Janusz Zajączek, Kierownik Laboratorium Badawczego SPETECH^®

Przekonanie, że wodór będzie paliwem przyszłości jest już właściwie powszechne. Niezależnie od tego, czy przemysł ewoluuje w stronę wytwarzania energii z atomów - wykorzystując fuzję, czy w stronę paliwowych ogniw wodorowych, to właśnie ten pierwiastek jawi się jako źródło prawie nieograniczonej energii.  Jednak by wodór stał się paliwem o powszechnym zastosowaniu, przed inżynierami jeszcze dość daleka droga. Kolejne medium gazowe, które jest już od dawna powszechnie stosowane w przemyśle to metan. Znajduje zastosowanie m.in. jako paliwo silnikowe, jest wykorzystywany w procesach otrzymywania tworzyw sztucznych, w przemyśle energetycznym i ogólnie jako źródło energii.

Zarówno wodór, jak i metan to jednak gazy niebezpieczne - palne i wybuchowe. Stąd zapewnienie bezpieczeństwa instalacji wykorzystujących te media jest absolutnie kluczową kwestią. Dodatkowo metan jest gazem cieplarnianym, mocno przyczyniającym się do ocieplenia klimatu naszej planety. Wodór co prawda nie zalicza się do gazów cieplarnianych, ale pośrednio jego emisja wpływa na ilość metanu i ozonu w atmosferze.

W związku z powyższym emisja tych gazów powinna, a nawet musi być ograniczana i kontrolowana. W obszarze zainteresowań grupy konsultingu inżynierskiego SPETECH^® są emisje z połączeń kołnierzowych rurociągów przesyłowych i technologicznych, przyłączy kołnierzowych zbiorników ciśnieniowych oraz z dławnic armatury. Analizując różne źródła danych dotyczące wielkości emisji i miejsc ich powstawania można zauważyć, że około 60% z nich to emisje pochodzące z armatury i około 6% to emisje pochodzące z połączeń kołnierzowych.

Laboratorium badawcze SPETECH^® od prawie 30 lat prowadzi badania uszczelnień płaskich oraz dławnicowych wykorzystując jako medium badawcze niepalny, niewybuchowy i ogólnie nieszkodliwy hel. Jednak badania opierające się na tym medium są obecnie niewystarczające. Coraz więcej klientów naszej placówki zwraca się do nas z zapytaniem o możliwość przeprowadzenia badań z użyciem wodoru i metanu.  Stan techniki, trendy w energetyce oraz po prostu rynek domagają się danych dotyczących poziomów emisji z użyciem wspomnianych mediów. Dane te są niezbędne zarówno z punktu widzenia inżynierskiego, czyli projektowania szczelności złącz kołnierzowych, jak i wymogów formalnych rynku dotyczących certyfikacji na zgodność z normami i standardami.

Odpowiadając na zapotrzebowanie rynku od 2022 roku prowadzimy również badania emisji z użyciem wodoru i metanu, analizując zachowanie uszczelnień międzykołnierzowych, dławnicowych oraz całej armatury. Normalizacja i standaryzacja niestety nie nadążają za zmianami, jakie dokonują się w podejściu do zastosowania wodoru. Stąd prowadzone przez nas testy są wykonywane w oparciu o zapisy danej normy czy standardu, które nie wymieniają wodoru jako medium badawczego.

Przykładem mogą być tu najpowszechniej stosowane normy: ‘EN 13555 Parametry uszczelek i procedury badań dotyczące zasad projektowania połączeń kołnierzowych okrągłych z uszczelką’ stosowana do badań uszczelek międzykołnierzowych oraz ‘EN 15848-1 Procedury pomiarów, badań i kwalifikacji dotyczące przecieków substancji szkodliwych Część 1: System klasyfikacji i procedury kwalifikacji dla badań typu armatury’. Obie wspomniane normy opisują procedury badań z użyciem helu. Druga z wymienionych opisuje również badania z użyciem metanu.

Komora badawcza EX

Z uwagi na wybuchowość wodoru i metanu    w laboratorium badawczym SPETECH^® zbudowaliśmy specjalną komorę badawczą wydzieloną jako strefę niebezpieczną. Została ona wyposażona we wszelkie niezbędne zabezpieczenia chroniące pracowników przed konsekwencjami ewentualnego gwałtownego wzrostu stężenia gazu. Składają się na nie czujniki wodoru i metanu, systemy wentylacji grawitacyjnej i wymuszonej. Stanowiska badawcze oraz wszelkie narzędzia przystosowaliśmy do pracy z atmosferach wybuchowych.
 

