KONSULTING INŻYNIERSKI - WIEDZA TECHNICZNA I DOŚWIADCZENIE NARZĘDZIAMI SKUTECZNEGO OGRANICZENIA EMISJI PRZEMYSŁOWYCH
 

dr inż. Radosław Sieczkowski, Kierownik Działu Technicznego SPETECH^®

Usunięcie wycieków i zapewnienie szczelności urządzeń ciśnieniowych to nie tylko sposób na podniesienie bezpieczeństwa pracy, ale i prosta droga do ograniczenia przemysłowych emisji niezorganizowanych. Ale co w sytuacji, gdy prób ograniczenia nieszczelności było już kilka, problemy nadal nie ustają, a urządzenie ma krytyczne znaczenie w procesie technologicznym? Zespół Konsultingu Inżynierskiego SPETECH^® skutecznie rozwiązał taki problem w zakładzie OMV Nowa Zelandia.

Płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła są typem aparatów ciśnieniowych powszechnie stosowanych w przemyśle chemicznym i petrochemicznym. Ich niezawodne uszczelnienie może stanowić spore wyzwanie techniczne. Wiąże się to zarówno z wysokimi parametrami roboczymi, jak  i często występującymi cyklami zmian ciśnienia i temperatury. Użytkownicy tego typu urządzeń oczekują ich długotrwałej i bezawaryjnej eksploatacji przy jednoczesnym zachowaniu bezpiecznego poziomu emisji substancji niebezpiecznych. 

Tematem przedmiotowego opracowania jest wymiennik ciepła typu „reboiler” pracujący na terenie zakładów OMV położonych nad Morzem Tasmana w Oceanii. Oddział OMV New Plymouth w Nowej Zelandii od dłuższego czasu borykał się z powtarzającymi się po odstawieniu i ponownym rozruchu instalacji wyciekami na połączeniu dna sitowego, w którym zainstalowane były dwie uszczelki wielokrawędziowe (rys. 1). Najważniejsze parametry pracy omawianego wymiennika ciepła zestawiono w poniższej tabeli.

Diagnoza problemu i przedmiot ekspertyzy technicznej

Po kilku nieudanych próbach poradzenia sobie z problemem siłami własnych służb utrzymania ruchu, użytkownik wymiennika zdecydował się na zamówienie zewnętrznej ekspertyzy mającej na celu zdiagnozowanie przyczyn wycieków i wytypowanie możliwych rozwiązań problemu. 

Wykorzystując swoją wiedzę i doświadczenie zespół inżynierów SPETECH^® ustalił, że problemy wynikały z zastosowanych uszczelek wielokrawędziowych o zbyt małym powrocie elastycznym. Oznacza to, że uszczelki te nie były w stanie pracować w zbyt dużym zakresie odkształceń wynikających z rozszerzalności cieplnej połączenia, wydłużenia śrub dwustronnych, czy wyginania się kołnierzy. 

Rys. 1 Rozpatrywany wymiennik typy „reboiler” z zaznaczonym miejscami wycieków na  połączeniu dna sitowego

W przypadku rozpatrywanego tutaj wymiennika zastosowane na połączeniu śruby dwustronne miały relatywnie mały przekrój w stosunku do długości rozciąganej, co powodowało ich znaczne wydłużenie podczas pracy. Optymalnie dobrana uszczelka powinna nadążać za tymi przemieszczeniami dzięki wysokiemu powrotowi elastycznemu, tymczasem wstępna analiza wykazała, że uszczelka zastosowana na instalacji OMV nie posiadała takich własności.

Pierwszy etap prac konsultingu inżynierskiego

Pierwszą fazą wykonywanej ekspertyzy było wykonanie obliczeń połączenia z istniejącą uszczelką wielokrawędziową wykorzystując algorytm EN1591-1:2013 oraz oprogramowanie inżynierskie EUROPARTNER^®. Na postawie wykonanych obliczeń w różnych stanach pracy wymiennika oszacowano, że maksymalne możliwe odkształcenie osiowe, mierzone na śrubach dwustronnych wynosi 0,26 mm. Taka wartość jest bardzo trudna do skompensowania przez standardowe uszczelki, czyli takie jak zastosowane w omawianym przypadku uszczelki wielokrawędziowe. 

W kolejnym kroku prac konsultingowych zaproponowano dwa alternatywne rozwiązania, mające zapewnić kompensację występujących przemieszczeń, jednocześnie zapewniając najwyższy dostępny poziom niezawodności połączenia:
- uszczelnienia membranowe typu SPETORING^®R-M2 spawane do połączenia (ang. weld ring gasket)
- uszczelnienia z nośnikiem stalowym typu SPETOGRAF^®GUS660 wyposażone w nakładki grafitowe (ang. carrier ring gasket)

Rys. 2 Uszczelki typu R-M2 (strona lewa) oraz GUS^® 660 (strona prawa) w połączeniu dna sitowego z zaznaczoną niezbędną długością zabudowy

Oba powyższe rozwiązania zostały przedstawione użytkownikowi z zaprezentowaniem korzyści i wymogów zastosowania każdego z nich.

