METODY PROWADZENIA OBLICZEŃ ZŁĄCZ KOŁNIERZOWYCH Z USZCZELNIENIEM PŁASKIM

Obliczenia uszczelnienia dokonywane są poprzez sprawdzenie możliwości zastosowania określonego uszczelnienia, bądź poprzez dobranie cech konstrukcyjnych połączenia kołnierzowego w sposób podporządkowany określonej uszczelce. Nie jest to w żadnym wypadku algorytm zdolny optymalizować cechy konstrukcyjne samego uszczelnienia, którego dobór dokonywany jest w oparciu o wiedzę i doświadczenie projektanta lub użytkownika. Spełnienie poniżej opisanych warunków obliczeniowych zapewnia bezpieczeństwo wytrzymałościowe w odniesieniu do uszczelki oraz szczelność podczas próby wodnej.

Należy dodać, że połączenie kołnierzowo- śrubowe stanowi system wzajemnie na siebie oddziaływujących elementów: śrub, kołnierzy, uszczelki, a także płaszcza lub rurociągu. W przypadku zmian dokonywanych w obrębie uszczelnienia, należy zwrócić uwagę, jakie zmiany może ono pociągnąć w pozostałych elementach. Możemy uważać, że dla wytrzymałości i stanu obciążenia śrub oraz kołnierzy zmiana uszczelnienia nie ma wpływu, jeśli nie przekraczamy dotychczasowego naciągu montażowego, ruchowego, oraz nie zmieniamy średniej średnicy uszczelki. Rozważając konstrukcję połączenia kołnierzowego pod uwagę musimy wziąć przede wszystkim dane niezależne od samego połączenia, takie jak ciśnienie robocze oraz nominalną średnicę rurociągu, a po dokonaniu obliczeń dobrać odpowiednią szerokość kołnierzy, materiał uszczelki oraz ilość i jakość śrub.

W Polsce stosowane są następujące metody obliczeń połączeń kołnierzowych:

• według broszury obliczenia wytrzymałościowe DT-UC-90/WO-O opracowanej przez Urząd Dozoru Technicznego, przy podanych współczynnikach:
  • đm – minimalne naprężenia formujące,
  • đr – minimalne naprężenia ruchowe oraz
  • b – współczynnik relaksacji,
• według przepisów niemieckich AD- -merkblatt, przy podanych współczynnikach obliczeniowych wyznaczonych za pomocą normy DIN 28090-95,
• według amerykańskiej normy ASME Code; Sekcja VIII, Division 1; Appendix 2, przy podanych przez producenta współczynnikach obliczeniowych m oraz y wyznaczonych wg normy ASTM.

Wyżej wymienione metody dopuszczone są przez Urząd Dozoru Technicznego jako wzory obliczeń połączeń kołnierzowo-śrubowych w urządzeniach podlegających dozorowi technicznemu. Pomimo, iż wszystkie metody oparte są na jednakowych zasadach, to różnią się jednak sposobem prowadzenia obliczeń. Zatem współczynniki obliczeniowe podawane przez producentów konkretnych materiałów uszczelniających są przypisane do konkretnej metody obliczeniowej i nie są bezpośrednio zamienne.

Dla zapewnienia szczelności połączenia kołnierzowego konieczne jest właściwe wyznaczenie wartości naciągu montażowego. Ponieważ dla płyt uszczelkarskich oferowanych przez Sinograf współczynniki obliczeniowe y oraz m zostały wyznaczone według amerykańskiej normy ASTM, zatem obliczenie wartości naciągu montażowego należy przeprowadzić wg ASME Code.

Wartość naciągu montażowego “W” wyznaczają dwie wielkości. Pierwszą jest tzw. naciąg formowania uszczelki Wm2; drugą naciąg ruchowy Wm1. Jako wartość naciągu montażowego śrub przyjmuje się większą z tych wartości.

Naciąg formujący Wm2 jest to siła z jaką należy docisnąć uszczelkę w celu zamknięcia mikroporów wewnątrz samej uszczelki oraz wypełnienia nierówności na styku przylga kołnierza – uszczelka. Formowanie uszczelki dokonuje się w warunkach temperatury i ciśnienia atmosferycznego, bez obciążenia wewnętrznym ciśnieniem roboczym. Naciąg formujący jest wielkością stałą zależną tylko od materiału uszczelki oraz jej wymiarów. Wynosi on dla uszczelnień grafitowych średnio od 900 do 5000 psi, przy czym ciśnienie 1000 psi odpowiada ciśnieniu 68,94 bara.

Minimalny naciąg na śrubach wymagany w celu uformowania uszczelki określa wzór Wm2 = 3,14 bGy, gdzie:

• b – czynna szerokość uszczelki wyznaczona z zamkniętej pomiędzy przylgami powierzchni i podlegającej naprężeniom rzeczywistej szerokości uszczelki,
• G – tzw. czynna średnica uszczelki,
• y – minimalne naprężenie formujące. Parametr ten charakteryzuje materiał uszczelki, określany przez producenta.

