شفة بحرية غير قياسية: التصميم والتزوير والموافقة

عندما تصبح الشفاه القياسية غير كافية

تغطي الفلنجات البحرية القياسية، المصنعة وفقًا لـ JIS F7804 للضغوط الاسمية 5K و10K و16K و20K أو ASME B16.5 للفئة 150 حتى الفئة 2500، الغالبية العظمى من خدمات السفن بما في ذلك مياه الصابورة والآسن ونقل زيت الوقود والمياه العذبة. يتم تخزين هذه الشفاه من قبل التجار وساحات الإصلاح في جميع أنحاء العالم، وقابلية تبادلها هي أساس الخدمات اللوجستية البحرية. ومع ذلك، فإن ظروف التشغيل المحددة تجبر المهندس على الابتعاد عن طاولة الفلنجة القياسية.

الشرط الأول هو تجاوز درجة الحرارة للحدود المادية القياسية. تم تصنيف شفة JIS 10K القياسية المصنوعة من الفولاذ الكربوني S25C للخدمة بين -10 درجة مئوية و300 درجة مئوية . عندما يعمل نظام تسخين الزيت الحراري عند 340 درجة مئوية، يجب ترقية مادة الحافة إلى سبيكة تحمل الموليبدينوم مثل ASTM A182 F11 (1.25Cr-0.5Mo)، والتي ليس لها مكافئ JIS مباشر في جداول الحواف القياسية. يجب بعد ذلك تصميم الحافة وفقًا للمبادئ الأولى، مع حساب سماكة الجدار وأحجام المسامير وفقًا للضغط المسموح به عند درجة الحرارة المرتفعة.

الشرط الثاني هو عدم التوافق الكيميائي. تتطلب خطوط الشحن الموجودة على ناقلات المواد الكيميائية التي تتعامل مع حمض الفوسفوريك المركز بتركيز 85% وجود حواف UNS S31254 الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الفائق ، وهي درجة غير مدرجة في أي معيار للشفة البحرية. يمكن أن تعكس أبعاد الحافة نمط JIS أو ASME القياسي لقابلية التبادل مع مشعب الشاطئ، ولكن يجب اعتماد إمكانية تتبع المواد والاختبار الميكانيكي ومقاومة التآكل وفقًا لمواصفات تصنيع مخصصة.

الشرط الثالث هو ضيق المساحة. غالبًا ما تمر أنابيب غرفة المحرك في آبار الآسن الموجودة أسفل حوض المحرك الرئيسي عبر الخلوصات الضيقة جدًا بحيث لا تتناسب مع شفة الوجه المرتفعة القياسية مع دائرة مسامير كاملة الحجم. يجب تقليل القطر الخارجي للشفة إلى أقل من البعد القياسي، مما يتطلب دائرة مسمار غير قياسية ومسامير ذات شد عالي بقطر أصغر للحفاظ على ضغط وضع الحشية أثناء تركيبها داخل الظرف المتوفر.

منهجية التصميم وحساب الضغوط

تم تصميم الحافة البحرية غير القياسية باستخدام طريقة Taylor Forge، المقننة في قسم كود ASME للغلايات وأوعية الضغط، القسم الثامن، القسم 1، الملحق 2، وهو معيار الحساب المقبول في جميع جمعيات التصنيف الرئيسية. تقوم الطريقة بنمذجة حلقة الحافة، والمحور، والأنبوب أو الغلاف المتصل كنظام مزدوج مرن، وحساب الضغوط الناشئة عن التحميل المسبق للمسمار والضغط الداخلي بشكل مستقل، ثم دمجها مع حدود الضغط المناسبة.

إن حمل الترباس في حالة جلوس الحشية هو القوة المطلوبة لضغط الحشية إلى الحد الأدنى من ضغط الجلوس، وهي قيمة تنشرها الشركة المصنعة للحشية. بالنسبة للحشية ذات الجرح الحلزوني المزودة بحشوة PTFE وحلقة خارجية، يكون الحد الأدنى من ضغط الجلوس عادةً 69 ميجا باسكال (10000 رطل لكل بوصة مربعة) لعرض طوقا 12 ملم. إن إجمالي قوة الترباس هي نتاج ضغط الجلوس ومنطقة تلامس الحشية. يتم تحديد مساحة المقطع العرضي للمسمار بحيث لا يتجاوز ضغط الترباس 50% من الحد الأدنى لقوة الخضوع لمادة الترباس عند درجة حرارة التصميم ، مع السماح بمزيد من الاسترخاء لزحف الحشية خلال أول 500 دورة حرارية.