W przypadku uszczelek membranowych R-M2 główne korzyści to niezawodność oraz szczelność połączenia, niemożliwa do uzyskania przez inne typy rozwiązań. Wyzwaniem byłby natomiast montaż wymagający wykonania w sumie 6 spoin spawalniczych oraz konieczność wydłużenia śrub dwustronnych (jedna uszczelka ma standardowo 30 mm grubości). Z tych właśnie powodów klient odrzucił zaproponowany wariant rozwiązania obawiając się wysokich kosztów oraz znacznych nakładów czasowych podczas remontu.

Z kolei zastosowanie uszczelek z nośnikiem stalowym typu GUS660 nie wymagało wydłużenia śrub, a sam montaż mógł być zrealizowany według standardowych procedur. Jednocześnie rozwiązanie to zapewniało bardzo dużą odporność na zmienne warunki pracy, w tym obciążenia zewnętrzne i szoki termiczne. Wysokie oczekiwania klienta co do niezawodności rozwiązania wymagały dalszych prac projektowych i optymalizacyjnych. W związku z powyższym uszczelki SPETOGRAF^®GUS660 po ich wstępnej akceptacji zostały poddane dalszym pracom analitycznym i procedurom weryfikacyjnym.

Drugi etap prac konsultingu inżynierskiego 

W wyniku podjętych decyzji przeprowadzono optymalizację materiałowych i geometrycznych cech konstrukcyjnych uszczelek SPETOGRAF^® GUS660. Uszczelki te składają się z metalowego rdzenia oraz nakładek grafitowych. Na nakładki wybrano grafit o podwyższonej szczelności – SPETOGRAF^®GUS40 PRO - o grubości 3mm, co łącznie dla dwóch uszczelek w jednym połączeniu stanowiło aż 12 mm miękkiego materiału wypełniającego. Taka grubość z powodzeniem kompensowała oszacowane przemieszczenia. SPETOGRAF^®GUS40 PRO w każdym rozpatrywaniem stanie pracy zapewnia bardzo wysoką szczelność, na poziomie nie niższym niż 10-2 mg/(s*m). Jako materiał rdzenia o grubości 6mm wytypowano stal austenityczną AISI 316L oraz alternatywnie wysoko wytrzymały stop niklu Alloy 625. Wybór optymalnego materiału rdzenia był determinowany wymaganym poziomem wytrzymałości mechanicznej. 

Rys. 3 Schemat wymiennika z zaznaczonymi naprężeniami zewnętrznymi rozpatrywanymi w trakcie drugiego etapu prac konsultingowych

Następnie przy użyciu metody elementów skończonych (MES) dokonano analizy najbardziej obciążonego przekroju uszczelki pokazanego na rys. 4.

Rys. 4 Przekrój krytyczny uszczelki GUS660 zaznaczono czerwonymi liniami

W wyniku przeprowadzonej analizy naprężenia maksymalne w przekroju krytycznym oszacowano na ponad 230 MPa. Taka wartość okazała się przekraczać umowną granicę plastyczności (Rp0,2) dla stali AISI 316L. W związku z tym ostatecznie zarekomendowano stop Alloy 625 o znacznie wyższej wytrzymałości mechanicznej w porównaniu do AISI 316L.

Rys. 5 Rozkład naprężeń w rdzeniu uszczelki GUS660 wyznaczony dla różnych stanów jej pracy – jeden z elementów analizy technicznej realizowany metodą elementów skończonych (MES)

Tym samym zakończony został etap prac konsultingowych w zakresie doboru optymalnego rozwiązania. Opracowany raport końcowy zawierał pełną dokumentację projektową wraz z kompletnymi obliczeniami analitycznymi i analizą MES. Zawarto w nim również istotne dla niezawodności pracy połączenia wytyczne co do przygotowania powierzchni kontaktowych, sposobu montażu uszczelnień, zalecenia eksploatacji połączenia łącznie z rekomendacją niezbędnych szkoleń personelu obsługującego instalację.

Dostawa uszczelnień i osiągnięcie efektu ograniczenia emisji

Zakres usług konsultingowych zleconych firmie SPETECH^® ostatecznie został rozszerzony o wyprodukowanie i dostawę rekomendowanych uszczelnień wraz z kompletem wymaganych obliczeń, zawierających momenty dokręcenia śrub oraz dokumenty kontroli jakościowej. Przedstawiciel SPETECH^® został zaangażowany również na etapie nadzoru prac montażowych oraz przy przeprowadzenia rozruchu  końcowego. Uszczelki zostały zamontowane, a następnie wymiennik został uruchomiony. Instalacja pracuje bezawaryjnie od ponad trzech lat – co można jednoznacznie zakwalifikować jako skuteczne rozwiązanie techniczne problemu połączone z ograniczeniem emisji niezorganizowanych do atmosfery.

Rys. 6 Uszczelki specjalne SPETOGRAF^® GUS660 - optymalne rozwiązanie dla prezentowanego studium przypadku

Dzięki zbudowanemu przez ponad 35 lat zapleczu technicznemu i produkcyjnemu SPETECH^® jest jedyną polską firmą z branży uszczelnień przemysłowych, która oferuje wieloaspektowe doradztwo techniczne. W ostatnim czasie stawiamy szczególnie na rozwój inżynierii i konsultingu, które nabierają coraz większego znaczenia w kontekście ograniczenia emisji.

Dzięki naszemu doświadczeniu możemy proponować naszym klientom najlepsze rozwiązania w zakresie doboru, obliczeń, dostaw i nadzoru montażowego uszczelnień, a nasze produkty i usługi dostarczamy już do ponad 100krajów świata.