Flange Marítimo Não Padrão: Projeto, Forjamento e Aprovação

Quando os flanges padrão se tornam inadequados

Flanges marítimos padrão, fabricados de acordo com JIS F7804 para pressões nominais de 5K, 10K, 16K e 20K ou de acordo com ASME B16.5 para Classe 150 a Classe 2500, cobrem a grande maioria dos serviços de bordo, incluindo água de lastro, esgoto, transferência de óleo combustível e água doce. Esses flanges são estocados por fornecedores e estaleiros de reparos em todo o mundo, e sua intercambialidade é a base da logística marítima. No entanto, condições operacionais específicas forçam o engenheiro a abandonar a tabela de flanges padrão.

A primeira condição é a temperatura excedendo os limites padrão do material. Um flange JIS 10K de aço carbono S25C padrão é classificado para serviço entre -10°C e 300°C . Quando um sistema de aquecimento de óleo térmico opera a 340°C, o material do flange deve ser atualizado para uma liga contendo molibdênio, como ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), que não possui equivalente JIS direto nas tabelas de flange padrão. O flange deve então ser projetado a partir dos primeiros princípios, com espessuras de parede e tamanhos de parafusos calculados para a tensão admissível em temperatura elevada.

A segunda condição é a incompatibilidade química. As linhas de carga em navios-tanque químicos que transportam ácido fosfórico concentrado com concentração de 85% exigem flanges em UNS S31254 aço inoxidável super austenítico , uma classe não listada em nenhum padrão de flange marítimo. As dimensões do flange podem refletir um padrão JIS ou ASME para intercambialidade com o coletor de costa, mas a rastreabilidade do material, os testes mecânicos e a resistência à corrosão devem ser certificados de acordo com uma especificação de fabricação sob medida.

A terceira condição é a restrição de espaço. A tubulação da casa de máquinas nos poços de esgoto abaixo do cárter principal do motor geralmente passa por espaços muito apertados para um flange de face elevada padrão com um círculo de parafusamento de tamanho normal. O diâmetro externo do flange deve ser reduzido abaixo da dimensão padrão, exigindo um círculo de parafuso não padrão e parafusos de alta resistência de diâmetro menor para manter a tensão de assentamento da gaxeta enquanto se ajusta dentro do envelope disponível.

Metodologia de projeto e cálculo de tensão

Um flange marítimo não padrão é projetado usando o método Taylor Forge, codificado no Código de Caldeiras e Vasos de Pressão ASME, Seção VIII, Divisão 1, Apêndice 2, que é o padrão de cálculo aceito em todas as principais sociedades de classificação. O método modela o anel do flange, o cubo e o tubo ou casco anexado como um sistema acoplado elasticamente, calculando as tensões decorrentes da pré-carga do parafuso e da pressão interna de forma independente, combinando-as então com os limites de tensão apropriados.

A carga do parafuso sob condição de assentamento da junta é a força necessária para comprimir a junta até sua tensão mínima de assentamento, um valor publicado pelo fabricante da junta. Para uma junta enrolada em espiral com enchimento de PTFE e um anel externo, a tensão mínima de assentamento é normalmente 69 MPa (10.000 psi) para uma largura de junta de 12 mm. A força total do parafuso é então o produto desta tensão de assentamento e da área de contato da gaxeta. A área da seção transversal do parafuso é dimensionada de modo que a tensão do parafuso não exceda 50% do limite de escoamento mínimo do material do parafuso na temperatura de projeto , com uma margem adicional para o relaxamento da fluência da junta durante os primeiros 500 ciclos térmicos.

O próprio anel do flange é verificado em relação a três categorias de tensão: tensão tangencial no diâmetro interno do anel, tensão radial no círculo do parafuso e tensão longitudinal do cubo na junção entre o cubo e o anel. Os limites permitidos, definidos na Seção VIII Divisão 2 da ASME para embarcações da Classe 1, mas adaptados para serviço marítimo, são os seguintes. A tensão tangencial é limitada a 1,5 vezes a tensão de projeto admissível do material do flange . A tensão radial é limitada à tensão de projeto admissível de base. A intensidade de tensão combinada no filete cubo-anel deve permanecer abaixo 1,5 vezes o estresse permitido . Um flange que passe nessas três verificações com uma margem mínima de 10% abaixo dos limites é considerado estruturalmente adequado.

Caminho de aprovação da sociedade classificadora

Um flange marítimo não padronizado não pode ser instalado sem a aprovação documentada da sociedade classificadora da embarcação. O processo de aprovação difere daquele de um flange padrão, que é aceito com base na conformidade com uma norma reconhecida e um certificado de material válido. O flange não padronizado requer um pacote de avaliação de projeto enviado ao inspetor da classe para revisão e carimbo.