يتم فحص حلقة الحافة نفسها وفقًا لثلاث فئات من الضغط: الضغط العرضي عند القطر الداخلي للحلقة، والضغط الشعاعي عند دائرة الترباس، وضغط المحور الطولي عند التقاطع بين المحور والحلقة. الحدود المسموح بها، المحددة في ASME القسم الثامن القسم 2 للسفن من الفئة 1 ولكن تم تكييفها للخدمة البحرية، هي كما يلي. يقتصر الضغط العرضي على 1.5 مرة من الضغط التصميمي المسموح به لمادة الفلنجة . يقتصر الإجهاد الشعاعي على إجهاد التصميم الأساسي المسموح به. يجب أن تظل شدة الإجهاد المجمعة عند شرائح المحور إلى الحلقة أقل من ذلك 1.5 مرة الضغط المسموح به . تعتبر الحافة التي تجتاز هذه الفحوصات الثلاثة بهامش أدنى قدره 10% أقل من الحدود مناسبة من الناحية الهيكلية.

تصنيف مسار موافقة المجتمع

لا يمكن تركيب شفة بحرية غير قياسية دون الحصول على موافقة موثقة من جمعية تصنيف السفينة. تختلف عملية الموافقة عن تلك الخاصة بالفلنجة القياسية، والتي يتم قبولها على أساس الامتثال للمعيار المعترف به وشهادة المواد الصالحة. تتطلب الحافة غير القياسية تقديم حزمة تقييم التصميم إلى مساح الفئة للمراجعة والختم.

تحتوي حزمة تقييم التصميم على المستندات الإلزامية التالية:

• رسم أبعاد الحافة، بما في ذلك القطر الخارجي، وقطر دائرة الترباس، وعدد وقطر البراغي، وأبعاد الوجه المرتفعة، وعرض تلامس الحشية، وهندسة المحور من الوجه الخلفي للشفة إلى إعداد اللحام.
• مواصفات المواد لجسم الحافة والمسامير والصواميل والحشية، بما في ذلك معايير ASTM أو EN أو JIS المطبقة، وحالة المعالجة الحرارية، والحد الأدنى من الخواص الميكانيكية في درجة حرارة الغرفة وفي درجة حرارة التصميم.
• حساب الضغط الكامل وفقًا لقسم ASME القسم الثامن 1 الملحق 2 أو ما يعادله من طريقة EN 13445-3 البند 11، مع الإشارة إلى جميع قيم المدخلات وجميع النتائج المتوسطة المبينة. يجب أن يوضح الحساب أن جميع نسب الإجهاد أقل من الوحدة، مع الحد الأقصى المفضل 0.90 من أجل أن تأخذ نسبة إجهاد المحور في الاعتبار خاصية تحميل التعب الدوري لاهتزاز الآلات على متن السفن.
• مواصفات إجراء اللحام وسجل تأهيل الإجراء للحام الذي سيربط الحافة بالأنبوب، مما يوضح أن قوة شد معدن اللحام ومتانته تساوي أو تتجاوز تلك الخاصة بالمواد الأساسية.
• خطة الاختبار غير المدمرة، التي تحدد الفحص الحجمي بنسبة 100% لتزوير الحافة عن طريق الاختبار بالموجات فوق الصوتية ASME SA-388 الفئة أ للفلنجات التي يزيد قطرها عن 4 بوصات أو ذات ضغط تصميمي يتجاوز 100 بار.

بمجرد الموافقة على تقييم التصميم، يشهد المساح الاختبار الميكانيكي لشفة نموذجية تمثل الإنتاج، بما في ذلك اختبار الضغط الهيدروستاتيكي عند 1.5 مرة من الضغط التصميمي الذي يتم الاحتفاظ به لمدة لا تقل عن 10 دقائق دون تسرب مرئي أو تشوه دائم. فقط بعد المصادقة على تقرير اختبار النموذج الأولي، يمكن تصنيع فلنجات الإنتاج وختمها بعلامة شهادة المجتمع الطبقي.

اختيار المواد للخدمات البحرية المسببة للتآكل والمبردة

يتم اختيار مادة الفلنجة غير القياسية وفقًا للأنواع المسببة للتآكل، ونطاق درجة الحرارة، وإمكانية التفاعل الجلفاني مع الأنبوب المتصل وهيكل الهيكل. يلخص الجدول التالي درجات المواد القياسية المحددة للتطبيقات غير القياسية الشائعة خارج نطاقات كتالوج JIS وASME.

