Statické tesnenia: koncept a technológie

V tomto článku sa dozviete o:

• preskúmaní a porovnaní hlavných znakov každého z princípov, vzhľadom na prostredie, v ktorom sa používajú
• analýze mechanickej kompatibility každého z princípov s existujúcimi svetovými technickými prostriedkami
• preskúmaní existujúcich a nových výpočtových metód prírubových komponentov vzhľadom na kontakt kovu na kov
• domnienkach a podnetoch evolučných kľúčových parametrov, ktoré by mohli zmeniť súčasný trend vývoja tesnení a spojov
• analýze oboch riešení vzhľadom na očakávania konečných užívateľov

1. Úvod

Technológia „skrutkovania prírub“, ktorá existuje už veľa rokov, viedla k vytváraniu variácií noriem, pravidiel dizajnov a štandardov. Vždy sa zakladala na tom istom postupe, ktorý je znázornený na obrázku č. 1. Montáž skrutkovanej príruby zahŕňa tri dôležité typy komponentov: prírubu, tesnenie alebo tesnivo a skrutky. Tieto tri zmontované komponenty musia spolu dosiahnuť duálnu funkciu, ktorá zabezpečí mechanickú integritu a hlavne utesnenie netesnosti. Pozornosť sa pomerne dlho zameriavala len na jednu z týchto dvoch funkcií, a to práve na mechanickú integritu, pričom v súlade s ňou sa vytvárali všetky existujúce kódy a štandardy (ASME, DIN, CODAP, RCCM, atď.).

Len posledných 25-30 rokov sa pozornosť upriamila na platený výskum komponentov, vykonávaný oficiálnymi laboratóriami, ktorý zostával neznámy: tesnenie. Rozsiahla práca bola čiastočne vykonaná v PVRC, MPA, BHRG a CETIM. K jej zhodnoteniu viedli nové činitele tesnení a testovacie procesy. Tieto činitele uvažovali s podstatou média, tlaku, teploty a triedou utesnenia. Vzhľadom na to, koľko úsilia sa vynaložilo na kontrolu alebo úspešné prognózovanie správania sa jednotlivých komponentov v lôžkach, skúškach tesnosti, alebo servisných podmienkach, v tvorbe samotného dizajnu spojov sa nezaznamenal  žiadny výrazný pokrok.

2. Princíp „žiadny kov na kov“

Princíp „žiadny kontakt kov na kov”, ako sme už spomínali, je v zásade jediným uznávaným princípom súčasných a novodobých kódov a štandardov. Obrázky 2a, 2b, a 2c znázorňujú samostatne flat-face (ploché čelo), male-and-female (samec-samica) a tongue-and-groove (jazýček-drážka) konfigurácie, ktoré charakterizujú princíp „žiadneho kovu na kov“. Z flat-face (plochého čela) sa postupne vyvinuli geometrické modifikácie na male-and-female (samec-samica) a ich význam bol ocenený najmä z hľadiska bezpečnosti. 

Hlavná vlastnosť týchto spojov je, že záťaž vyvolaná na spoji pri skrutkách pôsobí výlučne na tesnenie, začnúc na stupni montáže a pokračujúc na celej „životnosť“ spoja. Medzi prírubami nie je prípustný žiadny mechanický odpor akéhokoľvek typu.

Z tohto dôvodu sú v spojoch použité rozdielne typy tesnenia alebo tesniva, ktoré sú už typicky dizajnované rovnako: limitovaná hrúbka verzus dôležitá šírka. Hneď nás napadá niekoľko príkladov: ploché tesnenia, kovom opláštené tesnenia „typ pre tepelné výmenníky“, špirálovité tesnenia a vlnité tesnenia. V konštrukcii opäť nenastal žiadny pokrok a princíp tesnení/tesnív sa opäť veľmi približuje tým prvotným. Jediné čo nasledovalo technologické a enviromentálne trendy, bol práve materiál. Ako príklad môžeme uviesť nahrádzanie materiálov napr. azbestu prípustnejším (PTFE – polytetrafluóretylén) materiálom teflónom a tesniaceho materiálu – v čo možno najväčšej miere  elastickým grafitom.

Na stupni montáže, pri kompresii medzi dvoma prírubami, vykazujú všetky tieto tesnenia dôležitú vlastnosť:

FB = FJ                (1)

Toto je rovnica medzi vyvolanou záťažou na skrutkách (FB) a reakciou vyvolanej záťaže na tesnení (FJ). Celá záťaž vyvolaná na skrutkách pôsobí na tesnenie hneď na začiatku stupňa montáže a východisková reakcia tesnenia (FJ) sa modifikuje na celom upotrebiteľnom spoji pri vyššej alebo nižšej nepredvídateľnej záťaži (Fext), pričom vychádza z rozdielnych interných a/alebo externých pnutí, pri ktorých sa odkryje: váha materiálu, vákuum, tlak, externý moment ohybu, termické prechody, atď..

