Flange Laut Non-Standar: Desain, Penempaan & Persetujuan

Ketika flensa standar menjadi tidak memadai

Flensa laut standar, diproduksi sesuai JIS F7804 untuk tekanan nominal 5K, 10K, 16K, dan 20K atau sesuai ASME B16.5 untuk Kelas 150 hingga Kelas 2500, mencakup sebagian besar layanan kapal termasuk air balas, lambung kapal, transfer bahan bakar minyak, dan air tawar. Flensa ini disimpan di tempat lilin dan tempat reparasi di seluruh dunia, dan kemampuan saling tukarnya merupakan landasan logistik maritim. Namun, kondisi operasional tertentu memaksa insinyur keluar dari meja flensa standar.

Kondisi pertama adalah temperatur melebihi batas standar material. Flensa JIS 10K baja karbon S25C standar dinilai untuk layanan antara -10°C dan 300°C . Ketika sistem pemanas oli termal beroperasi pada suhu 340°C, material flensa harus ditingkatkan menjadi paduan bantalan molibdenum seperti ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), yang tidak memiliki padanan JIS langsung dalam tabel flensa standar. Flensa kemudian harus dirancang berdasarkan prinsip pertama, dengan ketebalan dinding dan ukuran baut dihitung berdasarkan tegangan ijin pada suhu tinggi.

Kondisi kedua adalah ketidakcocokan kimia. Jalur kargo pada kapal tanker kimia yang menangani asam fosfat pekat pada konsentrasi 85% memerlukan flensa masuk Baja tahan karat super austenitik UNS S31254 , nilai yang tidak tercantum dalam standar flensa laut mana pun. Dimensi flensa dapat mencerminkan pola JIS atau ASME standar agar dapat dipertukarkan dengan manifold pantai, namun ketertelusuran material, pengujian mekanis, dan ketahanan terhadap korosi harus disertifikasi berdasarkan spesifikasi manufaktur yang dipesan lebih dahulu.

Kondisi ketiga adalah keterbatasan ruang. Perpipaan ruang mesin di sumur lambung kapal di bawah bak mesin utama sering kali melewati celah yang terlalu sempit untuk flensa muka terangkat standar dengan lingkaran baut ukuran penuh. Diameter luar flensa harus dikurangi di bawah dimensi standar, sehingga memerlukan lingkaran baut non-standar dan baut tarik tinggi berdiameter lebih kecil untuk mempertahankan tegangan dudukan paking sambil dipasang di dalam selubung yang tersedia.

Metodologi desain dan perhitungan tegangan

Flensa laut non-standar dirancang menggunakan metode Taylor Forge, yang dikodifikasikan dalam ASME Boiler and Pressure Vessel Code Bagian VIII Divisi 1 Lampiran 2, yang merupakan standar perhitungan yang diterima di semua lembaga klasifikasi utama. Metode ini memodelkan cincin flensa, hub, dan pipa atau cangkang yang terpasang sebagai sistem yang digabungkan secara elastis, menghitung tegangan yang timbul dari beban awal baut dan tekanan internal secara independen, kemudian menggabungkannya dengan batas tegangan yang sesuai.

Beban baut pada kondisi dudukan paking adalah gaya yang diperlukan untuk menekan paking hingga tegangan dudukan minimum, nilai yang diumumkan oleh produsen paking. Untuk paking luka spiral dengan pengisi PTFE dan cincin luar, tegangan dudukan minimum biasanya adalah 69 MPa (10.000 psi) untuk lebar paking 12 mm. Gaya baut total merupakan hasil kali tegangan dudukan dan bidang kontak paking. Luas penampang baut diukur sedemikian rupa sehingga tegangan baut tidak melebihi 50% dari kekuatan luluh minimum material baut pada suhu desain , dengan kelonggaran lebih lanjut untuk relaksasi mulur paking selama 500 siklus termal pertama.

Cincin flensa itu sendiri diperiksa berdasarkan tiga kategori tegangan: tegangan tangensial pada diameter dalam cincin, tegangan radial pada lingkaran baut, dan tegangan hub memanjang pada sambungan antara hub dan ring. Batasan yang diperbolehkan, yang ditentukan dalam ASME Bagian VIII Divisi 2 untuk kapal Kelas 1 tetapi disesuaikan untuk layanan kelautan, adalah sebagai berikut. Tegangan tangensial terbatas pada 1,5 kali tegangan desain yang diijinkan dari material flensa . Tegangan radial dibatasi pada tegangan dasar rencana yang diijinkan. Intensitas tegangan gabungan pada fillet hub-ke-ring harus tetap di bawah 1,5 kali tegangan yang diijinkan . Flensa yang lolos ketiga pemeriksaan ini dengan margin minimum 10% di bawah batas dianggap memadai secara struktural.

Jalur persetujuan masyarakat klasifikasi

Flensa laut non-standar tidak dapat dipasang tanpa persetujuan terdokumentasi dari lembaga klasifikasi kapal. Proses persetujuannya berbeda dengan flensa standar, yang diterima berdasarkan kepatuhan terhadap standar yang diakui dan sertifikat material yang valid. Flensa non-standar memerlukan paket penilaian desain yang diserahkan kepada surveyor kelas untuk ditinjau dan dicap.

