Bride marine non standard : conception, forgeage et approbation

Quand les brides standards deviennent inadéquates

Les brides marines standard, fabriquées selon JIS F7804 pour des pressions nominales de 5K, 10K, 16K et 20K ou selon ASME B16.5 pour les classes 150 à 2500, couvrent la grande majorité des services à bord, y compris l'eau de ballast, la cale, le transfert de fioul et l'eau douce. Ces brides sont stockées par des fournisseurs et des chantiers de réparation du monde entier, et leur interchangeabilité constitue le fondement de la logistique maritime. Cependant, des conditions opérationnelles spécifiques obligent l'ingénieur à abandonner le tableau des brides standard.

La première condition est une température dépassant les limites standard du matériau. Une bride JIS 10K en acier au carbone S25C standard est conçue pour un service entre -10°C et 300°C . Lorsqu'un système de chauffage à l'huile thermique fonctionne à 340 °C, le matériau de la bride doit être remplacé par un alliage à base de molybdène tel que l'ASTM A182 F11 (1,25Cr-0,5Mo), qui n'a pas d'équivalent JIS direct dans les tableaux de brides standard. La bride doit ensuite être conçue à partir de principes de base, avec des épaisseurs de paroi et des tailles de boulons calculées en fonction de la contrainte admissible à température élevée.

La deuxième condition est l’incompatibilité chimique. Les conduites de cargaison sur les transporteurs de produits chimiques manipulant de l'acide phosphorique concentré à une concentration de 85 % nécessitent des brides. Acier inoxydable super austénitique UNS S31254 , une qualité non répertoriée dans aucune norme de bride marine. Les dimensions de la bride peuvent refléter un modèle standard JIS ou ASME pour l'interchangeabilité avec le collecteur terrestre, mais la traçabilité des matériaux, les tests mécaniques et la résistance à la corrosion doivent être certifiés par rapport à une spécification de fabrication sur mesure.

La troisième condition est la contrainte d’espace. La tuyauterie de la salle des machines dans les puits de cale situés sous le carter moteur principal passe souvent par des dégagements trop serrés pour une bride standard à face surélevée avec un cercle de boulonnage pleine grandeur. Le diamètre extérieur de la bride doit être réduit en dessous de la dimension standard, ce qui nécessite un cercle de boulons non standard et des boulons haute résistance de plus petit diamètre pour maintenir la contrainte d'assise du joint tout en s'insérant dans l'enveloppe disponible.

Méthodologie de conception et calcul des contraintes

Une bride marine non standard est conçue à l'aide de la méthode Taylor Forge, codifiée dans l'ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1 Appendice 2, qui est la norme de calcul acceptée par toutes les principales sociétés de classification. La méthode modélise l'anneau de bride, le moyeu et le tuyau ou la coque attachés comme un système couplé élastiquement, calculant indépendamment les contraintes résultant de la précharge du boulon et de la pression interne, puis les combinant avec des limites de contraintes appropriées.

La charge du boulon dans les conditions d'assise du joint est la force nécessaire pour comprimer le joint jusqu'à sa contrainte d'assise minimale, une valeur publiée par le fabricant du joint. Pour un joint enroulé en spirale avec une charge en PTFE et une bague extérieure, la contrainte d'assise minimale est généralement de 69 MPa (10 000 psi) pour une largeur de joint de 12 mm. La force totale du boulon est alors le produit de cette contrainte d’assise et de la surface de contact du joint. La section transversale du boulon est dimensionnée de manière à ce que la contrainte du boulon ne dépasse pas 50 % de la limite d'élasticité minimale du matériau du boulon à la température de conception , avec une tolérance supplémentaire pour la relaxation du joint par fluage au cours des 500 premiers cycles thermiques.

La bague de bride elle-même est vérifiée par rapport à trois catégories de contraintes : la contrainte tangentielle au diamètre intérieur de la bague, la contrainte radiale au niveau du cercle de boulonnage et la contrainte longitudinale du moyeu à la jonction entre le moyeu et la bague. Les limites autorisées, définies dans l'ASME Section VIII Division 2 pour les navires de classe 1 mais adaptées au service maritime, sont les suivantes. La contrainte tangentielle est limitée à 1,5 fois la contrainte de conception admissible du matériau de la bride . La contrainte radiale est limitée à la contrainte de conception admissible de base. L'intensité de contrainte combinée au niveau du congé moyeu-anneau doit rester inférieure à 1,5 fois la contrainte admissible . Une bride qui réussit ces trois contrôles avec une marge minimale de 10 % en dessous des limites est considérée comme structurellement adéquate.

Parcours d’approbation des sociétés de classification

Une bride marine non standard ne peut pas être installée sans l'approbation documentée de la société de classification du navire. Le processus d'approbation diffère de celui d'une bride standard, qui est acceptée sur la base du respect d'une norme reconnue et d'un certificat de matériau valide. La bride non standard nécessite un dossier d'évaluation de conception soumis à l'inspecteur de classe pour examen et estampillage.

