18 CHEMagazín • Číslo 3 • Ročník XIX • 2009

údržba a opravy zařízení

1. Příčiny selhání utěsněníMezi nejčastějšími příčinami selhání bývají:

a) nevhodná konstrukce spoje (kombinace materiálů, sekundární napětí, šrouby, aj.) → řešení: školení dle plánu ČVUT a metodiky ČSN EN 1591-4/platné od 1.3.2009, fakulta strojní ve spolupráci s renomovanými výrobci těsnění;

b) nedostatečně dimenzované části spoje → řešení: důkaz těsnosti a pevnosti ČSN EN 1591-1 nebo 1591-3);

c) neuvažované nebo nečekané podmínky (vliv prostředí) – těsnicí plochy poškozené korozí, erozí, nadměrným utažením šroubů při předchozí montáži, špatným odstraněním starého těsnění, neče-kanými zatěžovací stavy teploty a tlaku aj.) → řešení: vyrovnání nerovností a nerovnoběžnosti těsnicích a dosedacích ploch šroubů a matic navařením a egalizací, vyrovnáním nerovností „zažeh-lováním“ expandovaného grafitu, zřídka vyplněním Belzonou, přidání podložek aj.;

d) nevhodný montážní postup – velký rozptyl utahovacích sil, nevhodné mazání šroubů, nesprávné očištění funkčních ploch, použití starých šroubů a matic aj.), chybějící kontrola jednotli-vých činností při montáži → řešení: vypracování demontážního a montážního postupu, stanovení odpovědnosti pracovníků za dodržení správného postupu montáže;

e) není vyloučen lidský faktor z jednotlivých kroků montáže – nesprávná výběrová řízení pro materiál těsnění, šroubů a matic, nesprávná manipulace s těsněním od skladování až po dodání na místo montáže, nesplnění požadavků rovnoběžnosti těsnicích ploch, nevhodné nástroje pro utahování (rozptyl sil), aj. → řešení: technický dozor a odpovědnost pracovníků za jednotlivé kroky montážního postupu;

f) důsledky neuvažování vlivu neviditelných nákladů při volbě těs-nicího systému aj. → řešení: odstranění vlivu „lidského faktoru“ na spolehlivost kroků montáže s uvědoměním si významu jednot-livých nákladů a tím výrazné úspory v nákladech na údržbu:

Viditelné náklady: materiály těsnění a další práce spojené s montáží náročnějšího spoje

Neviditelné náklady:

a) nutnost odstávky části nebo celé výroby; ztráty prostojem,

b) ztráty prodeje při nucené zarážce,

c) ztráty nebo poškození výroby vzniklou netěsností; snížená účin-nost zařízení,

d) environmentální pokuty; poškození životního prostředí (emise→imise); úniky nebezpečných látek,

e) reklamace, příp. poškození zdraví,

f) a nedej bože – havárie zařízení.

2. Třídy těsnostiPrvní hodnocení tříd těsnosti vzniklo po rozsáhlém měření netěs-ností v koncernu BASF ve spolupráci s Technickou universitou v Bochumi v 70. letech minulého století jak pro statická, tak i dyna-mická těsnění. Velký výzkumný projekt mezi uživateli, výrobci těs-nění a výzkumem podporovaný finančně EU vyústil v 1993 až 1995 v německých normách DIN 28090, která sjednotila nejen měření vlastností měkkých těsnicích materiálů (nových – bezazbestových), určila 3 třídy průmyslových netěsností, ale v DIN 28091 stanovila kriteria pro technické dodací podmínky měkkých těsnicích materiálů. První kritérium netěsnosti v DIN 3535, tj. 1 ml/min pro rozměr těsnění Ø 90/ Ø 50 x 2 mm, těsnicí tlak dusíku 40 bar při utahovacím tlaku 32 MPa při teplotě okolí 20 °C se ukázalo s ohledem na sledo-vaný objem jako nevýhodné, a proto v DIN 28090 se toto množství převedlo na hmotnostní jednotku mg/s, takže 1 ml/min po přepočtu a vztažení na střední průměr těsnění 70 mm dává cca 0,1 mg/(s.m) – pro utěsnění většiny plynů . Rozšíření na 1 mg/(s.m) pro těsnění kapalin a vzduchu, příp. 0,01 mg/(s.m) pro utěsnění nebezpečných látek (výbušných, hořlavých, ….) je v současné době vhodné pro průmyslová zařízení. Představa těchto 3 tříd řádově odstupňovaných spočívá v tom, že netěsnost vzniká jednak na rozhraní mezi těsněním a těsnicími plochami a jednak porézním materiálem těsnění v oblas-ti laminárního proudění. Důkazy netěsnosti lze měřit přetlakovými zkouškami. Turbulentní proudění spadá do oblasti větší než 1 mg/(s.m), a to jsou již hodnoty nepřípustné a zejména u páry jsou tyto ztráty viditelné, příp. i slyšitelné. Naopak oblast utěsnění kovovými těs-něními je zhruba o 2 řády menší a oblast tzv. „difúzního proudění netěsností“ je mezi 10-4 až 10-8 mg/(m.s). Množství netěsností lze dokázat pouze vakuovou zkouškou např. heliovými spektrometry a využívá se zde jednotek mbar.l/(s.m), které lze pomocí stavových rovnic pro plyny přepočítat na mg/(s.m). Zvýšené nároky na životní prostředí zpřísnily směrnice a zákony (TA-Luft), které snížily možné emise nebezpečných látek jak anorganického, tak i organického původu na 1.10-4 mbar.l/(s.m) i v oblasti měkkých těsnění do PN 40. Samozřejmě musely vzniknout úpravy stávajících těsnění a již vřazením kovových nebo nekovových lemů (difúzní uzávěry) na vnitřní průměr těsnění, nebo se póry v materiálu těsnění musely vyplnit jinou vhodnou stlačitelnou látkou.

