Příčiny selhání utěsnění vyhrazených tlakových zařízení a rizika pro bezpečnost při jejich provozování

Jiří Lukavský
ČVUT v Praze, fakulta strojní, Praha
Jan Tomáš
Techseal, spol. s r. o., Praha

Prevence rizik

Každé tlakové zařízení, např. tlaková nádoba nebo tlakové potrubí může představovat velká rizika, jimž by neměli být lidé vystavovány. Aby se naplnily požadavky bezpečného provozu, je třeba omezit možná ohrožení. Aby byly splněny požadavky bezpečného provozu, je třeba zabránit nebo omezit vlivy způsobující ohrožení bezpečnosti. Je však skutečností, že i když byly zvoleny všechny součásti konstrukce a materiálu šroubového spoje správně, tak se lze dopustit chyby při montáži nebo při uvádění zařízení do provozu. A tak i samotný provoz může přivodit situace, se kterými se při návrhu nepočítalo. Kvůli neznalostem v návrhu tlakového zařízení ať již v projektu, konstrukci, montáži, uvádění do provozu vytváří „lidský faktor“ ve spolehlivosti zařízení velké ztráty v nákladech na jejich odstraňování. I po školeních montážního personálu a jejich vedoucích vidíme z dotazů, že některé záležitosti problematiky rizik při své činnosti nepochopili. I když jsme vytvořili technická doporučení, která měla vylepšit současný stav utěsnění, bude zapotřebí vypracovat technická pravidla podle dosud nejlepších pracích v oboru utěsňování. Ta by měla seznamovat všechny pracovníky od projektantů, přes výrobu a provoz tlakových zařízení s tzv. „stavem techniky v utěsňování“, příp. „nejlepší dostupné techniky“ (BAT – Best Available Techniques). Přitom požadavky se mohou lišit podle konstrukce, umístění, parametrů stavů během provozování příp. nebezpečnosti nebo toxicity zpracovávaných látek. Požadavky na bezpečnost provozu se liší podle nároků na tzv. „technickou těsnost“ tlakového zařízení, kde jsou požadované množství netěsností v řádu 10⁰ až 10^-2 mg/(s.m) vztažené na střední těsnicí obvod plochého těsnění a „trvalou technickou těsnost“ lepší než 10^-2 mg/(s.m).

Příčiny selhání šroubových těsnicích spojů

Dle práce [6] je rozsah netěsností možné odhadnout takto:

• nizozemský institut TNO publikoval, že v r. 1999 tvořily v Nizozemí ztráty všech netěsností v přírubových spojích 22 až 27%; ztráty surovin u plynů a kapalin se udávaly na cca 106 000 t  při jejich průměrné ceně 700 €/t je pak ztráta vyčíslena na 75 000 000 €/r. Připočítají-li se k tomu ztráty na hřídelových ucpávkách 383 000 t/r, pak roční ztráty netěsnostmi se odhadují na 268 000 000 €/r. Pro Německo nejsou takto zveřejněné hodnoty, lze ale vycházet z toho, že se asi jedná o 5-ti až 7-mi násobek množství v Nizozemí,
• americká EPA (Environmental Protection Agency) uvedla, že v r. 1999 bylo zjištěno v USA množství VOCs (těkavých organických sloučenin) 40 000 t,
• britská UKOOA uvedla, že cca 70 % netěsností na přírubových spojích lze vztahovat na nepřesné nebo chybně zavedené síle předpětí ve šroubech (nedostatečně utaženo),

a příčiny selhání pak jsou:

• chyby v návrhu spoje,
• klamavé údaje v normalizaci,
• nesprávně volené těsnění, šrouby a mazání jejich dosedacích ploch a závitů,
• nedostatečný ohled na montážní požadavky – montážní postup, málo místa pro montážní nástroj,
• nerespektování zákonů, vyhlášek, směrnic a předpisů

nebo chyby při výrobě těsnicího spoje jako např. chybějící montážní předpis, nekvalifikovaný nebo nevyškolený personál, nekvalifikovaný nebo nevyškolený dodavatel součástí spoje, nevhodný montážní nástroj nebo chybějící nebo nekvalifikovaná kontrola. Je třeba si též uvědomit, že přírubové spoje jsou technicky zastaralé konstrukce a že dnes se objevují nové konstrukce, které vykazují méně problematický spoj, jsou nové druhy a materiály těsnění, jsou přesnější nástroje s menším rozptylem utahování, přesnější snímače, se kterými lze sledovat průběh utahování.