Le dossier d'évaluation de la conception contient les documents obligatoires suivants :

• Le dessin des dimensions de la bride, y compris le diamètre extérieur, le diamètre du cercle de boulons, le nombre et le diamètre des boulons, les dimensions de la face surélevée, la largeur de contact du joint et la géométrie du moyeu depuis la face arrière de la bride jusqu'à la préparation de la soudure.
• Les spécifications matérielles pour le corps de bride, les boulons, les écrous et le joint, y compris la norme ASTM, EN ou JIS applicable, les conditions de traitement thermique et les propriétés mécaniques minimales à température ambiante et à la température de conception.
• Le calcul complet des contraintes selon l'ASME Section VIII Division 1 Annexe 2 ou la méthode équivalente EN 13445-3 Clause 11, avec toutes les valeurs d'entrée référencées et tous les résultats intermédiaires affichés. Le calcul doit démontrer que tous les rapports de contraintes sont inférieurs à l'unité, avec un maximum préféré de 0.90 pour le rapport de contrainte du moyeu afin de tenir compte des caractéristiques de charge de fatigue cyclique des vibrations des machines de bord.
• La spécification de la procédure de soudage et le dossier de qualification de la procédure pour la soudure qui reliera la bride au tuyau, démontrant que la résistance à la traction et la ténacité du métal soudé sont égales ou supérieures à celles des matériaux de base.
• Le plan de contrôle non destructif, précisant un examen volumétrique à 100% de la bride forgée par ultrasons pour ASME SA-388 Classe A pour les brides d'un alésage nominal supérieur à 4 pouces ou avec une pression de conception supérieure à 100 bar.

Une fois l'évaluation de la conception approuvée, l'inspecteur de classe assiste aux essais mécaniques d'un prototype de bride représentatif de la production, y compris un essai de pression hydrostatique à 1,5 fois la pression de conception maintenue pendant au moins 10 minutes sans fuite visible ni déformation permanente. Ce n'est qu'après l'approbation du rapport de test du prototype que les brides de production peuvent être fabriquées et estampillées de la marque de certification de la société de classe.

Sélection de matériaux pour les services maritimes corrosifs et cryogéniques

Le matériau d'une bride non standard est sélectionné en fonction des espèces corrosives, de la plage de température et du potentiel d'interaction galvanique avec le tuyau connecté et la structure de la coque. Le tableau suivant résume les qualités de matériaux standard spécifiées pour les applications non standard courantes en dehors des gammes des catalogues JIS et ASME.

Forgeage ou fabrication de plaques

Une bride marine non standard peut être produite par deux voies de fabrication fondamentalement différentes : le forgeage à partir d'une billette solide ou l'oxycoupage à partir de plaques suivi d'un usinage. La distinction n’est pas cosmétique ; cela affecte directement l'intégrité métallurgique de la bride finie et son adéquation au service prévu.

Une bride forgée commence par une billette coulée en continu de la chaleur d'acier spécifiée, chauffée à la température de forgeage et travaillée dans une presse à matrice ouverte ou un rouleau à anneaux pour affiner la structure du grain tel que coulé en un modèle d'écoulement de grain continu qui suit le contour de la bride. Le processus de forgeage réduit la taille moyenne des grains d'un acier au carbone d'environ ASTM 4 à ASTM 7 ou plus fin , augmentant à la fois la résistance à la traction et la résistance aux chocs Charpy. Le moyeu est intégralement forgé, éliminant la soudure circonférentielle qui relierait un moyeu séparé à un anneau découpé en plaque. Les sociétés de classification imposent une construction forgée pour toutes les brides en service ci-dessus Pression de conception de 40 bars ou température de conception inférieure à -10 °C , car la ductilité en traction et les propriétés de choc dans le sens de l'épaisseur d'une tôle laminée sont intrinsèquement inférieures à celles d'une pièce forgée.

Une bride fabriquée en plaques est acceptée dans les services d'eau à basse pression tels que les canalisations principales d'incendie et de ballast en dessous de 16 bars. L'anneau de bride est découpé à la flamme ou découpé au plasma à partir de plaques, et un moyeu usiné est soudé à l'anneau avec une soudure à rainure à pleine pénétration. La soudure doit être radiographiée à 100 % ou testée par ultrasons, et la zone affectée thermiquement doit être traitée thermiquement après soudure si l'équivalent carbone de la plaque dépasse 0.43 , pour empêcher la fissuration induite par l'hydrogène dans la région à gros grains adjacente à la ligne de fusion. Même avec ces précautions, une bride fabriquée en plaques est déclassée de 15% de pression admissible par rapport à une bride forgée de dimensions identiques , comme spécifié dans les règles de fabrication de tuyauterie de la plupart des sociétés de classification.

