Basınçlı kaplar, boru hatları, vanalar, eşanjörler ve proses ekipmanları gibi birçok endüstriyel sistemde kullanılan flanşlı bağlantılar, yalnızca iki parçayı mekanik olarak birleştiren elemanlar değildir. Aynı zamanda sistemin basınca karşı güvenliğini, mekanik dayanımını ve en önemlisi sızdırmazlığını sağlayan kritik bağlantılardır.
Çoğu zaman sahada yaşanan kaçakların nedeni flanşın dayanımının yetersiz olması değil; civata ön yükünün yanlış uygulanması, conta sıkıştırmasının yetersiz kalması veya iç basınç altında flanş yüzeylerinde meydana gelen mikroskobik ayrılmalardır.
Bu nedenle modern mühendislik süreçlerinde yalnızca standart hesap yöntemleriyle yetinilmez. Flanş bağlantılarının gerçek çalışma koşulları altında nasıl davrandığını görmek için Sonlu Elemanlar Analizi (Finite Element Analysis – FEA) kullanılmaktadır.
Bu analiz sayesinde;
gibi kritik sorular daha üretim aşamasına geçmeden cevaplanabilir.
Flanş analizi; flanşlar, civatalar, somunlar, rondelalar ve conta gibi tüm bağlantı elemanlarının birlikte modellenerek gerçek çalışma koşullarının simüle edildiği doğrusal olmayan (Nonlinear) bir sonlu eleman analizidir.
Analiz sırasında sistem üzerinde;
aynı anda değerlendirilir.
Böylece bağlantının yalnızca mukavemeti değil, aynı zamanda sızdırmazlık performansı da detaylı şekilde incelenebilir.
Flanş bağlantılarında en sık karşılaşılan problemler şunlardır:
Bu problemlerin büyük bölümü üretimden önce gerçekleştirilen doğru bir FEA analiziyle öngörülebilir.
Doğru sonuç almanın ilk şartı, sistemin gerçeğe uygun modellenmesidir.
Model genellikle aşağıdaki bileşenlerden oluşur:
Flanş tipi uygulamaya göre değişebilir.
Örneğin;
Her flanş tipinin yük aktarımı ve dönme davranışı farklı olduğundan modelleme buna uygun hazırlanmalıdır.
Flanş bağlantısının en önemli elemanlarından biri civatalardır.
FEA çalışmalarında farklı modelleme yaklaşımları kullanılabilir.
Bu yöntemde;
ayrı katı modeller olarak oluşturulur.
Avantajları:
Dezavantajı ise çözüm süresinin daha uzun olmasıdır.
Endüstride en yaygın kullanılan yöntemdir.
Bu yöntemde civata gövdesi belirli bir kesitten ayrılır ve bu kesite ön germe kuvveti uygulanır.
Bu yöntem;
gibi avantajlar sağlar.
Gerçek hayatta civatalar yalnızca parçaları bir arada tutmaz.
Sıkma işlemi sırasında civata elastik olarak uzar ve bu uzama sıkıştırma kuvveti oluşturur.
İşte bu kuvvete Bolt Preload denir.
Bu ön yük;
Yanlış preload uygulanması halinde;
Bu nedenle preload değeri analizin en kritik girdilerinden biridir.
Profesyonel analizlerde yükler tek adımda uygulanmaz.
Genellikle aşağıdaki sıra izlenir:
1. Adım
Civata preload uygulanır.
↓
2. Adım
Pretension kilitlenir (Lock).
↓
3. Adım
İç basınç uygulanır.
↓
4. Adım
Gerekirse sıcaklık, moment veya dış yükler eklenir.
Bu sıralama gerçek montaj koşullarını temsil ettiği için sonuçların güvenilirliği açısından kritik öneme sahiptir.
Conta, flanş analizinin en kritik bileşenidir.
Çünkü sızdırmazlığı sağlayan esas eleman contadır.
Kullanılan conta tipleri arasında;
bulunmaktadır.
Conta iki farklı şekilde modellenebilir.
Conta gerçek kalınlığıyla modellenir.
Avantajı:
ANSYS'in özel conta elemanları kullanılır.
Bu elemanlar;
gibi etkileri çok daha gerçekçi şekilde temsil eder.