Systém vyhledávání, identifikace a hodnocení rizik

Od r. 2002 pro zvlášť nebezpečné látky anorganického a organického původu se vyžaduje množství netěsností menší než 10^-2 příp. 10^-3 mg/(s.m) viz PED 2014/68/EU a NV 219/2016 Sb., přičemž montáž by měli provádět pracovníci vyškolení podle ČSN EN 1591-4.

Uvedený systém vyhledávání, identifikace a hodnocení rizik nebývá u nás při návrhu tlakových zařízení systematicky prováděn nebo nevystihuje všechny rizikové faktory. Pak např. výrobce těchto tlakových zařízení se zadáním parametrů od projektanta který hodnocení rizik z pohledu potřebných údajů neprovádí tak, jak to vyžaduje nařízení 219/2016 Sb.. Velké nedostatky jsou např. i při posuzování bezpečnostní výstroje.

Určité odchylky jsou u zařízení pro „procesní techniku“ (v chemickém a petrochemickém průmyslu, příp. jaderné energetice, kde se vyskytují těsněné látky, vyvolávající emise působící negativně na zdraví, osoby a životní prostředí). V energetice jsou úniky páry také specifickou problematikou.

Dodržením směrnic, nových vylepšených konstrukcí a jejich sladěním, pochopením a vylepšením montážních postupů dochází postupně k mnoha příznivějším změnám. Ty je nutné správně vyhodnotit a získat tak „trvale těsný spoj“, to znamená v prvé řadě odhad rizik možných zdrojů z hlediska ohrožení a poškození. Protože těsnicí spoje jsou komplexní soustavy, je třeba zohlednit požadavky na jednotlivé jejich součásti a jejich vzájemné působení. A zde při hodnocení hrají důležitou roli náklady nejen na optimální výběr těchto součástí, ale i na opatření podle závažnosti následků (nutnost náhlých odstavení, příp. havárie). Komplexní návrh řešeného technického zařízení obsahuje projektovou a konstrukční specifikaci, predikci celkové doby životnosti, předpokládanou bezpečnost, vliv na životní prostředí a podmínky při demontáži a montáži zařízení. K tomu přispívá dodržování směrnic, zákonů, vyhlášek a pravidel, použití nových vylepšených konstrukcí a jejich sladění s legislativou, pochopení a vylepšení montážních postupů dochází postupně k vyšší provozní a výrobní bezpečnosti při současném zlepšení ochrany životního prostředí, příp. k poklesu nákladů.

Postupy při volbě součástí přírubového spoje

Volbou součástí přírubového spoje pro příruby, těsnění, šrouby a matice a jejich mazání, příp. podmínkami montážního postupu lze vytvořit předpoklad pro kvalitní těsnicí systém. Rozhodujícím faktorem je volba optimální kvality podle „stavu techniky“. Zásadně by měly být použity součásti vhodné a bezchybné. Hlavními faktory kvality jednotlivých součástí jsou:

• geometrie a pevnost přírub,
• množství dosažené netěsnosti a odolnost proti dlouhodobému zatížení u těsnění,
• pevnost šroubů,
• pasty a kluzné laky pro šroubové spoje a jejich vliv na rozptyl utahovacích sil působících na přírubu,
• montážní postup, použité nářadí, kvalifikace montážních pracovníků pro montáž podle ČSN EN 1591-4:2014.

Jen při optimální souhře všech uvedených kvalitativních bodů lze docílit „trvale technicky těsný spoj“. Spoj je potom tak spolehlivý, jako je jeho nejslabší člen.

Chybami nebo vadami na součástech vznikají při montáži systému odchylky od plánovaného systému. Podstatným problémem selhání těsnicího systému jsou možné plastické deformace (sedání) těsnění po montáži, příp. chemické nebo fyzikální změny těsnicího materiálu (tečení, relaxace). Stane-li se to po montáži a před uvedením do provozu, je možné vyměnit vadné součásti, většinou těsnění nebo šrouby a užitím lepšího postupu montáže dosáhnout „trvalé technické těsnosti“. Vznikne-li problém možného selhání již v provozu a možný zásah je spojen s velkým rizikem; pak zbývá jen odstavení zařízení/systému a výměna vadné součásti. To je ale spojeno s vysokými náklady na opětovné zprovoznění těsnicího systému. Na „trvale těsné spoje“ se lze dostat volbou optimálního těsnicího systému s použitými přírubami, šrouby, maticemi a těsněním podle vybraných norem, příp. pomocí optimalizované montáže.

