Přírubové spoje: technická doporučení pro zlepšení spolehlivosti a životnosti

vakinfocz

Doc. Ing. Jiří Lukavský, CSc.
Ústav procesní a zpracovatelské techniky Strojní fakulty ČVUT v Praze

Problematika zajištění těsnosti přírubových spojů vznikla již při zavádění nových měkkých bezazbestových těsnicích materiálů začátkem osmdesátých let minulého století. Zcela nové materiály těsnění ještě po více než 30 letech od jejich zavedení přinášejí nové problémy do jejich navrhování, výpočtů jak zpracování, tak i montáže přírubového spoje. A i když požadavky na znalosti o utěsnění a všech následných kroků pro montáž nejsou na úrovni technologie svařování tlakových nádob a legislativy pro tlaková zařízení, je tu snaha pomocí technických pravidel a doporučení vytvořit základ pro získání dlouhodobě spolehlivých přírubových spojů. A tak zejména provozovatelé tlakových zařízení v zahraničí tlačí na projektanty, konstruktéry, údržbáře, revizní techniky a montážní pracovníky, aby zejména po zarážce tlakových zařízení získali opět (až pětileté) spolehlivé tlakové nádoby a potrubí, zejména s ohledem na zlepšování životního prostředí. Proto jsme se spojili s některými dodavateli těsnicích materiálů, abychom na základě poznatků zahraničních provozovatelů a výrobců získali znalosti o nejlepším postupu při navrhování těsnosti přírubových spojů. Celé úsilí vyústilo ve vypracování technických doporučení, která vyšla v únoru 2012 a 2013 jako TDT 001: Montáž přírubových spojů tlakových zařízení, TDT 002: Těsnění, příruby a šrouby pro přírubové spoje tlakových zařízení a TDT 003: Výpočet přírubových spojů tlakových zařízení. Kromě toho podle ČSN P CEN/TS 1591-4 připravila skupina odborníků z ČVUT v Praze, Techseal Praha, DIMER-Engineering v Hostouni, a MICo v Hrotovicích podle jmenované normy školení jako postgraduální nebo postmaturitní studium.

Těsnost přírubových spojů tlakových nádob, potrubí a armatur je přímo závislá na těsnění a jeho vlastnostech. Stejně tak je závislá i na volbě jednotlivých součástí, provedení celého spoje, tj. na vzájemném působení přírub, šroubů a těsnění v podmínkách jeho provozování. Přírubové spoje se používají jako rozebíratelné spoje ve všech průmyslových oblastech, v nichž se zpracovávají, dopravují nebo skladují kapalné a plynné látky. Zatímco příruby a šrouby zajišťují soudržnost a dostatečné předpětí součástí spojujících rozebíratelný spoj, funkce těsnění spočívá v utěsnění přírubového spoje, tzn. že těsnění zamezuje nebo omezuje podle požadavků na množství netěsnosti tok těsněné látky mezi dvěma oddělenými prostory.

Uživatel by měl upozornit na možné krizové stavy, které by vedly při vzniku netěsnosti buď k zastavení celé výroby, části zařízení nebo jen daného místa netěsného spoje (nebezpečí nutného odstavení). Montáž spoje by proto měli zásadně provádět vyškolení montážní pracovníci.

Historie

Historicky se měkká těsnění pro potrubní třídy do PN 40 ve formě desek používají prakticky od r. 1894, v roce 1904 byla prvně patentována azbestopryžová těsnění „klingerit“, později označována jako těsnění „it“ (Gummi–Azbest). Protože azbest je karcinogenní, začaly se od r. 1979 hledat náhrady. Prvně byla vlákna azbestu nahrazována jinými organickými a anorganickými vlákny; novinkou byl „expandovaný grafit a různé formy „PTFE“ (orientovaný, plněný). EU v počátku r. 1994-5 investovala větší částku do výzkumu těchto nových materiálů těsnění. Toho se zúčastnili jak výrobci, tak i uživatelé a výzkum. Výstupem byly nejen normy pro zkoušení těchto materiálů, ale i technické dodací podmínky. Dodnes vznikly a vznikají nové druhy jak měkkých, tak i kombinovaných těsnicích materiálů používaných pro přírubové spoje a prakticky každým rokem přicházejí výrobci s novými řešeními. Aby se dosáhlo spolehlivého dlouhodobého utěsnění, jsou pro problémy utěsnění používány další součásti nebo prostředky, např. tvrdé podložky, podložky s vloženými posuvnými závity (označenými jako „Disc“), talířové pružiny (označované „Live Loading“), různá maziva pro šrouby a dosedací plochy hlav šroubů a matic, dále trubkové nástavce pro zvětšení svěrné délky šroubů, matice se dvěma závity („Clamp“). Velmi důležité je i správné provedení demontáže a montáže s použitím nejlepší dostupné techniky (BAT – Best Available Technic). Zkušenosti z průmyslové praxe ukazují, že spolehlivost utěsnění závisí na:

