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.

Rys. 6 Uszczelka z napełnianego ptfe po badaniu

Kolejnym przykładem „nietypowej wytrzymałości” uszczelki jest charakterystyka szczelnościowa uszczelki falistej z nakładkami z ptfe – Rys. 6.

Rys. 9 Przebieg badania Q_smax uszczelki włóknisto elastomerowej.

Uszczelka ta w testach wyznaczających wielkość Q_smax wykazywała dość wysoką wytrzymałość na obciążenia, jednak z wykresu szczelności jasno widać, że obciążanie jej powyżej 60 MPa nie ma najmniejszego sensu. Powyżej tego progu szczelność pozostaje na tym samym, wysokim(!) poziomie. Nie jest to przykład, na podstawie analizy którego wyznaczono Q_smax na poziomie właśnie 60 MPa – uszczelka wytrzyma więcej. Jest to przykład, że w procesie projektowania nowego złącza z taka uszczelką można się pokusić o jego optymalizację materiałową. Zarówno kołnierze jak i śruby można dobrać z materiałów mniej wytrzymałych lub po prostu pocienić te elementy.

Uszczelka włóknisto elastomerowa (Rys. 7) została obciążona naprężeniem 200 MPa. W czasie badania grubość uszczelki spadała dość łagodnie wraz ze wzrostem przykładanych naprężęń. Nie stwierdzono gwałtownych zmian grubości.

Rys. 7 Uszczelka włóknisto elastomerowa po badaniu.

Inny przykład przekroczenia naprężeń dopuszczalnych ponownie na uszczelce włóknisto elastomerowej jest widoczny na Rys. 8.

Rys. 8 Uszczelka włóknisto elastomerowa po badaniu.

W tym wypadku pęknięcia promieniowe są już bardzo widoczne. Zewnętrzna średnica uszczelki „wyszła” poza przylgę, co akurat pozwala stwierdzić wzrokowo, że materiał uległ zniszczeniu. Jednak trzeba zdawać sobie sprawę, że naprężenia dopuszczalne już zostały przekroczone! Proszę zwrócić uwagę (Rys. 9), że naprężenia te miały wartość jedynie 50 MPa, a charakter zmian grubości uszczelki miał stały i łagodny przebieg. Temperatura badania to 200oC. Jeśli chodzi o montaż, to niekontrolowane uzyskanie takich naprężeń jest w większości wypadków bez problemu wykonalne. Stąd istnieje możliwość ich przekroczenia przy niekontrolowanym montażu.

Rys. 9 Przebieg badania Q_smax uszczelki włóknisto elastomerowej.

Przykład uszczelki wykonanej z płyty zbrojonego grafitu. Rys. 10 i 11 pokazują bardzo niebezpieczną sytuację. Pewne rodzaje uszczelek, wykonanych z mocno zanieczyszczonych grafitów, w czasie badania nie wykazują objawów gwałtownego zniszczenia mimo znacznych przyłożonych obciążeń. Jednak ze względu na bardzo szybkie utlenianie się grafitu w wysokich temperaturach następuje utrata jego masy. W wyniku „znikania” grafitu obciążeniu poddawane jest właściwie już samo zbrojenie, czyli część metalowa (blacha, siatka). Tego zjawiska nie widać na ruchu po uszczelka zamknięta jest między kołnierzami. Traci jednak ona jakąkolwiek zdolność do utrzymania szczelności.

Rys. 10 Uszczelka z zanieczyszczonego grafitu po badaniu.

Rys. 11 Przebieg badania Q_smax uszczelki z zanieczyszczonego grafitu.

Zjawiska deformacji więc i utraty zdolności do prawidłowej pracy nie omijają też uszczelek metalowych. Na Rys. 12 pokazana jest uszczelka spiralna bez pierścienia wewnętrznego, która, pod wpływem naprężeń, tu 200 MPa i w temperaturze jedynie 100^oC. Spirala całkowicie zapadła się do środka uszczelki tym samym otwierając drogę do przecieku. I ponownie zjawisko to nie jest widoczne w czasie eksploatacji.

Rys. 12 Uszczelka spiralna po badaniach Q_smax.

