Nové trendy v problematice rozebíratelných spojů

Autoři:
Ing. Jan Tomáš, TECHSEAL s.r.o.
Doc. Ing. Jiří Lukavský, CSc., Fakulta strojní, ČVUT v Praze

V začátku roku 2016 bychom rádi přispěli svojí vizí do roku 2020, kam bychom se měli v oblasti údržby a provozu tlakových zařízení posunout z hlediska bezpečnosti a spolehlivosti procesních a energetických zařízení.

Minulý rok byl pro průmysl ČR v tomto ohledu varovným a média věnovala smutným událostem dost pozornosti, že většině odborné veřejnosti z oboru tlakových zařízení tyto zprávy neunikly. Není náhodou, že od konce října 2015 masivně uniká zemní plyn (metan) z úložiště v jižní Kalifornii a denně vytváří stejné množství skleníkových plynů jako 4,5 milionu aut nebo šest uhelných elektráren. Obyvatelům blízké obce Porter Ranch dochází s firmou zodpovědnou za únik trpělivost. Zemní plyn pronikající skrz prasklinu v trubce by sice neměl mít dlouhodobé negativní účinky na lidské zdraví, způsobuje ale nevolnost a další potíže. Únik je odhadován asi na 50 tun zemního plynu každou hodinu.

Pokud pomineme vliv na zdraví a životní prostředí, finanční ztráty netěsnostmi lze vyčíslit následovně:

3”, 1500 lb (DN80, PN250) plynové potrubí odstavené z důvodu nedostatečné údržby rozebíratelných spojů: Ztráta výroby ve výši 2,25 mil. $
16“, 300 lb (DN400, PN50) ventil nainstalovaný nekvalifikovaným personálem následně inicioval požár: Ztráta výroby ve výši 1,68 mil. $
Pracovníci správy majetku odhadují průměrnou ztrátu netěsnostmi kolem 100 tis. $/jeden únik, náklady kalkulovány jen na čas opravy a použitý materiál

Podniky, které pomocí tlakových zařízení provozují výrobu, musí z hlediska systému managementu kvality ČSN EN ISO 9001:2008 a FMEA – analýzy možnosti vzniku vad a jejich následků (Failure Mode and Effects Analysis), environmentálního managementu ČSN EN ISO 14001:2004 a nově i managementu hospodaření s energií ČSN EN ISO 50001 – energetické audity v průmyslu s účinností od prosince 2015 (novela zákona o hospodaření s energií 103/2015 Sb. zákona 406/2000 Sb.) rozlišovat problematiku těsnosti ve dvou skupinách:

běžné utěsnění je snadno realizovatelné, protože vznikající možné netěsnosti jsou evidovány pouze jako ztráta látky, např. chladící vody, tlakového vzduchu, páry aj. nebo při beztlakové dopravě látky; „princip omezeného selhání“
kritické rozebíratelné spoje, na které jsou v důsledku škodlivých emisí kladeny vysoké požadavky z hlediska kvality utěsnění nebo těsnicího systému, např. u látek poškozujících zdraví, mutagenních, karcinogenních, jedovatých, hořlavých, výbušných příp. radioaktivních, nebo když utěsnění je ztíženo nutností užití speciálních těsnicích systémů nebo dokonce i při znemožnění jejich užití.

Vedení zodpovědných podniků prokazující se chartou „Responsible care“ by měly zajistit, aby integrita kritických rozebíratelných i nerozebíratelných spojů byla evidována a dokumentována odpovídajícími softwarovými nástroji (např. ORACLE Primavera, Hydratight JDMS – Joint Data Management System či αlpha docs od www.ep-cm.com), které jsou v současnosti k dispozici a již běžně používány. Je potřeba nastavit systém správy rozebíratelných spojů a tím systematicky zajistit integritu tlakových zařízení, tedy jejich bezpečnost a těsnost.

Informace z historie kritických spojů je nutno využít k opatřením, tedy ke zpětné vazbě z provozu tzn. zkušenosti použít k úpravě vstupních parametrů rozebíratelných spojů a docílit tak jejich spolehlivé a bezpečné funkce viz tento diagram:

