Inžinieringové riešenia pre tesnenia v jadrovej energetike

V jadrovej energetike sa vyžaduje splnenie najvyšších bezpečnostných štandardov už od počiatočnej ťažby uránu, cez jeho priemyselné spracovanie až po výrobu elektriny i tepla, následné spracovanie, úpravu a skladovanie rádioaktívneho odpadu a vyhoretého paliva. Vedecké a technické chápanie rizík súvisiacich s výrobou energie z jadra a všetky implementované technické riešenia sa riadia požiadavkou na maximálne zaistenie bezpečnosti práve ohraničením alebo eliminovaním rizikových faktorov. Všetci aktéri v jadrovej energetike, vrátane firiem, štátu, štátnych úradov a pod. sú viazaní bezpečnostnými princípmi, technológiami a kultúrou. Ako je však zvykom, vnímanie rizík verejnosťou sa často podriaďuje iným faktorom, v niektorých krajinách práve podporovaním negatívnych stanovísk a ovplyvňovaním verejnej mienky.

Utesnenie netesností – je to jednoduché?

Hneď ako sa v médiách v spojení s jadrovou energiou objaví termín „únik”, vždy sa stane dôvodom bitia na poplach. Jadroví inžinieri sa však týmto termínom zaoberajú veľmi vážne, s cieľom riešiť problematiku systematicky. Práve záujem týchto profesionálov neustále ovplyvňuje bezpečnosť, inováciu a vzdelanie. Pri úniku a zlyhaní zariadení je prezentovaný práve aspekt zaistenia bezpečnosti použitím inovácií a vysoko spoľahlivých tesniacich systémov.

Tesniace systémy a pridružené technológie sa aplikujú všade tam, kde sa spájajú komponenty alebo časti, pri ktorých je dôležitá prevencia úniku kvapalín alebo plynov. Tesniace systémy sú integrálnou časťou mechanických spojov mnohých základných systémov v jadrových zariadeniach, ako aj v špecifických systémoch a komponentoch. Tieto systémy nie sú limitované ich použitím, často sú však súčasťou:

reaktorových tlakových nádob,
hlavných cirkulačných čerpadiel,
parogenerátorov,
kompenzátorov objemu a tlaku,
potrubí a čerpadiel,
tepelných výmenníkov,
ventilov,
transportných a skladovacích kontajnerov pre rádioaktívny odpad a vyhoreté palivo,
prechodov medzi priemyselnými časťami a inými objektmi.

Tesniace systémy zohrávajú pri výrobe elektriny z jadra významnú rolu z hľadiska bezpečnosti, a to i napriek ich malým fyzickým rozmerom. Najdôležitejšia je ich spoľahlivosť a efektivita najmä pri špecifických aplikáciách.

Najvyšší stupeň bezpečnosti efektívnej prevádzky a údržby jadrových elektrární možno charakterizovať výrokom: „Udržte to utesnené”. Práve pri realizácií takýchto úloh je nevyhnutné zohľadňovať veľa faktorov.

Chápanie netesnosti / úniku

Pod netesnosťou sa rozumie unikanie kvapaliny a/alebo plynu cez otvor alebo prestup v materiáli v dôsledku rozdielu tlaku. Je dôležité si uvedomiť, že všetky materiály a mechanické spoje majú po určitom čase toleranciu netesnosti. Tá sa môže pohybovať v objemoch od desiatok či stoviek litrov za minútu, až po najmenšie plynové bubliny alebo kvapky kvapaliny, ktoré unikli v priebehu niekoľkých tisícročí.

Každé tesnenie je unikátne a pre jeho správny návrh je potrebné zohľadniť rozsah požiadaviek, dizajn a výrobu, či prípustnú hranicu netesnosti. Požiadavky typu „žiadna netesnosť ” alebo „nulová netesnosť” sú v technickom ponímaní nerealistické a môžu sa ukázať ako veľmi nákladné.

Tesnosť sa musí určiť s ohľadom na médium, ktoré sa utesňuje za normálnych prevádzkových podmienok, v súlade s bezpečnostnými požiadavkami na tesnenia, ochranu pred kontamináciou a samotnú funkčnosť tesnenia.

Na určovanie a testovanie netesnosti sa používa kvapalina alebo plyn. Práve pri malom tlaku sa správa plyn a kvapalina ako tok kvapalín. Tok plynu delíme do troch rozdielnych módov: turbulentný, laminárny a molekulárny Obrázok 1: Tok

Pokiaľ sa zdá, že netesnosť je výsledkom chyby hardvéru a/alebo jeho dizajnu, meria sa vždy objemový tlak za určitý čas.

Pre utesnenie média je absolútnou veličinou veľkosť molekúl a ich pomer k šírke tokovej dráhy. Utesnenie toku média s väčšími molekulami (napr. ropy) je jednoduchšie, než utesnenie toku média s menšími molekulami (napr. hélium alebo iný ľahký plyn).

Obrázok 2 znázorňuje vzorový mechanický spoj, ktorý sa používa v systémoch na prívod pary v jadrových elektrárňach. Či montovaný spoj riadne plní svoju funkciu, závisí od každého jeho komponentu a ich kvality. Predovšetkým ide o nasledovné komponenty:

1. príruba (vrátane nákresu príruby, rozmerov drážok a finálneho vzhľadu povrchu),

2. skrutky alebo spony,

3. tesnenie a/alebo tesniaca manžeta.