تزوير مقابل تصنيع لوحة

يمكن إنتاج فلنجة بحرية غير قياسية من خلال طريقتين تصنيع مختلفتين بشكل أساسي: التشكيل من قطعة صلبة، أو القطع باللهب من مخزون الألواح متبوعًا بالتصنيع الآلي. التمييز ليس تجميليا. فهو يؤثر بشكل مباشر على السلامة المعدنية للحافة النهائية ومدى ملاءمتها للخدمة المقصودة.

تبدأ الحافة المطروقة كقطعة حديدية مصبوبة بشكل مستمر من الحرارة المحددة للفولاذ، ويتم تسخينها إلى درجة حرارة الحدادة وتعمل في مكبس مفتوح أو أسطوانة حلقية لتحسين بنية الحبوب المصبوبة إلى نمط تدفق الحبوب المستمر الذي يتبع محيط الحافة. تقلل عملية الحدادة من متوسط حجم حبيبات الفولاذ الكربوني تقريبًا ASTM 4 إلى ASTM 7 أو أقل ، مما يزيد من قوة الشد وصلابة تأثير شاربي. تم تشكيل المحور بشكل متكامل، مما يزيل اللحام المحيطي الذي قد يربط محورًا منفصلاً بحلقة مقطوعة بلوحة. تفرض جمعيات التصنيف إنشاءات مزورة لجميع الشفاه الموجودة في الخدمة أعلاه ضغط تصميمي 40 بار أو أقل من -10 درجات مئوية ، لأن ليونة الشد وخصائص التأثير في اتجاه السماكة للوحة المدرفلة تكون أدنى بطبيعتها من تلك الخاصة بالتزوير.

يتم قبول الحافة المصنعة من الألواح في خدمات المياه ذات الضغط المنخفض مثل أنابيب الحريق الرئيسية وأنابيب الصابورة التي تقل عن 16 بار. حلقة الحافة مقطوعة باللهب أو مقطوعة بالبلازما من مخزون اللوحة، ويتم لحام المحور المُشكل بالحلقة باستخدام لحام أخدود كامل الاختراق. يجب أن يتم تصوير اللحام إشعاعيًا أو اختباره بالموجات فوق الصوتية بنسبة 100%، ويجب معالجة المنطقة المتأثرة بالحرارة بعد اللحام إذا تجاوز مكافئ الكربون للوحة 0.43 ، لمنع التشقق الناجم عن الهيدروجين في منطقة الحبيبات الخشنة المجاورة لخط الاندماج. حتى مع هذه الاحتياطات، يتم تقليل الفلنجة المصنوعة من الألواح بواسطة 15% من الضغط المسموح به مقارنة بالفلنجة المطروقة ذات الأبعاد المتماثلة ، كما هو محدد في قواعد تصنيع الأنابيب لمعظم جمعيات التصنيف.

اختيار الحشية وإجراءات عزم الدوران

ويرتبط تصميم الحافة غير القياسية بشكل لا ينفصم بمواصفات الحشية والمسامير. يفترض حمل الترباس المحسوب أثناء تصميم الحافة وجود مادة حشية محددة ذات حد أدنى معروف من ضغط الجلوس وعامل حشية التشغيل، المعروف باسم العامل "m" في مصطلحات كود ASME. تغيير نوع الحشية بعد تصنيع الحافة، من حشية ملفوفة حلزونيًا بعامل m 3.0 إلى حشية من الألياف المضغوطة بعامل m يبلغ 2.0، يقلل الحمل المطلوب للمسمار وبالتالي يقلل من إجهاد الشفة، وهو أمر آمن بشكل عام. إن الاستبدال العكسي، الذي يقدم حشية تتطلب ضغطًا أعلى للجلوس، يزيد من الضغط على الحافة ولا يُسمح به دون إعادة تقديم تقييم التصميم.