Naciąg ruchowy śrub Wm1 powinien przenieść obciążenia pochodzące od ciśnienia wewnętrznego H oraz zapewnić pozostanie na uszczelce nacisku sprężenia Hp nawet po relaksacji połączenia. Ciśnienie wewnętrzne H jest to siła pochodząca od obliczeniowego ciśnienia roboczego P medium w odniesieniu do czynnej średnicy uszczelki. Nacisk sprężenia Hp jest wyrażony wg ASME Code jako wielokrotność “m” ciśnienia roboczego.

Siła naciągu ruchowego wyrażona jest wzorem: (2) Wm1 = H + Hp  = 0,785G2P + (2bx3,14GmP), gdzie:

• P – ciśnienie robocze medium
• b – czynna szerokość uszczelki wyznaczona z zamkniętej pomiędzy przylgami powierzchni i podlegającej naprężeniom rzeczywistej szerokości uszczelki,
• G – tzw. czynna średnica uszczelki
• m – bezwymiarowy współczynnik obliczeniowy podawany przez producentów uszczelnień.

Analizując powyższe wzory w odniesieniu do uszczelnień grafitowych nasuwają się następujące wnioski:

1. Ponieważ uszczelnienia wykonane z płyt grafitowych charakteryzują się dużym powrotem elastycznym, wskazane jest stosowanie uszczelnień cieńszych, co polepsza szczelność połączenia kołnierzowego bez konieczności zwiększania jego sztywności.
2. W związku z tym, iż naciski formujące uszczelek grafitowych są mniejsze w porównaniu np. z uszczelkami kauczukowo-azbestowymi istnieje możliwość zamiany materiału uszczelki, przy zachowaniu istniejącej konstrukcji połączenia kołnierzowego.

Nacisk na styku uszczelnienie-kołnierz wywołujemy przez napięcie śrub podczas montażu złącza; nacisk ten nazwano naciskiem montażowym. Przy uszczelnianiu cieczy zaleca się przyjmować nacisk montażowy p_min: p_min = a + bp0 [Mpa], gdzie:

• p0 – ciśnienie czynnika [Mpa]
• a = 4÷ 5 [Mpa]
• b = 3

Przy uszczelnianiu gazów nacisk ten musi być znacznie wyższy: p_min = a1 + b1p0 [Mpa], gdzie:

• a1 = 18 ÷ 20 [MPa]
• b1 = 4,5

Ciśnienie czynnika powoduje napór odciążający dane złącze. Oznacza to wydłużenie śrub i spadek nacisku montażowego. Odciążenie to uwzględniamy przy doborze ostatecznej wartości minimalnego nacisku montażowego pm min : pm min = pmin + p0π d2/πdśrucz [MPa], gdzie:

• d – średnica rurociągu
• dśr – średnia średnica uszczelnienia,
• dśr= d + ucz
• ucz – szerokość uszczelnienia

Należy sprawdzić, czy naprężenie montażowe nie przekracza dopuszczalnej wartości nacisku stykowego бmax dla danego materiału (podawany w tabelach własności materiałów).

Znajomość nacisku montażowego oraz wymiarów uszczelnienia umożliwia wyznaczenie całkowitego obciążenia złącza, a tym samym dobór śrub.

Opis danych o własnościach materiałów na uszczelnienia

• Ściśliwość materiału – jest to stopień zmiany grubości materiału pod wpływem przyłożonego obciążenia. Wielkość tę wyznacza się przy nacisku pi=35MPa i wyraża w procentach początkowej wartości grubości. Im większa ściśliwość, tym materiał łatwiej wypełnia nierówności na powierzchni kołnierza, ale jednocześnie tym mniejsza jest jego wytrzymałość na ściskanie.
• Powrót sprężysty – informuje o zdolności materiału do odzyskania pierwotnego wymiaru po odjęciu obciążenia. Wyniki badań pokazują, że każdy materiał ulega trwałemu odkształceniu; im większy powrót sprężysty, tym lepiej materiał uszczelnienia reaguje na ewentualne zmiany śrub i kołnierzy.
• Wytrzymałość na ściskanie бmax – jest to dopuszczalne naprężenie ściskające dla danego materiału i kształtu uszczelnienia. Podane wartości odpowiadają naprężeniom ściskającym, przy których sprężysty powrót materiałów jest jeszcze dostatecznie duży.
• Wytrzymałość materiału na rozrywanie – ma znacznie w sytuacji, gdy siły tarcia utrzymujące uszczelnienie między kołnierzami maleją. Ciśnienie uszczelniajacego czynnika działając na pobocznicę uszczelnienia powoduje jego rozciąganie. Przy braku dostatecznej wytrzymałości na rozciąganie może dojść – w sytuacji spadku siły tarcia – do rozerwania, tzw. „wydmuchnięcia” uszczelnienia.

