Potrubní a aparátové přírubové spoje definované jako plošné spoje (zákon 86/2002 Sb -přepracovává se – v ČR, TA-Luft v Německu, CAAA v USA) – k nimž patří ještě armatury, čerpadla a kompresory, jsou sledovány jako zdroje emisí. Ty by zejména u vybraných anorganických a organických látek od r. 2002 neměly překročit předepsané hodnoty. Povolené emise – jinými slovy množství netěsností – jsou tím definovány.
Doc. Ing. Jiří Lukavský, CSc.
ČVUT v Praze, fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky
Ing. Jan Tomáš
TECHSEAL, s.r.o.
Vývoj utěsňování koncem minulého století
Potrubní a aparátové přírubové spoje definované jako plošné spoje (zákon č. 86/2002 Sb. v ČR, TA-Luft v Německu, CAAA v USA) – k nimž patří ještě armatury, čerpadla a kompresory, jsou sledovány jako zdroje emisí. Ty by zejména u vybraných anorganických a organických látek od r. 2002 neměly překročit předepsané hodnoty. Povolené emise – jinými slovy množství netěsností – jsou tím definovány.
Hledisko „množství netěsností“, které bylo dosud pojímáno jako kvalitativní, v poslední době začíná nabývat význam jako hledisko kvantitativní. Snaha o omezování emisí z tzv. plošných spojů (a tedy přírub, armatur, čerpadel, kompresorů aj.) proti bodovým zdrojům reprezentovaných např. komíny, polními hořáky aj. se datuje zhruba od 70. let minulého století. Velká provozní měření např. v BASF v Německu 1975-6 ukázala oblasti, ve kterých by se měly netěsnosti u jednotlivých těsnicích spojů pohybovat. Návazná měření, na kterých se podíleli jak uživatelé, výrobci tlakových zařízení, výrobci těsnění, ale i výzkumná pracoviště v celém světě vyústila v r. 1993 až 1995 ve velkém evropském výzkumném projektu dotovaném EU, který i s ohledem na zákaz používání azbestu (známá těsnění „klingerit“ nebo později jen „it“) vedl jednak k vypracování norem pro zkoušení nových bezazbestových těsnicích materiálů (např. DIN 28090/1995) a i technických dodacích podmínek pro nové druhy těsnění (DIN 28091/1995).
Kromě toho Aarhuská úmluva o přístupu k informacím, účasti veřejnosti na rozhodování a přístupu k právní ochraně v záležitostech životního prostředí – směrnice Rady Evropy 96/61/EG dala podnět k tomu, aby se těmito otázkami zabývaly všechny evropské státy. Posledních deset let minulého století se kvalitou utěsňování vybraných zvlášť nebezpečných látek zabývali i v USA, kde v určité časové posloupnosti měli zpracovatelé dosáhnout určených maximálních emisí. Mnohdy z původních ztrát až 10 000 ppm se mělo dosáhnout u přírubových spojů a armatur pouze 500 ppm, u čerpadel podle druhu 1000 až 2000 ppm měřených postupem EPA 21. V tomto desetiletí se touto metodou měřilo i v našich rafineriích v Litvínově a Kralupech (firmou Chemplant-Technology Ústí n/L). Již v uvedených německých normách se objevují pro měkká těsnění tzv. „třídy průmyslové netěsnosti“ ve třech kategoriích: 1 ; 0,1 a 0,01 mg/(s. m); ty tak nahrazují první uváděný údaj v DIN 3535 – daný pro spoj určité velikosti, zatížený daným tlakem dusíku a stlačený definovaným utahovacím tlakem jako objemovou netěsnost 1 ml/min. V letech 1991 až 1999 byli s těmito závěry seznámeni pracovníci údržby a.s. Chemopetrol Litvínov. Výhodou hmotnostních jednotek netěsnosti je možnost přepočtu netěsnosti pro jiné látky a parametry, než měřený dusík v experimentálních podmínkách a na jiný rozměr těsnění.
Tři třídy netěsností pro měkká těsnění odpovídají množstvím netěsností:
- třída 1 (1 mg/s.m): požadavkům pro utěsnění většiny kapalin a nízkotlakých plynů, např. u rozvodů tlakového vzduchu;
- třída 0,1 (0,1 mg/s.m): která přibližně kopíruje hodnotu 1 ml/min dusíku a je vhodná pro utěsnění kapalin s nízkým povrchovým napětím (např. naftu) a parám a plynům s vyšším přetlakem a teplotou;
- třída 0,01 (0,01 mg/s.m): vhodná pro utěsnění nebezpečných látek, definovaných jako hořlavé, výbušné, jedovaté, toxické apod.).