Dané tri hlavné komponenty nemôžu byť navrhnuté nezávisle od seba. Počas procesu návrhu musia byť chápané ako jeden systém. Ak by sa čo i len jediná časť montovaného spoju navrhovala samostatne, spoj ako celok by nesplnil očakávané parametre a bol by netesný. Inými slovami, výsledkom by bola netesná montáž. Funkciou sponovej záťaže na skrutkách, ktorá je definovaná špecifickým tlakom na mechanickom spoji, je utesnenie otvorov. Zjednodušene platí, že čím menšia je plocha, tým je tesnenie efektívnejšie.

Rozmery montovaného diela nie sú však vždy v súlade so zhotoveným tesnením. Požiadavkou na komponenty s väčším priemerom mechanických spojov je, aby bolo tesnenie väčšie než je rozmer „relatívneho otvoru”. Ten sa definuje ako otvor na milimeter obvodu tesnenia v komponente a určuje tesnenie na celý montovaný systém.

Tlak v systéme a teplota média tečúceho vo vnútri komponentu pôsobí na štruktúru tesnenia a ovplyvňuje jeho projektované mechanické a geometrické vlastnosti. Po určitom čase všetky čiastkové komponenty, vrátane tesniacich komponentov, podliehajú elektro-mechanickým vlastnostiam spojov kov na kov, ale tiež i vplyvom chemických prísad alebo nečistôt v tečúcom médiu alebo korózii. Výsledkom všetkých vplyvov je celková zmena vzhľadu a stavu povrchu.

Hlavné požiadavky, ktoré musia byť splnené pri tesniacich zariadeniach, sú nasledovné:

– tesnenia sa musia prispôsobovať mechanickým modifikáciám komponentu,

– tesnenia sa musia prispôsobovať deformáciám alebo zmenám podmienok povrchu príruby.

V tejto súvislosti to znamená, že tesnenie je súčasne i akýsi „kontrolný systém”, ktorý vďaka mechanickým vlastnostiam materiálu, z ktorého je zhotovené, reguluje deformačné faktory a zachováva tak hranice netesnosti. Hlavnými vlastnosťami materiálu sú najmä „elasticita” a „plasticita”, podľa ktorých sa kontroluje i funkčnosť tesnenia.

V prípade komponentov parných systémov v jadrových elektrárňach musí byť možnosť výkonu kontroly tesnení priebežná a dlhotrvajúca. Reaktory Gen III a Gen III+ sú navrhnuté nielen pre dlhšie intervaly výmeny paliva, ale súčasne aj pre dlhšie prevádzkové cykly, ktoré sa často pohybujú medzi 18 – 24 mesiacmi. V závislosti od týchto cyklov sa určuje frekvencia riadnych odstávok, počas ktorých možno vykonať celkovú údržbu.

Ako sa tesnilo v minulosti?

Na základe poznania vlastností netesnosti možno tesnenia v minulosti charakterizovať nasledovne:

– Pre veľké, ťažké príruby s rozľahlým povrchom a sponovou záťažou/tlakovou záťažou:

bolo navrhnuté tesnenie vo vnútri mechanického spoja ako časť mechanickej štruktúry; manžety boli tradične prichytené na nastavenie komprimovania tesnenia,
mechanické spoje si vyžadovali intenzívnu údržbu a/alebo opravu a boli náchylné na vytváranie netesností,
náklady spojené s návrhom a výrobou prírub boli vysoké,
základnou metódou na zaistenie parametrov tesnenia bola stúpajúca záťaž na spone, ktorá vytvárala vysoké napätie na úchytoch, povrchu a tesniacom materiáli,

– do tesniacich technológií bol pridaný grafit a zliatiny s vysokým obsahom niklu,

– problémy s prírubami sa testovali a riešili pomocou vylepšených tesniacich riešení.

Koncept kov na kov

Stabilita a elasticita štruktúry mechanického spoja sú v rozpore s mechanickými požiadavkami na tesniaci materiál. Tieto dve funkcie mechanických spojov boli konštrukčne oddelené – koncept kov na kov má zabezpečiť stabilitu, zatiaľ čo tesnenie má byť charakteristické elasticitou a plastickosťou. Integrovaný prístup k technickým návrhom prírub a tesnení (obr. 3) umožnil vytvoriť nové technické riešenia pre tesnenia, a to práve plnením požiadaviek kladených na tesnenia a súčasným využitím špecifických vlastností materiálov.

Na obrázku je znázornený integrovaný prístup, akým je koncept kov na kov, napríklad systém jadrovej elektrárne vybavený utesnením vo vnútri mechanického spojenia komponentov, ktorý garantuje splnenie nasledujúcich kritérií:

– optimálna kompresia tesnenia,

– nízka požiadavka na elasticitu,

– pevnosť komponentu,

Tepelná a tlaková nestálosť prevádzkových podmienok.

Autori: Thomas Ritter (Technetics Group, Senior Market Manager Nuclear) a Konstantin Jacoby (EEE JacobyKo spol. s r.o., independent consultant – energy). Viac informácií: www.techneticsgroup.com.

Poznámka: Text je prvým zo série štyroch textov o problematike inžinieringových riešení tesnení v jadrovej energetike, ktorá vzniká v rámci spolupráce medzi portálom energia.sk, Technetics Group a EEE JacobyKo. Nasledujúci text sa zameria na detailnejšie vysvetlenie konceptu kov na kov a ponúkne niekoľko príkladov expertízy a referencií na už existujúce inštalácie v jadrových elektrárňach.

Zdieľať

K téme

Bezplatné novinky z Energia.sk raz týždenne: