Blog

Jak určuje přítlak přírubových šroubů výkon těsnění

Fyzika dosednutí těsnění: Proč je minimální zatížení šroubů nepostradatelné

Dosažení kvalitního těsnění příruby začíná tím, že zajistíme dostatečnou upínací sílu prostřednictvím správně utažených šroubů. Když tyto šrouby utáhneme, stlačí těsnicí materiál mezi dvěma povrchy přírub. Toto stlačení vyplní všechny drobné nerovnosti povrchu a vytvoří první bariéru proti únikům. Velikost síly musí překonat jak tlak, který zevnitř tlačí příruby od sebe, tak i míru, do jaké se těsnění po stlačení přirozeně snaží opět uvolnit. Většina problémů vzniká nedostatečným utažením – studie ukazují, že přibližně 73 % všech úniků je způsobeno nesprávným stlačením těsnění. Různá těsnění vyžadují různou velikost síly v závislosti na jejich konstrukci a tlaku, kterému budou vystavena. Například spirálovitá těsnění obecně potřebují o polovinu vyšší stlačovací sílu ve srovnání s plnými kovovými těsnicími kroužky, chceme-li zabránit prosakování kapalin. Co však skutečně rozhoduje, je udržení upínací síly v průběhu času. Správné nastavení pouze při montáži totiž nestačí. Těsnění musí setrvale držet i při změnách teploty a kolísání tlaku během běžného provozu.

Přetížení nebo nedostatečné utažení momentu: Příčiny netěsností v reálném provozu podle API RP 14E a ASME PCC-1

Odchylka momentu je hlavní příčinou netěsností v provozu, 68 % případů je způsobeno utažením mimo rozsah ±15 % požadovaných hodnot. API RP 14E a ASME PCC-1 identifikují tři kritické režimy poruch:

Obě normy vyžadují kalibrované nástroje a certifikovaný personál pro dosažení cílových zatížení s přesností do 5 % – s vědomím, že přesnost aplikace kroutícího momentu je nedílnou součástí spolehlivosti těsnění.

Výběr správné třídy přírubového šroubu pro provozní podmínky potrubí

ASTM A193 B7, B16, L7 a B8M: Přizpůsobení pevnosti, odolnosti proti korozi a tepelné stability provoznímu prostředí

Volba správného materiálu šroubu zásadně ovlivňuje výkon spojů v průběhu času. Vezměme si například slitinovou ocel ASTM A193 B7, která má působivou mez pevnosti v tahu 125 ksi a je vhodná pro aplikace s vysokým tlakem, ale začíná se rozpadat, jakmile teplota překročí 400 stupňů Celsia, a také špatně odolává korozi. Prostředí s kyselým plynem představují zcela jiné výzvy. Zde šrouby ASTM A193 L7 s jejich popuštěnou martenzitickou strukturou vykazují lepší odolnost vůči trhlinám způsobeným sulfidovým napětím. Offshore provozy, které pracují s vysokým obsahem chloridů, potřebují něco úplně jiného. Nerezová ocel B8M funguje skvěle díky obsahu molybdenu, který brání vzniku obtížných bodových koroze. Situace s tepelnými cykly, jako je tomu v rafinériích, vyžadují spíše šrouby B16. Ty udržují přibližně o 17 % vyšší utahovací sílu ve srovnání s B7 při teplotě kolem 550 stupňů Celsia, podle norem ASME z roku 2022. Průmyslová data ukazují také znepokojující skutečnost – podle korozních zpráv NACE pochází přibližně 42 % problémů se těsněním z použití nesprávné třídy šroubů. Viděli jsme případy, kdy byly běžné uhlíkové ocelové šrouby použity v kyselých proudnicích a nakonec vedly k vážným problémům s křehkostí vodíkem.

Geometrie a konfigurace přírubových šroubů: Zajištění rovnoměrného rozložení zatížení

Čepové šrouby vs. závitové šrouby vs. spoje s dvojitou maticí – vliv na opakovatelnost a integritu při vysokém počtu cyklů

Tvar šroubů hraje velkou roli v tom, jak se přítlaková síla rovnoměrně rozkládá po těsněních. Šrouby s závitem na obou koncích umožňují rovnoměrnější rozložení napětí a pomáhají zabránit hromadění namáhání v místech připojení přírub. U kotvicích šroubů je to ale jinak – mají tendenci vytvářet nerovnoměrné zatěžovací vzorce, což může vést k místům, kde je těsnění nadměrně stlačeno nebo se nesprávně deformuje. Při práci s vybavením, které prochází mnoha cykly, mají dvojité matice zásadní význam, protože brání protáčení závitů při změnách teploty během provozu. Podle průmyslového standardu ASME PCC-1 použití šroubů s závitem na obou koncích ve spojení s vhodnou posloupností utahování snižuje kolísání zatížení pod 15 %. To je výrazné zlepšení oproti systémům s kotvicími šrouby, u nichž se kolísání obvykle pohybuje mezi 25 až 40 %. Použití větších šroubů s větším průměrem pomáhá rovnoměrněji rozložit tlak a delší tyčové šrouby lépe odolávají opakovaným namáhacím cyklům – což je velmi důležité pro spoje, které musí pravidelně vydržet více než 500 tlakových cyklů.