Současné dimenzované přírubové spoje musí splňovat požadavek „technicky těsné“. Použití vláknito-pryžových těsnění není vhodné, z výše uvedeného hlediska jde pak o spoje poddimenzované. Jako vyhovující se ukazují kombinovaná těsnění (obr. 1) vlnitá (kov + měkký obklad), spirální a hřebínková.

Tato těsnění vyžadují silnější příruby, obvykle min. pro PN 25 až PN 40 a samozřejmě vyšší utahovací tlak. Aby se mohly použít pro „trvale technicky těsné spoje“ i pro příruby u stávajícího provozovaného spoje (pro PN 10 a PN 16), doporučujeme těsnění z expandovaného grafitu (i když to má určitou nevýhodu, protože ve vlhkém prostředí se může dostat voda do grafitu a při teplotách nad 100° C se voda změní v páru a vystřelit těsnění z dosedacích ploch přírub.

Další nevýhodou jsou vějířové podložky, které jsou sice používané pro zajištění proti statické elektřině, ale pro zajištění požadovaného utahovacího tlaku nevyhovují a znehodnotí celý utahovací proces a nejsou schopny zajistit ani „technickou těsnost“. V případě pochybnosti, že grafitové těsnění nezajistí elektrickou vodivost, je možné použít kovové spony překlenující obě příruby s otvory pro šroub a jeho hlavu na druhé straně.

Tlaková zařízení jsou vesměs komplikované konstrukce, kde jejich jednotlivé části jsou spojovány nerozebíratelnými (svarovými) nebo rozebíratelnými (šroubovými) spoji. Uvedené spoje mají řadu omezení ovlivněné parametry provozu, které jsou:

1. Možné ohrožení odchylkami od dovolených provozních parametrů,
2. Provozní bezpečnost ovlivňovaná časově závislým poškozením,
3. Úniky médií při technicky těsném a při trvale technicky těsném spoji.

1. Možná ohrožení odchylkami od dovolených provozních parametrů

Překročení dovolených pracovních tlaků v důsledku vzrůstu tlaku vyšším potenciálem tlaku v připojených zařízeních, selhání chlazení příp. kontroly teploty, přeplnění překročením plnícího tlaku, např. čerpadlem, nebo kompresorem; bránění teplotní roztažnosti zkapalněnými plyny, uzavřené nebo ucpané odvětrávací potrubí, doprava tekutin proti uzavřené armatuře, výpadek kondenzace par, výpadek, příp. selhání řídících nebo regulačních zařízení, působení zvnějška ohněm (nebo požárem), exotermní chemickou, nebo rozpadovou reakcí, fyzikální explozí u kovových lázní, u organických teplonosných olejů; tlakové rázy např. kavitací při rázech kapalin.

Dále to může být nedosažení provozního dovoleného tlaku vlivem ochlazení kapalin, při kondenzaci par, zanesení filtrů na straně sání, při vyprazdňování tlakového zařízení.

Při překročení dovolené provozní teploty výpadkem chlazení, např. při chybném měření teploty, příp. exotermní reakcí.

Dále to může být nedosažení dovolené provozní teploty v důsledku přechodu odpařování s hluboko ochlazenými zkapalněnými plyny nebo adiabatickým uvolňováním plynů.

Problémem bývá též překročení dovolených mechanických zatížení materiálu v důsledku vnějších sil a momentů na nosných částech a hrdlech, na tlakově zatížených stěnách nedovoleným rozdílem teplot, zejména při najíždění nebo naopak při sjíždění, bránění teplotní roztažnosti při změnách teplot, kolísání teplot u částí zařízení, při zpětném rázu při odlehčení tlaku.

Selhání bezpečnostního vybavení bývá v důsledku narušení funkčnosti, způsobem provozování (slepením, zanesením nebo korozí bezpečnostních armatur, pojistných membrán, senzorů a přívodu měřících zařízení pro bezpečnostně důležitých armatur, nebo narušení funkčnosti zachycování kondenzátu na nejnižších místech výfukových potrubí z pojistných ventilů.

Narušení funkčnosti vnějšími vlivy, jako vnější korozí, znečištěním nebo nánosy, výpadkem dodávky energií, poškození působením vnějších sil, kmitáním nebo vibrací ze zdrojů v okolí, namrzání, pokrytí ledem, to vše působí nepříznivě na správný chod zařízení.

Narušení nesprávnou manipulací jako při přestavbě mezních hodnot, nesprávnými údržbářskými zásahy, jako záměnou součásti při opravě jsou též zdrojem ohrožení.

