Jan Kasprzyk, Prezes Zarządu i Dyrektor Techniczny SPETECH^®
dr inż. Radosław Sieczkowski, Kierownik Działu Technicznego SPETECH^®
 

Stosowane dziś powszechnie uszczelki metalowe typu RTJ (Ring Type Joint) zostały opatentowane i wprowadzone do zastosowań przemysłowych już w połowie ubiegłego stulecia. Ich wynalazcą i autorem zgłoszenia patentowego był Arnold Beckman – amerykański naukowiec, wynalazca i filantrop znany z wielu innych rozwiązań spotykanych do dnia dzisiejszego w przemyśle i technice. Właśnie koncepcja uszczelnienia pierścieniowego typu RTJ została wykorzystana przy krytycznych połączeniach sekcji podwodnego odcinka gazociągu Baltic Pipe realizowanego w 2022 roku.

W początkowym okresie stosowania uszczelnienia typu RTJ przeznaczone były dla przemysłu związanego z wydobyciem i przeróbką ropy naftowej oraz dla petrochemii. Ze względu na wysokie ciśnienia i temperatury oraz z uwagi na zagrożenia wynikające z uwolnienia niebezpiecznego medium uszczelnienia stosowane w tych branżach  muszą charakteryzować się bardzo wysoką wytrzymałością mechaniczną, odpornością temperaturową i niezawodnością. Wyjątkowe własności pierścieni typu RTJ spotkały się z uznaniem i dalszą popularyzacją przez amerykańskie branżowe zrzeszenie producentów ropy naftowej API (American Petroleum Institute). Wraz  z upowszechnieniem się stopów niklu, większą dostępnością tytanu i innych stopów specjalnych uszczelki RTJ  rozpowszechniły się także w przemyśle gazowniczym i chemicznym.

Opisywany przypadek zastosowania specjalnego uszczelnienia typu RTJ SRX dotyczy budowy gazociągu Baltic Pipe realizowanego w latach 2019-2022. Co wymaga szczególnego podkreślenia - końcowy etap budowy gazociągu przypadł w czasie trwania najgłębszego kryzysu energetycznego wywołanego przez Rosję. Oddanie do użytkowania instalacji Baltic Pipe nabrało dodatkowego znaczenia w obliczu konieczności zapewnienia dostaw gazu na zimę 2022/23 dla odbiorców z Polski i regionu. 

Rys. 1 Przebieg trasy gazociągu Baltic Pipe. Uszczelnienia SRX R105 zamontowano na odcinku podwodnym nr 4 inwestycji.

Początkiem lipca 2022 otrzymaliśmy zadanie uszczelnienia szesnastu połączeń kołnierzowo śrubowych za pomocą pierścieni RTJ „SRX 105” o dużej (ponad 1000 mm) średnicy, adekwatnej do średnicy 900 mm rurociągu. Dodatkowo oczekiwano najszybszego z możliwych  terminów dostawy. Przypadek tu opisywany dotyczy zamówienia na pierścienie SRX 105 z materiału Alloy 625.

Rys. 2 Uszczelnienie Spetoring^® RTJ typu oktagonalnego

Problemy wykonawcze przy realizacji projektu

Problem pierwszy w tym, że pierścienia „SRX 105” dla którego zostały przygotowane rowki kołnierzy, nie ma w normach. Owszem, rowek o takim numerze istnieje i jest przeznaczony dla RTJ typu R (podstawowy typ, do zastosowań do class 2500-ASME 16.5, sporadycznie do class 5000-API 6B), ale nie wystarcza to do sporządzenia dokumentacji wykonawczej uszczelki typu SRX. W tej sytuacji zaprojektowano pierścień o  średnicy podziałowej odpowiadającej pierścieniowi R 105, natomiast pozostałe cechy geometryczne dobrano zachowując pożądany powrót elastyczny i podatność promieniową uszczelki.

Problem drugi to trudności obróbkowe stopu 625, który jest traktowany jako trudnoobrabialny. Szczególne trudności  występują przy próbie wiercenia małych, relatywnie długich (w odniesieniu do średnicy) otworów. Ich wykonanie było konieczne z uwagi na podwodny charakter aplikacji uszczelnień - otwory zapewnią połączenie przestrzeni martwych kołnierza (pomiędzy dnem kołnierza i szczytem uszczelki) z przelotem rurociągu. Zapobiega to ściskaniu zamkniętej w tych przestrzeniach wody kosztem nacisków kontaktowych pomiędzy przylgą i uszczelką. 