3. Těsnostní a pevnostní výpočet přírubových spojůV současnosti splňuje podmínku současného těsnostního a pev-nostního výpočtu norma ČSN EN 1591-1 pro příruby v hlavním silovém spoji a ČSN EN 1591-3 pro příruby ve vedlejším silovém spoji (kovový styk). Proti DIN 2505/1989 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

CesTy k dosažeNí VěTší sPolehliVosTi uTěsNěNí PříruboVýCh sPojůj. lukavský1, j. Tomáš2

1. ČVUT v Praze, fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky, jiri.lukavsky@volny.cz2. Techseal s.r.o. Praha, j.tomas@techseal.cz

Nároky podniků produkující emise ohrožující životní prostředí budou stále větší i s ohledem na zpřísňující se legislativu. Rovněž nároky na znalosti, využití „nejlepší dostupné techniky“ (doporučované EU), budou po skončení hospodářské krize nabývat při rostoucí konkurenci v oborech stále větší význam.

Současné výsledky dlouhodobé spolehlivosti utěsnění přírubových spojů jsou nedostatečné, a to jak z důvodů neznalosti vlastností těsnicích materiálů, tak i preciznosti montážních prací a řízeného utahování pomocí momentového nářadí. Zejména při zarážkách provozních sou-borů jsou mnohé úkony závislé na tzv. „lidském faktoru“, který podstatně snižuje spolehlivost prováděných prací. Zdůvodnění pro použití kvalitnějšího těsnicího materiálu a sofistikovaného montážního postupu nabývají významu v případech, kdy podnikové údržby systematicky plánují pomocí podpůrného softwaru „Primavera“ disponující bohatou databází.

19 CHEMagazín • Číslo 3 • Ročník XIX • 2009

údržba a opravy zařízení

spoje. Potřebná těsnicí síla se současným stanovením účinné šířky těsnění se iterativně vyšetřuje pro každý uvažovaný případ zatížení (montáž, zkouška, provoz, ale i najíždění a sjíždění při zarážkách). Nesprávná nebo nedostatečná zadání uživatelů ve výpočtových parametrech: tlak, teplota a jejich změny mohou vést k nesprávným závěrům výpočtu. Podle požadavků tříd těsnosti lze zvolit z údajů výrobců (www.gasketdata.org) nebo ENV 1591-2/2005 potřebné výpočtové veličiny těsnění a vyhovět tím požadavkům emisních zákonů.

Celé vyšetření vztahu síla – deformace platí pro různé tvary přírub (přivařené, točivé, obruby aj.), různé šrouby (tuhé nebo pružné), podložky, pružiny, měkké – kombinované – kovové těs-nění a různá připojení membrán (válcová, kuželová, kulová a rovná víka a dna).

Vlastní elasto-plastický výpočet bere ohled i na ovlivňující veličiny: poddajnost spoje, dovolené natočení listu příruby, rozdílné souči-nitele délkových roztažností částí spoje i při rozdílných teplotách šroubů a přírub, vliv vnějších sil a ohybových momentů např. od teplotních dilatací aj.

Bere ohled i na způsob montáže a tím daný možný rozptyl dosažených utahovacích sil a momentů: vliv kvalifikované perso-nálu, vliv použitého nářadí, vliv měření dosažených sil ve šroubech, vliv mazání závitů šroubů a jejich dosedacích ploch. Rozptyly se pohybují v rozmezí ±45 % a v poslední době využitím nejlepších dostupných technik méně než ±5 % s možnosti dodání certifikátu o dosažených silách.

4. TěsněníNejpoužívanější měkké těsnicí materiály lze rozdělit do 3 skupin: vláknitopryžové, PTFE a expandovaný grafit. Speciálně jsou využívána i pryžová těsnění, např. ve vodárenství, slídová pak pro vysoké teploty.