Montáž potrubí by měla být provedena tak, aby se jeho zpětné uložení nezměnilo, nebo-li nevznikla jiná zatížení, než u toho původního, se zařazením kompenzátorů, vedení, podpěry a závěsy aj.

2. Provozní bezpečnost ovlivňovaná časově závislým poškozením

Provozní parametry existující během provozu v tlakovém zařízení jsou hlavními ovlivňujícími parametry pro průběh časově závislých poškození. Pro sledování a posouzení stavu poškození může být proto žádoucí sledovat provozní parametry po dobu provozu.

U cyklicky zatížených částí zařízení jsou sledovány změny zatěžování (počet, amplitudy), aby se mohlo vytvořit srovnání mezi projekčními údaji a nahromaděnými provozními údaji.

Časově závislá poškození jsou vyvolána vnitřní korozí vyvolané působením účinné látky (těsněného média), často ovlivněná teplotou anebo mechanickým zatížením. Je to též vnější koroze atmosférou, kondenzátem, dlouhodobou nebo trvalou vlhkostí u izolace jak při ohřevu, tak i chlazení. Možnými mechanizmy koroze bývají bodová, lokální zejména u nelegovaných nebo nízko legovaných ocelí, eroze, styková, příp. selektivní koroze, inter – nebo mezi – krystalická, důlková, trhlinová vyvolaná pnutím, vysokoteplotní vyvolávající nauhličení, nitridaci nebo taveniny.

Eroze může být vnitřní při erozivních vlastnostech média nebo vysokých rychlostech proudění. Vnější eroze může být vyvolána podílem popelovin v kouřových plynech.

Nečekanou bývá kavitace (tvorbou parních bublin) a jejího rozpadu za armaturami nebo ve skříních čerpadel.

Časové poškození se objevuje v oblasti vysokých teplot v důsledku vzniku pórů, řetězcem pórů nebo drážek u vysokotlakých kotlů nebo potrubí s ostrou parou s často proměnným zatížením teplotou a tlakem.

Poškození při kmitání (únavou) je vyvoláno při často měnícím se tlakovým a teplotním zatížením nebo cyklickém vnějším působení.

Křehnutí kovových materiálů se projevuje v důsledku vyššího zatížení médií s obsahem vodíku nebo vylučováním zkřehlých fází při počátečním zkřehnutí nebo při hlubokých teplotách.

Často je vyvoláno u umělých hmot stárnutí UV-zářením nebo při superpozici různých mechanizmů poškození.

3. Úniky médií u technicky těsného nebo trvale technicky těsného spoje

Úniky – netěsnosti na uzávěrech a rozebíratelných spojích se statickými těsnicími prvky vznikají na poškozených těsněních nebo těsnicích plochách. Je to hlavně nevhodný výběr těsnění vůči médiu nebo vnějším účinkům, např. napadením korozí u šroubů vlivem okolí. Nevhodné těsnění je též ovlivněné stárnutím, sedáním, příp. křehnutím. Nedovolená zatížení těsnění, např. neúnosným materiálem nebo odchylkami určující způsob provozu jsou zdrojem netěsností. Chyby montáže vedoucí k nepřípustným deformacím, teplotní rázy, např. při plnění beztlakových nádrží zkapalněnými plyny, nebo při vstupu studených tekutin do částí zařízení, které přenášejí do stěn nádob vyšší pnutí, než jsou dovolená napětí.

Úniky médií vznikají např. při otevírání částí zařízení proto, že tlak v nich je neznatelný, provádí se dodatečná likvidace míst ucpání u již otevřených tlakových zařízení, příliš velká odebíraná množství z míst odběru vzorků, nesprávná obsluha armatur, které nejsou napojené na uzavřený systém, zadržovaný výstup zbytkových kapalin, např. sifónovým účinkem, nebo tvorbou „pytlů“ po nahromadění v nejnižších místech, příp. spontánní odpařování kapalin po snížení tlaku přehřáté kapaliny.

Vývody z pojistných ventilů, pojistných membrán, tlakově odlehčených klapek, odvzdušňovacích a odlehčovacích potrubí tím, že nebezpečné koncentrace na pracovišti zůstávají u látek a přípravků s vlastnostmi podle vyhlášky 402/2011 Sb. pod mezními hodnotami, např. podle IDHL (Imediately Dangerous to Life and Health), AEGL-2 (Acute  Exposure Guideline Levels) nebo ERPG-2 (Emergency Response Planning Guidelines).

