Přírubové spoje – dosažení požadované těsnosti

Vloženo 08.10.2008 09:50 h, autor J. Lukavský, ČVUT v Praze, fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky

Vývoj utěsňování koncem minulého století

Potrubní a aparátové přírubové spoje definované jako plošné spoje (zákon 86/2002 Sb – přepracovává se – v ČR, TA-Luft v Německu, CAAA v USA) – k nimž patří ještě armatury, čerpadla a kompresory, jsou sledovány jako zdroje emisí. Ty by zejména u vybraných anorganických a organických látek od r. 2002 neměly překročit předepsané hodnoty. Povolené emise – jinými slovy množství netěsností – jsou tím definovány.

Hledisko „množství netěsností“, které bylo dosud pojímáno jako kvalitativní, v poslední době začíná nabývat význam jako hledisko kvantitativní. Snaha o omezování emisí z tzv. plošných spojů (a tedy přírub, armatur, čerpadel, kompresorů aj.) proti bodovým zdrojům reprezentovaných např. komíny, polními hořáky aj. se datuje zhruba od 70. let minulého století. Velká provozní měření např. v BASF v Německu 1975-6 ukázala oblasti, ve kterých by se měly netěsnosti u jednotlivých těsnicích spojů pohybovat. Návazná měření, na kterých se podíleli jak uživatelé, výrobci tlakových zařízení, výrobci těsnění, ale i výzkumná pracoviště v celém světě vyústila v r. 1993 až 1995 ve velkém evropském výzkumném projektu dotovaném EU, který i s ohledem na zákaz používání azbestu (známá těsnění „klingerit“ nebo později jen „it“) vedl jednak k vypracování norem pro zkoušení nových bezazbestových těsnicích materiálů (např. DIN 28090/1995) a i technických dodacích podmínek pro nové druhy těsnění (DIN 28091/1995). Kromě toho Aarhuská úmluva o přístupu k informacím, účasti veřejnosti na rozhodování a přístupu k právní ochraně v záležitostech životního prostředí – směrnice Rady Evropy 96/61/EG dala podnět k tomu, aby se těmito otázkami zabývaly všechny evropské státy. Posledních deset let minulého století se kvalitou utěsňování vybraných zvlášť nebezpečných látek zabývali i v USA, kde v určité časové posloupnosti měli zpracovatelé dosáhnout určených maximálních emisí. Mnohdy z původních ztrát až 10 000 ppm se mělo dosáhnout u přírubových spojů a armatur pouze 500 ppm, u čerpadel podle druhu 1000 až 2000 ppm měřených postupem EPA 21. V tomto desetiletí se touto metodou měřilo i v našich rafineriích v Litvínově a Kralupech (firmou Chemplant-Technology Ústí n/L). Již v uvedených německých normách se objevují pro měkká těsnění tzv. „třídy průmyslové netěsnosti“ ve třech kategoriích: 1 ; 0,1 a 0,01 mg/(s. m); ty tak nahrazují první uváděný údaj v DIN 3535 – daný pro spoj určité velikosti, zatížený daným tlakem dusíku a stlačený definovaným utahovacím tlakem jako objemovou netěsnost 1 ml/min. V letech 1991 až 1999 byli s těmito závěry seznámeni pracovníci údržby a.s. Chemopetrol Litvínov. Výhodou hmotnostních jednotek netěsnosti je možnost přepočtu netěsnosti pro jiné látky a parametry, než měřený dusík v experimentálních podmínkách a na jiný rozměr těsnění.

Tři třídy netěsností pro měkká těsnění odpovídají množstvím netěsností:

Třída 1 (1 mg/s.m): požadavkům pro utěsnění většiny kapalin a nízkotlakých plynů, např. u rozvodů tlakového vzduchu.

Třída 0,1 (0,1 mg/s.m): která přibližně kopíruje hodnotu 1 ml/min dusíku a je vhodná pro utěsnění kapalin s nízkým povrchovým napětím (např. naftu) a parám a plynům s vyšším přetlakem a teplotou.