Z běžných těsnicích materiálů se pro třídu 1 a 0,1 hodí vláknitopryžová těsnění a expandovaný grafit v průmyslové čistotě, v třídě 0,01 PTFE nebo grafit v jaderné čistotě nebo kombinované těsnicí materiály a kovová těsnění, která mohou dosáhnout i vyšší těsnosti.
Pro vysvětlení: vznik netěsnosti u měkkých těsnicích materiálů se projevuje ve dvou cestách – první mezi těsněním a těsnicí plochou, druhá průchodem těsnicím materiálem. První závisí na tom, jak těsnění dokáže zaplnit výstupky a prohlubně drsností a vlnitostí těsnicích ploch (význam egalizace těsnicích ploch při opravách přírubových spojů). Druhá je dána vlastností měkkého těsnicího materiálu: je to porézní těleso, které při stlačování těsnění z pórů vytlačuje vzduch, přičemž se póry zmenšují a tím se stává materiál těsnění těsnějším..
V minulosti dimenzování přírubových spojů vycházelo pouze z pevnostního hlediska, přičemž těsnost byla ve výpočtu zahrnuta odhadnutými hodnotami utahovacího tlaku q a součinitele těsnění m (ČSN 69 0010, ON 13 0001, DIN, ASME-Code, BS aj.).
Stav po r. 2001
Určitým přelomem v Evropě se stal rok 2002, kdy i u nás vzniká zákon č.86/2002 Sb. o ochraně ovzduší (dnes se přepracovává) s doprovodným nařízením vlády č. 350/2002 Sb. stanovujícím imisní limity, způsob sledování, posuzování, hodnocení a řízení kvality ovzduší a dále nařízení vlády č. 351/2002 Sb. stanovující emisní závazné stropy pro některé látky znečišťující ovzduší a dále způsob přípravy a provádění emisních inventur a projekcí. Vyhlášky MŽP č. 355/2002 Sb. (emisní limity) a č. 356/2002 Sb. (doplňky č. 363 a 570/2006 Sb.) (seznam znečišťujících látek, obecné emisní limity) se zabývají např. podmínkami provozování ostatních stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší emitující organické těkavé látky z procesů aplikujících organická rozpouštědla, ze skladování a distribuce benzinu; další vyhláška sleduje způsob předávání zpráv a informací, zjišťování množství vypouštěných znečišťujících látek, přípustné míry obtěžování zápachem a intenzitou pachů, požadavky na vedení provozní evidence zdrojů znečišťování ovzduší a jejich uplatňování. Vyhláška o způsobu stanovení koncentrace pachových látek, přípustné míry obtěžování zápachem a způsobu jejich zjišťování byly uvedena jako č. 362/2006 Sb.
V souvislosti s těmito postupy vzniká požadavek na ještě lepší utěsnění u těchto nebezpečných látek na hodnotu překonávající průmyslovou netěsnost na tzv.„difúzní netěsnost“ 1.10-4 mbar.l/(s.m) – (VDI 2440/2001 pro rafinerie). Jak tyto problémy řešit v celém průmyslu, zemědělství, občanské vybavenosti aj. ukazují např. směrnice USA – CAAA (Clean Air Act Amendments- doplňky k zákonu o čistotě ovzduší) nebo evropská TA-Luft 2002 – (technický návod na udržení čistoty vzduchu). Jak by se mělo postupovat s dosažením difúzní netěsnosti i s měkkými těsněními zejména při montáži přírubových spojů, popisuje VDI 2200/2007.
Je nutno si uvědomit, že netěsnost v hodnotách nižších než 1.10-4 mbar.l/(s. m) se dosud dosahovala u tvarových kovových těsnění nebo u svařovaných jazýčkových kovových těsnění. Nyní by tato hodnota měla platit v oblasti PN 40 i pro měkká těsnění. Ta se musí upravit tak, aby jejich funkce shora popsaná, odpovídala utěsnění kovových těsnění. Certifikovaná těsnění podle TA-Luft musí mít určité úpravy, např. difúzní uzávěr (vnitřní nepropustný lem) a vůči těsnicím plochám musí mít takové úpravy, které zamezují průchod porézním měkkým těsnicím materiálem. I když tato těsnění vycházejí z určité konstrukce materiálu dosud užívaného v oblastech „průmyslových netěsností“, tedy ve třídách od 1 do 0,01. Těsnění podle TA-Luft musí mít příslušný certifikát.
Dosažení vysoké emisní těsnosti s požadavky dle TA Luft
Prvním předpokladem je, jak bylo řečeno, užití těsnění, jež má certifikát TA-Luft. Druhým krokem je pak těsnostně pevnostní výpočet dle ČSN EN 1591-1/2007. Třetím a nejdůležitějším cílem je montáž přírubového spoje s odborně vyškolenými pracovníky montáže a údržby příp. s měřením utahovacích sil ve spoji (dle ČSN EN 1501-4/2008).