Nahromadění hořlavých plynných, prachových / vzdušných směsí v topeništích a kouřových spalinových tazích tlakových zařízeních mohou vyvolat výbuch / deflagraci. Pro to potřebné prostředky, např. rozprašovací trubky nebo stěny mohou být zamontované mobilně nebo stabilně.

Změny, podstatné změny při rekonstrukci

Změny druhu konstrukce součástí zařízení nebo způsobu provozu mohou vést k novým nebo změněným ohrožením s ohledem na uvolňování médií. Dále uvedené, příkladně uvedené prostředky mohou cíleně být uvedeny pro to, aby vyloučily ohrožení uvolňováním médií. Při použití těsnění s jinými vlastnostmi je třeba dbát na to, aby se hodila pro účel použití s ohledem na mechanické a tepelné vlivy a aby se nestala neúčinnými vlivem provozní tekutiny.

Při existenci sledování těsnosti se přezkušuje, zda se nezměnily kvalitativní požadavky. Přezkoušení, zda konstrukční změny jsou potřebné s ohledem na vytvoření přírubového spoje.

Při změně způsobu provozu se zkouší, zda odvod z bezpečnostních zařízení proti překročení tlaku může být ještě bezpečný.

Při změnách uzávěrů, které mohou být otevřené pod tlakem, se vyzkouší, zda by změnami nevznikla nová ohrožení. Příkladně se u rychlouzávěrů zkouší, že otevření může být uvedeno teprve pak, až se vytvoří vyrovnání tlaku s atmosférou.

Celkové náklady na utěsnění

Při posuzování celkových nákladů pro přírubové spoje bije do očí, že ještě v současnosti jsou určovány zejména montáží a zkušebními náklady. Náklady na součásti spočívají u ocelových konstrukcí cca při 15 až 20%, u nerezových mezi 25 a 30%. Podíl nákladů pro těsnění u vláknitých materiálů nebo vlnitých těsnění je pod 1%, u PTFE, spirálních nebo hřebínkových těsnění mezi 2 až 4%.

Následné náklady u různých těsnění jsou vyšší než pořizovací cena těsnění. Kromě ceny vznikají při použití další náklady při pořizování, na logistiku, vývoj, montáž, dotahování, údržbu, přezkoušení a ztrátu těsněné látky netěsnostmi. Je nápadné, že „levná“ měkká těsnění pro technicky těsné spoje se jeví jako výhodná, pro „trvale technicky těsná“ jsou ale dražší než kombinovaná těsnění, jako jsou např. vlnitá, spirální nebo hřebínková těsnění (obr. 1). Pro těkavé emise jsou pak levnější, než měkká těsnění, která vyvolávají podstatně vyšší následné náklady. Paradoxně to zní tak, že kombinovaná těsnění vyjma obkladů a vložek PTFE se dají 100%ně recyklovat a vytváří tak další příspěvek ochrany životního prostředí. Tak např. vykazují-li měkké materiály (vláknitopryžové, PTFE a grafit) ztráty emisemi 100%, kombinovaná těsnění – vlnité a spirální těsnění jen 0,2% a hřebínek jen 0,1%, přičemž náklady po dobu 5 let u vláknitopryžových jsou 95%, PTFE 100%, grafitu 47%, zatímco u kombinovaných těsniv – vlnitého 8%, spirálního 9% a hřebínkového 12%. Do celkových nákladů je třeba počítat i poruchy zařízení, jeho demontáž, pořízení poškozených částí, opětnou montáž a uvedení do provozu. Pokud dojde k odstávce zařízení z důvodů zničení nebo havárie, je třeba počítat i s prostoji části nebo celé výrobní linky. Zahraniční firmy doporučují pro strategii spolehlivosti získávání dat o zařízení během provozu, tedy získání dat zaznamenávajících jeho aktuální stav. Následně se stanovuje, jakým způsobem se data používají v rámci řetězce spolehlivosti, aby bylo možno z nich analyzovat stav zařízení, příp. naplánovat a rozvrhnout údržbářské činnosti. Hodnotový řetězec pak ukazuje, jak jsou čidla namontována na zařízení používána k monitorování způsobů, jimiž na zařízení může dojít k poruše – režimy poruch. Z pohledu spolehlivosti porucha ještě nutně neznamená, že zařízení přestane nějakým způsobem fungovat. To se porouchá, jakmile přestane dodávat to, co se od něj požaduje, aby proces fungoval tak, jak byl navržen. Monitorování stavu zařízení v reálném čase společně s prediktivní technologií dokážou zjistit, kdy dojde k poruše, což dané společnosti poskytne dostatek času na plánování adekvátní reakce.

