영향부를 용접 후 열처리해야 합니다. 0.43 , 융합선에 인접한 거친 입자 영역에서 수소로 인한 균열을 방지합니다. 이러한 예방 조치에도 불구하고 판으로 제작된 플랜지는 다음과 같이 저하됩니다. 동일 치수의 단조 플랜지 대비 허용 압력 15% , 대부분의 선급협회의 배관 제작 규칙에 명시된 바와 같습니다.

개스킷 선택 및 볼트 체결 토크 절차

비표준 플랜지 설계는 개스킷 및 볼트 체결 사양과 불가분하게 연결되어 있습니다. 플랜지 설계 중에 계산된 볼트 하중은 ASME 코드 용어로 "m" 계수로 알려진 최소 장착 응력과 작동 개스킷 계수가 알려진 특정 개스킷 재질을 가정합니다. m 계수가 다음과 같은 나선형으로 감긴 개스킷에서 플랜지를 가공한 후 개스킷 유형을 변경합니다. 3.0 m-계수 2.0의 압축 섬유 개스킷을 사용하면 필요한 볼트 하중이 줄어들고 결과적으로 플랜지 응력이 낮아져 일반적으로 안전합니다. 더 높은 장착 응력을 요구하는 개스킷을 도입하는 역 대체는 플랜지에 과도한 응력을 가하므로 설계 평가를 다시 제출하지 않고서는 허용되지 않습니다.

볼트 조임 순서와 목표 토크는 비표준 플랜지의 경우 매우 중요합니다. 볼트 원 직경이 줄어들면 볼트 하중이 더 작은 환형 영역에 집중되어 플랜지 링 굽힘 모멘트가 증가하기 때문입니다. 볼트는 별 패턴 순서를 사용하여 최소 3번의 패스로 조입니다. 첫 번째 패스에서는 모든 볼트를 목표 토크의 30% . 두 번째 패스에서는 60%로 증가하고, 세 번째 패스에서는 100%에 도달합니다. 4시간의 최소 대기 기간 후에 개스킷 크리프 완화를 보상하기 위해 100% 토크의 네 번째 패스가 적용됩니다. 목표 토크는 나사산 피치 직경, 나사산과 너트 면 아래의 마찰 계수, 경화 와셔가 있는 윤활 스터드의 경우 너트 계수 K를 통합하는 공식을 사용하여 일반 토크 테이블이 아닌 설계 볼트 응력에서 계산됩니다. 0.16~0.20 .

치수 호환성 및 예비 부품 전략

비표준 플랜지는 정의에 따라 볼트 원과 볼록면 치수가 일치하지 않는 한 동일한 공칭 파이프 크기의 표준 플랜지와 결합되지 않습니다. 이로 인해 설계 단계에서 해결해야 하는 예비 부품 부담이 발생합니다. 선박의 배관 등각 투영 도면과 플랜지 관리 데이터베이스는 모든 비표준 플랜지에 고유 식별 코드를 명확하게 표시해야 하며, 비표준 크기당 최소 2개의 예비 플랜지와 2개의 예비 개스킷 세트를 선박의 필수 예비 장비 재고의 일부로 선내에 휴대해야 합니다.

해안 매니폴드에 연결되는 케미칼 탱커 및 제품 운반선의 경우, 선박 측의 비표준 플랜지가 매니폴드 표시면에서 표준 플랜지로 전환되어야 합니다. 구조적 웹 프레임을 제거하기 위해 외경이 감소된 스테인리스강 화물 라인의 비표준 플랜지는 쇼어 호스 커플링이 볼트로 고정되는 터미널 플랜지가 아니어야 합니다. 대신, 내부 끝 부분에 비표준 플랜지가 있고 외부 끝 부분에 표준 ASME B16.5 클래스 150 플랜지가 있는 퍼프 부품은 선박과 해안 인터페이스에서 상호 교환성을 복원합니다. 강아지 부품은 별도의 조립품으로 정수압 테스트를 거쳤으며 설치 전에 두 플랜지 식별 코드가 모두 찍혀 있습니다.

재직 중 검사 및 퇴직 기준

비표준 플랜지는 선박의 연속 검사 주기에 따라 표준 플랜지와 동일한 검사 간격을 받습니다. 일반적으로 매년 일반 육안 검사를 받고 5년 특별 검사 시 더 자세한 두께 측정 및 비파괴 검사를 받습니다. 검사 초점은 최대 계산 응력 위치이자 피로 균열이 시작되는 가장 일반적인 지점인 허브-링 필렛 반경에 있습니다.

필렛 영역의 자분 검사는 카고 펌프 배출 라인 및 증기 질식 시스템과 같은 주기적 서비스의 비표준 플랜지에 대해 수행됩니다. 여기서 압력은 0에서 설계 압력 이상으로 변동합니다. 연간 10,000주기 . 필렛 표면의 길이가 3mm를 초과하는 모든 선형 표시는 플랜지 거부 및 교체의 근거가 됩니다. 왜냐하면 필렛 응력 집중 계수가 약 2.5~3.0 이는 작은 표면 균열이 다음 작동 주기의 일부 내에 허브 벽 두께를 통해 전파된다는 것을 의미합니다. 볼록면 톱니 모양의 두께 측정값도 기록됩니다. 아래의 톱니 깊이 감소 0.4mm(1/64인치) 톱니 모양이 압력 하에서 개스킷이 터지는 것을 방지하는 기계적 그립을 제공하기 때문에 플랜지 면을 다시 가공하거나 플랜지를 교체해야 합니다.