Paket penilaian desain memuat dokumen wajib sebagai berikut:

• Gambar dimensi flensa, meliputi diameter luar, diameter lingkaran baut, jumlah dan diameter baut, dimensi muka terangkat, lebar kontak paking, dan geometri hub mulai dari muka belakang flensa hingga persiapan las.
• Spesifikasi material untuk badan flensa, baut, mur, dan paking, termasuk standar ASTM, EN, atau JIS yang berlaku, kondisi perlakuan panas, dan sifat mekanik minimum pada suhu kamar dan pada suhu desain.
• Perhitungan tegangan lengkap sesuai metode ASME Bagian VIII Divisi 1 Lampiran 2 atau setara EN 13445-3 Klausul 11, dengan semua nilai masukan direferensikan dan semua hasil antara ditampilkan. Perhitungan harus menunjukkan bahwa semua rasio tegangan berada di bawah satu, dengan nilai maksimum yang diinginkan 0.90 untuk rasio tegangan hub untuk memperhitungkan karakteristik pembebanan kelelahan siklik dari getaran mesin kapal.
• Spesifikasi prosedur pengelasan dan catatan kualifikasi prosedur untuk las yang akan menyambung flensa ke pipa, menunjukkan bahwa kekuatan tarik dan ketangguhan logam las sama atau melebihi bahan dasar.
• Rencana pengujian non-destruktif, menetapkan pemeriksaan volumetrik 100% dari penempaan flensa dengan pengujian ultrasonik untuk ASME SA-388 Kelas A untuk flensa dengan lubang nominal di atas 4 inci atau dengan tekanan desain melebihi 100 bar.

Setelah penilaian desain disetujui, surveyor kelas menyaksikan pengujian mekanis flensa prototipe yang mewakili produksi, termasuk uji tekanan hidrostatik pada suhu yang sama. 1,5 kali tekanan desain yang ditahan selama minimal 10 menit tanpa kebocoran yang terlihat atau deformasi permanen. Hanya setelah laporan pengujian prototipe disahkan, flensa produksi dapat diproduksi dan dicap dengan tanda sertifikasi masyarakat kelas.

Pemilihan material untuk jasa kelautan yang korosif dan kriogenik

Bahan flensa non-standar dipilih berdasarkan spesies korosif, kisaran suhu, dan potensi interaksi galvanik dengan pipa yang terhubung dan struktur lambung. Tabel berikut merangkum nilai material standar yang ditentukan untuk aplikasi non-standar umum di luar rentang katalog JIS dan ASME.

Penempaan versus fabrikasi pelat

Flensa laut non-standar dapat diproduksi melalui dua jalur manufaktur yang berbeda secara mendasar: penempaan dari billet padat, atau pemotongan api dari stok pelat yang diikuti dengan pemesinan. Perbedaannya bukan pada tampilan kosmetik saja; hal ini secara langsung mempengaruhi integritas metalurgi flensa jadi dan kesesuaiannya untuk layanan yang dimaksudkan.

Flensa tempa dimulai sebagai billet yang dicor secara kontinyu dengan panas baja tertentu, dipanaskan hingga suhu tempa dan dikerjakan dalam mesin press mati terbuka atau roller cincin untuk menyempurnakan struktur butiran as-cast menjadi pola aliran butiran kontinu yang mengikuti kontur flensa. Proses penempaan mengurangi ukuran butir rata-rata baja karbon dari sekitar ASTM 4 hingga ASTM 7 atau lebih tinggi , meningkatkan kekuatan tarik dan ketangguhan dampak Charpy. Hub ditempa secara integral, menghilangkan las melingkar yang akan menyambungkan hub terpisah ke cincin potong pelat. Lembaga klasifikasi mengamanatkan konstruksi palsu untuk semua flensa yang digunakan di atas Tekanan desain 40 bar atau suhu desain di bawah -10°C , karena keuletan tarik dan sifat tumbukan pada arah ketebalan tembus pelat canai secara inheren lebih rendah dibandingkan pelat tempa.

Flensa fabrikasi pelat diterima dalam layanan air bertekanan rendah seperti saluran pemadam kebakaran dan pipa pemberat di bawah 16 bar. Cincin flensa dipotong dengan api atau dipotong plasma dari stok pelat, dan hub mesin dilas ke cincin dengan las alur penetrasi penuh. Pengelasan harus 100% dilakukan radiografi atau pengujian ultrasonik, dan zona yang terkena dampak panas harus diberi perlakuan panas pasca-pengelasan jika setara karbon pelat melebihi 0.43 , untuk mencegah keretakan akibat hidrogen di daerah berbutir kasar yang berdekatan dengan garis fusi. Bahkan dengan tindakan pencegahan ini, flensa yang dibuat dengan pelat akan mengalami penurunan nilai 15% dalam tekanan yang diijinkan dibandingkan dengan flensa tempa dengan dimensi yang sama , sebagaimana ditentukan dalam aturan fabrikasi perpipaan di sebagian besar lembaga klasifikasi.