Volba správných součástí přírubového spoje

U existujících těsnicích spojů se mohou docílit modifikací nebo výměnou a volbou součástí zlepšení spolehlivosti a bezpečnosti. Požadavky pro docílení trvalé technické těsnosti jsou: minimalizace emisí, výpočtový důkaz těsnosti, např. podle ČSN EN 1591-1 nebo metodou konečných prvků (MKP), správné využití dovolených napětí součástí, utahovací postup s kontrolou dosažené síly ve šroubech, pokyny k postupu montáže technicky správným provedením montáže vyškoleným personálem, namátkovou kontrolou podle analýzy ohrožení nebo bezpečnostní vyhodnocení, vypracované metodickou směrnicí v dokumentaci a zabezpečením kvality. Zcela nový je výpočtový důkaz. Další požadavky vyplývají z platných zákonů, pravidel a předpisů. Přitom použité součásti mají odpovídat směrnici 97/23/EG.

Těsnění

• důkaz těsnosti podle směrnice VDI 2440,
• minimální potřebné množství netěsnosti 0,01 mg.s^-1.m^-1, což platí pro těsnění s trvale technickou těsností, těsnění s technickou těsností mají mnohem větší množství netěsností,
• dodržení minimalizovaného požadavku na emise ze zákona,
• využití dovolených napětí,
• požadavky směrnice pro tlaková zařízení je třeba vzít na vědomí.

Šrouby

• využití dovolených napětí,
• dodržení poměru mezi zatížením těsnění a zatížením šroubů (měkká těsnění utahovat měkčími šrouby, např. 5.6 nebo 1.1101 pro ocelové příruby a A2/A4-50 pro nerez), kombinovaná těsnění s materiálem šroubů 1.7218 pro ocel a A2/A4-70 pro nerez, pro kovová těsnění s materiálem šroubů např. 42CrMo4 nebo 1.7225 pro ocelové a X5 NiCrTi 2615 a 1.4980 pro nerezové příruby.

Příruby

• využití dovolených napětí
• rovnoběžné, souosé uspořádání listů příruby,
• docílení potřebné jakosti těsnicích ploch.

Jediné vyměnitelné součástmi po demontáží již provozovaného přírubového spoje bývají těsnění a šrouby. Co by se mělo očekávat od těsnicího spoje, vyjadřují předchozí údaje:

1. Těsnění mají mít co nejnižší množství netěsnosti, měly by mít možnost většího poměru mezi maximálním a minimálním utahovacím tlakem, aby rozptyl bezpečné práce se vešel do tohoto poměru. Neměl by se přetáhnout, aby nedošlo k tečení nebo zničení těsnění a mělo by být odolné vůči provoznímu médiu (těsněné látce).
2. Šrouby by měly prokázat co nejvyšší pevnost, odpovídající dovolenému utahovacímu tlaku (utahovací síle); měly by být vytížené asi na 70% své minimální mezi kluzu, přičemž by měly mít při utahování kontrolované údaje vhodnými čidly [7]..
3. Samotný přírubový spoj by měl mít vysokou pevnost, aby mohly převzít i další zatížení (vlivem teplotní roztažnosti, reakcí dalších sil v potrubí nebo aparátech, vlastní tíhou nebo dynamickými silami). U nových konstrukcí využít např. kompaktní konstrukci spoje. Měly by být k dispozici výpočtové údaje pro těsnostní a pevnostní výpočet spoje podle‚
   ČSN EN 1591-1 a výpočtové parametry těsnění podle
   ČSN EN 13555. Pro snížení součinitele tření v závitech šroubů a dosedacích ploch hlav šroubů a matic by se měly používat maziva (speciální pasty a kluzné laky). Doplňkem se mohou stát i vytvrzené podložky (s HV 200 nebo HV 300) nebo různé prodlužovací trubky, zejména u různých kombinací materiálů šroubů a přírub (např. při hlubokých teplotách).

Výpočtový důkaz pevnosti a těsnosti

Pro důkaz pevnosti přírubového spoje lze použít ČSN 690010, v poslední době se používá harmonizovaná norma ČSN EN 1591-1 při využití uvnitř dovolených hodnocení tlaků a teploty – PT Ratings pro normalizované příruby) nebo metoda konečných prvků MKP. Druhá možnost je pro palcové příruby používat ASME sekce VIII, Div. 1 a 2 (aplikace 2 a 4.16 Výpočtový důkaz pevnosti a těsnosti) a pro metrické příruby ČSN EN 1591-1 nebo
ČSN EN 13445-3 pro aparáty a ČSN EN 13480 pro potrubí. Pro primární okruhy třídy I je to norma KTA 3201.2, pro sekundární okruhy třídy II KTA 3211.2. Důkaz těsnosti se provádí podle
ČSN EN 1591-1, který je zahrnut i v normách KTA.