Sélection des joints et procédure de serrage des boulons

La conception de bride non standard est indissociable des spécifications du joint et des boulons. La charge des boulons calculée lors de la conception de la bride suppose un matériau de joint spécifique avec une contrainte d'assise minimale connue et un facteur de fonctionnement du joint, connu sous le nom de facteur « m » dans la terminologie du code ASME. Changement du type de joint après l'usinage de la bride, à partir d'un joint enroulé en spirale avec un facteur m de 3.0 à un joint en fibre comprimée avec un facteur m de 2,0, réduit la charge requise sur les boulons et abaisse par conséquent la contrainte de la bride, ce qui est généralement sûr. La substitution inverse, introduisant un joint nécessitant une contrainte d'assise plus élevée, sollicite excessivement la bride et n'est pas autorisée sans une nouvelle soumission de l'évaluation de la conception.

La séquence de serrage des boulons et le couple cible sont essentiels pour les brides non standard, car le diamètre réduit du cercle de boulons concentre la charge du boulon sur une zone annulaire plus petite, augmentant ainsi le moment de flexion de l'anneau de bride. Les boulons sont serrés en au moins trois passes en utilisant la séquence en étoile. Le premier passage amène tous les boulons à 30% du couple cible . Le deuxième passage passe à 60 % et le troisième passage atteint 100 %. Après une période d'attente minimale de quatre heures, un quatrième passage à 100 % de couple est appliqué pour compenser la relaxation par fluage du joint. Le couple cible est calculé à partir de la contrainte de conception du boulon, et non à partir d'un tableau de couple générique, en utilisant la formule intégrant le diamètre primitif du filetage, le coefficient de frottement dans les filetages et sous la face de l'écrou, et le facteur d'écrou K, qui pour un goujon lubrifié avec une rondelle trempée est 0,16 à 0,20 .

Interchangeabilité dimensionnelle et stratégie de pièces détachées

Une bride non standard, par définition, ne s'accouplera pas avec une bride standard de même taille nominale de tuyau à moins que le cercle de boulons et les dimensions de la face surélevée ne coïncident. Cela crée un fardeau en matière de pièces de rechange qui doit être pris en compte dès la phase de conception. Les dessins isométriques de la tuyauterie du navire et la base de données de gestion des brides doivent clairement signaler chaque bride non standard avec un code d'identification unique, et au moins deux brides de rechange et deux jeux de joints de rechange par taille non standard doivent être transportés à bord dans le cadre de l'inventaire obligatoire des équipements de rechange du navire.

Pour les transporteurs de produits chimiques et les transporteurs de produits qui se connectent aux collecteurs à terre, la bride non standard du côté du navire doit passer à une bride standard au niveau de la face de présentation du collecteur. Une bride non standard sur une ligne de cargaison en acier inoxydable avec un diamètre extérieur réduit pour dégager un cadre d'âme structurelle ne doit pas être la bride terminale à laquelle le raccord de tuyau à quai se boulonne. Au lieu de cela, une pièce de chiot avec la bride non standard à l'extrémité intérieure et une bride standard ASME B16.5 Classe 150 à l'extrémité extérieure rétablit l'interchangeabilité à l'interface navire-terre. La pièce du chiot est testée hydrostatiquement en tant qu'assemblage séparé et estampillée des deux codes d'identification de bride avant l'installation.

Critères d’inspection en service et de mise hors service

Les brides non standard sont soumises aux mêmes intervalles d'inspection que les brides standard dans le cadre du cycle d'inspection continue du navire, généralement une inspection visuelle générale annuelle et une mesure d'épaisseur plus détaillée et un examen non destructif lors de l'inspection spéciale quinquennale. L'inspection se concentre sur le rayon de congé du moyeu à l'anneau, qui est l'emplacement de la contrainte maximale calculée et le site le plus courant d'initiation de fissures de fatigue.

Une inspection par particules magnétiques de la région du congé est effectuée sur les brides non standard dans les services cycliques tels que les conduites de refoulement des pompes à cargaison et les systèmes d'étouffement de vapeur, où la pression fluctue de zéro à la pression de conception supérieure à 10 000 cycles par an . Toute indication linéaire dépassant 3 mm de longueur sur la surface du congé constitue un motif de rejet et de remplacement de la bride, car le facteur de concentration de contrainte du congé d'environ 2,5 à 3,0 signifie qu'une petite fissure superficielle se propagera à travers l'épaisseur de la paroi du moyeu en une fraction du prochain cycle opérationnel. Les mesures d'épaisseur au niveau des dentelures à face surélevée sont également enregistrées ; une réduction de la profondeur de denture en dessous 0,4 mm (1/64 pouce) nécessite que la face de la bride soit réusinée ou que la bride soit remplacée, car les dentelures fournissent une adhérence mécanique qui empêche l'éclatement du joint sous pression.