Rys. 1 – Pomieszczenie do wykonywania badań z użyciem mediów niebezpiecznych

Prace, które obecnie wykonujemy w laboratorium badawczym SPETECH^® to w większości badania z użyciem helu i wodoru, w mniejszej ilości z użyciem metanu. Prowadzimy je na specjalnym stanowisku testowym PowerPress2. W przypadku badań uszczelnień do złącz kołnierzowych naszym celem jest wyznaczenie współczynników projektowych (QminL, QsminL) określających wymagane naprężenia na uszczelce w odniesieniu do możliwych do uzyskania klas szczelności. Współczynniki te wykorzystywane są w przeliczeniu wytrzymałościowym  złącz kołnierzowych, a przede wszystkim służą wyliczeniu siły zacisku złącza i momentu dokręcenia śrub. Badania te bazują na jednej z metod opisanych w normie EN 13555. Porównując wyniki z badań z użyciem helu, wodoru i metanu okazuje się, że nie ma znaczących różnic co do poziomów emisji generowanych przez te gazy.

Pokazane poniżej przykłady wyników badań dotyczą uszczelnień włóknisto – elastomerowych SPETOBAR^® oraz uszczelnień spiralnych SPETOSPIR^®. Wymiary uszczelnień to DN 40 PN 40 zgodnie z normami EN 1514-1 oraz odpowiednio EN 1514-2.

Wyniki badań dla uszczelnień włóknisto-elastomerowych SPETOBAR^®
 

Rys. 2 – Szczelność w funkcji naprężeń. Jednostka szczelności to [mg/(m*s)]

Wykres przedstawiony na rysunku 2. pokazuje, że emisje helu i wodoru są na podobnych poziomach. Metan generuje wyższe przecieki przy tych samych naprężeniach kontaktowych na uszczelce. Jednak wykres z jednostką przecieku [mg/(m*s)] jest nieco złudny. Jednostka ta odnosi się bowiem do masy danego gazu – miligram. Aby uchwycić relacje bez brania pod uwagę różnic w masie gazów, należy spojrzeć na wykres z jednostką [mbar*l/s]. Tym samym uniezależniamy się od różnic masowych.

Rys. 3 - Szczelność w funkcji naprężeń. Jednostka szczelności to [mbar*l/s]

Wykres z rysunku 3. już wyraźnie pokazuje, że różnice w emisji poszczególnych gazów nie są znaczące. Wszystkie emisje mieszczą się w zakresie wykorzystywanym w technikach uszczelnieniowych, które na ogół operują szczelnościami w zakresie od 1,0E-1 do 1,0E-4. Z wykresu można odczytać, że przy wyższych naprężeniach bez większych problemów jest możliwe uzyskanie niskich emisji. Oczywiście nie należy przekraczać naprężeń dopuszczalnych dla danej uszczelki.

Rys. 4 – Zobrazowanie różnic w poziomach emisji w funkcji naprężeń kontaktowych na uszczelce

Wyniki badań dla uszczelnień spiralnych SPETSPIR^®

Badania emisji uszczelki spiralnej z pierścieniami wewnętrznym i zewnętrznym ze stali 316L i grafitu zostały zobrazowane na Rys. 5.
 

Rys. 5 - Szczelność w funkcji naprężeń. Jednostka szczelności to [mbar*l/s]

Również w tym wypadku nie zauważamy znaczących różnic w osiąganych klasach szczelności dla poszczególnych gazów. Zachowanie się helu i wodoru jest bardzo podobne, natomiast dla wyższych naprężeń kontaktowych emisja metanu jest widocznie większa. Jest to o tyle dziwne, że spodziewać by się należało zależności: czym wyższa wartość naprężenia - tym mniejsza emisja. Uzyskany efekt zależy prawdopodobnie od konstrukcji samej uszczelki i użytych do jej budowy materiałów.

Wnioski

Po pierwsze - badania z użyciem wodoru i metanu należy przeprowadzać pomimo, że uzyskane wyniki nie różnią się znacząco od wyników otrzymanych z użyciem helu. Uzyskiwane z tych badań współczynniki obliczeniowe powinny być stosowane w algorytmie EN 1591-1 podczas przeliczeń złączy kołnierzowych dla odpowiedniego medium tak, aby maksymalnie ograniczyć emisje.

Po drugie - przedstawione wyniki to rezultaty badań jedynie dwóch typów uszczelek: włóknisto – elastomerowej i spiralnej. Badania wykonano dla ciśnienia 40 bar. Należy kontynuować badania z użyciem innych typów uszczelek, wykonanych z innych materiałów i dla różnych ciśnień badawczych.

W laboratorium badawczym SPETECH^® posiadamy możliwości jesteśmy przygotowani do prowadzenia takich testów. Na bieżąco będziemy publikować ich wyniki.
Niniejszy artykuł krótko opisuje  potencjał badawczy naszej placówki w zakresie badania uszczelnień płaskich międzykołnierzowych. W kolejnej publikacji naukowej zamieścimy wyniki badań armatury z użyciem helu i metanu.