Třída 0,01 (0,01 mg/s.m): vhodná pro utěsnění nebezpečných látek, definovaných jako hořlavé, výbušné, jedovaté, toxické apod.

Z běžných těsnicích materiálů se pro třídu 1 a 0,1 hodí vláknitopryžová těsnění a expandovaný grafit v průmyslové čistotě, v třídě 0,01 PTFE nebo grafit v jaderné čistotě nebo kombinované těsnicí materiály a kovová těsnění, která mohou dosáhnout i vyšší těsnosti.

Pro vysvětlení: vznik netěsnosti u měkkých těsnicích materiálů se projevuje ve dvou cestách – první mezi těsněním a těsnicí plochou, druhá průchodem těsnicím materiálem. První závisí na tom, jak těsnění dokáže zaplnit výstupky a prohlubně drsností a vlnitostí těsnicích ploch (význam egalizace těsnicích ploch při opravách přírubových spojů). Druhá je dána vlastností měkkého těsnicího materiálu: je to porézní těleso, které při stlačování těsnění z pórů vytlačuje vzduch, přičemž se póry zmenšují a tím se stává materiál těsnění těsnějším.

V minulosti dimenzování přírubových spojů vycházelo pouze z pevnostního hlediska, přičemž těsnost byla ve výpočtu zahrnuta odhadnutými hodnotami utahovacího tlaku q a součinitele těsnění m (ČSN 69 0010, ON 13 0001, DIN, ASME-Code, BS aj.).

STAV PO R. 2001

Určitým přelomem v Evropě se stal rok 2002, kdy i u nás vzniká zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší (dnes se přepracovává) s doprovodným nařízením vlády č. 350/2002 Sb. stanovujícím imisní limity, způsob sledování, posuzování, hodnocení a řízení kvality ovzduší a dále nařízení vlády č. 351/2002 Sb. stanovující emisní závazné stropy pro některé látky znečišťující ovzduší a dále způsob přípravy a provádění emisních inventur a projekcí. Vyhlášky MŽP č. 355/2002 Sb. (emisní limity) a č. 356/2002 Sb. (doplňky č. 363 a 570/2006 Sb) (seznam znečišťujících látek, obecné emisní limity) se zabývají např. podmínkami provozování ostatních stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší emitující organické těkavé látky z procesů aplikujících organická rozpouštědla, ze skladování a distribuce benzinu; další vyhláška sleduje způsob předávání zpráv a informací, zjišťování množství vypouštěných znečišťujících látek, přípustné míry obtěžování zápachem a intenzitou pachů, požadavky na vedení provozní evidence zdrojů znečišťování ovzduší a jejich uplatňování. Vyhláška o způsobu stanovení koncentrace pachových látek, přípustné míry obtěžování zápachem a způsobu jejich zjišťování byly uvedena jako č- 362/2006 Sb.

V souvislosti s těmito postupy vzniká požadavek na ještě lepší utěsnění u těchto nebezpečných látek na hodnotu překonávající průmyslovou netěsnost na tzv. „difúzní netěsnost“ 1.10-4 mbar.l/(s.m) – (VDI 2440/2001 pro rafinerie). Jak tyto problémy řešit v celém průmyslu, zemědělství, občanské vybavenosti aj. ukazují např. směrnice USA – CAAA (Clean Air Act Amendments- doplňky k zákonu o čistotě ovzduší) nebo evropská TA-Luft 2002 – (technický návod na udržení čistoty vzduchu). Jak by se mělo postupovat s dosažením difúzní netěsnosti i s měkkými těsněními zejména při montáži přírubových spojů, popisuje VDI 2200/2007.

