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

Uszczelnienie instalacji przemysłowych gazu ziemnego, jego mieszaniny z wodorem oraz samego wodoru jako paliwa przyszłości niosą określone wymagania, których wspólnym mianownikiem powinny być:

• odporność na korozję,
• odpowiednio wysoka gazoszczelność,
• ogniobezpieczeństwo,
• przewodnictwo elektryczne w przypadku instalacji uziemianych,
• brak gromadzenia ładunków elektrostatycznych w strefach zagrożenia wybuchem.

Gaz ziemny, zarówno wysokometanowy jak zaazotowany jest na tyle poznanym medium, że nawet z dodatkową domieszką zanieczyszczeń nie powoduje problemów korozyjnych dla większości współcześnie produkowanych materiałów uszczelniających na bazie stali, grafitu elastycznego, PTFE, czy niektórych elastomerów. Wyzwanie stanowi wodór, który może powodować problemy z tzw. korozją wodorową znaną także jako kruchość wodorowa.

Korozja wodorowa wynika między innymi z reakcji wodoru (H2) z węglem (C) zawartym w stali. Dobrze znanym zjawiskiem jest proces odwęglania stali w rejonie warstwy przypowierzchniowej. W wyniku reakcji odwęglania stali powstają cząsteczki metanu (CH4) o stosunkowo dużych rozmiarach, które w zwartej fazie metalicznej nie mogą dyfundować, dlatego też metan gromadzi się tam, gdzie powstaje – zwłaszcza na granicach ziaren, w mikroporach lub miejscach z innymi wadami struktury. W wyniku ciśnienia wywołanego przez powstający i gromadzący się metan powstają naprężenia, które po osiągnięciu odpowiednio dużej wartości powodują pęknięcia (rysunek 1a i 1b).

Rys. 1a i 1b. Pękanie wywołane oddziaływaniem wodoru. Autor: Artur Jasiński - Zakład Chemii i Diagnostyki „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.

Często stosowanymi materiałami, odpornymi na powyższe zjawisko są stale austenityczne (kwasoodporne) z rodziny AISI 304 i AISI 316. Stale te są standardowo używane przy produkcji uszczelnień metalowych SPETORING^® oraz metalowo-miękkomateriałowych takich jak uszczelki spiralne SPETOSPIR^® (rysunek 2a) i wielokrawędziowe SPETOMET^® MWK^® (rysunek 2b), które od lat są stosowane w gazownictwie i górnictwie naftowym. Innymi słowy domieszkowanie wodoru w celu współspalania z gazem ziemnym zasadniczo nie wymaga zmiany rodzaju materiałów uszczelniających. Także czysty wodór nie stanowi większego wyzwania dla stosowanych obecnie rozwiązań.

Rys. 2a uszczelka SPETOSPIR SWZ                                                     Rys. 2b Uszczelka SPETOMET MWK 60

Większe wymagania wodór stawia pod względem gazoszczelności. Gazoszczelność dla uszczelnień spoczynkowych badana jest m.in. wg EN13555 z wykorzystaniem helu jako medium testowego. Zakłada się, że szczelność wodorowa nie powinna znacząco odbiegać od szczelności helowej, przy czym trwają prace nad implementacją wodoru jako medium testowego w ramach procedur zgodnych z normą EN13555. Dotychczasowe badania potwierdzają, że wysokojakościowe uszczelnienia spiralne i wielokrawędziowe pozwalają na osiągnięcie bardzo wysokich klas szczelności, o rzędy wielkości większych od uznawanych jako technicznie wystarczający standard wynoszący 0,01 mg/(m·s). Przykładowe zestawienie osiągalnych wartości szczelności w funkcji nacisku na uszczelkę zestawiono na poniższym wykresie (rysunek 3).

