Brida marina no estándar: diseño, forjado y aprobación

Cuando las bridas estándar se vuelven inadecuadas

Las bridas marinas estándar, fabricadas según JIS F7804 para presiones nominales de 5K, 10K, 16K y 20K o según ASME B16.5 para Clase 150 a Clase 2500, cubren la gran mayoría de los servicios a bordo, incluidos agua de lastre, sentina, transferencia de fueloil y agua dulce. Estas bridas se almacenan en proveedores y astilleros de reparación de todo el mundo, y su intercambiabilidad es la base de la logística marítima. Sin embargo, condiciones operativas específicas obligan al ingeniero a abandonar la mesa de bridas estándar.

La primera condición es que la temperatura exceda los límites estándar del material. Una brida JIS 10K de acero al carbono S25C estándar está clasificada para servicio entre -10°C y 300°C . Cuando un sistema de calentamiento de aceite térmico funciona a 340 °C, el material de la brida debe actualizarse a una aleación que contenga molibdeno, como ASTM A182 F11 (1,25 Cr-0,5 Mo), que no tiene un equivalente JIS directo en las tablas de bridas estándar. Luego, la brida debe diseñarse desde los primeros principios, con espesores de pared y tamaños de pernos calculados para la tensión permitida a temperatura elevada.

La segunda condición es la incompatibilidad química. Las líneas de carga en quimiqueros que manejan ácido fosfórico concentrado al 85% requieren bridas en Acero inoxidable súper austenítico UNS S31254 , un grado que no figura en ninguna norma de bridas marinas. Las dimensiones de la brida pueden reflejar un patrón estándar JIS o ASME para su intercambiabilidad con el colector de tierra, pero la trazabilidad del material, las pruebas mecánicas y la resistencia a la corrosión deben certificarse según una especificación de fabricación personalizada.

La tercera condición es la limitación de espacio. Las tuberías de la sala de máquinas en los pozos de sentina debajo del cárter del motor principal a menudo pasan por espacios demasiado estrechos para una brida de cara elevada estándar con un círculo de empernado de tamaño completo. El diámetro exterior de la brida debe reducirse por debajo de la dimensión estándar, lo que requiere un círculo de pernos no estándar y pernos de alta resistencia a la tracción de menor diámetro para mantener la tensión del asiento de la junta mientras se ajusta dentro del sobre disponible.

Metodología de diseño y cálculo de tensiones.

Una brida marina no estándar se diseña utilizando el método Taylor Forge, codificado en el Código ASME para calderas y recipientes a presión, Sección VIII, División 1, Apéndice 2, que es el estándar de cálculo aceptado en todas las principales sociedades de clasificación. El método modela el anillo de brida, el cubo y la tubería o carcasa adjunta como un sistema acoplado elásticamente, calculando las tensiones que surgen de la precarga del perno y la presión interna de forma independiente, y luego combinándolas con los límites de tensión apropiados.

La carga del perno en condiciones de asiento de la junta es la fuerza requerida para comprimir la junta hasta su tensión mínima de asiento, un valor publicado por el fabricante de la junta. Para una junta en espiral con un relleno de PTFE y un anillo exterior, la tensión mínima de asiento suele ser 69 MPa (10.000 psi) para un ancho de junta de 12 mm. La fuerza total del perno es entonces el producto de esta tensión de asiento y el área de contacto de la junta. El área de la sección transversal del perno se dimensiona de modo que la tensión del perno no exceda 50% del límite elástico mínimo del material del perno a la temperatura de diseño , con un margen adicional para la relajación de la fluencia de la junta durante los primeros 500 ciclos térmicos.

El anillo de brida en sí se compara con tres categorías de tensión: tensión tangencial en el diámetro interior del anillo, tensión radial en el círculo de pernos y tensión longitudinal del cubo en la unión entre el cubo y el anillo. Los límites permitidos, definidos en ASME Sección VIII División 2 para embarcaciones Clase 1 pero adaptados para servicio marítimo, son los siguientes. La tensión tangencial se limita a 1,5 veces la tensión de diseño permitida del material de la brida . La tensión radial está limitada a la tensión de diseño base permitida. La intensidad de tensión combinada en el filete entre el cubo y el anillo debe permanecer por debajo 1,5 veces el estrés permitido . Una brida que pase estas tres comprobaciones con un margen mínimo del 10% por debajo de los límites se considera estructuralmente adecuada.

Vía de aprobación de la sociedad de clasificación

No se puede instalar una brida marina no estándar sin la aprobación documentada de la sociedad de clasificación del buque. El proceso de aprobación difiere del de una brida estándar, que se acepta en función del cumplimiento de una norma reconocida y un certificado de material válido. La brida no estándar requiere un paquete de evaluación de diseño presentado al topógrafo de la clase para su revisión y estampado.