Rys. 3 Projekt uszczelnienia Spetoring^® SRX R105 z charakterystycznymi dla aplikacji podwodnej otworami zapobiegającymi powstawaniu ‘przestrzeni martwej’ między uszczelką a dnem powierzchni przylgowej kołnierza

Trzecie wyzwanie dotyczyło pozyskania w dobrym czasie odkuwek  z materiału Alloy 625, z kompletem badań nieniszczących, z dokumentem dostawy 3.2 wg EN 10204, w czasie  akceptowalnym dla zamawiającego, który z kolei był pod mocną presją terminową wynikającą z politycznej i gospodarczej wagi terminowego oddania do użytku Baltic Pipe.
Warto zaznaczyć, że realizacja projektu zbiegła się z kryzysem na rynku niklu, który spowodował zawieszenie transakcji tego metalu na London Metal Exchange początkiem marca 2022 roku.
Dodatkowym warunkiem dla stosowanego materiału bazowego była twardość uszczelki, która zwyczajowo, bo  w normach materiał Alloy 625 nie występuje, nie powinna być wyższa od  twardości przylgi. 

Czym właściwie są uszczelki typu RTJ i z czego wynikają ich specjalne własności ?

Uszczelki RTJ wykonane są poprzez toczenie pierścieni z pełnego metalu do określonej geometrii przekroju i wymiaru średnicowego. Uszczelki te są przeznaczone do zastosowań wysokociśnieniowych i/lub wysokich temperatur. Wymagają zastosowania specjalnych kołnierzy (zwyczajowo nazywanych kołnierzami API), które posiadają gniazda o przekroju trapezowym. Zainstalowana w takim gnieździe uszczelka RTJ opiera się o ścianki o pochyleniu 23° i tworzy w każdym gnieździe dwie powierzchnie styku - dwie linie uszczelniania. Dzięki  geometrii gniazda siła poosiowa pochodząca od śrub przekłada się na naciski kontaktowe z krotnością x 2,5.

Rys.  4 Przekrój przez uszczelkę Spetoring^® RTJ typu oktagonalnego – widok w ‘kołnierzu API’

Mamy zatem stosunkowo niewielkie powierzchnie styku (w przypadku RTJ  owalnego jest to styk Herza) i bardzo wysokie naciski kontaktowe. W trakcie montażu pierścienia RTJ dochodzi do plastycznego odkształcenia strefy kontaktu uszczelki ze ściankami gniazda. W rezultacie  następuje głębokie odkształcenie powierzchni stykowej uszczelki oraz jej utwardzenie przez zgniot. Skutkiem tego zjawiska jest znakomita szczelność połączenia z uszczelką RTJ. Natomiast w żadnym wypadku nie należy stosować takiej uszczelki powtórnie.
Badania potwierdzają dużą zależność szczelności uszczelnienia od technologii wykonania oraz od jakości powierzchni zarówno przylg, jak i samej uszczelki. Dane literaturowe określają powtarzalnie tą szczelność na poziomie lepszym niż 10-4 mbar*l/( m*s). W laboratorium badawczym SPETECH^® dla uszczelek typu RTJ zarówno owalnych, jak i oktagonalnych zbadana szczelność wynosi 10-7 mbar*l/( m*s) (materiał A182 F5, ciśnienie 40 bar, medium Hel).

Praktyką inżynierską jest, aby uszczelka była bardziej miękka, niż kołnierz, a efekt ten można otrzymać bądź na drodze doboru materiałowego pary „kołnierz + uszczelka”, bądź poprzez obróbkę cieplną (zmiękczającą) uszczelki w przypadku tego samego materiału kołnierza i uszczelki. W przypadku wyboru pomiędzy formą oktagonalną a owalną zasadą jest uzyskanie, po uformowaniu, szerokości styku większej niż 2-3 mm. Przy mniejszych szerokościach  połączenie jest bardzo wrażliwe na uszkodzenia powierzchni.

Cechą charakteryzującą uszczelkę RTJ jest także to, że jest absolutnie odporna na wydmuchanie (tzw. „blow-out resistance”). Nie są znane przypadki wydmuchania tego typu uszczelki (nawet w sytuacji jej pęknięcia) i - co również istotne - własność ta nie zmienia się wraz z rosnącą średnicą połączenia. Uszczelka  RTJ nie posiada natomiast, w przeciwieństwie do uszczelki soczewkowej, możliwości kompensowania nieosiowości łączonych kołnierzy. Jest samocentrująca i podobnie jak uszczelka soczewkowa - wymaga wysokiej gładkości powierzchni kontaktu.

Rys. 5 Uszczelnienia Spetoring^® SRX R105 w trakcie finalnego etapu produkcji w fabryce Spetech^®

Skonstruowane na potrzeby opisywanego powyżej projektu Baltic Pipe uszczelki specjalne „SRX 105” firma SPETECH^® dostarczyła w zadanym terminie i w wymaganej jakości. Problemy, które pojawiły się w czasie realizacji projektu (zaopatrzeniowe, terminowe oraz jakościowe dotyczące stopów specjalnych) udało się rozwiązać dzięki ścisłej współpracy i zrozumieniu na linii  dostawca półproduktu - producent uszczelek – zamawiający. Otwarcie gazociągu Baltic Pipe nastąpiło zgodnie z planowanym terminem.