Jan Kasprzyk, Dyrektor Techniczny i Prezes Zarządu SPETECH^®

dr inż Radosław Sieczkowski, Kierownik Działu Technicznego

Rozwój techniczny urządzeń ciśnieniowych związany jest z podnoszeniem temperatury pracy, zwiększaniem wymiarów średnicowych oraz z coraz wyższymi ciśnieniami. Jednocześnie użytkownicy oczekują coraz wyższej niezawodności i bezpieczeństwa eksploatacji tych urządzeń. Obserwowaną tendencją jest także wydłużanie okresów między rewizjami i okresów między remontowych. Koresponduje to z oczywistym dążeniem do obniżenia kosztów eksploatacji, a także podniesienia produktywności poprzez wzrost dyspozycyjności instalacji.
Równoczesne spełnienie wyżej wymienionych oczekiwań stawia przed wytwórcami i operatorami urządzeń wyzwania związane z ulepszeniem metod projektowania, stosowania lepszych materiałów, upowszechnienia metod  diagnostycznych, czy lepszych technologii produkcji i eksploatacji. Towarzyszy temu także rachunek  ekonomiczny nakazujący eliminować w pierwszej kolejności zagrożenia najbardziej wpływające na ciągłość produkcji i bezpieczeństwo, a równocześnie dające się minimalizować możliwie niskimi nakładami. Oczywistym jest, że o ile identyfikacja tych zagrożeń jest trudna, wymaga bowiem zaangażowania  zaawansowanych metod, to koszty ich minimalizacji pozwalają się najczęściej określać z dużą dokładnością.
W przypadku instalacji procesowych jednym z najwyższych kosztów i zagrożeń są rozszczelnienia powstające na skutek zarówno pęknięć  spoin spawalniczych, jak i rozszczelnień rozłącznych połączeń kołnierzowo-śrubowych. Obecnie połączenia kołnierzowe instalacji procesowych można aranżować jako niezwykle niezawodne dzięki współczesnym metodom obliczeń (EN 1591-1, MES) oraz materiałom uszczelniającym. Wyzwaniem w dalszym ciągu pozostają połączenia kołnierzowe znacznych średnic, na wysokie temperatury, czy na wysokie ciśnienia.

Co stanowi przedmiot wyzwania?

Przy dużych średnicach i podniesionych temperaturach często rozkład temperatury zarówno w czasie, jak i w przestrzeni połączenia kołnierzowo-śrubowego może  być  radykalnie niejednorodny. Mają na niego wpływ warunki izolacji termicznej aparatu, przestrzeń w której jest umiejscowiony (w tym np. dodatkowe źródła ciepła w pobliżu),  pozycja pionowa czy pozioma połączenia, a w przypadku  umiejscowienia na wolnym powietrzu temperatura powietrza, wiatr, opady, oraz sąsiedztwo innych  urządzeń.

Rys 1. Nierównomierny rozkład trmperatury na obwodzie  połączenia kołnierzowego poziomego wymiennika ciepła (przykład)

Różnice temperatur w pojedynczym połączeniu kołnierzowym aparatu wynikają także z ich rozkładu wewnątrz samego aparatu. Temperatura będzie przykładowo inna w pobliżu króćca wlotowego w porównaniu do króćca wylotowego medium grzewczego w wymienniku ciepła.

Analizując wynikające stąd rozszerzalności cieplne poszczególnych elementów  połączenia kołnierzowo-śrubowego, a w następstwie tego pojawiające się naprężenia i odkształcenia cieplne odsłaniamy całą złożoność pracy połączenia. Składa się na nią stan obciążenia-odkształcenia śrub, deformacja kołnierzy, obciążenia i odkształcenia uszczelki. W przypadku uszczelki zawsze należy  uwzględnić zarówno jej sprężysty, jak i  plastyczny charakter odkształceń.

W rezultacie powstaje obraz naprężeń, z którego dla osób zajmujących się techniką uszczelnień najbardziej interesujące są naciski kontaktowe na uszczelkę na całej jej powierzchni, przemieszczenia poprzeczne między kołnierzami oraz trwałe odkształcenie uszczelki. Dla konstruktorów ważne są oczywiście naprężenia w śrubach i kołnierzach.

Sprawa komplikuje się w sytuacji stanów nieustalonych, gdy należy uwzględnić gradienty i różnice temperatur wynikające z dynamiki uruchamiania lub zatrzymania instalacji. Zarówno  szczegółowe analizy, jak i doświadczenia eksploatacyjne pokazują, że właśnie wówczas zarówno naprężenia, odkształcenia, jak i przemieszczenia pomiędzy elementami układu mogą osiągnąć poziomy krytyczne.

W przypadku połączeń wykorzystujących uszczelki płaskie w tradycyjnym procesie projektowania projektant koncentruje się na minimalnych i dopuszczalnych naciskach kontaktowych oddziaływujących na uszczelkę. W bardzo nielicznych wypadkach analizuje wielkość wygięcia kątowego kryz kołnierza i wpływ tego wygięcia na lokalne spiętrzenie naprężeń na zewnętrznym obwodzie uszczelki.

