• English
  • Polski

Uszczelka - Nie tylko szczelność się liczy.

Podstawową funkcją spełnianą przez uszczelnienie płaskie jest oczywiście zapewnienie szczelności połączenia kołnierzowego. Kiedyś była to szczelność umowna, nieokreślona liczbowo, dziś możemy ją projektować na określonym poziomie przecieku / emisji. Jednak prócz  wymienionej funkcji, uszczelka powinna spełniać jeszcze inne wymagania: powinna charakteryzować się niskim pełzaniem i relaksacją oraz możliwie wysoką wytrzymałością na ściskanie. Ta ostatnia cecha zostanie ogólnie omówiona w tym artykule. Ze względu na możliwe błędy montażu czy wręcz ignorowanie wytycznych co do wielkości momentu dokręcenia i sposobu montażu, wytrzymałość uszczelnienia może w czasie ruchu być cechą kluczową w utrzymaniu szczelności połączenia. W przypadkach skrajnych, brak wiedzy na temat dopuszczalnych obciążeń uszczelki może prowadzić do jej gwałtownego wydmuchnięcia, a taka sytuacja może spowodować zagrożenie życia i zdrowia pracowników.

Laboratorium
Laboratorium Badań Materiałów Uszczelnieniowych (Laboratory of Sealing Materials) działa w strukturze firmy SPETECH już od 20 lat. Prowadzone są badania uszczelnień płaskich jak również dławnicowych zmierzające do wyznaczenia charakterystycznych cech mechanicznych i szczelnościowych uszczelek oraz wyznaczenia współczynników obliczeniowych umożliwiających przeliczenie połączeń kołnierzowych współcześnie stosowanymi algorytmami obliczeniowymi.
Laboratorium dysponuje stanowiskami umożliwiającymi prowadzenie badań zarówno według standardów europejskich jak i amerykańskich ASME. Stanowiska badawcze oparte o normę EN 13555:2014 - Kołnierze i ich połączenia - Parametry uszczelek i procedury badań dotyczące zasad projektowania połączeń kołnierzowych okrągłych z uszczelką stanowią część Najlepszej Dostępnej Techniki (BAT - Best Available Technique). BAT stanowi jedna z podstaw dyrektywy Unii Europejskiej – IPPC Integrated Pollution Prevention and Control.

Stanowisko badawcze
Badania uszczelek, prowadzone według metod opisanych w normie EN 13555, mające wyznaczyć charakterystyczne dla danej uszczelki płaskiej wielkości mechaniczne, prowadzone są w laboratorium na stanowisku zaprojektowanym, skonstruowanym i oprogramowanym w całości przez pracowników laboratorium i działu technicznego firmy SPETECH. Rys. 1 przedstawia ogólny widok stanowiska.
Sama maszyna badawcza to wyspecjalizowana prasa, na której możliwe do osiągnięcia obciążenie to 100 ton. W czasie badań, z dużą częstotliwością, z  mierzone są: siła działająca na uszczelkę, temperatura powierzchni przylgowych, przemieszczenia uszczelki. Pomiar siły realizowany jest za pomocą układów tensometrycznych naklejonych na kolumnach stanowiska. Przemieszczenia mierzy indukcyjny czujnik przemieszczenia umieszczony centralnie w osi układu. Natomiast temperatura mierzona jest za pomocą termopar umieszczonych bezpośrednio pod przylgami.

       

Rys. 1 Stanowisko badawcze wielkości mechanicznych wyznaczanych na podstawie zapisów normy EN 13555.

Rys. 2 Stanowisko podczas badania uszczelki w temperaturze 800oC.

Możliwe do osiągnięcia na stanowisku wielkości to:
- temperatura do 850oC
- nacisk kontaktowy na powierzchni uszczelki (dla przylg płaskich) do 400MPa
- czas badania ograniczony jedynie założonym planem badawczym (niejednokrotnie dochodzi do kilkunastu godzin)
Uszczelki, jakie można badać na stanowisku, są uszczelkami płaskimi niezależnie od materiałów, z których są wykonane. Zgodnie z zapisami normy EN 13555 wymiarowo zgodne są z rozmiarem DN40 PN40. Stanowisko posiada wymienne powierzchnie przylgowe – standardowo płaskie typu B – ale również typu C-D (występ-rowek) lub E-F (wpust-wypust).
Maszyna badawcza może pracować w trybach ręcznego ustawiania parametrów testu lub w trybie w pełni automatycznym, z wcześniej zaprogramowanym algorytmem. Możliwe jest też sterowanie stanowiskiem na odległość poprzez siec internet. Ma to niebagatelne znaczenie w momencie, kiedy badania trwają wiele dni, w tym dni wolne od pracy. Można, w razie potrzeby, ingerować w parametry badania. Ponieważ oprogramowanie w całości powstało w dziale technicznym firmy SPETECH nie ma tez problemu z jego modyfikacjami czy, czasem konieczną, bezpośrednią ingerencją w kod programu. Stanowisko jest więc bardzo elastyczne jeśli chodzi o możliwość zaprogramowania przebiegu badania.