  • správné volbě těsnění a jeho kvalitě,
  • manipulaci s těsněním od skladování až po dovoz na místo montáže,
  • přípravě zařízení před demontáží a montáží; management kontroly,
  • správném dimenzování přírubového spoje (těsnostní a pevnostní výpočet),
  • odborně provedené montáži (ČSN P CEN / TS 1591-4 „Kvalifikace personálu odpovědného za montáž šroubových spojů na zařízeních podléhající směrnici pro tlakové nádoby“) a použití vhodného montážního nářadí,
  • kontrole provedené práce.

V 70 letech minulého století byly specifikovány 3 třídy těsnosti (množství netěsnosti) pro měkká těsnění v průmyslové oblasti vztažené na střední obvod těsnění:

  • L1,0 = 1 mg/(s.m) pro utěsňování především kapalin,
  • L0,1 = 0,1 mg/(s.m) pro utěsnění technických plynů a par,
  • L0,01 = 0,01 mg/(s.m) pro utěsnění „nebezpečných látek“.

Od r. 2000 EU snižuje emise zvlášť nebezpečných látek organického i neorganického původu podle požadavku vyhlášky 337/2010 Sb, ( v Německu TA Luft nebo VDI 2440) na:

  • 10-5 kPa.l/(s.m) = 10-4 mbar.l/(s.m) » 0,165.10-4 mg/(s.m) množství netěsnosti na středním obvodu těsnění, docíleného při zkoušce na modelu těsnění. Množství netěsnosti na reálných přírubových spojích se pak pohybují řádově na 0,1 až 0,001 mg/(s.m).

Že existují problémy s montáží přírubových spojů, ukazuje příklad německé firmy Ineos GmbH Kolín n/Rýnem z roku 2011. Při zarážce krakovací jednotky bylo kontrolováno kolem 600 přírubových spojů, přičemž 10% spojů po montáži mělo jeden z následujících nedostatků:

  • uvolněné šrouby,
  • spoj bez vloženého těsnění,
  • špatně vystředěná těsnění,
  • nestejné rozměry nebo různé materiály šroubů na jednom přírubovém spoji,
  • užití nevhodných podložek (tvrdost),
  • nedostatečné mazání šroubů a jejich dosedacích ploch hlav a matic,
  • neočištěné šrouby,
  • chybné utahovací momenty,
  • více utažené šrouby do M 20, větší rozměry šroubů spíše nedostatečně utažené.

I když se to zdá nemožné, tak i přesto, že montáž prováděli pracovníci vyškolení podle ČSN P CEN 1591-4, došlo v technicky vyspělé zemi i k uvedeným nedostatkům.

Řešení tohoto problému spočívá v  kontrole, jejíž rozsah a obsah určuje údržba uživatele. Kontrola vlastními pracovníky bývá doplňována i kontrolou nezávislými odborníky. Čím lze ale vysvětlit uvedené chyby? Z největší části jsou ovlivněny tzv. „lidským faktorem“. Lidé dělají chyby; sám zkoušený kvalifikovaný montér dělá chyby z neznalosti, nepozornosti, pohodlnosti aj. Platí, že četnost chyb je třeba minimalizovat opatřeními kontroly jak před, během a po montáži potrubí nebo aparátu. Kontrola kvality má „odstrašující účinek “, montéři pracují koncentrovaněji, když vědí, že budou kontrolováni. Kontrola je osvědčeným prostředkem pro minimalizaci chyb. Jmenovitě vybraní pracovníci mají mít odpovědnost za konkrétní spoj. Pravidelnými kontrolami lze získat dobrý přehled o příčinách chyb a následně je možno zavést cílené zásahy pro nápravu. Podklady pro správnou montáž obsahují technická doporučení TDT-001 “Montáž přírubových spojů tlakových zařízení“, vydané společností Medim v r. 2012. Další dvě doporučení TDT-002 „Příruby, šrouby a těsnění tlakových zařízení“ a TDT 003 „Výpočty přírubových spojů tlakových zařízení“ vyjdou v r. 2013.

Dnešní trendy v oblasti přírubových spojů

Potrubí a jeho součásti podléhají v Evropě směrnicím pro výrobky, které podléhají kontrole, příp. podléhají jiným nebo dodatečným zákonným ustanovením, jako např. v Německu TA-Luftu, zákonu o vodním hospodářství a některá musí splňovat i požadavky nevýbušného prostředí. K těmto směrnicím se vypracovávají v EU harmonizované normy, které se postupně zapracovávají do národních norem členských států EU. V současné fázi přechodu, kdy ještě u nás stále platí staré národní směrnice a normy (např. ČSN 69 0010 pro tlakové nádoby apod.) a nový systém EU norem není kompletní, není ještě situace vyřešena a součásti potrubí a tlakových nádob podle těchto nových EU-norem nejsou všechny na trhu nabízeny. Přesto přechod na EU normy, konkrétně ČSN EN 1591-1,-2, ČSN EN 13555, ČSN EN 13480, ČSN EN 13445 a ČSN EN 1092-1, ČSN EN 1759 dávají námět, jak dosáhnout cíle.