Popis jednotlivých kroků výběru těsnění, popsaného výpočtu s předvedením nejvhodnějších pomůcek pro montáž, tj. montážních nástrojů, postupů a měření, mazání šroubového spojení a dalších nutných předpokladů pro dosažení požadované těsnosti a tím splnění požadavků orgánů životního prostředí na splnění emisních mezí je náplní tohoto článku.
Současný náhled na dimenzování přírubového spoje
Přírubové spoje sestavené ze tří různých konstrukčních prvků: přírub, šroubů a těsnění se nyní musí uvažovat jako jediný celek vzájemně se ovlivňujících součástí – nelze je uvažovat jako samostatné tři části spoje. I když byl těsnostně pevnostní výpočet přírubového spoje známý již několik desetiletí, teprve rozvoj počítačové techniky umožnil postupně spojit obě hlediska; dnes je tento výpočtový postup se zahrnutím všech provozních stavů, do kterých se spoj může během své činnosti dostat, popsán v normě ČSN EN 1591. V jednotlivých částech normy je popsáno, co je třeba pro výpočet znát a pro jaké podmínky platí. Povinný je zatím v jaderné energetice a pro zařízení produkující nebezpečné emise, v zahraničí se užívá i pro běžnější aplikace, protože ve spojení s řízenou montáží umožňuje bezpečnější a ekonomičtější provoz tlakových zařízení.
Výpočet těsnostně pevnostního dimenzování je zahrnut ve 4 dílech normy ČSN EN 1591: díl 1 – výpočet pro těsnění v hlavním silovém styku, díl 3 – výpočet pro těsnění ve vedlejším silovém styku (samotěsnicí spoje), díl 2 – výpočtové veličiny stanovené podle ČSN EN 13555 a díl 4 – odborná školení pracovníků montáže a údržby.
Podmínky pro těsnostně pevnostní výpočet přírubových spojů
Těsnostně pevnostní výpočty podle ČSN EN 1591-1 jsou složitější, než dosud užívané pevnostní výpočty přírub. Výpočtová teorie je podobná u obou metod: působící síly na přírubový spoj jsou stejně definovány, uvažuje se průřez, příp. z toho vyplývající moment odporu. Tato metoda výpočtu se podle KTA 3211-2 používá povinně v jaderných elektrárnách a pro vybrané nebezpečné látky specifikované v zákonech 355 a 356/2002 Sb a v TA Luft. Pro ostatní přírubové spoje je doporučená.
ČSN EN 1591-1 ale nabízí tyto přednosti:
- zásadně se uvažuje chování celého systému: příruba + šrouby + těsnění;
- neposuzují se pouze kritéria pevnosti, ale i celkové deformační chování a těsnost;
- vhodnost vybraného těsnění vychází z elastické analýzy vztahu mezi zatížením a deformací všech částí přírubového spoje;
- potřebná těsnicí síla se současným stanovením účinné šířky těsnění se iterativně vyšetřuje pro každý případ zatížení (montáž, tlaková zkouška, provoz, ale i najíždění a sjíždění při zarážkách) – nesprávná zadání uživatelů výpočtových parametrů: tlaků, teploty a jejich změn mohou vést proto k nesprávným závěrům výpočtu;
- požadavky na snížení emisí dle nových emisních zákonů lze řešit pouze tímto výpočtem – to umožňuje přesnější přezkoušení těsnosti spoje;
- celé vyšetření vztahu síla – deformace platí pro různé tvary přírub (přivařené, točivé, obruby), šrouby a těsnění.
Navíc tato výpočtová metoda bere ohled na ovlivňující veličiny, jako:
- poddajnost spoje; ukazuje i názorně, jak např. zlepšit poddajnost šroubů: materiálem, průřezem, délkou, užitím pružin a jejich řazením (live loading, aj.); vliv modulů pružnosti při výpočtových teplotách všech částí spoje; dovolené natočení listů přírub (≤ 1°); (poddajnost přírub, těsnění);
- zahrnuje vliv připojených částí (válec, kužel, koule, dna aj.) včetně elasticity přírubového spoje;
- vliv rozdílů součinitelů délkových roztažností částí spoje při jejich rozdílných teplotách;
- vliv vnějších sil a ohybových momentů vyvolaných např. teplotní dilatací kompenzačních útvarů (nejen u potrubí, ale i u trubkových výměníků, kde v konstrukčních podkladech tyto výpočty chybí a obtížně se počítají: stanovení rozdílů středních teplot pláště a trubek; vícechodé výměníky s plovoucí hlavou, aj.); v pevnostních výpočtech výrobců aparátů – tlakových nádob – takové údaje chybí;
- bere se ohled na maximálně možné zatížení materiálu těsnění (selhání: rozdrcení, zvýšené tečení aj.);
- utahovací postup šroubů a tím daný možný rozptyl dosažených utahovacích tlaků; vliv kvalifikované obsluhy při utahování spoje při montáže, vliv použitého nářadí, vliv měření dosažených sil ve šroubech; vliv mazání závitů šroubů a dosedacích ploch
- vliv relaxace měkkého těsnění na těsnost (odhad ze zkoušky tlakové stálosti).