Wytrzymałość dopuszczalna uszczelki Qsmax.
Dopuszczalna wytrzymałość uszczelki jest nadal mocno niedocenianym w praktyce parametrem. A przecież wpływa on znacząco na stan bezpieczeństwa wokół połączenia kołnierzowego. W ostatnich latach dużo mówiło się o własnościach szczelnościowych uszczelek (Qmin(L), Qsmin(L)) oraz wielkościach związanych z relaksacją i pełzaniem (PQR, ΔeGcI). Oczywiście są to wielkości niezwykle istotne, charakteryzujące pracę danego uszczelnienia, a w przypadku parametrów szczelnościowych nawet intuicyjnie odbierane jako te najważniejsze. Jednak w sytuacjach awaryjnych, przy znacznym wzroście temperatury, ciśnienia, zastosowaniu sprężyn talerzowych czy tulei dystansowych lub w przypadku zaistnienia drgań układu, wielkość dopuszczalna wytrzymałości uszczelki może być kluczowa.
Sprawę zdecydowanie pogarsza ewentualny nieprawidłowy montaż połączenia kołnierzowego. Z doświadczeń pracowników SPETECHu wynika, że, mimo niewątpliwego wzrostu technicznej kultury montażu, często nadal polega on na „dobijaniu” śrub za pomocą zwykłego klucza, przedłużki, głównie w formie rury nakładanej na klucz i młota. Informacje dotyczące właściwego dla połączenia momentu skręcającego są ignorowane. Skręcanie odbywa się na słuch – aż „śruba zapiszczy”. Konsekwencją jest to, że uszczelka może przyjąć ogromne naprężenia, które doprowadzą do zniszczenia jej struktury czy konstrukcji. Należy też zauważyć, że o ile deformacje śrub i/lub kołnierzy, czy to w obszarze sprężystym czy nawet plastycznym, mogą być widoczne lub w nieskomplikowany sposób mierzalne, o tyle to co się dzieje z uszczelką jest niewidoczne. Jest ona zamknięta między kołnierzami. Nie mamy więc żadnej „zewnętrznej” kontroli nad jest stanem.
Obecnie w procesie projektowania, czy przeliczania złącza kołnierzowego, zgodnie z wymaganiami dyrektywy 2014/738/UE – emisje przemysłowe, należy używać wspomnianej Najlepszej Dostępnej Techniki. Z algorytmów przeliczeniowych wpisuje się w to pojęcie norma EN 1591:2014-04 (wydanie polskie). W odróżnieniu od algorytmów takich jak WUDT, ASME wspomniana norma w swoim algorytmie bierze pod uwagę wielkość dopuszczalnej wytrzymałości na ściskanie – parametr Qsmax. Wpływa ona wyliczenie wartości, zazwyczaj w procesie iteracji, czynnej szerokości uszczelki, a co za tym idzie i jej czynnego pola powierzchni na jakie działa naprężenie - EN 1591-1:2014-04 wzory (65, 70, 75).
Kolejnym miejscem, w którym wielkość Qsmax ma zastosowanie to oczywiście sprawdzenie czy nie zostały przekroczone maksymalne naprężenia w uszczelce – wzór (128) ww normy.