Důvody, které podporují užívání těchto norem:

  • jsou to harmonizované evropské normy,
  • sjednocují evropský trh a posilují konkurenceschopnost evropských dodavatelů proti mimoevropským,
  • tyto normy představují jednotný základ pro projektování v Evropě a tím se redukuje budoucí potřeba změn a následných nákladů,
  • možnost sjednocení potrubních dílů a tlakových zařízení přinese snižování nákladů na skladování.

Rozpracované podklady byly zveřejněny konsorciem VDI-GVC[1] (pracovní skupina „potrubních tříd“) ve formě nové PAS 1057[2] pro procesní zařízení v r. 2005 a 2007. Několik částí PAS 1057 uvádí např. základy pro stanovení potrubních tříd podle ČSN EN 13480, konstrukci hrdel a přírub pro strojní svařování, technické dodací podmínky pro potrubí z nelegovaných a legovaných ocelí se stanovenými vlastnostmi při zvýšených teplotách, pro potrubní části z austenitických ocelí, potrubní třídy PN 10 až PN 100 aj. Jednou z nejdůležitějších částí potrubí je přírubový spoj, který sestává z příruby, šroubů, matic a těsnění.

V celém řešení exponovaných přírubových spojů se stal stěžejním návrh spoje pomocí výpočtu. Norma ČSN EN1591-1 poskytuje doposud nejkomplexnější analytickou metodu, která řeší analýzu přírubového spoje jako systému příruby-šrouby-těsnění z hlediska těsnosti a pevnosti.

Uvažují se základní parametry:

  • tlak tekutiny;
  • pevnostní hodnoty materiálu příruby, šroubů a těsnění;
  • součinitelé těsnosti;
  • síla ve šroubech,

ale také další parametry:

  • možný rozptyl při utahování šroubů;
  • změny těsnicí síly způsobené deformací všech částí spoje;
  • vliv připojené skořepiny nebo trubky;
  • vliv vnějších přídavných osových sil a ohybových momentů;
  • vliv teplotních rozdílů mezi šrouby a listem příruby

Výpočtem dle ČSN EN1591-1 se kontroluje těsnost přírubových spojů a pevnost přírub a spojovacích šroubů (svorníků). Nejrozšířenější výpočty přírubových spojů používané v konstrukci tlakových nádob nebo potrubí – ČSN 69 0010-4.18, ČSN EN 13 445-3, ČSN EN 13480-3 řeší hlavně pevnost přírubových spojů a těsností spoje se zabývají jen okrajově a velmi zjednodušeně, nebo se odvolávají na ČSN EN 1591-1.

Výpočty dle ČSN EN1591-1 berou v úvahu všechny stavy provozování – montáž, ustálený pracovní režim, tlakovou zkoušku, parametry při najíždění, sjíždění a jejich případné kolísání během provozu. Dále tyto výpočty zohledňují pružnost a tuhost součástí spojů, jejich teplotní roztažnost, rozdíly teplot součástí spojů a parametry těsnicích materiálů dle ČSN EN 13 555. Lze spočítat utahovací síly a momenty při montáži a utahovací tlaky v těsnění při montáži za ustáleného provozu a při ostatních provozních stavech. Jako výchozí se volí utahovací síly při montáži a tím utahovací momenty tak, aby přitom všechny součásti přírubových spojů vyhověly s příslušnou bezpečností při všech provozních stavech.

Použití výpočtové metody dle ČSN EN1591-1 je zejména užitečné pro spoje, u nichž je síla ve šroubech během utahování měřena. Čím větší je zde přesnost měření, tím prospěšnější je použití této výpočtové metody. Naopak lze říci, že použití utahovacích metod bez kontroly síly nebo momentu při utahování činí takový výpočet téměř bezcenným a vzhledem k jeho náročnosti naprosto neefektivním.

Parametry těsnění potřebné pro výpočty poskytují renomovaní výrobci těsnění, kteří je pravidelně během výroby těsnění zkoušejí metodami uvedenými v ČSN EN 13 555. Použití správných parametrů je předpokladem k tomu, aby výpočet vystihl chování přírubového spoje a mohl být považován za platný doklad o správnosti dimenzování spoje.