Číselný výpočtový postup podle MKP splňuje všechny požadavky, není ale ještě obvyklý.

Přezkoušení kvality součástí přírubového spoje 

Kvalita součástí spoje má výrazný vliv na montáž a jejich funkci. Příruby, šrouby, matice a podložky a těsnění musí být vhodné pro použití. Zkouška shody s dodacími listy a osvědčení jsou součástí vstupní kontroly.

Nejprve se musí přezkoušet kvalita přírub. Zde může být provedena jen vizuální kontrola, max. nedestruktivní zkouška materiálu. Dovolené chyby odchylek např. naklonění přírub jsou uvedeny v ASME-PCC-1; 2010. Min. vzdálenost přírub od sebe musí být tak velká, aby mohlo být vloženo těsnění bez poškození. Dovolené maximální rozestupy přírub, natočení a přesazení se provádí opět podle ASME-PCC-1. Potřebná síla pro spojení přírub sešikmených nebo vzájemně od sebe stojících se smí využít jen 10% síly předpětí u všech šroubů a 20% síly pro jednotlivé šrouby. Poškození těsnicích ploch nebývá obvykle tolerována. Dovolené vady těsnicích ploch nebývají připouštěny, přičemž určité dovolené vady opět popisuje ASME-PCC-1.

Těsnění musí být bez špíny, olejů nebo dělících prostředků. Jejich označení by mělo mít tyto údaje: jméno výrobce nebo jeho značky, jmenovitou světlost DN nebo NPS, stupeň jmenovitého tlaku (PN nebo Class), číslo materiálu nebo značku, číslo šarže nebo opět její značku, číslo materiálu nebo jeho značka, datum výroby u materiálů s omezenou skladovatelností, dodatečné značení pokud je zapotřebí (např. podle API nebo KTW).

Šrouby a matice, příp. podložky jsou jedny z nejdůležitějších faktorů těsnicího spoje. Části musí čisté, zbaveny tuku a bez poškození. Značení má být na patrném konci šroubu po montáži, podle ČSN EN 1515-4 a pro šrouby a matice z austenitických ocelí ČSN EN ISO 3506-1 a -2. Pokud je provedeno opětné použití šroubů a matic i za předpokladů, že montér automaticky vychází z toho, že tyto součásti jsou správné, protože po dřívější montáži fungovaly bez problémů. Opětovné použití těsnění a šroubů se často provádí z důvodů snižování nákladů a často z neznalosti možných rizik a následků. Z tohoto důvodu by měly být použity zásadně nové části.

Vliv tření na výsledek montáže šroubů

Protože tření ovlivňuje v suchém stavu až 90% zavedené montážní síly, pak jen 10% utahovacího momentu jde do síly předpětí. Pro vysokojakostní mazání nejsou vhodné oleje, tuky a vosky s příliš velkými částicemi. Nevhodné je používání rozpouštědla a odrezovače. Šroubové pasty mají být bez chloridů. Sloučeniny chloru v pastách pro šrouby mohou vyvolávat různé mechanizmy koroze. Jednou z nejčastějších chyb je mazání konce závitů spojené s přáním, aby dostatečné množství maziva byla dotlačována závitem až k dosedacím plochám matice. Zásadně neplatí zde přání, že „více pomáhá více“, ale „správné množství“ na správném místě. Závity je třeba mazat až poté, co jsou součásti spojeny, aby se zamezilo vniku nečistoty při ukládání šroubů do otvorů přírub  pro šrouby.

Volba montážního postupu a nástroje

Důležitý je i výběr nástrojů pro montáž, protože i tím lze zvolit velikost bezpečného rozptylu utahovacích tlaků. Hodnoty pro jednotlivá nářadí jsou uváděna ve výpočtových normách.

Podle potenciálu ohrožení jsou spoje rozděleny do kategorií:

• kategorie A s vysokým hodnocením rizik, s nebezpečím pro tělo, život a životní prostředí,
• kategorie B se středním hodnocením rizik, pro selhání funkce nebo odstavení zařízení,
• kategorie C s nízkým hodnocením rizik, nekritické.

