Technická pravidla pro provozní bezpečnost přírubových spojů

J.Lukavský, ČVUT v Praze
M.Gill a J.Tomáš, TECHSEAL, s.r.o. Praha

Nároky na utěsnění přírubových spojů zejména s ohledem na dlouhodobý bezpečný a bezporuchový provoz potrubí a tlakových nádob se stále zvyšují. K tomu, aby bylo možné tuto problematiku řešit, slouží technická pravidla. Rozebíratelné spoje jsou v poslední době příčinou těkavých emisí a v následné etapě imisí, které zhoršují životní prostředí. Proto by se mělo jejich použití omezovat na případy, kde jsou nutně potřebné, zejména pro umožnění nebo usnadnění oprav a údržby. Pro tyto rozebíratelné přírubové spoje se používá těsnění, jehož vlastnosti by měly odpovídat podmínkám použití, utěsňovaným látkám a jejich parametrům, zejména tlakům a teplotám.

Dosud provedené kontroly ukázaly nejen rozsah netěsností, ale též jejich příčiny. Např. v Nizozemí v r. 1999 se ukázalo, že 22 až 27% všech netěsností pochází z přírubových spojů.  Americká EPA (Enviromental Protection Agency) v témže roce vyčíslila množství netěsností jen u VOCs (Volatil organic compounds) těkavých organických sloučenin na 40 000 t. V Anglii přitom bylo zjištěno, že 70% netěsností na přírubách lze přičíst chybám při montáži, nepřesně nebo chybně stanoveným nebo použitým utahovacím sílám, příp. utahovacím momentům. Kromě hospodářských škod nastaly též škody na životním prostředí.

Příčiny poruch přírubových spojů

Na základě těchto i našich zkušeností lze příčiny selhání přírubových spojů přičíst:

• chybám již v návrhu spoje, protože to jsou komplexní útvary a jejich součásti příruby, šrouby a matice a těsnění, musí být správně vzájemně dimenzovány, aby byl zkonstruován trvale technicky těsný spoj; při optimálním tvaru a použití nejvhodnějšího tvaru a materiálu těchto součástí mohou tyto spoje splnit vysoké nároky, vyplývajících ze zákonů, směrnic a předpisů,
• klamným údajům výrobců o vlastnostech zejména těsnění a z toho vyplývající chybné volbě součásti – těsnění, šroubů nebo přírub,
• nedostatečnému splnění požadavků na montáž (nedodržení postupů utahování, použití nevhodného nářadí apod.)
• chybným úvahám při výpočetních důkazech pevnosti a těsnosti přírubového spoje, neuvažování všech důležitých provozních stavů, jako např. najíždění nebo sjíždění z provozních parametrů, aj.
• nerespektování zákonů, vyhlášek, směrnic a technických pravidel,
• špatnému zhodnocení významu spoje pro provoz – co se stane v případě vzniku netěsnosti – náklady na opravu; musí se zastavit jen zařízení s vadným spojem, nebo výrobní linka nebo celý provoz?
• chybějícímu montážnímu předpisu,
• nekvalifikovanému nebo nevyškolenému personálu, který zajišťuje a provádí montáž,
• nekvalifikovanému nebo nevyškolenému dodavateli uvedených součástí,
• změnám vlastností těsnicího materiálu nesprávným skladováním, zpracováním, podceněním vlivu provozního zatížení (např. deformací, křehnutí, meze pevnosti v tečení aj.),
• nevhodným nástrojům použitým při demontáži a montáží, poškození součástí při manipulaci nebo montáži,
• chybějící a nekvalifikované kontrole.

Ohrožení bezpečnosti provozního a životního prostředí jsou pro jednotlivá výrobní prostředí vesměs podchycena ve vyhláškách pro bezpečnost práce a lze je specifikovat konkrétně i pro přírubové spoje tlakových zařízení. Příčiny mohou být:

• poškození těsnění nebo těsnicích ploch,
• materiál těsnění neodolává těsněnému médiu (důsledek: např. koroze, eroze, změny fyzikálních nebo chemických vlastností – stárnutí, aj.),
• nedovolená zatížení (překročení dovolených hodnot, rázy, vnější prostředí),
• chyby montáže (např. excentrické uložení, nerovnoměrná zatížení aj.),
• teplotní šoky, vyvolané buď těsněnou látkou, nebo vnějším prostředím.

Jaký je současný stav techniky?

Pojem – stav techniky – je definován jako „stav vývoje pokrokovým postupem, uspořádáním nebo provozním způsobem, který umožňuje dosáhnout bezpečně praktickými možnostmi použitých prostředků daného cíle ochrany – bezpečného utěsnění provozních tekutin“. Stav techniky vyznačuje stav současné úrovně technického vývoje.  Důležitá poznámka: v případě nebezpečných látek je třeba stav techniky využít.