V závislosti na aplikácii bude prvotná tesniaca reakcia buď navýšená (FJ + Fext) alebo znížená (FJ – Fext) s možnosťou, že obidva javy prebehnú súčasne nad perifériou tesnenia ako je zobrazené na obrázku 3; na grafe je detailnejšie znázornené rozloženie záťaže verzus pozícia na periférii tesnenia. Na tomto špecifickom príklade, charakteristickom pre externý moment ohybu, by sa bod A na tesnení mohol stať príliš zaťaženým a bod C zasa primálo.

Obrázok 3 taktiež potvrdzuje, že je to do určitej miery spôsobené tesnením, čo je typické pre zväčša heterogénny komponent na spoji, aby sa adaptovalo na všetky typy variácií záťaže, vrátane vyššej so zrejmým rizikom zhoršenia  creep-relaxation (stresového zaťaženia) (FJ + Fext) v pozícii (A) alebo opotrebenia úrovne tesnosti (FJ – Fext) v pozícii (C).

V tomto momente si kladieme otázku:

Ako znázorniť všetky alebo časť externých pnutí tak, aby neovplyvňovali lôžko tesnenia?

3. Princíp „kov na kov“

Odpoveď na túto otázku sa zdá byť samozrejmá a intuitívna, pokiaľ toto riešenie uvažuje s využitím vysokoelastických O-krúžkov. Je to princíp „kontaktu kovu na kov”, kde sa nástroj na limitovanie kompresie pri danej hodnote rozpiera, vytvára drážky atď.. Konfigurácia „kov na kov” môže veľmi dobre fungovať za použitia príruby, podobne ako pri princípe „žiadneho kovu na kov”. To môžeme vidieť na obrázkoch 4a, 4b, a 4c za predpokladu, že rovnaký typ nástroja na limitovanie kompresie je umiestnený práve na styčnom mieste vo vnútri zaskrutkovaného krúžku, aby vyvolal mechanický odpor.

Tento limitujúci nástroj môže byť časťou tesnenia alebo separátnym komponentom, eventuálne môže uľahčiť inštaláciu tesnenia vo všetkých typoch štandardných male-and-female (samec-samica) alebo tongue-and-groove (jazýček-drážka) prírub ako už bolo zmienené vyššie.

Pri porovnaní s princípom „žiadny kov na kov“ si konfigurácia „kov na kov“ samozrejme žiada tesnenie alebo tesnivo odlišného dizajnu. V súčasnosti sa ich nachádza na trhu veľa,  napr.:

• elastické kovové tesnenie s optimalizovaným prierezom (Helicoflex®, kovový-O-krúžok, C- krúžok, atď.)
• špirálovité tesnenia s nízkym zaťažením lôžka
• tvarové pružné grafitové tesnenia

Vzhľadom na dizajn a základné (kovové alebo kompozitné) tesniace materiály sa musí kompresia stanoviť vopred a jej hodnota sa použije na dimenzovanie nástroja na jej limitovanie.  Práve pomocou tohto nástroja musí byť záťaž vyvolaná na skrutkách dostatočne schopná vyvolať mechanický odpor na spoji.  Žiadna záťaž, ktorá bola dosiahnutá tak, aby vyvolala mechanický odpor nepôsobí na celé tesnenie, nositeľom záťaže je nástroj na limitovanie kompresie. Či je týmto nástrojom krúžok alebo drážka, záťaž je vyvolaná nasledovne:

pri kove na kov:     FB = FJ         (2a)

„za“ kovom na kov:     FB > FJ         (2b)

Minimálnou požiadavkou na zabezpečenie kontaktu kovu na kov je záťaž, ktorá je vyvolaná na skrutkách, a je dostatočne vysoká a pôsobí na celý upotrebiteľný spoj. To znamená, že pre záťažovú konzistenciu, nepredstavuje vždy konštantu len záťaž na tesnení, ale aj záťaž ponad jeho perifériu, kým nenastane mechanický odpor, t.j. kontakt kovu na kov. 

4. Koncept tesnenia

Dobré tesnenia musia vykazovať dve základné vlastnosti:

• plasticitu na získanie utesnenia
• elasticitu na udržanie funkčnosti tesnenia, čo je mimoriadne dôležité v prípade princípu kov na kov.

A.  Plasticita

Plasticita vzniká v  prípade kompozitných tesnení vo výplni ako napr.: pri špirálovitých tesneniach (SWG), grafitových krúžkoch typu Origraf ® alebo pri vonkajšom obložení kovových tesnení.