يعد تسلسل تشديد الترباس وعزم الدوران المستهدف أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للفلنجات غير القياسية نظرًا لأن قطر دائرة الترباس المنخفض يركز حمل الترباس على منطقة حلقية أصغر، مما يزيد من لحظة انحناء حلقة الحافة. يتم ربط البراغي في ثلاث تمريرات على الأقل باستخدام تسلسل نمط النجمة. التمريرة الأولى تجلب كل البراغي إلى 30% من عزم الدوران المستهدف . تزيد التمريرة الثانية إلى 60%، والتمريرة الثالثة تصل إلى 100%. وبعد فترة انتظار لا تقل عن أربع ساعات، يتم تطبيق تمريرة رابعة بعزم دوران بنسبة 100% للتعويض عن ارتخاء زحف الحشية. يتم حساب عزم الدوران المستهدف من إجهاد مسمار التصميم، وليس من جدول عزم الدوران العام، باستخدام الصيغة التي تتضمن قطر خطوة الخيط، ومعامل الاحتكاك في الخيوط وتحت وجه الصمولة، وعامل الصمولة K، والذي بالنسبة للمسمار المشحم بغسالة صلبة هو 0.16 إلى 0.20 .

إمكانية تبادل الأبعاد واستراتيجية قطع الغيار

لن تتزاوج الحافة غير القياسية، بحكم التعريف، مع شفة قياسية بنفس حجم الأنبوب الاسمي ما لم تتطابق دائرة الترباس وأبعاد الوجه المرتفعة. وهذا يخلق عبء قطع الغيار الذي يجب معالجته في مرحلة التصميم. يجب أن تحدد الرسومات المتساوية القياس لأنابيب السفينة وقاعدة بيانات إدارة الحافة بوضوح كل شفة غير قياسية برمز تعريف فريد، ويجب حمل ما لا يقل عن شفتين احتياطيتين ومجموعتين من الحشيات الاحتياطية لكل حجم غير قياسي على متن السفينة كجزء من مخزون المعدات الاحتياطية الإلزامية للسفينة.

بالنسبة لناقلات المواد الكيميائية وناقلات المنتجات التي تتصل بمشعبات الشاطئ، يجب أن تنتقل الفلنجة غير القياسية الموجودة على جانب السفينة إلى شفة قياسية عند وجه عرض المشعب. يجب ألا تكون الحافة غير القياسية الموجودة على خط شحن من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات قطر خارجي مخفض لمسح إطار الشبكة الهيكلية هي الحافة الطرفية التي يتم تثبيت وصلة خرطوم الشاطئ عليها. وبدلاً من ذلك، تعمل قطعة صغيرة ذات شفة غير قياسية على الطرف الداخلي وشفة ASME B16.5 فئة 150 القياسية على الطرف الخارجي على استعادة إمكانية التبادل في الواجهة من السفينة إلى الشاطئ. يتم اختبار القطعة الصغيرة هيدروستاتيكيًا كتجميع منفصل ويتم ختمها برمزي تعريف الشفة قبل التثبيت.

معايير التفتيش أثناء الخدمة والتقاعد

تخضع الفلنجات غير القياسية لنفس فترات المسح مثل الفلنجات القياسية في إطار دورة المسح المستمر للسفينة، وعادةً ما يتم إجراء فحص بصري عام سنويًا وقياس سمك أكثر تفصيلاً وفحصًا غير مدمر في المسح الخاص لمدة خمس سنوات. ينصب تركيز الفحص على نصف قطر الشرائح من المحور إلى الحلقة، وهو موقع الحد الأقصى للضغط المحسوب والموقع الأكثر شيوعًا لبدء صدع التعب.

يتم إجراء فحص الجسيمات المغناطيسية لمنطقة الشرائح على الشفاه غير القياسية في الخدمات الدورية مثل خطوط تفريغ مضخة البضائع وأنظمة خنق البخار، حيث يتقلب الضغط من الصفر إلى الضغط التصميمي أكثر من 10,000 دورة في السنة . أي إشارة خطية يتجاوز طولها 3 مم على سطح الشريحة تعتبر سببًا لرفض الحافة واستبدالها، لأن عامل تركيز إجهاد الشريحة يبلغ تقريبًا 2.5 إلى 3.0 يعني أن صدعًا سطحيًا صغيرًا سوف ينتشر عبر سمك جدار المحور في جزء صغير من الدورة التشغيلية التالية. يتم أيضًا تسجيل قياسات السُمك عند مسننات الوجه المرتفعة؛ انخفاض في عمق التسنن أدناه 0.4 ملم (1/64 بوصة) يتطلب إعادة تشكيل وجه الحافة أو استبدال الحافة، لأن المسننات توفر قبضة ميكانيكية تمنع انفجار الحشية تحت الضغط.