Uznaná pravidla techniky: většinou se jedná o dokumentovaná ustanovení, v nichž se využívá stavu techniky odpovídajícímu dostupným zdrojům. Dokumentovaná ustanovení jsou např. technické normy (ČSN, ČSN EN, ISO, ASME, DIN aj.), technická pravidla, směrnice a certifikace, které by měly být udržovány v synchronizaci se stavem techniky. Je ale samozřejmé, že jejich uživatel se nezbavuje odpovědnosti za vlastní jednání.

V 70. letech minulého století byly specifikovány 3 třídy těsnosti (množství netěsnosti) pro měkká těsnění vztažená na střední obvod těsnění:

• L_1,0 = 1 mg/(s.m) pro utěsňování především kapalin,
• L_0,1 = 0,1 mg/(s.m) pro utěsnění technických plynů a par,
• L_0,01 = 0,01 mg/(s.m) pro utěsnění „nebezpečných látek“.

Od r. 2000 snižuje EU emise zvlášť nebezpečných látek organického i neorganického původu podle vyhlášky 337/2010 Sb.(v Německu GefStoffV, TA-Luft a VDI 2440) na hodnotu 1.10^-5 kPa.l/(s.m) = 10^-4 mbar.l/(s.m) = 0,165.10^-4 mg/(s.m). Tyto uvedené limity platí pouze pro tzv. stavební zkoušku, v praxi s takto vyzkoušenými těsněními se dosahuje hodnot 10^-2 až 10^-3 mg/(s.m).

Zákony a vyhlášky: zákon ochrany před imisemi, zákon o hospodaření vodou, zákon o bezpečnosti práce, vyhláška o nebezpečných látkách, vyhláška o provozní bezpečnosti lze plnit použitím  nejlepší dostupné techniky (Best Available Technics – BAT) zakotvený ve směrnici 96/61/EG:1996 o integrovaném zamezování a snižování znečištění životního prostředí. BAT je nejúčinnějším a pokrokovým stavem činnosti nebo provozních metod, které umožňují používat speciálních postupů a jsou nejúčinnější pro dosažení řešení na vysoké úrovni. V EU jsou zpracovávány do BREFs (Best Available Reference Document) a jsou pravidelně aktualizovány.

V rámci společného postupu v technice utěsňování přinesl „Sevilla proces“ novou dimenzi. Aby se zaručily stejné znalosti, zřídila komise EU fórum pro výměnu informací. Pracovní skupiny (Technical Working Groups) vypracovávají.dokumenty BAT, které jsou pak uveřejňované jako BREFs. Jako „Sevilla proces“ je označován postup, v jehož rámci jsou vypracovávány dokumenty o nejlepší použité technice.

Podobný přístup při snižování emisí a imisí, jako je v EU proběhl i v USA. Řešení problematiky pro zajištění těsnosti nových i provozovaných tlakových zařízení je popsáno v návodu „ASME PCC-1:2010 Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly“. Tyto návody se týkají především přírubových spojů normalizovaných podle amerických norem, např. ASME B 16.5 / B 16.47. Poté v podobném návodu vyšlo doporučení a návody: P.Thomsen: Dichtungsvademecum „Wissen und Grundlagen zur statischen Dichtungstechnik“; PP Publico 2012.

Technická pravidla pro provozní bezpečnost (TRBS 2141-3) řeší společně i s dalšími pravidly ohrožení při větším množství netěsností, zjišťuje příčiny a popisuje opatření pro dosažení ochranných cílů.

Školení

Kromě jiného se v uvedených publikacích řeší školení, kvalifikace a certifikace montérů a doporučuje se, aby provozovatel nebo jeho oprávněný zástupce provedl nebo nechal provést základní školení montérů a dalších zúčastněných pracovníků podle směrnic obsažených v právě vydávaných evropských normách ČSN EN 1591-4, kde jsou i pokyny pro školení.

Jednotlivé součásti přírubového spoje – příprava na montáž

Po demontáži je třeba zjistit stavy jednotlivých součástí dosedacích funkčních ploch spoje. Potřebná oprava těsnicích ploch a jejich sanování jsou uváděna v technických pravidlech ASME PCC-2 -2011. Aby se odstranily nečistoty a jiné přichycené částice, lze pro ocelové materiály použít drátěné mosazné a pro nerezové součásti nerezové kartáče. V případě poškozených povrchů je třeba je egalizovat, případně opatřit návarem s opracováním na doporučenou jakost povrchu. Pokud se použije obrábění povrchů přírub, musí být po opracování dosažena původní tloušťka listů přírub nebo výpočtem prokázat pevnost a těsnost takového spoje.