Je nutno si uvědomit, že netěsnost v hodnotách nižších než 1.10-4 mbar.l/(s. m) se dosud dosahovala u tvarových kovových těsnění nebo u svařovaných jazýčkových kovových těsnění. Nyní by tato hodnota měla platit v oblasti PN 40 i pro měkká těsnění. Ta se musí upravit tak, aby jejich funkce shora popsaná, odpovídala utěsnění kovových těsnění. Certifikovaná těsnění podle TA-Luft musí mít určité úpravy, např. difúzní uzávěr (vnitřní nepropustný lem) a vůči těsnicím plochám musí mít takové úpravy, které zamezují průchod porézním měkkým těsnicím materiálem. I když tato těsnění vycházejí z určité konstrukce materiálu dosud užívaného v oblastech „průmyslových netěsností“, tedy ve třídách od 1 do 0,01. Těsnění podle TA-Luft musí mít příslušný certifikát.

Dosažení vysoké emisní těsnosti s požadavky dle TA-LUFT

Prvním předpokladem je, jak bylo řečeno, užití těsnění, jež má certifikát TA-Luft. Druhým krokem je pak těsnostně pevnostní výpočet dle ČSN EN 1591-1/2007. Třetím a nejdůležitějším cílem je montáž přírubového spoje s odborně vyškolenými pracovníky montáže a údržby příp. s měřením utahovacích sil ve spoji (dle ČSN EN 1501-4/2008).

Popis jednotlivých kroků výběru těsnění, popsaného výpočtu s předvedením nejvhodnějších pomůcek pro montáž, tj. montážních nástrojů, postupů a měření, mazání šroubového spojení a dalších nutných předpokladů pro dosažení požadované těsnosti a tím splnění požadavků orgánů životního prostředí na splnění emisních mezí je náplní tohoto článku.

Současný náhled na dimenzování přírubového spoje

Přírubové spoje sestavené ze tří různých konstrukčních prvků: přírub, šroubů a těsnění se nyní musí uvažovat jako jediný celek vzájemně se ovlivňujících součástí – nelze je uvažovat jako samostatné tři části spoje. I když byl těsnostně pevnostní výpočet přírubového spoje známý již několik desetiletí, teprve rozvoj počítačové techniky umožnil postupně spojit obě hlediska; dnes je tento výpočtový postup se zahrnutím všech provozních stavů, do kterých se spoj může během své činnosti dostat, popsán v normě ČSN EN 1591. V jednotlivých částech normy je popsáno, co je třeba pro výpočet znát a pro jaké podmínky platí. Povinný je zatím v jaderné energetice a pro zařízení produkující nebezpečné emise, v zahraničí se užívá i pro běžnější aplikace, protože ve spojení s řízenou montáží umožňuje bezpečnější a ekonomičtější provoz tlakových zařízení.

Výpočet těsnostně pevnostního dimenzování je zahrnut ve 4 dílech normy ČSN EN 1591: díl 1 – výpočet pro těsnění v hlavním silovém styku, díl 3 – výpočet pro těsnění ve vedlejším silovém styku (samotěsnicí spoje), díl 2 – výpočtové veličiny stanovené podle ČSN EN 13555 a díl 4 – odborná školení pracovníků montáže a údržby.

Podmínky pro těsnostně pevnostní výpočet přírubových spojů

Těsnostně pevnostní výpočty podle ČSN EN 1591-1 jsou složitější, než dosud užívané pevnostní výpočty přírub. Výpočtová teorie je podobná u obou metod: působící síly na přírubový spoj jsou stejně definovány, uvažuje se průřez, příp. z toho vyplývající moment odporu. Tato metoda výpočtu se podle KTA 3211-2 používá povinně v jaderných elektrárnách a pro vybrané nebezpečné látky specifikované v zákonech 355 a 356/2002 Sb a v TA Luft. Pro ostatní přírubové spoje je doporučená.

ČSN EN 1591-1 ale nabízí tyto přednosti:

zásadně se uvažuje chování celého systému: příruba + šrouby + těsnění;
neposuzují se pouze kritéria pevnosti, ale i celkové deformační chování a těsnost;
vhodnost vybraného těsnění vychází z elastické analýzy vztahu mezi zatížením a deformací všech částí přírubového spoje;
potřebná těsnicí síla se současným stanovením účinné šířky těsnění se iterativně vyšetřuje pro každý případ zatížení (montáž, tlaková zkouška, provoz, ale i najíždění a sjíždění při zarážkách) – nesprávná zadání uživatelů výpočtových parametrů: tlaků, teploty a jejich změn mohou vést proto k nesprávným závěrům výpočtu;
požadavky na snížení emisí dle nových emisních zákonů lze řešit pouze tímto výpočtem – to umožňuje přesnější přezkoušení těsnosti spoje;
celé vyšetření vztahu síla – deformace platí pro různé tvary přírub (přivařené, točivé, obruby), šrouby a těsnění.