Pemilihan gasket dan prosedur torsi perbautan

Desain flensa non-standar terkait erat dengan spesifikasi paking dan baut. Beban baut yang dihitung selama desain flensa mengasumsikan bahan paking tertentu dengan tegangan dudukan minimum yang diketahui dan faktor paking pengoperasian, yang dikenal sebagai faktor "m" dalam terminologi kode ASME. Mengganti jenis gasket setelah flensa dikerjakan, dari gasket spiral-wound dengan faktor m 3.0 ke paking serat terkompresi dengan faktor m 2,0, mengurangi beban baut yang diperlukan dan akibatnya menurunkan tegangan flensa, yang secara umum aman. Penggantian sebaliknya, dengan memasukkan paking yang memerlukan tegangan dudukan lebih tinggi, memberikan tekanan berlebih pada flensa dan tidak diperbolehkan tanpa penyerahan ulang penilaian desain.

Urutan pengencangan baut dan torsi target sangat penting untuk flensa non-standar karena berkurangnya diameter lingkaran baut memusatkan beban baut pada area annular yang lebih kecil, sehingga meningkatkan momen lentur cincin flensa. Baut dikencangkan minimal tiga kali lintasan dengan menggunakan urutan pola bintang. Lintasan pertama membawa semua baut ke 30% dari torsi target . Pass kedua meningkat menjadi 60%, dan pass ketiga mencapai 100%. Setelah masa tunggu minimal empat jam, lintasan keempat dengan torsi 100% diterapkan untuk mengimbangi relaksasi mulur paking. Torsi target dihitung dari tegangan baut desain, bukan dari tabel torsi umum, menggunakan rumus yang menggabungkan diameter jarak ulir, koefisien gesekan pada ulir dan di bawah permukaan mur, dan faktor mur K, yang untuk stud yang dilumasi dengan washer yang diperkeras adalah 0,16 hingga 0,20 .

Pertukaran dimensi dan strategi suku cadang

Flensa non-standar, menurut definisi, tidak akan berpasangan dengan flensa standar dengan ukuran pipa nominal yang sama kecuali lingkaran baut dan dimensi permukaan yang ditinggikan bertepatan. Hal ini menimbulkan beban suku cadang yang harus diatasi pada tahap desain. Gambar isometrik perpipaan kapal dan database manajemen flensa harus secara jelas menandai setiap flensa non-standar dengan kode identifikasi unik, dan minimal dua flensa cadangan dan dua set gasket cadangan per ukuran non-standar harus dibawa ke kapal sebagai bagian dari inventaris perlengkapan cadangan wajib kapal.

Untuk kapal tanker kimia dan pengangkut produk yang terhubung ke manifold pantai, flensa non-standar di sisi kapal harus beralih ke flensa standar pada permukaan presentasi manifold. Flensa non-standar pada jalur kargo baja tahan karat dengan diameter luar yang diperkecil untuk membersihkan rangka web struktural tidak boleh menjadi flensa terminal yang dibaut oleh kopling selang pantai. Sebaliknya, pup piece dengan flensa non-standar di ujung dalam dan flensa ASME B16.5 Kelas 150 standar di ujung tempel mengembalikan kemampuan pertukaran pada antarmuka kapal-ke-pantai. Potongan anak anjing diuji secara hidrostatis sebagai rakitan terpisah dan dicap dengan kedua kode identifikasi flensa sebelum pemasangan.

Inspeksi dalam jabatan dan kriteria pensiun

Flensa non-standar harus menjalani interval survei yang sama dengan flensa standar dalam siklus survei berkelanjutan kapal, biasanya inspeksi visual umum setiap tahun dan pengukuran ketebalan yang lebih rinci serta pemeriksaan non-destruktif pada survei khusus lima tahun. Fokus pemeriksaan adalah pada radius fillet hub-ke-ring, yang merupakan lokasi tegangan maksimum yang dihitung dan lokasi paling umum untuk inisiasi retak lelah.

Inspeksi partikel magnetik pada daerah fillet dilakukan pada flensa non-standar dalam layanan siklik seperti jalur pelepasan pompa kargo dan sistem penyembunyian uap, di mana tekanan berfluktuasi dari nol hingga tekanan desain lebih dari 10.000 siklus per tahun . Setiap indikasi linier yang panjangnya melebihi 3 mm pada permukaan fillet menjadi alasan penolakan dan penggantian flensa, karena faktor konsentrasi tegangan fillet kira-kira 2,5 hingga 3,0 berarti retakan kecil pada permukaan akan merambat melalui ketebalan dinding hub dalam sepersekian detik pada siklus operasional berikutnya. Pengukuran ketebalan pada gerigi muka yang terangkat juga dicatat; pengurangan kedalaman gerigi di bawah 0,4 mm (1/64 inci) memerlukan pengerjaan ulang permukaan flensa atau penggantian flensa, karena gerigi memberikan pegangan mekanis yang mencegah ledakan gasket di bawah tekanan.