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 Q_smax 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 Q_smax 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.