O niezawodności funkcjonowania armatury decydują między innymi uszczelnienia: dławnicy, pokrywy oraz uszczelnienia wewnętrzne.

W armaturze wysokoprężnej i średnioprężnej bardzo rozpowszechnionym rozwiązaniem jest pokrywa samodoszczelniająca wykorzystująca uszczelnienie z grupy GRAFMET^® 960 lub podobne. Rozwiązanie to, stosowane poza armaturą także w budowie aparatów, ma zalety doceniane zarówno przez użytkowników, jak i producentów:

• znacznie mniejszy gabaryt w porównaniu z połączeniem kołnierzowym lub klamrowym,
• znacznie niższe nakłady ponoszone na wykonanie takiego połączenia wynikające z niższych nakładów materiałowych i obróbczych,
• wysoka niezawodność i szczelność osiągana dzięki efektom wykorzystania ciśnienia wewnętrznego do podnoszenia naprężeń kontaktowych (w tradycyjnym połączeniu kołnierzowym ciśnienie wewnętrzne obniża naciski kontaktowe),
• zdolność kompensacji ubytków szczeliwa lub relaksacji poprzez przemieszczanie pokrywy pod wpływem ciśnienia,
• łatwość montażu i demontażu bez użycia specjalnych naciągaczy, kluczy dynamometrycznych, itd.,
• wysoka szczelność dzięki osiągnięciu bardzo wysokich naprężeń kontaktowych.

Mechanizm działania pokrywy samodoszczelniającej obrazuje rysunek 1.

Napór ciśnienia p na pokrywę D jest przenoszony na korpus za pośrednictwem uszczelnienia GRAFMET^®  960 (lub podobny), na pierścień dociskowy C oraz blokujący E. W wyniku tego nacisku będącego iloczynem pola powierzchni naporu i ciśnienia wewnętrznego p uszczelnienie GRAFMET^® jest odkształcane poprzecznie do kierunku działania siły naporu. Skutkiem tego generowane są naciski kontaktowe na wewnętrznej powierzchni korpusu armatury 𝛿₁ i zewnętrznej powierzchni walcowej pokrywy 𝛿₂. Wskazane powierzchnie walcowe są powierzchniami uszczelniającymi korpusu i pokrywy w tym typie uszczelnienia.

Należy zwrócić uwagę, że w wyżej opisanym rozwiązaniu na skutek reakcji powierzchni uszczelniających, GRAFMET^® jest poddany naprężeniom ściskającym zarówno w kierunku działania siły, jak i w kierunku do niego poprzecznym. Z tego względu zaliczamy to uszczelnienie do grupy uszczelnień dławnicowych.

Stan takiego obciążenia, zbliżony do trójosiowego ściskania, jest bardzo korzystny wytężeniowo. Sprawia to, że uszczelnienia GRAFMET^® pracują poprawnie nawet przy bardzo wysokich naciskach poosiowych.

Przykładowo, dla zasuwy Chemar – DN400, PN 100 – średnice pierścienia GRAFMET^® wynoszą 560 x 530 mm, co daje szerokość U=15 mm. Siła poosiowa F wynikająca z naporu ciśnienia wynoszącego 10 MPa obliczana jest wg wzoru:

Siła ta jest przekładana na szerokość U uszczelnienia GRAFMET^®, co daje naciski jednostkowe w kierunku poosiowym:

Naciski na właściwych powierzchniach uszczelniających, tj. walcowej części korpusu i walcowej części pokrywy są związane z naprężeniami 𝛿₀ oraz współczynnikiem K przenoszenia naprężeń promieniowych na poosiowe. Dla uszczelnienia GRAFMET^® współczynnik K mieści się w granicach: 0,6 < K < 09, co daje naprężenia kontaktowe na powierzchniach 𝛿₁ , 𝛿₂ na poziomie 55÷84 N/mm².