Vytvoření potřebných sil ve šroubech pro kruhové příruby

Tato informace poskytuje pomoc pro správnou montáž těsnění a šroubů pro přírubové spoje. Pro normalizované spoje platí, že se používají jen specifikovaná těsnění stejné světlosti a tlakového stupně jako příruba. Pro zjednodušení a vyvarování se záměny, mohou být  příruby nebo šrouby popisované pro posloupnost montáže. Osvědčilo se začít na místě max. rozevření přírub a tam začít s označením šroubu číslem 1. Podle počtu šroubů lze další čísla vynášet na druhé straně příruby jako 2 a další pak křížem. Existuje dostatek podkladů od výrobců těsnění, které určí další optimální pořadí utahování a procenta postupného utahovacího momentu, např. 20% s přezkoušením rovnoběžnosti těsnicích ploch, v dalším kroku na 50%, ve třetím na 75% a v dalším kroku na 100% utahovacího momentu a v posledním kroku kolem dokola se zkontroluje 100%ní utažení všech šroubů. Podobné předpisy jsou pro pravoúhlé (čtvercové nebo obdélníkové) příruby nebo pro oválné příruby.

Posledním krokem je kontrola sešroubovaného spoje a zdokumentování tohoto kroku.

Závěr

Problematiku vyhodnocování poruch řeší ČSN EN 501569-1 [5]. Poruchy v utěsňování nesmějí vést k nepřijatelným situacím. Postup volby a návrhu bezpečnostních opatření musí obsahovat analýzu nebezpečnosti a zhodnocení rizika pro získání dostatečné úrovně integrity bezpečnosti (SIL – Safety Integrity Level) [3].

Každé samotné tlakové zařízení (tlakové nádoby nebo tlakové potrubí) může představovat již tak velké bezpečnostní riziko, jemuž by lidé neměli být vystavovány. Aby byly naplňovány požadavky bezpečného provozu, je třeba omezovat možné rizikové vlivy. A i když jsou dobře zvoleny všechny součásti šroubového těsnicího spoje správně, lze se dopustit chyby při montáži nebo uvedení do provozu. I samotný provoz může přivodit situace, se kterými se při návrhu nepočítalo. Díky neznalostem v návrhu vytváří lidský faktor ve spolehlivosti zařízení velké ztráty v nákladech na jejich odstraňování. I po školeních montážního personálu a jejich vedoucích je vidět z dotazů, že některé věci zůstávají nepochopené. Ukazuje se, že je třeba ještě vytvořit i další technická pravidla, která by seznamovala nejen pracovníky údržby, ale i projektanty a konstruktéry s novými materiály těsnění, postupy montáže, příp. i provozu. I tak rozsáhlý výpočet, jako je ČSN EN 1591-1, bohužel platí pouze pro určité materiály těsnění, pro mnohé další stále ještě závisí na parametrech, které nebyly ještě vyzkoušeny.

LITERATURA

[1] FLORIÁNOVÁ H. Nová legislativa pro tlaková zařízení. TLAK 2017. ISBN:978-80-871140-45-1. Líbeznice: Medim, spol. s.r.o. 2017, pp. 9-12.

[2] KUDĚLKA, V.: Kvalifikovaný personál a kvalifikované výrobní postupy v rámci PED 2014/68/EU a NV. 219/2016 Sb. TLAK 2017. ISBN:978-80-871140-45-1. Líbeznice: Medim, spol. s.r.o. 2017, pp., TLAK, pp. 23-38 .

[3] ŠIMON, V. Bezpečnostní systémy pro netopená tlaková zařízení. ISBN:978-80-871140-45-1. Líbeznice: Medim, spol. s.r.o. 2017, pp., TLAK, pp. 55-58 .

[4] PROCHÁZKOVÁ, D. Zásady řízení rizik složitých technologických zařízení, výsledky šetření příčin velkých havárii. ISBN:978-80-871140-45-1. Líbeznice: Medim, spol. s.r.o. 2017, pp., TLAK, pp. 83-106.

[5] JIROTA, F. Výsledky šetření nehod a havárií. ISBN:978-80-871140-45-1. Líbeznice: Medim, spol. s.r.o. 2017, pp., TLAK, pp. 113-144 .

[6] THOMSEN, P., LANNEWEHR, G. 10 Schritte zur optimalen, auf Dauer technisch dichten Dichtverbindungen. Bremen: GmbH, 2015, No 2.

[7] Schatz, V. 10 Steps  for reliable Bolted Assembly, Tectum Verlag Marburg, 2008 – ISBN:978-3-8288-9375-7

[8] ASME PCC1/2010, Richtlinien für die Montageverschraubvter, genormter Stahlflanbschverbindungen, flangevalid , ISBN-13: 978-934736-22-1