Navíc tato výpočtová metoda bere ohled na ovlivňující veličiny, jako:

poddajnost spoje; ukazuje i názorně, jak např. zlepšit poddajnost šroubů: materiálem, průřezem, délkou, užitím pružin a jejich řazením (live loading, aj.); vliv modulů pružnosti při výpočtových teplotách všech částí spoje; dovolené natočení listů přírub (? 1°); (poddajnost přírub, těsnění);
zahrnuje vliv připojených částí (válec, kužel, koule, dna aj.) včetně elasticity přírubového spoje;
vliv rozdílů součinitelů délkových roztažností částí spoje při jejich rozdílných teplotách;
vliv vnějších sil a ohybových momentů vyvolaných např. teplotní dilatací kompenzačních útvarů (nejen u potrubí, ale i u trubkových výměníků, kde v konstrukčních podkladech tyto výpočty chybí a obtížně se počítají: stanovení rozdílů středních teplot pláště a trubek; vícechodé výměníky s plovoucí hlavou, aj.); v pevnostních výpočtech výrobců aparátů – tlakových nádob – takové údaje chybí;
bere se ohled na maximálně možné zatížení materiálu těsnění (selhání: rozdrcení, zvýšené tečení aj.);
utahovací postup šroubů a tím daný možný rozptyl dosažených utahovacích tlaků; vliv kvalifikované obsluhy při utahování spoje při montáže, vliv použitého nářadí, vliv měření dosažených sil ve šroubech; vliv mazání závitů šroubů a dosedacích ploch
vliv relaxace měkkého těsnění na těsnost (odhad ze zkoušky tlakové stálosti).

Přitom výpočtové hodnoty pro příruby a připojené skořepiny příp. šrouby vycházejí z databáze rozsáhlého sortimentu polotovarů: trubek bezešvých i svařovaných, plechů, výkovků, tyčí aj. kovových (příp. i nekovových) materiálů. Jsou zde uvedeny pevnostní vlastnosti, součinitelé délkových roztažností za teploty. Kromě toho jsou jako zvláštní databáze k dispozici výpočtové hodnoty těsnicích materiálů (měkkých, kombinovaných nebo kovových) v závislosti na teplotě podle ENV 1591-2/2007, pokud je nelze sehnat např. u výrobce těsnění. V normě jsou zahrnuty výsledky měření certifikačních institucí – německé MPA Stuttgart a francouzské CETIM Nantes. Na internetu existují dnes databáze, kam právě výrobci u svých výrobků-těsnění uvádějí hodnoty potřebné pro těsnostně pevnostní výpočet přírubových spojů (www.gasketdata.org).

Montáž přírubových spojů

Zatímco popis chování kovových částí přírubového spoje lze dostatečně přesně popsat vyhovujícími znalostmi o materiálu a osvědčenými výpočtovými postupy, není to možné v odpovídající míře u těsnění z měkkých materiálů s ohledem na dosud omezené znalosti v časové oblasti a v důsledku dodatečného chemického zatížení. Při přenosu výsledků z laboratorních zkoušek je třeba navíc pečlivě posuzovat příslušné podmínky zatížení a jejich odezvu po delší době zatížení.