O pacote de avaliação de projeto contém os seguintes documentos obrigatórios:

• O desenho das dimensões do flange, incluindo o diâmetro externo, o diâmetro do círculo do parafuso, o número e o diâmetro dos parafusos, as dimensões da face elevada, a largura de contato da gaxeta e a geometria do cubo desde a face traseira do flange até a preparação da solda.
• A especificação do material para o corpo do flange, parafusos, porcas e gaxeta, incluindo o padrão ASTM, EN ou JIS aplicável, a condição do tratamento térmico e as propriedades mecânicas mínimas à temperatura ambiente e à temperatura de projeto.
• O cálculo de tensão completo de acordo com ASME Seção VIII Divisão 1 Apêndice 2 ou o método equivalente EN 13445-3 Cláusula 11, com todos os valores de entrada referenciados e todos os resultados intermediários mostrados. O cálculo deve demonstrar que todas as taxas de tensão estão abaixo da unidade, com um máximo preferido de 0.90 para que a taxa de tensão do cubo leve em conta a carga de fadiga cíclica característica da vibração das máquinas de bordo.
• A especificação do procedimento de soldagem e o registro de qualificação do procedimento para a solda que unirá o flange ao tubo, demonstrando que a resistência à tração e a tenacidade do metal de solda são iguais ou superiores às dos materiais de base.
• O plano de testes não destrutivos, especificando exame volumétrico de 100% do forjamento do flange por meio de testes ultrassônicos para ASME SA-388 Classe A para flanges com diâmetro nominal acima de 4 polegadas ou com pressão de projeto superior a 100 bar.

Uma vez aprovada a avaliação do projeto, o inspetor da classe testemunha o teste mecânico de um protótipo de flange representativo da produção, incluindo um teste de pressão hidrostática em 1,5 vezes a pressão projetada mantida por no mínimo 10 minutos sem vazamento visível ou deformação permanente. Somente após o relatório de teste do protótipo ser endossado é que os flanges de produção podem ser fabricados e carimbados com a marca de certificação da sociedade de classe.

Seleção de materiais para serviços marítimos corrosivos e criogênicos

O material de um flange não padronizado é selecionado de acordo com as espécies corrosivas, a faixa de temperatura e o potencial de interação galvânica com o tubo conectado e a estrutura do casco. A tabela a seguir resume os tipos de materiais padrão especificados para aplicações não padronizadas comuns fora das faixas de catálogo JIS e ASME.

Forjamento versus fabricação de placas

Um flange marítimo não padronizado pode ser produzido por duas rotas de fabricação fundamentalmente diferentes: forjamento a partir de um tarugo sólido ou corte por chama a partir de placas seguidas de usinagem. A distinção não é cosmética; afeta diretamente a integridade metalúrgica do flange acabado e sua adequação ao serviço pretendido.

Um flange forjado começa como um tarugo fundido continuamente com o calor de aço especificado, aquecido até a temperatura de forjamento e trabalhado em uma prensa de matriz aberta ou rolo de anel para refinar a estrutura de grãos fundidos em um padrão de fluxo de grãos contínuo que segue o contorno do flange. O processo de forjamento reduz o tamanho médio do grão de um aço carbono de aproximadamente ASTM 4 a ASTM 7 ou superior , aumentando a resistência à tração e a resistência ao impacto Charpy. O cubo é forjado integralmente, eliminando a solda circunferencial que uniria um cubo separado a um anel cortado em placa. As sociedades classificadoras exigem construção forjada para todos os flanges em serviço acima Pressão de projeto de 40 bar ou temperatura de projeto inferior a -10°C , porque a ductilidade à tração e as propriedades de impacto na direção da espessura de uma placa laminada são inerentemente inferiores às de um forjamento.

Um flange fabricado em placa é aceito em serviços de água de baixa pressão, como tubulação principal de incêndio e tubulação de lastro abaixo de 16 bar. O anel do flange é cortado a chama ou a plasma a partir de placas, e um cubo usinado é soldado ao anel com uma solda de ranhura de penetração total. A solda deve ser 100% radiografada ou testada ultrassonicamente, e a zona afetada pelo calor deve ser tratada termicamente após a soldagem se o equivalente de carbono da placa exceder 0.43 , para evitar rachaduras induzidas por hidrogênio na região de granulação grossa adjacente à linha de fusão. Mesmo com essas precauções, um flange fabricado em placa é reduzido em 15% de pressão permitida em comparação com um flange forjado de dimensões idênticas , conforme especificado nas regras de fabricação de tubulações da maioria das sociedades de classificação.