WNIOSKI

Z powyższych rozważań wynika jasno, że wielkość dopuszczalnych naprężeń na uszczelce to nie tylko wartość takich naprężeń, które spowodują zniszczenie materiału czy konstrukcji uszczelki, ale również takie wartości, które prowadzą do gwałtownego spadku założonej szczelności połączenia kołnierzowego. W wyniku deformacji uszczelnienia może dochodzić do wniknięcia jego części w obszar przepływu medium co spowoduje utratę materiału uszczelki, rozwarstwienie jej struktury i nasilenie penetracji medium i oddziaływania ciśnienia na jej wnętrze. Spowoduje to wzrost sił działających na uszczelnienie i w skrajnym wypadku do wydmuchnięcia uszczelki.

 Podczas doboru uszczelki należy zwracać uwagę nie tylko, jak dotychczas, na jej odporność chemiczną, temperaturową i ciśnieniową, ale również na jej zdolność do przenoszenia wysokich naprężeń kontaktowych. W szczególności pożądana jest wysoka wytrzymałość w szerokim zakresie temperatur w jakich uszczelnienie ma pracować. Należy też wziąć pod uwagę fakt, że w przypadkach niektórych aplikacji wymagana jest ognioodporność czy ogniotrwałość.

 Dobierając uszczelkę trzeba zwrócić uwagę nie tylko na wartości liczbowe parametrów Qsmax, ale również na charakter pracy uszczelki pod wysokimi naprężeniami, na jej zachowanie związane z możliwością zachowania założonych szczelności pod obciążeniami granicznymi i w podwyższonych temperaturach. Należy też mieć świadomość, że uszczelka ściśnięta pomiędzy powierzchniami przylgowymi kołnierzy nie daje „na zewnątrz” żadnych objawów faktu, że nie nadaje się ona do dalszej pracy. Trzeba więc przewidzieć opisane sytuacje wcześniej, na etapie projektowania i doboru uszczelki. Materiałami, które będą pomocne w doborze uszczelnienia dysponują jego producenci.

Elementem, na który trzeba zwrócić szczególną uwagę jest montaż połączenia kołnierzowego w tym uszczelki. Winien być on prowadzony przez kwalifikowany personel pod nadzorem odpowiednich służb. Nie należy dopuszczać do montażu za pomocą klucza, przedłużki i młota. W takim wypadku nie ma absolutnie żadnej kontroli nad przykładanymi na uszczelkę naprężeniami!

Patrząc na różnorakie zachowania się uszczelek podczas badań można z pewnością powiedzieć, że „Nie tylko szczelność się liczy”.

LITERATURA

[1] PN-EN 13555:2014-08 - wersja angielska Kołnierze i ich połączenia -- Parametry uszczelek i procedury badań dotyczące zasad projektowania połączeń kołnierzowych okrągłych z uszczelką.

[2] PN-EN 1591-1:2014-04 - wersja angielska Kołnierze i ich połączenia -- Zasady projektowania połączeń kołnierzowych okrągłych z uszczelką -- Część 1: Obliczanie

[3] Strona internetowa www.gasketdata.org Gasket Database; Center of Sealing Technologies, FH Münster

[4] Strona internetowa www.laboratory.spetech.eu; SPETECH

ABSTRACT

The article describes the issues related to determination of allowable contact stress on a gasket. The tests used to determine these values – Qsmax factor  – are carried out according to the procedure described in EN 13555. The values obtained are input parameters, ones of many, of the calculation algorithm of EN 1591-1 used for calculating bolted flange connections.

A thesis has been put forward that flat gasket allowable stresses are not only the value leading to material destruction but also the value under which the gasket, although it can still operate in a joint, loses its leaktightness properties or is subject to critical deformations.

It is no longer fit for work under applied stresses of a certain estimated value.

The text includes an overview of the testing procedure, the stand where the tests are carried out and, above all, it describes the observations from flat gasket testing. How the gaskets behave under high and changeable stresses, the influence of stress on gasket deformation and their leaktightness parameters.

 The conclusions have been made that beside obvious values characterising the gasket in terms of its capability to maintain minimum emissions, the parameter defining the value of allowable pressures is of considerable, sometimes key, importance for the proper seal operation and work safety. When selecting a gasket to operate in a flanged connection, one must consider leaktightness parameters as well as allowable contact stress limit comprehensively and jointly.

Autor: Janusz Zajączek