Radosław Sieczkowski, Kierownik Działu Technicznego SPETECH^®

Janusz Zajączek, Kierownik Laboratorium Badań Materiałów Uszczelnieniowych

Niezawodna eksploatacja urządzeń ciśnieniowych zależy od wielu czynników, w tym od prawidłowego zaprojektowania danego urządzenia, doboru materiałów, wykonania, montażu oraz nadzoru. Pojawienie się problemów z uzyskaniem szczelności w takcie eksploatacji może mieć wiele przyczyn, które niekiedy są trudne do ilościowego zdiagnozowania. Jednym z najbardziej skutecznych sposobów pozwalających w sposób kompleksowy na analizę pracy urządzeń ciśnieniowych jest Metoda Elementów Skończonych. Szczególnie w sytuacji nietypowych połączeń kołnierzowo-śrubowych, których analiza obliczeniowa za pomocą dostępnych algorytmów wykorzystujących wzory nie daje oczekiwanych rezultatów, można sięgnąć po metodę MES.

Przedmiotem opisanej w artykule analizy było uszczelnienie metalowe o średnicy wewnętrznej 1800 mm typu podwójny stożek z nakładkami srebrnymi w reaktorze o parametrach roboczych: 
ciśnienie 248 bar, temperatura ok. 200°C. W trakcie wieloletniej eksploatacji dochodziło wielokrotnie do rozszelnienia, w wyniku czego ponoszono znaczne straty finansowe związanych związane z nieplanowanym odstawieniem i remontem reaktora. 

W celu zdiagnozowania problemu do analizy pracy uszczelnienia wykorzystano Metodę Elementów Skończonych (MES) i oprogramowanie ANSYS. Zastosowana metoda umożliwiła analizę odkształceń i naprężeń w połączeniu kołnierzowo-śrubowym przy uwzględnieniu:

• ciśnienia medium,
• temperatury medium,
• naciągu śrub,
• obciążeń zewnętrznych.

Ponadto uwględniono następujące zjawiska:

• tarcie pomiędzy uszczelką metalową typu podwójny stożek, a nakładką oraz pomiędzy nakładką, a powierzchnią przylgową,
• rozszerzalność cieplna wszystkich elementów reaktora przy uwzględnieniu zjawiska przepływu ciepła.

W celu wykonania analizy MES stworzono uproszczony, ograniczony do połowy obwodu (180°)  model trójwymiarowy (3D) reaktora.

W połączeniu stosowana była uszczelka typu podwójny stożek pracującą z nakładkami wykonanymi ze srebrnej folii mającej zapewnić polepszenie szczelności.

W wyniku przeprowadzonej  analizy okazało się, że w nakładce górnej uszczelki występuje lokalne spiętrzenie naprężeń. Powodem była różna wartość przemieszczenia promieniowego kołnierza dolnego i górnego, w wyniku różnej sztywności tych kołnierzy. 

Kołnierz dolny aparatu, w punkcie 10 rys. 6, odkształca się na skutek działania ciśnienia i rozszerzalności cieplnej w kierunku promieniowym o 2,2 mm, podczas gdy kołnierz górny, w
punkcie 9 rys. 6, tylko o 1,5 mm. Powstała różnica 0,7 mm (rys. 7) była najprawdopodobniej główną przyczyną powstawania nieszczelności.

Następnie wykorzystując ten sam model MES przeprowadzono optymalizację kształtu i wymiarów uszczelnienia. 
W konsekwencji zaproponowano wykonanie promienia R=150mm na powierzchniach stożkowych uszczelki typu podwójny stożek (rys. 8). Rozwiązanie to  spowodowało obniżenie naprężeń oraz korzystniejszy ich rozkład w całym przekroju nakładki (rys. 9). W ten sposób znacznie zmniejszono zużycie. Dodatkowo, wykonane promienie zapewniły uszczelce dużo większe możliwości dopasowania się do powierzchni przylgowych.

WNIOSKI

Wykonana analiza MES pozwoliła na wykrycie głównej przyczyny powstawania nieszczelności połączenia z uszczelką metalową typu podwójny stożek. W jej wyniku otrzymano ilościowe wartości odkształceń i naprężeń, które, jak się okazało, powodowały przyspieszone zużycie uszczelki i jej nakładki. Dzięki rezultatom tej analizy doprowadzono do modyfikacji uszczelki tj. zaokrąglenia jej powierzchni stożkowych. Pozwoliło to obniżyć naprężenia w uszczelce i lepiej dopasować jej położenie względem odkształcenia kołnierzy.
Nowa uszczelka została zainstalowana w omawianym reaktorze i od roku pracuje bezawaryjnie. Podobne analizy i modyfikacje uszczelnień na istniejących aparatach mogą wyeliminować problemy z uzyskaniem szczelności. Metoda Elementów Skończonych umożliwia również projektowanie nowych urządzeń ciśnieniowych zgodnie z Dyretywą PED (97/23/WE).
 

Masz pytania? Zadzwoń lub napisz:

 RADOSŁAW SIECZKOWSKI
 Kierownik Działu Technicznego SPETECH^®
 +48 501 249 073
 rsieczkowski@spetech.com.pl