Seleção de juntas e procedimento de torque de aparafusamento

O design do flange não padronizado está inseparavelmente ligado às especificações da junta e dos parafusos. A carga do parafuso calculada durante o projeto do flange assume um material de gaxeta específico com tensão de assentamento mínima conhecida e fator operacional da gaxeta, conhecido como fator "m" na terminologia do código ASME. Alteração do tipo de junta após a usinagem do flange, de uma junta enrolada em espiral com fator m de 3.0 a uma junta de fibra comprimida com fator m de 2,0, reduz a carga necessária do parafuso e, consequentemente, reduz a tensão do flange, o que geralmente é seguro. A substituição inversa, introduzindo uma junta que exige uma tensão de assentamento mais elevada, sobrecarrega o flange e não é permitida sem a reapresentação da avaliação do projeto.

A sequência de aperto dos parafusos e o torque alvo são críticos para flanges não padronizados porque o diâmetro reduzido do círculo do parafuso concentra a carga do parafuso em uma área anular menor, aumentando o momento fletor do anel do flange. Os parafusos são apertados em no mínimo três passagens usando a sequência de padrão estrela. A primeira passagem traz todos os parafusos para 30% do torque alvo . A segunda passagem aumenta para 60% e a terceira passagem chega a 100%. Após um período de espera mínimo de quatro horas, uma quarta passagem com torque de 100% é aplicada para compensar o relaxamento da deformação da junta. O torque alvo é calculado a partir da tensão de projeto do parafuso, e não de uma tabela de torque genérica, usando a fórmula que incorpora o diâmetro primitivo da rosca, o coeficiente de atrito nas roscas e sob a face da porca, e o fator de porca K, que para um pino lubrificado com uma arruela endurecida é 0,16 a 0,20 .

Intercambialidade dimensional e estratégia de peças de reposição

Um flange não padrão, por definição, não combinará com um flange padrão do mesmo tamanho nominal de tubo, a menos que o círculo do parafuso e as dimensões da face elevada coincidam. Isto cria uma carga de peças sobressalentes que deve ser abordada na fase de projeto. Os desenhos isométricos da tubulação da embarcação e o banco de dados de gerenciamento de flanges devem sinalizar claramente cada flange não padronizado com um código de identificação exclusivo, e um mínimo de dois flanges sobressalentes e dois conjuntos de juntas sobressalentes por tamanho não padronizado devem ser transportados a bordo como parte do inventário obrigatório de equipamentos sobressalentes da embarcação.

Para navios-tanque de produtos químicos e transportadores de produtos que se conectam a coletores em terra, o flange não padronizado no lado do navio deve fazer a transição para um flange padrão na face de apresentação do coletor. Um flange não padrão em uma linha de carga de aço inoxidável com um diâmetro externo reduzido para passar por uma estrutura de rede estrutural não deve ser o flange terminal ao qual o acoplamento da mangueira de terra é aparafusado. Em vez disso, uma peça filhote com flange não padrão na extremidade interna e um flange padrão ASME B16.5 Classe 150 na extremidade externa restaura a intercambialidade na interface navio-terra. A peça filhote é testada hidrostaticamente como um conjunto separado e carimbada com ambos os códigos de identificação do flange antes da instalação.

Critérios de inspeção em serviço e aposentadoria

Os flanges não padronizados estão sujeitos aos mesmos intervalos de vistoria que os flanges padrão no ciclo de vistoria contínua da embarcação, normalmente uma inspeção visual geral anual e uma medição de espessura mais detalhada e exame não destrutivo na vistoria especial de cinco anos. O foco da inspeção está no raio do filete do cubo ao anel, que é o local da tensão máxima calculada e o local mais comum para o início de trincas por fadiga.

Uma inspeção por partículas magnéticas da região do filete é realizada em flanges não padronizados em serviços cíclicos, como linhas de descarga de bombas de carga e sistemas de abafamento de vapor, onde a pressão flutua de zero até a pressão de projeto superior a 10.000 ciclos por ano . Qualquer indicação linear superior a 3 mm de comprimento na superfície do filete é motivo para rejeição e substituição do flange, pois o fator de concentração de tensão do filete é de aproximadamente 2,5 a 3,0 significa que uma pequena trinca superficial se propagará através da espessura da parede do cubo em uma fração do próximo ciclo operacional. As medições de espessura nas serrilhas da face elevada também são registradas; uma redução na profundidade serrilhada abaixo 0,4mm (1/64 polegada) requer que a face do flange seja reusinada ou o flange substituído, porque as serrilhas fornecem a aderência mecânica que evita a explosão da junta sob pressão.