Přitom výpočtové hodnoty pro příruby a připojené skořepiny příp. šrouby vycházejí z databáze rozsáhlého sortimentu polotovarů: trubek bezešvých i svařovaných, plechů, výkovků, tyčí aj. kovových (příp. i nekovových) materiálů. Jsou zde uvedeny pevnostní vlastnosti, součinitelé délkových roztažností za teploty. Kromě toho jsou jako zvláštní databáze k dispozici výpočtové hodnoty těsnicích materiálů (měkkých, kombinovaných nebo kovových) v závislosti na teplotě podle ENV 1591-2/2007, pokud je nelze sehnat např. u výrobce těsnění. V normě jsou zahrnuty výsledky měření certifikačních institucí – německé MPA Stuttgart a francouzské CETIM Nantes. Na internetu existují dnes databáze, kam právě výrobci u svých výrobků-těsnění uvádějí hodnoty potřebné pro těsnostně pevnostní výpočet přírubových spojů (www.gasketdata.org) .
Montáž přírubových spojů
Zatímco popis chování kovových částí přírubového spoje lze dostatečně přesně popsat vyhovujícími znalostmi o materiálu a osvědčenými výpočtovými postupy, není to možné v odpovídající míře u těsnění z měkkých materiálů s ohledem na dosud omezené znalosti v časové oblasti a v důsledku dodatečného chemického zatížení. Při přenosu výsledků z laboratorních zkoušek je třeba navíc pečlivě posuzovat příslušné podmínky zatížení a jejich odezvu po delší době zatížení.
Měření množství netěsností na provozním zařízení je velmi obtížné a nákladné. Jsou sice k dispozici tzv. hledače netěsností: ty však určí jen místo netěsnosti, ne ale jeho množství. V našich rafineriích se použila i provozní měření koncentrací emisí metodou EPA 21, ale i ona má svá omezení. Rozhodujícím pro uživatele by měl být jednak výpočet dle ČSN EN 1591-1 (jen když byly zadány relevantní hodnoty výpočtových parametrů) a pak odborně provedená montáž. Co představuje „odborně provedená montáž“, ukazuje obsah ČSN EN 1591-4/2008i – „Hodnocení odbornosti personálu pro montáž šroubových spojů v oblasti platnosti směrnic pro tlakové nádoby“.
Aby se využily dokonalejší předkládané výpočty přírubových spojů, bude zapotřebí, aby uživatelé, konstruktéři a výrobci těchto tlakových zařízení, projektanti a montážní pracovníci byli seznámeni s možnostmi dosažení požadované těsnosti přírubových spojů a jejich případné prevence netěsností a i nutnosti evidence provedených úprav a změn přo odstávkách. V EU se ujalo pro utahování přírubových šroubů velmi přesné mobilní hydraulické čerpadlo s řízením a dokumentací utahovacích postupů – mimo jiné např. utahování řízené utahovacím momentem, řízené úhlem natočení, řízené mezí kluzu. Ukládání naměřených údajů se provádí na paměťovém ukládacím médiu MMC (MultiMediaCard) a ty lze vyhodnocovat na externím PC pomocí integrovaného mikrokontrolního řízení (předvoleným programem) s možností dokumentace a provádění obsluhy a kontroly čerpadla. Pokrok v dosahování menších rozptylů utahovacích sil a momentů přinesly kromě způsobů utahování zejména mazání třecích míst i při vyšších teplotách a pomocné součásti ovlivňující poddajnost především šroubů – podložky, speciální podložky zamezujících krut „disc“, nástavné trubky, pružiny tažné i tlačné (Live-Loading) nebo poddajné matky „clamp“ aj. Původní rozptyly ± 45 – 50% se dnes po zavedení uvedených „pomocných prostředků“ snížily na ± 5 – 10% (Shell v Anglii, BASF v Německu).
Pod pojmem „nejlepší dostupné činnosti NDČ“ (v Německu „stav techniky“) chce EU v oblasti integrovaného zamezování a snižování nebezpečí znečištění ovzduší u průmyslových zařízení provádět výměnu informací pomocí BREFsů (Best REFerence Dokuments) navazujících na proces ze Sevilly (tzv. IVU směrnic 96/61/EG – z 18.1.2006 – dostupných např. na www.umweltbundesamt.de) se strukturou 8 kapitol, v nichž jsou kromě emisních hodnot uvedeny používané technologie NDČ u stávajících i nových procesů.