Zalecenia szczegółowe

1. Materiał uszczelniania
   • Sprawdzić, czy wybrany materiał może pracować w danym czynniku – patrz tabele odporności chemicznej.
2. Grubość i szerokość uszczelniania
   • Im cieńsze uszczelnienie, tym bardziej można je obciążać i tym
     wolniej zachodzą w nim procesy relaksacyjne. Cienkie uszczelnienia wymagają sztywnych kołnierzy oraz gładkich powierzchni czołowych. Zaleca się grubości 1÷2 mm.
   • Grubsze uszczelnienia pożądane są tam, gdzie błędy kształtu powierzchni są większe i gdzie chropowatości są wyższe.
   • Minimalna szerokość uszczelnienia powinna być równa co najmniej pięciu grubościom materiału. Przy uszczelnianiu gazów minimalna szerokość ≥12 mm.
   • Im szersze uszczelnienie, tym mniejszy wpływ ciśnienia czynnika po na zmianę wartości nacisku stykowego. Napięcie śrub musi wzrosnąć – dla wywołania pm min – przy wzroście szerokości uszczelnienia.
   • Z wyrażenia Qucz/d = const wynika, że zachowanie danego wycieku Q w kołnierzach o większej średnicy d wymaga zwiększenia szerokości uszczelnienia ucz.
3. Kołnierze i śruby
   • Sztywność kołnierzy, równoległość ich powierzchni czołowych oraz brak rys promieniowych są warunkiem poprawnej pracy uszczelnienia.
   • Przeciętna chropowatość powierzchni kołnierzy powinna wynosić Rz≤40 mm. Parametru Ra do opisu chropowatości powierzchni współpracujących z uszczelnieniami spoczynkowymi nie zaleca się stosować.
   • Nie zaleca się smarować powierzchni kołnierzy środkami zmniejszającymi współczynnik tarcia pomiędzy uszczelnieniem, a kołnierzem. Im mniejsze tarcie, tym większe odkształcenie uszczelnienia przy zadanym nacisku.
   • Korzystniej jest stosować w złączu śruby dłuższe niż krótsze.
   • Zalecane jest smarowanie śruby i nakrętki smarem, co prowadzi do zmniejszenia różnicy w napięciach śrub w danym złączu.
   • Nie należy stosować śrub odkształconych, zgiętych, ze zużytym gwintem, itp.
   • Śruby powinny pochodzić od znanego i sprawdzonego dostawcy.
4. Obciążanie złącza z uszczelnieniem spoczynkowym:
   • Jeżeli przewiduje się próbę ciśnieniową złącza to napięcie śrub powinno odpowiadać ciśnieniu próbnemu ppr. Po przeprowadzeniu próby ciśnieniowej śruby muszą być poluzowane i ponownie dokręcone odpowiednio do wartości ciśnienia czynnika roboczego p0.
   • Uszczelnienie zwiększa swoją szerokość i obwód podczas dokręcania śrub w złączu. Dobre wyniki osiąga się dokręcając kilka śrub naraz.
   • Śruby należy obciążać stopniowo:
     • pierwsze napięcie w wysokości ~ 50% całkowitej wartości,
     • drugie napięcie - ~ 80% całkowitej wartości,
     • trzecie napięcie – pełne obciążenie.
   • Różnica napięcia śrub w danym złączu może dochodzić do: α= F_max/F_min=1,4÷1,6
   • Rozrzut ten zmniejszamy smarując smarem śruby i nakrętki. Mniejsze wartości współczynnika α przyjmuje się dla śrub dłuższych, większe dla śrub krótszych.
   • Nacisk montażowy pm_min'>pm_min α, a maksymalny nacisk pm_max<σ_max/α
   • Zabezpieczenie uszczelnienia przed wydmuchaniem wymaga nacisku: pw≈po*h/2ucz f≥pmmin', gdzie:
     • h – grubość uszczelnienia
     • f – współczynnik tarcia.
   • W złączu kołnierzowym typu wpust-wypust nie dojdzie do przeciążenia montażowego uszczelnienia o właściwie dobranym przekroju. Przy pewnym dokręceniu śrub dochodzi do zetknięcia się płaskich powierzchni kołnierza i od tego momentu uszczelnienie nie jest dalej obciążane.
   • Średnica wewnętrzna uszczelnienia powinna być bliska średnicy wewnętrznej kołnierza. W tym przypadku zwiększanie ciśnienia czynnika po i towarzyszące temu odkształcenia kołnierzy tylko w niewielkim stopniu zmienia wartość nacisku.
   • Im wyższa temperatura czynnika roboczego, tym większy powinien być nacisk montażowy. Należy pamiętać, że σmax maleje z temperaturą.
   • Dokręcanie śrub w czasie pracy złącza jest niebezpieczne