Vznik technických doporučení

Zatím jsou dokončena tři „technická doporučení“, která se týkají vlastní montáže, návrhu přírubového spoje (přírub, šroubů a těsnění) a výpočtu spoje na těsnost a pevnost. V současnosti se připravuje jejich aktualizace.

Skupinu utvořili techničtí pracovníci firem MICo, s.r.o., TECHSEAL, s.r.o., DIMER Engineering s.r.o. pod vedením předního odborníka v problematice utěsňování z ČVUT-FS, Doc.Ing. Jiřího Lukavského CSc.

Technická příprava spočívala v provedení následujících kroků:

  • Výběr bezazbestového preferovaného těsnění v souladu s předpisy platnými v rafinériích
  • Výpočty
    • Výpočty pevnosti a těsnosti hlavních přetěsňovaných přírubových spojů s nenormalizovanými přírubami (na pláštích, komorách, víkách) dle ČSN EN 1591-1.
    • Výpočty utahovacích momentů a utahovacích měrných tlaků v těsnění přírubových spojů s normalizovanými přírubami (většinou na hrdlech) nebo s pravoúhlými či oválnými přírubami dle firemních postupů.
  • Výkresy těsnění hlavních přírubových spojů, které nejsou tvořeny jednoduchým mezikružím
  • Montážní návody na utahování přírubových spojů s preferovaným a alternativním těsněním
  • Přehledy výsledků vyplývající z výpočtů.

Pohled společnosti na oblast přírubových spojů je komplexní, tzn. pro ni je každý přírubový spoj tvořen třemi oblastmi:

  • Návrh konstrukce (šrouby, matice, podložky, typ příruby)
  • Těsnění (tlak, teplota, médium)
  • Montáž (personál, montážní prostředky, kontrola)

Všem těmto oblastem je třeba věnovat stejnou a náležitou pozornost, jedině tak lze dosáhnout požadovanou těsnost, zvlášť pokud jsou tyto spoje součástí potenciálně nebezpečných provozů, jako například jaderné elektrárny, rafinerie, chemické provozy, apod.

Technická doporučení a technická pravidla

Technická doporučení TDT 001 – Montáž přírubových spojů tlakových zařízení – stanovují směrnice pro volbu, návrh a montáž šroubovaných přírubových spojů. Kladou si za cíl analyzovat podmínky platné pro těsnící spoje na základě dosaženého stavu technického vývoje a snaží se přiblížit praktickému využití těchto znalostí při vlastní montáži.

Technická doporučení TDT 002 – Těsnění, příruby a šrouby pro přírubové spoje tlakových zařízení – se podrobně zabývají součástmi přírubového spoje, vlastnostmi těsnění, vzájemným působením přírub, šroubů a těsnění.

Technická doporučení TDT 003 – Výpočet přírubových spojů tlakových zařízení – popisují různé druhy výpočtů přírubových spojů z pohledu projektantů, techniků, ale i vedoucích pracovníků údržby.

Tato doporučení by měla po konzultaci s projektanty, konstruktéry, údržbou i pracovníky montáže vyústit v „technická pravidla“ ve smyslu ČSN EN 45020, tzn., že by šlo o normativní dokumenty obsahující pravidla správné praxe.

Citované normy

ČSN EN 1591-1 + A1         Příruby a přírubové spoje – Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů – Část 1: Výpočtová metoda

ČSN EN 1591-2       Příruby a přírubové spoje – Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů – Část 2: Parametry těsnění

ČSN P CEN/TS 1591-3      Příruby a přírubové spoje – Pravidla pro navrhování těsněných přírubových spojů – Část 3: Metody výpočtu přírubových spojů se stykem kov na kov

ČSN P CEN/TS 1591-4      Příruby a přírubové spoje – Pravidla pro navrhování těsněných přírubových spojů – Část 4: Kvalifikace personálu odpovědného za montáž šroubových spojů na zařízeních podléhajících směrnici pro tlaková zařízení

ČSN EN 13480        Kovová průmyslová potrubí

ČSN EN 1092          Příruby a přírubové spoje. Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením PN – Část 1: Příruby z oceli

ČSN EN 13555        Příruby a přírubové spoje – Parametry těsnění a zkoušení vztahující se na pravidla dimenzování přírubových spojů s kruhovými přírubami a těsněním

ČSN EN 13445        Netopené tlakové nádoby

ČSN EN 1092          Příruby a přírubové spoje – Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením PN

ČSN EN 1759          Příruby a přírubové spoje – Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením Class

ČSN EN 45020        Normalizace a související činnosti – Všeobecný slovník

ČSN 69 0010           Tlakové nádoby stabilní: Technická pravidla

VDI-GVC – konsorcium „Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen“

PAS – „Publicly Available Specification“; DIN PAS 1057 “Pipe Clases for Process Plants“

Související články