Rys. 3 Wartości współczynników Qmin/L i Qsmin/L w zależności od klasy szczelności wg EN13555 dla ciśnienia 80 bar i uszczelki wielokrawędziowej SPETOMET^® MWK^® 60

Kolejnym wyzwaniem dla uszczelnień na media palne i wybuchowe jest ogniobezpieczeństwo. Zalecenia dot. ogniobezpieczeństwa znajdziemy w punkcie 2.12 zasadniczych wymagań bezpieczeństwa Dyrektywy 2014/68/UE dot. urządzeń ciśnieniowych, jak również w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki Dz.U. 2014 poz. 1853, paragraf 169.

Ogniobezpieczeństwo powinno być rozumiane jako zapewnienie braku wycieku podczas pożaru, jak również po ustaniu zagrożenia. Uszczelnienie nie tylko musi być niepalne, ale posiadać własności gwarantujące zachowanie szczelności podczas ekspozycji ognia, jak również po ochłodzeniu połączenia. Istnieje szereg norm badawczych pozwalających oszacować ogniobezpieczeństwo armatury z uszczelnieniem spoczynkowym lub połączenia kołnierzowego, do których należą m.in.: BS 6755-2, ISO 10497, API 607, API 6FA, API 6FB.

Z punktu widzenia uszczelnień spoczynkowych najbardziej odpowiednią wydaje się norma API 6FB, gdzie próbie poddaje się uszczelkę w kołnierzach zaślepiających wg ASME B16.5 o rozmiarze NPS 6” class 300. Stanowisko testowe podczas próby pokazano na rysunku 4. Przykładowe certyfikaty ogniobezpieczeństwa pokazano na rysunkach 5a i 5b.

Rys. 4 Stanowisko firmy AMTEC Messtechnischer Service GmbH podczas próby ogniowej wg API 6FB
 

Rys. 5a i 5b Certyfikaty ogniobezpieczeństwa wg API 6FB dla uszczelek SPETOSPIR^® SWZ i SPETOMET^® MWK^® 60

Z ogniobezpieczeństwem wiąże się przewodność elektryczna uszczelek (wymagana ustawą Dz.U. 2014 poz. 1853, paragraf 169), która ma zapewnić odprowadzenie do uziemienia ładunków elektrycznych pochodzących od wyładowań atmosferycznych. Uszczelnienia metalowe i metalowo-grafitowe wykazują bardzo niski opór właściwy wynoszący:

• dla elementów stalowych 0,07¸0,1×10^-6 Ωm
• dla wypełnienia z grafitu ekspandowanego  6¸8×10^-6 Ωm

Takie wartości gwarantują ciągłość przewodzenia instalacji.

Ostatnim wymogiem bezpieczeństwa są własności antystatyczne mające znaczenie w strefach zagrożonych wybuchem. Uszczelnienia dobrze przewodzące prąd elektryczny jednocześnie nie gromadzą ładunków elektrostatycznych, co potwierdzają badania rezystancji i rezystywności. Do wyznaczania tych parametrów dla materiałów uszczelniających można stosować normę EN 61340-2-3. Stanowisko testowe pokazano na rysunku 6. Bada się rezystancję oraz rezystywność powierzchniową i skrośną materiałów, przy czym norma określa maksymalne wartości zapewniające wymagany poziom bezpieczeństwa.

Rys. 6. Stanowisko do badań rezystancji i rezystywności wg EN 61340-2-3

Podsumowując, uszczelnienia metalowe SPETORING^®  a także  metalowo-grafitowe SPETOSPIR^® i SPETOMET^® MWK^® w wykonaniu materiałowym ze stali 316L i grafitu ozn. FG-C spełniają najwyższe wymagania pod względem szczelności i bezpieczeństwa w instalacjach gazu ziemnego i jego mieszaniny z wodorem.

Masz pytania? Zadzwoń do mnie lub napisz:

 RADOSŁAW SIECZKOWSKI
 Kierownik Działu Technicznego SPETECH^®
 +48 501 249 073
 rsieczkowski@spetech.com.pl