El paquete de evaluación de diseño contiene los siguientes documentos obligatorios:

• El dibujo de dimensiones de la brida, incluido el diámetro exterior, el diámetro del círculo de pernos, el número y diámetro de los pernos, las dimensiones de la cara elevada, el ancho de contacto de la junta y la geometría del cubo desde la cara posterior de la brida hasta la preparación de la soldadura.
• La especificación del material para el cuerpo de la brida, pernos, tuercas y juntas, incluida la norma ASTM, EN o JIS aplicable, la condición del tratamiento térmico y las propiedades mecánicas mínimas a temperatura ambiente y a la temperatura de diseño.
• El cálculo de tensión completo según ASME Sección VIII División 1 Apéndice 2 o el método equivalente EN 13445-3 Cláusula 11, con todos los valores de entrada referenciados y todos los resultados intermedios mostrados. El cálculo debe demostrar que todas las relaciones de tensión están por debajo de la unidad, con un máximo preferido de 0.90 para que la relación de tensión del cubo tenga en cuenta la carga de fatiga cíclica característica de la vibración de la maquinaria a bordo.
• La especificación del procedimiento de soldadura y el registro de calificación del procedimiento para la soldadura que unirá la brida a la tubería, demostrando que la resistencia a la tracción y la tenacidad del metal de soldadura igualan o exceden las de los materiales base.
• El plan de pruebas no destructivas, que especifica un examen volumétrico del 100 % de la forja de la brida mediante pruebas ultrasónicas para ASME SA-388 Clase A para bridas de más de 4 pulgadas de diámetro nominal o con una presión de diseño superior a 100 bar.

Una vez que se aprueba la evaluación del diseño, el inspector de clase presencia las pruebas mecánicas de una brida prototipo representativa de la producción, incluida una prueba de presión hidrostática en 1,5 veces la presión de diseño mantenida durante un mínimo de 10 minutos sin fugas visibles ni deformaciones permanentes. Sólo después de que se apruebe el informe de prueba del prototipo se pueden fabricar las bridas de producción y sellarlas con la marca de certificación de la sociedad de clase.

Selección de materiales para servicios marinos corrosivos y criogénicos.

El material de una brida no estándar se selecciona teniendo en cuenta las especies corrosivas, el rango de temperatura y el potencial de interacción galvánica con la tubería conectada y la estructura del casco. La siguiente tabla resume los grados de materiales estándar especificados para aplicaciones no estándar comunes fuera de los rangos de catálogo JIS y ASME.

Forja versus fabricación de placas

Una brida marina no estándar se puede producir mediante dos rutas de fabricación fundamentalmente diferentes: forja a partir de una palanquilla sólida o corte con llama a partir de placas seguidas de mecanizado. La distinción no es cosmética; Afecta directamente la integridad metalúrgica de la brida terminada y su idoneidad para el servicio previsto.

Una brida forjada comienza como un tocho fundido continuamente del calor de acero especificado, calentado a la temperatura de forjado y trabajado en una prensa de matriz abierta o rodillo de anillo para refinar la estructura del grano fundido en un patrón de flujo de grano continuo que sigue el contorno de la brida. El proceso de forjado reduce el tamaño promedio de grano de un acero al carbono de aproximadamente ASTM 4 a ASTM 7 o más fino , aumentando tanto la resistencia a la tracción como la tenacidad al impacto Charpy. El cubo está integralmente forjado, lo que elimina la soldadura circunferencial que uniría un cubo separado a un anillo cortado con placa. Las sociedades de clasificación exigen la construcción forjada para todas las bridas en servicio mencionadas anteriormente. Presión de diseño de 40 bar o temperatura de diseño inferior a -10°C , porque las propiedades de ductilidad a la tracción y de impacto en la dirección del espesor de una placa laminada son inherentemente inferiores a las de una forja.

Se acepta una brida fabricada con placas en servicios de agua a baja presión, como tuberías contraincendios y tuberías de lastre, por debajo de 16 bar. El anillo de brida se corta con soplete o con plasma a partir de placas y se suelda un cubo mecanizado al anillo con una soldadura de ranura de penetración total. La soldadura debe ser 100% radiografiada o probada ultrasónicamente, y la zona afectada por el calor debe ser tratada térmicamente después de la soldadura si el equivalente de carbono de la placa excede 0.43 , para evitar el agrietamiento inducido por hidrógeno en la región de grano grueso adyacente a la línea de fusión. Incluso con estas precauciones, una brida fabricada con placa se ve reducida por 15% de presión permitida en comparación con una brida forjada de dimensiones idénticas , como se especifica en las reglas de fabricación de tuberías de la mayoría de las sociedades de clasificación.