Je třeba si dále uvědomit, že kvalita utěsnění šroubových spojů není určena jen cenou těsnění, ale i konstrukčními a materiálovými vlastnostmi všech částí spoje, příp. znalostmi o probíhajících fyzikálně chemických pochodech, příp. sledováním příčin selhání šroubového spoje v zařízení. Rozhodující může být i způsob montáže a demontáže, které mohou ovlivnit druh použitého nářadí, postup utahování spoje, příp. „lidský faktor“. Protože vlastnosti i stejného druhu těsnění mohou být rozdílné, dané výrobcem, složením, způsobem skladování a zpracování, způsobem montáže aj., je třeba o těchto podmínkách mít více informací. Jak v EU, tak i USA jsou tendence, zejména pro zlepšení spolehlivosti utěsnění u kritických přírubových spojů tlakových zařízení. Vyvolávají to snahy o snižování nebezpečných emisí jak organických, tak i anorganických těkavých látek. Přispívají k tomu jak nové zákony, směrnice a návody, ale s ohledem na tyto velké změny v této problematice je třeba s novinkami seznámit všechny zúčastněné školeními. Z prvních reakcí se ukazuje, že je třeba seznámit s problematikou pracovníky montáže přírubových spojů a jejich vedoucí. Zejména u velkých firem dodávajících části tlakových zařízení se ukazuje, že s touto problematikou by se měli seznámit jak projektanti, tak i konstruktéři, údržbáři, výrobci částí těchto zařízení. Tento tlak jsme si uvědomili před několika roky, a proto jsme vypracovali technická doporučení pro montáž, výpočty pro pevnostní a těsnostní dimenzování přírubových spojů, rozšířili jsme spolupráci pro školení podle ČSN EN 1591-4. Co všechno je třeba sledovat, aby se při návrhu šroubových spojů dosáhlo spolehlivého utěsnění?

Technická pravidla

Aby se v oblasti tlakových zařízení přiblížily vědomosti o problematice utěsňování, shromáždili jsme na doporučení Hospodářské komory pod problematikou přírubových spojů pracovníky z oblasti firem zastupujících výrobce tlakových zařízení a těsnění a provozovatele tlakových zařízení a odborníky z výzkumu. A to jak z energetiky, strojírenství, potravinářství, farmacie, ale především z chemického a petrochemického průmyslu, kde kritických spojů je hodně a kde je třeba se zaměřit zejména na sledování rizik, příčin selhání a nutnosti odstavení částí průmyslových zařízení.

Technická pravidla pro provozní bezpečnost reprodukují stav techniky nebo použití nejlepší dostupné techniky (BAT – Best Available Technique), které odpovídají zjištěným pracovním znalostem daného oboru, konkretizují vyhlášku pro provozní bezpečnost s ohledem na stanovení a vyhodnocení možných ohrožení nedostatečnou funkcí použitých prostředků. Pro vedení zodpovědných podniků prokazující se chartou „Responsible care“ je to povinností. Předpokladem pro zásah při odstávce/zarážce zařízení nebo údržby[1] se provádějí tyto úkony:

stanovení druhu, rozsahu a sledu údržbářských prací nebo zásahů,
stanovení a posouzení ohrožení a stanovení potřebných zákroků,
před zadáním na montážní firmy určení požadavků na bezpečnost a požadavky na kvalifikaci personálu, který provede údržbářské práce a montáž,
posouzení ohrožení pro každou vykonávanou profesi a pro každé pracovní místo při odstávce/zarážce tak, aby byla zaručena bezpečnost a zdraví všech zúčastněných zaměstnanců, a tím zamezení škodám na zařízení nebo je minimalizovat; výsledky pro stanovení ohrožení je třeba průkazně dokumentovat.

Cesty pro dosažení těsnosti

Přírubový spoj sestávající z přírub, šroubů a matic, těsnění, příp. podložek má splňovat podle úkolů určité požadavky na těsnost, přičemž výpočetní důkaz (pevnosti a těsnosti) se provádí podle ČSN EN 1591-1 nebo metodou konečných prvků. Dále musí ve všech režimech svého provozu vykazovat odpovídající bezpečnost a od srpna 2005 i odpovídající těsnost a spolehlivost rozebíratelných spojů definovaných normou ČSN EN 13555 a ČSN EN 13445-3 a jejich spolehlivost lze garantovat v tzv. plánované životnosti odpovídající stavu dnešní techniky.

Třídy těsnosti vyjadřují mezní množství netěsností; základní třídy jsou 3 podle hodnoty vyjádřené v mg/s a jsou vztažené na střední obvod těsnění – tedy v jednotkách [mg.s^-1.m^-1]. Třída těsnosti L_1,0 odpovídá hodnotám £ 1,0 mg/(s.m) a používá se při utěsňování převážně kapalin kromě ropy. Třída L_0,1 má mezní hodnotu množství netěsnosti 0,1 mg/(s.m) a převážně odpovídá utěsnění plynů a par a L_0,01 (0,01 mg/(s.m)) se vyžaduje pro utěsnění „nebezpečných plynů a par“. Pro těkavé složky těsněného systému (volatile organic compounds) se od r. 2002 požaduje větší těsnost spoje použitím těsnění zkoušeného podle VDI 2440 a TA-Luft., s dosahovaným množstvím netěsnosti (emisí) L_0,01 nebo dokonce L_0,001.

Organizační požadavky pro zajištění těsnosti

Organizační požadavky se týkají zajištění kvality vytvořené postupem návrhu spoje a montáží (uvedené v metodických směrnicích, interních standardech nebo při stanovení ohrožení) a jsou popsány provozovatelem nebo vedoucím služeb uvnitř svých systémů. Mj. se jedná o:

návrh a výpočet spoje podle určení; zjistit, zda jsou k dispozici všechny parametry spoje podle ČSN EN 13555,
použití základních součástí, tj. přírub, šroubů a matic, těsnění, příp. podložek podle specifikace potrubí a dokumentace zařízení,
předvolbu utahovacího postupu a utahovacího momentu (předpětí šroubů) vypracované provozovatelem nebo vedoucím služeb pro montáž,
stanovení třídy montáže a předání rozsahu zajištění kvality montáže podle analýzy možného ohrožení; zajišťuje provozovatel, který seznámí s tím vedoucího služeb,
vypracování dokumentace montáže.