V prípade kovového tesnenia si najprv zvolíme kompatibilný materiál s médiom tak, aby sa zabránilo korózii. Medzi akceptovateľný materiál patrí ten najjemnejší, ktorý je kompatibilný s tlakom tak, aby dosiahol čo najlepšiu plasticitu a spôsoboval čo najmenej defektov na povrchu tesniacej plochy. 

Výkon tesnenia je priamo prepojený so špecifickým tlakom tak, že vzniká medzi tesnením a tesniacou plochou príruby alebo zariadenia. Tento špecifický tlak posúva obloženie tesnenia do príruby, tlak pôsobiaci na obloženie je menší, jemnejší a záťaž pôsobí na lôžko tak, ako potrebujete.

B.    Elasticita

Princíp kontaktu kovu na kov kladie požiadavku na elasticitu tak, aby kompenzovala ohyb príruby počas prevádzky. Parameter, ktorý je veľmi dôležitý, nazývame „využiteľná elasticita“,  čo korešponduje so spätným efektom počas termických a tlakových cyklov.

Využiteľná elasticita sa veľmi mení vzhľadom na typ tesnenia, viď nižšie graf elasticity kovových tesnení.

5. TECHNETICS GROUP v jadre

O úspešnej technologickej aplikácii svedčí aj to, že tieto tesnenia s dizajnom konceptu „kov na kov” sú celosvetovo inštalované v jadrových elektrárňach, pracujú bezpečne a spoľahlivo už niekoľko desaťročí a vyprodukovali už milióny operačných hodín. Tesnenia spĺňajú najprísnejšie požiadavky na bezpečnosť, dizajn, prevenciu netesností, sú v súlade s vládnymi špecifikáciami a používajú sa v zariadeniach na obohacovanie uránu, v generáciách jadrových zariadení a kontajneroch pre transport a skladovanie vyhoretého jadrového paliva. 

Vzhľadom na tieto dlhodobé skúsenosti sú tesnenia (viď nižšie) špecifikované a verifikované pre NSSS (nuclear steam supply system – primárny okruh) a používajú sa väčšinou v jednotkách jadrových reaktorov PWR generácie typu Generation III+, ktoré sú v súčasnosti predmetom projektov a výstavieb. V nižšie uvedenom zozname uvádzame pomocou  príkladov variácie rôznych typov tesnení kov na kov a ich široké použitie v systémoch a komponentoch jadrových elektrární:

• horné bloky reaktorových tlakových nádob HELICOFLEX® / O-FLEX®
• parogenerátory a kompenzátory objemu a tlaku ORIGRAF®
• parogenerátory HELICOFLEX®
• reaktorové chladiace čerpadlá (RCP) HELICOFLEX® / SWG
• potrubné systémy ORIGRAF®
• membrány ORIGRAF® / HELICOFLEX®
• tepelné výmenníky pre RIS-RRA & RPE ORIGRAF®
• nádoby pre RPE, RCP, RIS, RCV ORIGRAF®
• vysokotlakové tepelné výmenníky (parný turbínový systém)    SWG + JPR
• priepust pre zariadenia v budove reaktora Silicone / EPDM profiles
• bazénové brány (RB & FB) CEFILAIR® / profiles
• parné turbíny HELICOFLEX®
• ventily HELICOFLEX® / ORIGRAF® / SWG
• transportné a skladovacie kontajnery pre HELICOFLEX®/O-FLEX® vyhoreté palivo
• termonukleárne reaktory HELICOFLEX®
• časticové akcelerátory HELICOFLEX®/ QDS

Použité skratky (z francúzštiny):

RCP: Reacteur Circuit Primaire/ primárny okruh

RCV: Reacteur Control Volumetrique/ odmerný kontrolný systém

RIS: Reateur Injection Securité / systém bezpečnostného vstrekovania

RPE: Reacteur Purge Event/ systém odtlakovania a odvetrania reaktora

RRA: Refroidissement Reacteur Arret/ odvádzací systém zvyškového tepla po vypnutí reaktora

RB: reactor building / budova reaktora

FB: fuel building / budova paliva

6. Zhrnutie

Podľa posledných výpočtových metód pre montáž skrutkovaných prírub a na základe združených štandardných procesov pre tesnenia a tesnivá sa konštatovalo, že je veľmi dôležitý práve dizajn spoja. Je potrebné, aby sa súbežne a systematicky uvažovalo s oboma princípmi „kov na kov“ a „žiadny kov na kov“. Požiadavka na tesnenia s odlišným dizajnom, znamená rozdielnu špecifikáciu pre špecifické spoje. Toto sa stáva kľúčovou otázkou, pokiaľ ide o spoľahlivosť a životnosť.