Uwzględniwszy dodatkowo składową pochodzącą od stożkowego ukształtowania pokrywy na części powierzchni naprężenia te mogą być jeszcze wyższe. Przy wyższych ciśnieniach rosną one w przybliżeniu liniowo, wraz ze wzrostem ciśnienia. Tak więc przy ciśnieniu 18 MPa wynosiłyby one przykładowo:

Tak wysokie naprężenia zapewniają:

• bardzo wysoką szczelność połączenia,
• zdolność do formowania nawet do zniszczonych powierzchni uszczelniających,
• bardzo wysoki stopień zagęszczenia uszczelki.

Uszczelnienie GRAFMET^® może osiągnąć gęstość ok. 2,0 g/cm³ przy bardzo wysokich naprężeniach. Równocześnie jednak są one zagrożeniem w tych obszarach uszczelnienia, w których trójosiowy stan ściskania jest zaburzony. Dzieje się tak w obszarze szczelin:

pokrywa – ścianka korpusu, pokrywa – pierścień dociskający, ścianka korpusu-pierścień dociskający.

W obszarach tych materiał uszczelniający jest ścinany i ma tendencje do wyciskania w szczeliny (ekstruzji). Szczególnie niebezpieczna jest szczelina od strony medium, gdzie na skutek stożkowego ukształtowania przestrzeni uszczelnienia tworzy się rodzaj „ustnika”, co sprzyja wyciskaniu pakunku w szczelinę. Ze szczeliny tej produkty wyciskania są natychmiast usuwane przez turbulencje przepływającego medium, co może przyspieszyć efekt zniszczenia uszczelki.

Szczeliny wskazane wyżej nie mogą być zawężane konstrukcyjnie.  Wynika to z konieczności zapewnienia ekspansji poprzecznej poszczególnych elementów połączenia podczas nagrzewania, ruchu i chłodzenia armatury. Ze względu na różne warunki chłodzenia korpusu i pokrywy armatury może dojść do istotnych różnic temperatury korpusu i pokrywy. Różnice te mogą być szczególnie wysokie podczas nagrzewania i wychładzania armatury nieizolowanej. Przy wymiarach, jak w przykładzie, różnica temperatur 50°C powoduje różnicę w wydłużeniach średnic pokrywy i korpusu rzędu 0,5 mm.

W praktyce szczeliny są większe i często ulegają poszerzeniu na skutek czynników eksploatacyjnych (zużycie korozyjne) a także zabiegów naprawczych (obróbka skrawaniem).

W warunkach wysokich obciążeń (termicznych i mechanicznych), jakim poddana jest armatura wysokoparametrowa, przy długotrwałej eksploatacji może dojść dodatkowo do deformacji wynikłych z pełzania materiału.

Fakt istnienia szczelin ma dwojakie negatywne znaczenie:

- może być przyczyną zniszczenia uszczelnienia,

- powoduje, że pokrywa może „ustawiać się” na miękkim elemencie uszczelki.

Zatem na poprawną pracę uszczelniania dławicowego, uszczelnienia wewnętrznego oraz łożyskowanie trzpienia mają wpływ: ustawienie pokrywy względem korpusu, zarówno co do odchylenia kątowego, jak i koncentryczności osi uszczelnienia, stan techniczny uszczelnienia w określonym momencie eksploatacji, współosiowość pokrywy i korpusu.

a. Wyciskanie uszczelnienia w zbyt szerokie szczeliny, czemu może towarzyszyć poprzeczne przesunięcie i przenoszenie kątowe pokrywy.

b. Podniesienie pokrywy na skutek powolnego utleniania pakunku plecionego lub grafitu przy długotrwałej ekspozycji temperaturowej

c. Przekoszenie kątowe przy stosowaniu pakunków plecionych w miejsce GRAFMET^® (pakunki nie zapewniają tak wysokiej jednorodności rozkładu gęstości jak GRAFMET^®)

Rys. 2. Dodatkowe obciążenia na skutek przemieszczenia osi pokrywy względem korpusu oraz przyczyny takiego przemieszczenia

W przypadku odchylenia lub przesunięcia osi zarówno uszczelnienie wewnętrzne, jak i uszczelnienie dławicy podlegają dodatkowym obciążeniom wpływającym na ich trwałość. Ta z kolei warunkuje poprawną pracę całego urządzenia.

Odchylenie kątowe lub przesunięcie osi pokrywy względem osi korpusu może wyniknąć bądź z uszkodzenia uszczelnienia (rys. 2a) bądź z zastosowania w miejsce uszczelnień prasowanych GRAFMET^® uszczelnień ze sznura. Rozwiązanie polegające na stosowaniu sznura w miejsce pierścieni prasowanych GRAFMET^® do uszczelnienia pokryw jest szczególnie często stosowane przy armaturze wielkogabarytowej, do której do niedawna nie produkowano uszczelnień typu GRAFMET^®.

Uszczelnienia sznurowe bezazbestowe przy tak ogromnych naciskach zachowują się niestety gorzej, niż uszczelnienia azbestowe. Wiąże się to zarówno z ich własnościami mechanicznymi, jak i dużo głębszym przeformowaniem (nawet dwukrotna zmiana objętości). Ta ostatnia cecha może być niekorzystna, jeśli przeformowanie to jest nierównomierne na obwodzie pokrywy (przy średnicy szyjki 560 mm obwód ten wynosi 1,7 m).

Gorsze własności mechaniczne większości sznurów bezazbestowych sprawiają, że mają one tendencję do wyciskania w szczeliny. Z kolei głębokie przeformowanie sprawia, że końcowa wysokość uszczelnienia sznurowego jest bardzo niska, przez co ustawienie kątowe i wycentrowanie pokrywy jest trudne do kontrolowania na bardzo krótkich powierzchniach tworzących uszczelnienia. Uszczelnienie to może bowiem z jednej strony przyjąć nieco wyższą grubość a mniejszą szerokość, natomiast po przeciwnej stronie przeciwnie (patrz rysunek 3.)

Rys. 3. Odchylenie osi pokrywy na skutek odmiennego przeformowania sznura uszczelniającego na obwodzie.

Z powyższego względu stosowanie sznurów na tego rodzaju połączeniach należy traktować jako ostateczność.

Problem utleniania uszczelek grafitowych.

Ograniczenia temperaturowe stosowania uszczelek grafitowych związane są z procesami utleniania grafitu w podniesionych temperaturach. Umownie jako granicę gwałtownego utleniania grafitu przyjmuje się temperaturę około 550°C. Przy ekspozycji w najwyższych temperaturach, jakie występują w energetyce, efekty utraty masy grafitu obserwujemy na uszczelkach po kilku latach ich eksploatacji. Utrata objętości wiąże się z samoczynnym przemieszczaniem pokrywy w górę (patrz rys. 2b).

W przypadku eksploatacji w najwyższych temperaturach zaleca się stosowanie grafitu z inhibitorem utleniania APX. Przykładowe oznaczenie GRAFMET^® 960 APX.

Uszczelnienia pokryw samodoszczelniających. Stan techniki.

Rozwiązaniem dominującym obecnie na rynku uszczelnień pokryw samodoszczelniających jest uszczelnienie prasowane z folii grafitowej, laminowane wielokrotnie folią ze stali nierdzewnej. Laminat stalowo-grafitowy zapewnia stabilność postaci dużych przecież uszczelnień i zabezpiecza uszczelkę przed wyciskaniem w szczeliny przy umiarkowanych szerokościach szczelin e ≤, 0,7 oraz naciskach 150 N/mm². Stosowanie zbrojenia stalowego sprawia, że uszczelnienie należy prasować w procesie produkcyjnym przy użyciu stosunkowo dużych nacisków (ok. 50 N/mm²), które zagęszczają uszczelnienie do gęstości ok. 1,7 g/cm³.

Rozwiązania dla armatury częściowo wyeksploatowanej.

Przy większych szerokościach szczelin i większych naciskach w/w rozwiązanie może okazać się zawodne, toteż zaleca się wówczas stosowanie szczególnego rozwiązania i profilu GRAFMET^® 962 (lub w zależności od konstrukcji armatury GRAFMET^® 972 lub GRAFMET^® 952).

Jest to pierścień grafitowy z zewnętrznym wzmocnieniem przeciwekstruzyjnym w postaci stalowych kształtowanych plastycznie nosków z blachy o grubości 0,4 mm. Pierścienie stalowe zapewniają stabilność postaci i skutecznie przesłaniają szczeliny nawet do szerokości 1,5 mm i naciskach <200 N/mm². Obecność pierścienia górnego jest pożądana także ze względów przeciwutlenieniowych, gdyż znakomicie ogranicza dostęp powietrza do grafitu.

Dzięki zewnętrznemu zbrojeniu grafit może być prasowany do niższych gęstości pozwalających na stosowanie na zniszczonych powierzchniach przylgowych. Równocześnie mimo niższej gęstości grafit nie jest narażony na efekty erozyjne, gdyż jest izolowany dolnym noskiem.

W stosowaniach specjalnych, w armaturze na media utleniające, nosek od strony medium może być w całości wykonany lub pokryty powłoką miękkiego materiału izolującego grafit od kontaktu z uszczelnianym medium. Podobnie górny nosek można w całości wykonać z miękkiego tworzywa lub go nim pokryć całkowicie, izolując od dostępu powietrza. Może to mieć znaczenie przy armaturze parowej, pracującej na parametrach nadkrytycznych, gdzie typowym rozwiązaniem jest srebrzenie nosków stalowych.

Dla armatury, ale także aparatów, gdzie naprężenia kontaktowe przekraczają 200 N/mm², a szczeliny przekraczają szerokość 1,5 mm godnym polecenia jest profil specjalny GRAFMET^® 962M. Różnica pomiędzy tymi uszczelnieniami, a opisanym wyżej polega na technologii wykonania nosków stalowych. Są one tutaj toczone ze stali i mają końcową grubość ścianki 1,5 mm lub więcej.

Stosuje się je do pokryw samodoszczelniających szczególnie w budowie aparatów, gdzie mamy do czynienia z dużymi średnicami (niekiedy powyżej 1000mm) i wynikającymi stąd ogromnymi naciskami kontaktowymi (rosną one z kwadratem średnicy i liniowo z ciśnieniem) oraz równocześnie z dużymi szczelinami konstrukcyjnymi.

Wnioski

1. Poprawnie działające uszczelnienie pokrywy samodoszczelniającej ma zasadniczy wpływ na funkcjonowanie całej armatury, w szczególności na trwałość uszczelnienia dławicowego oraz uszczelnienia wewnętrznego.
2. Uszczelnienie to winno być dostarczone jako zamknięty pierścień grafitowy o jednorodnym obwodowym rozkładzie masy i elementami metalowymi zabezpieczającymi przed wyciskaniem szczeliny.
3. W przypadku armatury w dobrym stanie technicznym poprawnym rozwiązaniem jest uszczelnienie laminowane folią stalową GRAFMET^® 960, tj. pierścień grafitowy z zewnętrznym wzmocnieniem noskami metaloplastycznymi. W przypadku dużych pokryw i bardzo dużych nacisków noski winny posiadać grubszą ściankę (powyżej 1,5 mm) i być wykonane drogą toczenia. Uszczelnienia takie oznaczamy wówczas GRAFMET^® 962M

Typy stosowanych uszczelnień GRAFMET^® w armaturze wysokoprężnej.

Masz pytania? Zadzwoń lub napisz:

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