Současný trend ve vláknitopryžových těsněních je ve vícevrstvé kon-strukci, kde na vnější straně jsou pryže s menší citlivostí k zesítění při vyšších teplotách. Dvě skupiny expandovaného grafitu dělené podle čistoty na průmyslovou (98%) a jadernou (až 99,8%) kvalitu, se zejména s ohledem na vyšší požadavky těsnosti u nebezpeč-ných látek (dosažení třídy těsnosti 0,01), zaměřily některé firmy na dosažení čistoty 99 až 99,5% u průmyslové jakosti s přidáním antioxidantů pro zlepšení ztrát grafitu při teplotách nad 400 °C. Pak rozdíl mezi grafity od renomovaných výrobců a grafitem z „dálného východu“ s ohledem na hmotnostní ztráty za vyšších teplot činí až 150 °C ve prospěch těchto nových materiálů. Pokud jde o PTFE těsnění, pak pokrokem jsou vícesměrně orientované materiály, které již nemají plastickou deformaci do boku, jak tomu bylo u jednosměrně orientovaných druhů. U plněných PTFE je nejzdařilejší kombinace desek plněných karbidem křemíku, kde jejich stlačení je podstatně menší, než u vláknitopryžových těsnění a to i za vyšších teplot.

5. Mazání šroubůDobře mazané šrouby a dosedací plochy matic při montáži pří-rubových spojů představují podstatné snížení tření a při vhodné volbě maziva i snadnější demontáž. S ohledem na teplotu šroubů se jako maziva požívají oleje, tuky, pasty, kluzné filmy nebo kluzné laky. O dosažených rozptylech při utahování šroubových spojů dává informaci VDI 2230/2005 nebo ČSN EN 1591-1.

6. Montáž a montážní nástrojeI zde došlo v poslední době k velkému pokroku. Místo běžných podložek a matic se používají např. podložky s vnitřním závitovým segmentem nebo dvojzávitové matice zaručující při dotahování přenášet ve svornících pouze tah.

Uvedená podložka má zapuštěný závitový segment, který odpo-vídá šroubu. Pomocí utahovacích nástrojů lze závitový spoj dotáh-nout bez bočního zatížení. Podložka se na dosedací ploše příruby nemůže otáčet, a proto nedojde k jejímu poškození. Při utahování

standardní matice zamezuje podložka současnému otáčení šroubu. Vlivem stoupající utahovací sily se vnitřní závitový segment pohy-buje se svorníkem čistě osově až k nastavené montážní síle. Protože se matice stále otáčí na podložce, je tření na dosedací ploše stále stejné. To snižuje rozptyl a vytváří tak podstatně větší přesnost přenesené síly. Jako montážní nástroj lze použít nové hydraulické dálkově ovládané utahování (čerpadlo SMART) s možností evidence dosažené utahovací síly (garance – vydaný certifikát). Pohony jsou navrženy tak, aby utahovák byl upevněn u horních šroubových spojů na šestihranu podložky, čímž odpadá ruční přidržování nástroje. Rozptyl utahovacích sil je menší než 5 %.

Maticový mechanický systém použitelný pro všechny případy šroubových spojů nahrazuje dosavadní standardní konstrukce, ale neotáčí se v závitu šroubu nebo svorníku. Využívá vlastní upínací závit a svou podložku. Tím se všechny relativní pohyby v mechanic-kém systému této matice spojují a utahovací síly se mohou kalibrovat nezávisle na použití. S vnějším průměrem jen 1,6 násobku průměru závitu šroubu je tato matice menší než šestihranná matice. Protože pohon utahovacího nástroje má stejný průměr, není nutný větší vestavný prostor. Upínací závit tohoto systému je větší, než závit šroubu, má ale podstatně menší stoupání. Tím se redukují utahovací momenty a umožňují použití menších a lépe ovladatelných nástrojů. Přitom stažený svorník je utažen bez krouticího momentu a napo-prvé až k mezi kluzu. Velmi malé rozptyly pod 5 % jsou předností tohoto systému. Nevyžaduje žádné vnější reakční místo, tzn. bez přidržovacího reakčního ramene.

Nová pohonná hydraulická jednotka využitelná pro rozměry šroubů M 20 až M 120 je řízená programovatelnou paměovou MMS-kartou, takže výsledky lze přenést do počítače a uživateli o tomto utahování dodat záznam nejen o utahovacím postupu, ale i příp. naměřené dosažené síle. Lze současně utahovat 4 místa na přírubovém spoji, utahovací postup i přerušit a příp. opravit program utahovacího postupu.

Obr. – Těsnicí plocha výměníků a oprava egalizačním přenosným zařízením (Foto: Techseal)

7. ZávěryZkušenosti z již provedených aplikací uvedeného montážního postupu u známých firem BASF nebo Shell ukázaly, že jen takto lze zaručit dlouhodobé spolehlivé utěsnění tlakových zařízení a potrubí v chemických, petrochemických a energetických tlakových zařízeních. První zkušenosti u nás prokázala při zarážce v rafinerii v Litvínově firma Techseal, s.r.o. Praha, která kromě těsnostně-pev-nostních výpočtů přírubových spojů výměníků a potrubí vypracovala protokol pro správný montážní postup všech přírubových spojů s bezazbestovými těsněními. Další možnosti využití zkušeností firmy Techseal ukazuje doprovodný přehled nabízených služeb. Výsledky prokázaly, že jen splněním všech kroků bez vlivu „lidského činitele“ a použití „nejlepší dostupné techniky“ lze dospět k nejvyšší pro-vozní spolehlivosti zařízení se splněním požadavku těsnosti během požadované době provozu.