Je jasné, že princíp kovu na kov ponúka veľa výhod, ktoré sú atraktívne pre široké portfólio konečných užívateľov:

Stupeň montáže:

Tesnenie, ktoré má presne stanovenú reakčnú krivku sa môže použiť ako kalibrovaný pružný prvok v spoji, čo umožňuje lepšiu kontrolu a redukuje nezhodu medzi momentom použitia a aktuálnou záťažou na skrutkách v styčnom mieste spoja. Okrem toho pri všeobecnom použití, ak nie je dosiahnuteľný momentový kľúč, získame kontrolu pomerne ľahko a to tak, že kontakt kovu na kov dosiahneme sadou vložiek. Navyše mechanický odpor je najväčšia efektívna ochrana proti pretlakovaniu tesnenia.

Stupeň preverovania:

Je relatívne jednoduché vykonať previerku takéhoto tesnenia a/alebo simulovať jeho funkciu v tlaku práve vložením medzi dve doštičky a v identickej dobe testovať pnutia rozmerov lôžka a povrchových vlastností materiálu.  Preveriť môžeme nasledovné:

• záťaž Y2 (alebo záťaž na lôžku PY2) potrebná na dosiahnutie kontaktu kov na kov
• výkonu tesnenia v tlaku pri plyne alebo kvapaline
• prah tesnosti Ym na odťaženej krivke získaný testom na časti doštičky 

Stupeň verifikácie a výpočtov:

Analogicky so všeobecným prístupom je na získanie kontaktu kov na kov potrebná minimálna požadovaná záťaž na skrutkách a môže byť označená ako záťaž tesnenia v lôžku.

Minimálna záťaž sa musí navýšiť zadaním hodnoty, ktorá kompenzuje konečnú záťaž kvapaliny a externý moment ohybu, pričom obe smerujú na časť príruby. Toto udáva  záťaž nazývanú ako „pre-load“ predbežnú – záťaž, čo je rozhodujúci parameter pri montáži príruby skrutkami. Toto sa aplikuje i pri montáži, kde nie je inštalované žiadne tesnenie.

Jediná možnosť na „zobrazenie“ vonkajších stresov ako je pnutie a ťah, je „pre-load“ predpokladaná – záťaž montáže.  Problémom pri výpočte skrutky je, že ak neexistuje prepojenie skrutky, je potrebné, aby sa predpokladaná záťaž zabezpečila na celom spoji tak, že pod vplyvom akéhokoľvek typu vonkajšieho pnutia, či už statického alebo dynamického – ako sú napríklad vibrácie nenastane oddelenie príruby.  

Finálne resumé je, že môžeme potvrdiť jasný vývoj. Nedávne regulácie emisií ako aj rastúce požiadavky koncernov na spoľahlivosť a bezpečnosť prvkov preverujú tesnenia, v priemysle na všeobecnej a pri tesniacich technológiách na čiastkovej úrovni. Musíme si však uvedomiť, že v prípade tesniacich technológií je tesnenie alebo tesnivo LEN jeden z montážnych komponentov [príruba + skrutka + tesnenie]. Žiadať od tesnenia, aby sa správalo ako tlmiaci komponent všetkých druhov mechanických a termických pnutí je striktne v rozpore s jeho primárnou funkciou, ktorou je tesnosť.

Zhrnutie celého problému:

Tesnosť môže byť lepšie kontrolovaná a môže sa udržiavať len vtedy, pokiaľ je pri montáži adekvátne využívané mechanické pnutie.

Toto je jediná podmienka pre významný krok vpred, s vedomím, že za posledné roky nastal veľmi malý vývoj v otázke požiadaviek na tesnenia a ich dizajn.

Problém s azbestom umožnil vývoj nových materiálov, no pri vlastnostiach spojov sme nezaznamenali žiadny viditeľný pokrok.

Princíp kovu na kov sa zakladá na segregácii mechanickej a tesniacej funkcii, čo môže zlepšiť všeobecný výkon pri montáži skrutkovanej príruby.

Tesnenia a tesnivá prevádzkované na tomto princípe sa môžu vyvíjať paralelne s využívaním širokého spektra kovových a nekovových materiálov. Jediným obmedzením vývoja nového konceptu by bola len únava materiálov v prevádzke.

Autori:

Rene Gillier (Director Nuclear Strategic Business Unit, Technetics Group LLC),

Michel Lefrancois (Technical Director Static Seals, Technetics Group LLC) a

Thomas Ritter (Senior Market Manager Nuclear, Technetics Group LLC)

Viac informácií: www.techneticsgroup.com

Poznámka: Text je tretím 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.

Obrázky: Technetics Group LLC ©

K téme