Selección de juntas y procedimiento de par de apriete

El diseño de brida no estándar está inseparablemente ligado a la especificación de la junta y los pernos. La carga del perno calculada durante el diseño de la brida asume un material de junta específico con una tensión de asiento mínima conocida y un factor de operación de la junta, conocido como factor "m" en la terminología del código ASME. Cambiar el tipo de junta después de mecanizar la brida, desde una junta en espiral con un factor m de 3.0 a una junta de fibra comprimida con un factor m de 2,0, reduce la carga requerida en los pernos y, en consecuencia, reduce la tensión en la brida, lo que generalmente es seguro. La sustitución inversa, introduciendo una junta que requiere una mayor tensión de asiento, sobrecarga la brida y no está permitida sin volver a presentar la evaluación del diseño.

La secuencia de apriete de los pernos y el par objetivo son críticos para bridas no estándar porque el diámetro reducido del círculo de pernos concentra la carga del perno en un área anular más pequeña, lo que aumenta el momento de flexión del anillo de la brida. Los pernos se aprietan en un mínimo de tres pasadas usando la secuencia del patrón de estrella. La primera pasada trae todos los tornillos a 30% del par objetivo . La segunda pasada aumenta al 60% y la tercera pasada alcanza el 100%. Después de un período de espera mínimo de cuatro horas, se aplica una cuarta pasada al 100 % de torsión para compensar la relajación de la fluencia de la junta. El par objetivo se calcula a partir de la tensión de diseño del perno, no de una tabla de par genérica, utilizando la fórmula que incorpora el diámetro de paso de la rosca, el coeficiente de fricción en las roscas y debajo de la cara de la tuerca, y el factor K de la tuerca, que para un perno lubricado con una arandela endurecida es 0,16 a 0,20 .

Intercambiabilidad dimensional y estrategia de repuestos.

Una brida no estándar, por definición, no se acoplará con una brida estándar del mismo tamaño nominal de tubería a menos que las dimensiones del círculo de pernos y de la cara elevada coincidan. Esto crea una carga de repuestos que debe abordarse en la etapa de diseño. Los dibujos isométricos de las tuberías del buque y la base de datos de gestión de bridas deben marcar claramente cada brida no estándar con un código de identificación único, y se debe llevar a bordo un mínimo de dos bridas de repuesto y dos juegos de juntas de repuesto por tamaño no estándar como parte del inventario obligatorio de equipo de repuesto del buque.

Para los buques cisterna para productos químicos y transportadores de productos que se conectan a colectores de tierra, la brida no estándar en el lado del barco debe pasar a una brida estándar en la cara de presentación del colector. Una brida no estándar en una línea de carga de acero inoxidable con un diámetro exterior reducido para dejar libre un marco estructural no debe ser la brida terminal a la que se atornilla el acoplamiento de la manguera de tierra. En cambio, una pieza de cachorro con una brida no estándar en el extremo interior y una brida estándar ASME B16.5 Clase 150 en el extremo exterior restaura la intercambiabilidad en la interfaz barco-costa. La pieza de cachorro se prueba hidrostáticamente como un conjunto separado y se estampa con ambos códigos de identificación de brida antes de la instalación.

Inspección en servicio y criterios de retiro

Las bridas no estándar están sujetas a los mismos intervalos de inspección que las bridas estándar según el ciclo de inspección continua del buque, normalmente una inspección visual general anual y una medición del espesor más detallada y un examen no destructivo en la inspección especial de cinco años. La inspección se centra en el radio de filete entre el cubo y el anillo, que es la ubicación de la tensión máxima calculada y el sitio más común para la iniciación de grietas por fatiga.

Se realiza una inspección con partículas magnéticas de la región del filete en bridas no estándar en servicios cíclicos como líneas de descarga de bombas de carga y sistemas de sofocación de vapor, donde la presión fluctúa de cero a la presión de diseño más de 10.000 ciclos por año . Cualquier indicación lineal que exceda los 3 mm de longitud en la superficie del filete es motivo de rechazo y reemplazo de la brida, debido a que el factor de concentración de tensión del filete es de aproximadamente 2,5 a 3,0 significa que una pequeña grieta superficial se propagará a través del espesor de la pared del cubo en una fracción del siguiente ciclo operativo. También se registran las mediciones de espesor en los dentados de la cara elevada; una reducción en la profundidad del dentado por debajo 0,4 mm (1/64 pulgadas) requiere que se vuelva a mecanizar la cara de la brida o que se reemplace la brida, porque los dientes proporcionan el agarre mecánico que evita que la junta reviente bajo presión.