Flanş analizlerinde en fazla hata yapılan konu temas tanımlarıdır.
Başlıca temas bölgeleri:
Çoğu uygulamada Frictional Contact tercih edilir.
Sürtünme katsayısı malzemeye göre belirlenir.
Temas algoritmasının doğru seçilmesi;
doğrudan etkiler.
İç basınç yalnızca akışkanı taşımaz.
Aynı zamanda;
Bu nedenle yalnızca gerilme sonuçlarına bakmak yeterli değildir.
Basınç arttıkça flanş tamamen rijit davranmaz.
Özellikle dış bölgelerde küçük dönmeler meydana gelir.
Bu durum;
neden olabilir.
Bu davranış gerçek sistemlerde kaçakların önemli sebeplerinden biridir.
Conta analizlerinde yalnızca toplam deformasyon yeterli değildir.
İncelenen başlıca parametreler:
Conta üreticileri genellikle belirli bir minimum sıkıştırma basıncı önerir.
Analiz sonucunda bu değerin altına düşülmesi olası kaçak riskine işaret eder.
Flanş yüzeylerinde meydana gelen açıklıklar doğrudan sızdırmazlığı etkiler.
Sonlu eleman analizlerinde "Gap" sonuçları incelenerek;
belirlenebilir.
Özellikle dış çapta meydana gelen açıklıklar dikkatle değerlendirilmelidir.
En önemli sonuçlardan biri Contact Pressure dağılımıdır.
İdeal durumda;
Düzensiz dağılım;
oluşturabilir.
Basınç uygulandıktan sonra civataların yükü sabit kalmaz.
Analizde;
incelenmelidir.
Bazı durumlarda basınç civata yükünü artırırken, bazı bağlantılarda preload azalabilir.
Von Mises gerilmeleri;
üzerinde değerlendirilir.
Gerilmelerin malzemenin akma dayanımının altında kalması beklenir.
Ancak güvenilir bir flanş analizinde yalnızca Von Mises sonuçlarına odaklanmak yeterli değildir.
Hayır.
Sonlu eleman analizi "kaçak vardır" veya "kaçak yoktur" şeklinde doğrudan sonuç vermez.
Bunun yerine aşağıdaki kriterler birlikte değerlendirilir:
Bu parametrelerin birlikte yorumlanması sayesinde bağlantının sızdırmazlık performansı yüksek doğrulukla tahmin edilebilir.
Flanş analizleri çoğu zaman doğrusal (Linear Static) yöntemlerle doğru şekilde temsil edilemez.
Çünkü aynı anda;
Bu nedenle güvenilir sonuçlar için Nonlinear Static Analysis tercih edilmelidir.
FE-TECH İleri Mühendislik olarak flanş bağlantılarının doğrulanmasında yalnızca gerilme analizine odaklanmıyor; sistemin gerçek çalışma koşullarını temsil eden kapsamlı analizler gerçekleştiriyoruz.
Çalışmalarımız kapsamında;
gibi kritik mühendislik analizleri gerçekleştirerek tasarımların güvenilirliğini üretim öncesinde doğruluyoruz.
Flanşlı bağlantılar, basınçlı sistemlerin en kritik birleşim noktalarından biridir. Güvenli bir tasarım yalnızca yüksek dayanımlı malzeme seçimiyle değil; doğru civata ön yükü, uygun conta sıkıştırması, gerçekçi temas tanımları ve çalışma koşullarını temsil eden gelişmiş sonlu eleman analizleriyle mümkün olur.
Gerçekçi bir Flanş–Civata–Conta Analizi, yalnızca yapısal dayanımı doğrulamakla kalmaz; olası sızdırmazlık problemlerini, flanş ayrılmalarını ve civata yük değişimlerini daha tasarım aşamasında ortaya çıkararak maliyetli saha problemlerinin önüne geçilmesine yardımcı olur.
FE-TECH İleri Mühendislik olarak ANSYS tabanlı ileri sonlu eleman analizleri ile basınçlı ekipmanlar, borulama sistemleri ve kritik mekanik bağlantılar için güvenilir mühendislik çözümleri sunuyoruz. Tasarımlarınızı üretim öncesinde doğrulayarak daha güvenli, daha verimli ve daha uzun ömürlü sistemler geliştirmenize destek oluyoruz.