Šrouby a matice jsou významné součásti z hlediska bezpečnosti. Před provedením oprav na těchto součástech je třeba vypracovat analýzu ohrožení. Je třeba si uvědomit, že s opravou zaniká nárok na záruky produktu a provozovatel přebírá automaticky záruky z civilního a trestně právního hlediska. Obecně se tyto součásti neopravují, je třeba je vyměnit.

Těsnění je důležitou součástí spoje a doporučuje se ho vyměnit za nové (výjimkou může být kovová část hřebínkové těsnění). Lepidlo pro uchycení těsnění na ploše příruby se smí použít jen v odůvodněných případech; nemá se nanášet celoplošně, ale jen bodově. Nesmí se používat lepidlo, jehož chemické složení by se nemohlo snášet s procesní tekutinou za provozní teploty.

Je výhodné použití vytvrzených hladkých podložek pro eliminaci opotřebení dosedacích ploch přírub pod maticemi.

Mazání stykových ploch snižuje součinitel tření a vede k méně potřebnému utahovacímu momentu pro dosažení specifikovaného předpětí šroubů, zlepšuje rovnoměrnost dosaženého zatížení těsnicí plochy. Podle provozní teploty se používají vesměs pasty nebo mazací filmy. Dříve, než se nanáší mazivo na závity šroubů a matic, musí se matice volně ručně protáčením vyzkoušet. Nedají-li se matice volně protáčet, pak je třeba zjistit příčinu a vyměnit je, pokud není možná jednoduchá oprava.

Problematika objednávání těsnění

Mají-li být respektovány všechny požadavky na bezpečnost utěsnění, pak s ohledem na současný široký sortiment vyráběných těsnicích materiálů a jejich vlastnosti, je potřeba pro specifikaci těsnění mít dostatek údajů. Vedle obvyklých údajů pro dimenzování, je třeba specifikovat potřebné chemické a fyzikální vlastnosti; patří sem i požadavky vyplývající ze zákonů, vyhlášek, předpisů a směrnic. Je třeba znát i kvalifikaci výrobce, údaje a potvrzení o zkouškách, certifikáty, značení a balení, údaje o skladovatelnosti a zpracování odpadu. Jak by měla vypadat specifikace je patrné z následující tabulky:

Tabulka: Specifikace těsnění s označením výrobce materiálu, příp. těsnění podle stavu techniky:

výrobce / kvalifikace:

výrobce                                                         jméno výrobce / dodavatele

kvalifikace výrobce                                       (např. API, ČSN EN 9001, KTA)

označení                                                    

typ těsnění                                                     (např. ploché těsnění s vnitřním lemem a                                                                            pokud je to třeba, datum min. trvanlivosti)

meze teplotního nasazení (min/max)   (např. – 200° až +550° C)

rozměry / materiály

tlakový stupeň / jmenovitý rozměr                (např. DN 10 až DN 500/PN10 až PN 40)

tvar                                                                (např. IBC)

rozměry – norma                                           (např. ČSN EN 1092-1; ČSN EN 1514-1)

tloušťka těsnění                                             (např. 2 mm)

materiál, tloušťka výztuže, tvar                     (např. 1.4401/ 0,05 perforovaný plech)

materiál, tl. vnitřního lemu, úpravy okraje     (např. 1.4571 , 0,1 mm)

materiál, tl. vnitřního kroužku[1]                       (např. není)

materiál, tloušťka vnějšího / středícího kroužku   (např. není)

materiál těsnění, povlaku / tl. povlaku           (např. grafit, čistota 99%, hustota 1.0)

přítomnost impregnace grafitu[2]                     (např. ano)

zvláštní požadavky (max. tvrdost)[3]              (např. svařeno bezešvě dle ISO 3834-2)

dokumentace, zkušební atest

osvědčení podle ČSN EN 10204 (hotová těsnění (např. 2.2)

potřebné certifikáty / osvědčení (deklarováno uživatelem)

provozní bezpečnost podle TRBS 2141-3)               (např. ano)

TA-Luft, VDI 2290 v NSR                                         (např. ne)

zákon o vodním hospodářství                                  (např. ne)

ochrana před požárem Fire Save ISO 104987        (např. ano)

BAM-certifikát (pro zařízení pracující s kyslíkem)   (např. ne)

DVGW-certifikát  (při použití v plynových zařízeních a vodě)  (např. ne)

DVGW-HTB certifikát na ochranu před požárem[4]   (např. ano)

DGRL 98/23/EG (PED) – odolnost vůči médiím[5]    (např. ano)

TRFL – odolnost vůči médiím[6]                                 (např. ne)

FDA – certifikát (potraviny, pitná voda)                    (např. ne)

KTW-certifikát pro pitnou vodu                                 (např. ne)

Certifikát u kyselých plynů (součásti omývané H₂S[7] např. ne)

balení

např. balení po kusech                                             (např. balení po 10 ks apod.)