Φ_G=F_G/(A_G×Q_smax )≤1

Gdzie FG to siła działająca na uszczelkę i AG to jej powierzchnia. Wartości ΦG są obliczane dla każdego stanu w jakim znajduje się połączenie kołnierzowe, włączając w to stan montażu oraz stan próby ciśnieniowej. Nadmienić jeszcze należy, że to na projektancie spoczywa obowiązek ustalenia, ze względu m.in. na zachowanie bezpieczeństwa pracy połączenia, w jakich stanach ruchu należy połączenie przeliczyć. Z powyższego wynika, że algorytm EN 1591-1 w każdym ze stanów pracy złącza kołnierzowego uwzględnia fakt, że naprężenie dopuszczalne na uszczelce nie może być przekroczone.
Użycie do obliczeń połączenia kołnierzowego standardu EN 1591-1 gwarantuje, że uszczelka będzie pracowała poprawnie w okresie między remontowym, utrzymując założona klasę szczelności. Oczywiście samo obliczenie momentu dokręcenia nie wystarczy, należy jeszcze dopilnować by sam montaż przeprowadzony był poprawnie, zgodnie ze sztuką montażu połączeń kołnierzowych i najlepiej przez wyszkolony personel pod nadzorem kadry inżynierskie. Odpowiednie szkolenia zarówno monterów jak i kadry nadzoru oparte są o normę EN 1591-4.
 

Wyniki badań i obserwacje.
Jak wspomniano wyżej Laboratorium Badań Materiałów Uszczelnieniowych wyznacza wielkości mechaniczne, w tym Qsmax, dla uszczelnień płaskich. Analizując wyniki badań można stwierdzić, że w zdecydowanej większości wypadków nie istnieje żadna wyraźna granica naprężenia, po przekroczeniu której uszczelnienie ulega zniszczeniu i przestaje pełnić swoją podstawowa uszczelniającą funkcję.  W związku z tym w normie EN 13555 pojawiła się procedura (pkt. 8.5 Determination of Qsmax Figure 2) określający sposób wyznaczania omawianej wielkości.

Rys. 3 Sposób określania Qsmax zgodnie z  EN 13555 - tłumaczenie polskie.

Jak można zauważyć na powyższym diagramie, aby potwierdzić, że zostały przekroczone dopuszczalne wartości naprężenia na uszczelce wykonuje się dodatkowo badanie wyznaczające wielkość PQR, czyli określa relaksację i pełzanie w danej temperaturze.
Samo badanie polega na symulowaniu pracy połączenia kołnierzowego, to znaczy, podaniu temperatury pracy (również temperatury otoczenia), utrzymaniu tej temperatury w czasie całego badania. Naprężenia podawane są cyklicznie z tym, że po okresie wzrostu naprężenia i jego utrzymaniu, następuje cykl jego obniżenia o 2/3 wartości.
Na Rys. 4 przedstawiono przebieg badania uszczelki z napełnianego ptfe. Możemy wyodrębnić trzy obszary, w których uszczelka różnie się zachowuje. W obszarze 1 wraz ze wzrostem temperatury i przyłożonego stałego niskiego naprężenia obserwujemy znaczny spadek grubości uszczelki. Jest to spowodowane głównie tym, że ten typ materiału uszczelnienia charakteryzuje się dużą relaksacja i pełzaniem. Obszar 2 to stabilizacja zmian grubości uszczelki. Pomimo narastania naprężeń zmiany grubości są dużo mniejsze niż w obszarze 1. I wreszcie obszar 3, najbardziej tu interesujący, w którym widzimy dość gwałtowną zmianę grubości uszczelki, świadczącą o tym, że zostały przekroczone naprężenia gwarantujące stabilną pracę uszczelki i założoną szczelność. Celowo nie użyłem określenia naprężenia dopuszczalne. Jak widać dalej na wykresie uszczelka nadal posiada zdolność pracy – jednak nie zapewnia już zakładanej klasy szczelności. Widać to dokładnie na wykresie Rys. 5.

Rys. 4 Przebieg badania wyznaczającego wartość Qsmax uszczelki z napełnianego ptfe.

 

Rys. 5 Wykres obciążeń uszczelki z napełnianego ptfe.

Rys. 5 przedstawia wykres powstały podczas badania szczelności. Widać na nim bardzo wyraźnie, że obciążanie uszczelki powyżej wartości 80 MPa tylko pogarsza jej własności szczelnościowe (zgadza się to z przebiegiem wykresu z Rys. 4). Oczywiście obciążając ją bardziej nadal zachowujemy niższe klasy szczelności, ale w praktyce okazuje się, że powyżej progu 80MPa uszczelka wykazuje już oznaki poważnej deformacji jak również jej struktura zaczyna pękać na obrzeżach zewnętrznych i wewnętrznych. Obrazuje to Rys. 6. Nadmienić należy, że badania szczelności prowadzone były w temperaturze otoczenia. Norma EN 13555 wprowadza algorytm badania szczelności w podwyższonych temperaturach. Należy spodziewać się, że opisane zjawisko, wraz ze wzrostem temperatury, będzie się nasilać.