Analýza ohrožení: splnění požadavků na přírubový spoj

Splnění požadavků na přírubový spoj z hlediska bezpečnosti zařízení, ochrany práce a zdraví, ale i požadavků na ochranu životního prostředí stanovuje analýza ohrožení. To se týká návrhu spoje, montáže, tak i dokumentace montáže. Z analýzy ohrožení nebo z bezpečnostního vyhodnocení pak vyplývá, jak provést montáž a co je na spoji třeba zkoušet, příp. kontrolovat:

vlastnosti těsněných látek s ohledem na jejich nebezpečí nebo ohrožení a provozní podmínky,
jaké utahovací nářadí a jaký postup utahování lze použít a jak kontrolovat utahovací momenty nebo předpětí ve šroubech,
jaké jsou v návodech pro obsluhu stanoveny intervaly údržby a inspekce,
jak je třeba provádět demontáž přírubového spoje,
montáž přírubových spojů má provádět jen kvalifikovaný personál; provozovatel zařízení je u vlastního personálu odpovědný za školení a výcvik; vedoucí služeb montáže je odpovědný za kvalifikaci vlastního personálu a měl by předložit provozovateli na požádání jeho jmenovitý seznam montážních pracovníků s certifikací pro danou činnost. Dosažení kvalifikace podle ČSN EN 1591-4, 2013 provádí v současnosti pro různé úrovně kvalifikace ČVUT v Praze, TECHSEAL s.r.o, DIMER Engineering, s.r.o ve spolupráci se Strojírenským výzkumným ústavem, s.p. v Brně více viz www.SkoleniMonteru.cz
udržet skladovatelnost těsnění bez ovlivnění jeho životnosti,
rovněž při vlastní montáži by se nemělo těsnění vystavovat působení počasí,
všechny součásti spoje by neměly být při montážních pracích poškozeny, aby se nedegradoval těsnicí účinek spoje,
výhodné může být použití vytvrzených podložek nebo trubkových nástavců,
po montáži zkouškou těsnosti ověřit spolehlivost vykonaných prací.

Příklad struktury a spojitostí systému jimsTM – Joint integrity management solutions od firmy Hydratight (management řešení integrity spojů)

Závěrem

Bez systematického nastavení opatření k minimalizaci netěsností pomocí fungujícího systému kvality nelze ve výrobních podnicích dosáhnout spolehlivé a bezpečné integrity tlakových zařízení. Kritické rozebíratelné spoje vyžadují zvláštní pozornost v postupu jejich údržby. Doporučen je postup – termínově naplánovat pracovní postupy, provést přípravu podkladů, provést bezpečnou demontáž a montáž viz ČSN EN 1591-4, zajistit řízené utahovací postupy, vydat kontrolní záznamy pracovních postupů, sledovat spolehlivost provozu/těsnosti a v případě poruch zajistit nápravná opatření.

Pouze detailně zpracovaný systém integrity spojů splňující požadavky řízených postupů a managementu spojů je zárukou integrity, tedy bezvadného najetí tlakového zařízení, správných řešení hned napoprvé, bez zbytečného hledání netěsností a oprav, tzn. bez dodatečných nákladů, s dlouhodobou zárukou integrity a tím dosažení zlepšování bezpečnostního a těsnostního stavu zařízení a ve výsledku lze poté tímto prokázat zvyšování provozní bezpečnosti tlakových zařízení.

Vysvětlivky:

[1] TRBS (Technische Regeln für Betriebssicherheit), ASME PCC-1:2010 (Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly)

Podklady:

Doc. Ing. Jiří Lukavský, CSc. Emise, imise, těsnost, Praha, ČR, http://www.techseal.cz/legislativa/emise-imise-tesnost

Doc. Ing. Jiří Lukavský, CSc. Přírubové spoje – dosažení požadované těsnosti, Praha, ČR, 2008, http://www.techseal.cz/legislativa/emise-imise-tesnost

Hydratight Limited, Online resources for safe, reliable connections!, 2016, http://www.joint-integrity.com

Hydratight Limited, Joint integrity assurance, 2016, http://www.hydratight.com/en/joint-integrity-assurance

Hydratight Limited, JOINT Assured Joint Integrity, 2014, http://www.hydratight.com/sites/default/files/downloads/media/htbr0120615ukjointintegritybrochurelres.pdf

Hydratight Limited, JOINT INTEGRITY SOLUTIONS, 2008, http://www.hydratight.com/sites/default/files/downloads/media/ht-jims-e-06-08-hydratight-jims-brochure-uk.pdf