Měření množství netěsností na provozním zařízení je velmi obtížné a nákladné. Jsou sice k dispozici tzv. hledače netěsností: ty však určí jen místo netěsnosti, ne ale jeho množství. V našich rafineriích se použila i provozní měření koncentrací emisí metodou EPA 21, ale i ona má svá omezení. Rozhodujícím pro uživatele by měl být jednak výpočet dle ČSN EN 1591-1 (jen když byly zadány relevantní hodnoty výpočtových parametrů) a pak odborně provedená montáž. Co představuje „odborně provedená montáž“, ukazuje obsah ČSN EN 1591-4/2008 – „Hodnocení odbornosti personálu pro montáž šroubových spojů v oblasti platnosti směrnic pro tlakové nádoby“.

Aby se využily dokonalejší předkládané výpočty přírubových spojů, bude zapotřebí, aby uživatelé, konstruktéři a výrobci těchto tlakových zařízení, projektanti a montážní pracovníci byli seznámeni s možnostmi dosažení požadované těsnosti přírubových spojů a jejich případné prevence netěsností a i nutnosti evidence provedených úprav a změn přo odstávkách. V EU se ujalo pro utahování přírubových šroubů velmi přesné mobilní hydraulické čerpadlo s řízením a dokumentací utahovacích postupů – mimo jiné např. utahování řízené utahovacím momentem, řízené úhlem natočení, řízené mezí kluzu. Ukládání naměřených údajů se provádí na paměťovém ukládacím médiu MMC (MultiMediaCard) a ty lze vyhodnocovat na externím PC pomocí integrovaného mikrokontrolního řízení (předvoleným programem) s možností dokumentace a provádění obsluhy a kontroly čerpadla. Pokrok v dosahování menších rozptylů utahovacích sil a momentů přinesly kromě způsobů utahování zejména mazání třecích míst i při vyšších teplotách a pomocné součásti ovlivňující poddajnost především šroubů – podložky, speciální podložky zamezujících krut „disc“, nástavné trubky, pružiny tažné i tlačné (Live-Loading) nebo poddajné matky „clamp“ aj. Původní rozptyly ± 45 – 50% se dnes po zavedení uvedených „pomocných prostředků“ snížily na ± 5 – 10% (Shell v Anglii, BASF v Německu).

Pod pojmem „nejlepší dostupné činnosti NDČ“ (v Německu „stav techniky“) chce EU v oblasti integrovaného zamezování a snižování nebezpečí znečištění ovzduší u průmyslových zařízení provádět výměnu informací pomocí BREFsů (Best REFerence Dokuments) navazujících na proces ze Sevilly (tzv. IVU směrnic 96/61/EG – z 18.1.2006 – dostupných např. na www.umweltbundesamt.de) se strukturou 8 kapitol, v nichž jsou kromě emisních hodnot uvedeny používané technologie NDČ u stávajících i nových procesů.

Pozn.:

ⁱ Dnes již některé tlakové nádoby jsou zatíženy lokálními zatíženími přes hrdla silami a momenty od kompenzačních útvarů – ve výpočtech tlakových nádob nejsou ještě tyto vlivy uvažovány.

ⁱⁱ Výsledky posledních výzkumů šroubových spojů (např. VDI 2230 ukazují, že rozptyl sil dosažených při různých utahovacích postupech je ovlivněn nejen nářadím použitým pro utahování, ale i kvalifikací montážních pracovníků (spolehlivost lidského faktoru je pouze 50% a neprovádí se evidence pracovníka, který spoj utahoval). Tak např. u rázového utahování je rozptyl (příloha B – ČSN EN 1591-1) ± (0,3 + souč.tření)*100%, zatímco u hydraulického utahování s měřením prodloužení šroubů prováděného kvalifikovanou obsluhou a dokumentováním utahovacího postupu téměř řádově v jednotkách procent.

ⁱⁱⁱ Ve spolupráci s výrobci těsnění, pomocí nových utahovacích nástrojů s možností dokumentovaného postupu utahování, způsobů mazání šroubů a důkazů kvality utažených přírubových spojů lze na ČVUT v Praze, fakultě strojní provést certifikované vyškolení montážních pracovníků dle požadavků této normy a spolupráce s „Asociací pracovníků tlakových zařízení“, Svazu chemického průmyslu, MPO ČR, MPSV ČR a MŽP ČR.

Praha červen 2008