maximální skladovatelnost (počet roků)[8]              (např. 3 roky a popis možné ochrany)

omezení pro odstraňování odpadů[9]                     (např. elastomery podle ISO 2230)

vydání pro použití[10]

místo / datum ………………….jméno:………………podpis:

Utahovací postup

Postupné utahování křížově se provádí v několika krocích, aby i při stlačování se dosáhlo rovnoměrného utahovacího tlaku na těsnicí ploše a aby nenastalo zvlnění přírubového listu. Protože utahovací postup je u přírub ASME a EN různý, je výhodné použít číslování pozic šroubů, které představuje přidělené místo ve sledu utahování. Jak se bude postupovat při procesu utahování, obsahují popisy sledu montáže s jedním nebo více utahovacími nástroji. Počet použitých utahovacích nářadí se volí, přičemž je třeba přihlížet k provozním podmínkám (tlak, teplota aj.), mechanickým kritériím (průměr šroubu, rozměrům příruby, druhu těsnění aj.), příp. k dřívějším netěsnostem ve spoji a vlastnostem těsněné tekutiny. Všechny nástroje použité pro montáž se musí pravidelně řádně ošetřovat a kalibrovat. Rozptyl dosažených sil ve šroubech závisí nejen na použitém nářadí, ale i na mazání šroubů a matic a způsobu utahování a kvalifikaci montéra a kontrole utahování.

Osvědčení o provedené zkoušce

Zkušební osvědčení jsou prováděna v návaznosti na ČSN EN 10204 „Kovové výrobky – druhy osvědčení o zkoušce. Do roku 1995 platila „Osvědčení pro zkoušky materiálu“. Prvně nabyla platnosti v 12.1951, přičemž poslední změna je z 11.1992 a 04.1992. Dříve bylo obvyklé, že obchod předepsal podniková osvědčení (2.1), provozní osvědčení (2.2), zkušební osvědčení (2.3) a přejímací osvědčení (3.1B). Změny vyvolané v EU se promítly ve vydání EN 10204:05,2005. Norma obsahuje změny, které jsou potřebné pro přizpůsobení na evropskou směrnici pro tlaková zařízení 97/23/EG. Osvědčení 2.3 bylo vyškrtnuto, z osvědčení o přejímce 3.1B je 3.1, z 3.1A a 3.1C, přičemž přejímací zkušební protokol 3.2A a 3.2C  jsou nahrazeny protokolem 3.2) – viz tabulka 2.

Tabulka 2 Osvědčení o materiálových zkouškách / zkušebních osvědčení

Tabulka 3 – Zkušební osvědčení pro těsnění v závislosti na potenciálu rizik provozního média

Závěr

V příspěvku jsou srovnána technická pravidla vypracovaná jednak ve společnosti ASME a jednak v EN se zaměřením na hlavní kroky, které je třeba vykonat pro vytvoření dlouhodobě bezpečného provozu zařízení s přírubovými spoji. Jak vyplývá z doporučovaných postupů, je pro snížení lidského faktoru hlavní důraz při návrhu spoje kladen na vlastní montáž a na školení montážních techniků, ale i konstruktérů, údržbářů a revizních techniků podle ČSN EN 1591-4: 2013. Zkušenosti různých montážních firem to potvrzují.

[1] Např. u spirálového těsnění

[2] Impregnovaná těsnění mají tendenci k nalepování na povrch příruby, což vyvolává vzestup nákladů při revizích, pokud nebyla příruba pečlivě vyčištěna; impregnace ztěžuje stanovení chemické odolnosti

[3] Např. při omezení tvrdosti u Joint-kroužků nebo jiných kovových těsnění nebo pro přivařovací těsnění by měl být stanoven postup zajištění kvality (např. ISO 3834-2)

[4] Certifikace HTB (Hoch Temperatur Beständigkeit) pro plyny a vody probíhá podle DVGW-VP 401 výzkumem DVGW v Karlsruhe

[5] Podle směrnice 7/23 k DGRL (PED) musí těsnění zajistit těsnost, musí být dostatečně chemicky odolné vůči tekutinám

[6] Podle TRFL (Technische Regel für Rohrleitungen) v potrubí – výrobce těsnění zajistit odolnost vůči médiím písemně

[7] Podle ISO 15156-1-3 jsou zde popsány požadavky na materiál

[8] V ISO 15156-1-3 jsou popsány požadavky na materiály, v odstavci 8.2 je popsáno schvalování materiálů

[9] Poškozené součásti se nemohou použít podle „technický pravidel pro bezpečnost provozu“. Zvolené balení musí nabídnout dostatečnou ochranu před poškozením při dopravě a skladování.

[10] Vyřazování musí schvalovat autorizovaný odborník