Autorzy niniejszego artykułu nie spotkali  się natomiast z analizą prowadzoną na etapie projektowania, a dotyczącą wzajemnego przemieszczenia kołnierzy wynikającego z odmiennych rozszerzalności termicznych kołnierzy, czy też z odkształceń wynikających z oddziaływania ciśnienia.

Uszczelki płaskie są wprawdzie badane (od 2014 roku wg EN 13555) pod kątem odporności na obciążenia  równoległe do przylgi (wyznaczany jest  tzw. współczynnik tarcia uszczelki), natomiast nie ma  kodyfikowanych zasad opisu zachowania uszczelek poddanych wymuszonemu przemieszczeniu stykających się z nimi kołnierzy. Obrazowo mówiąc, przemieszczające się po uszczelce, dociśnięte dużymi naciskami kołnierze, powodują efekt „rozcierania” uszczelki na przylgach. Towarzyszy temu powstawanie obwodowych  pęknięć prostopadłych do powierzchni uszczelki, zmiana  jej szerokości i w konsekwencji grubości. Tego rodzaju procesy nasilają się po kilkukrotnym  rozruchu i wybiegu, czego ostatecznym następstwem jest rozszczelnienie połączenia kołnierzowego.

Obserwacje eksploatacyjne pokazują, że najlepiej spośród uszczelek płaskich z sytuacją opisaną  wyżej „radzą” sobie uszczelki wielokrawędziowe. Uszczelki spiralne i miękkomateriałowe są na opisane obciążenia dużo mniej odporne. Niestety także uszczelki wielokrawędziowe nie w każdym urządzeniu zapewniają  oczekiwaną przez użytkownika niezawodność. 

Rys 2. Uszczelka spiralna zniszczona na skutek dużych różnic w ekspansji termicznej współpracujących kołnierzy 

Rozwiązanie problemu rozszczelnienia głównego połączenia kołnierzowego poziomego przegrzewacza pary w zakładzie azotowym

Problem dotyczył połączenia o średnicy wewnętrznej rzędu 2600 mm, pracującego pod ciśnieniem 3,8 MPa przy temperaturze 450°C.

Jak wspomniano wcześniej,  jest to wymiennik poziomy , stojący na wolnym powietrzu i historycznie stwarzający problemy właśnie w obszarze głównego połączenia kołnierzowego pomimo, że już w wykonaniu fabrycznym był on dostosowany i wyposażony w prostą uszczelkę membranową spawaną.

Analiza  naprężeń  dokonana  została  zarówno analitycznie wg EN1591-1 jak i metodą MES. Dysponowano kompletnymi danymi o materiałach i geometrii oraz niekompletnymi danymi pochodzącymi z pomiaru temperatury wymiennika. 

Wymiennik był wyposażony w kołnierze dostosowane do uszczelek  spawanych, oryginalnie był wyposażony w uszczelkę typu RM-2, która jednak  nie spełniała oczekiwań niezawodności. W związku z powyższym dokonano optymalizacji.
W związku z tym wykonano obliczenia naprężeń w profilu RM-4 metodą MES, a następnie  zoptymalizowano grubość części toroidalnej, obniżając maksymalny poziom naprężeń zredukowanych do ok. 35 MPa dla różnicy temperatur śruby - kołnierze 50°C. 

Rys. 3. Różnica postaci konstrukcyjnej  RM-2 (z lewej) i RM-4 (z prawej)

Oczywiście każdy model, także ten wykorzystywany w MES, jest pewnym uproszczeniem w stosunku do rzeczywistego obiektu, uwzględniającym czynniki uważane za najbardziej istotne.

W wyżej opisanym przypadku nie uwzględniono przykładowo kształtu, niedokładności wykonania, zmian wytrzymałościowych w obrębie  spoiny spawalniczej, zmiennej obwodowo i promieniowo temperatury na kołnierzu i oczywiście  stanów nieustalonych. Czynniki te mogą wpływać na lokalne spiętrzenie naprężeń i w rezultacie utratę spójności. Obserwowane pęknięcia uszczelniającej spoiny spawalniczej mogły mieć swe źródło właśnie w takich spiętrzeniach. Inną przyczyną, którą w tej chwili trudno zweryfikować, mógł być także problem spawalniczy wynikający zarówno z trudności wykonania stosunkowo delikatnej spoiny z trudnym dostępem do miejsca spajania, poprzez głęboką na 90 mm szczelinę pomiędzy kołnierzami.

Na skutek  zużycia  wymiennika dokonano jego wymiany na nowe urządzenie. Wykorzystując wyżej opisane doświadczenia nowy wymiennik od początku został wyposażony w uszczelkę spawaną typu RM-4 o zoptymalizowanej konstrukcji. Dodatkowo 32 śruby M80 na połączeniu zastąpiono 104 śrubami M42, co skróciło szczelinę między kołnierzami o około 20 mm, ułatwiając spawanie spoiny uszczelniającej łączącej połówki uszczelnienia. Uszczelkę spawaną wykonano z tego samego materiału co kołnierze, aby nie wprowadzać naprężeń w spoiny mocujące połówki uszczelnienia do kołnierzy.

Na chwilę obecną, po półrocznej  eksploatacji, podgrzewacz nie wykazuje problemów na tym  połączeniu.