Dimenzování přírubových šroubů řízené shodou: Požadavky třídy, velikosti a třídy dle ASME B16.5

Normy ASME B16.5 nejsou jen doporučeními – jsou v podstatě požadavky, pokud jde o zajištění bezpečných provozních podmínek bez úniků. Tato norma zahrnuje tři hlavní faktory, které nelze ignorovat: tlakovou třídu (class), rozměry (velikost a délku) a pevnost materiálu (grade). Uvažujme například přírubu třídy 300 pracující při tlaku 500 liber na čtvereční palec a teplotě kolem 400 stupňů Fahrenheita. Takové uspořádání vyžaduje mnohem pevnější šrouby ve srovnání s verzí třídy 150. Pokud komponenty tyto specifikace nepřesně splňují, rychle vzniknou problémy. Dochází k nerovnoměrnému rozložení tlaku, což podle některých nedávných průmyslových zpráv způsobuje přibližně 37 % všech úniků v potrubích. Proto důkladní inženýři vždy kontrolují tyto tři klíčové údaje současně, než učiní rozhodnutí o výběru a instalaci zařízení.

1. Požadavky třídy : Tlakotepelné parametry určující minimální pevnost šroubů
2. Specifikace rozměrů : Kombinace průměru a délky zajišťující plný záběr závitu a dostatečné prodloužení
3. Kompatibilita tříd : Materiálové certifikace (např. ASTM A193) sladěné s požadavky na odolnost proti korozi, teplotním namáháním a mechanické vlastnosti

Trojčlenný přístup k těsnění posuzuje šrouby, těsnění a příruby jako součásti jednoho celku, kde problém s jakoukoli jedinou součástí může způsobit selhání celého systému. Nové softwarové nástroje pro výpočet rozměrů šroubů jsou nyní vybaveny vestavěnými daty ASME B16.5, takže pracovníci již nemusí tyto výpočty provádět ručně. Polní technici hlásí přibližně o 23 % méně problémů se spoji od chvíle, kdy byla tato digitální řešení zavedena v roce 2022. A nezapomeňte zkontrolovat, které verze norem platí aktuálně, protože v minulém roce 2021 došlo k důležitým změnám u slitin pro vysoké teploty, o nichž si mnozí lidé stále nejsou vědomi, když pracují na instalacích.

Třídílný těsnicí systém: Proč výběr přírubových šroubů musí odpovídat konstrukci těsnění a příruby

Integrita potrubí závisí na synchronizovaném výkonu přírub, těsnění a šroubů. Nesoulad mezi těmito komponenty je hlavní příčinou fatálních poruch spojů. Například spirálovitá těsnění vyžadují o 30–50 % nižší zatížení šroubů než těsnění RTJ, aby byla správně dosednuta bez poškození kovových vinutí – podle pokynů ASME B16.20.

Spirálovitá těsnění vs. těsnění RTJ: Jak typ těsnění určuje požadované zatížení přírubových šroubů a bezpečnost proti přetížení

Spirálově vinuté těsnicí podložky fungují stlačováním pružných materiálů, jako je grafit, uvnitř kovových cívek. Tyto těsnicí podložky vykazují nejlepší výkon při tlaku mezi přibližně 15 tisíci a 30 tisíci liber na čtvereční palec. Tento rozsah je ideální pro vytvoření kvalitního těsnění, přičemž materiál zůstává dostatečně pružný, aby si uchoval své vlastnosti po delší době. Většina spirálově vinutých konstrukcí zvládá změny teploty poměrně dobře, obvykle se po cyklech roztažení a smrštění vrátí zpět přibližně o 15 procent. Těsnicí podložky RTJ jsou však odlišné. Ty vyžadují mnohem vyšší tlak, protože do skutečnosti deformují měkké kovy, jako je hliník nebo uhlíková ocel, do drážek přírub. To vyžaduje minimálně 40 tisíc psi z šroubů, které drží celý systém pohromadě. Zde dochází k vytvoření trvalého kovového těsnicího spoje, který se vůbec neobnovuje. Nevýhoda? Pokud se tyto šrouby natáhnou nad jejich mezní hodnoty, celý systém se stává náchylný k deformaci a poruše v budoucnu.

Výběr šroubů musí odrážet tento zásadní rozdíl: u systémů se šroubenými vinutými těsnicími kroužky jsou výhodné šrouby s vyšší pružností, které udrží zatížení během teplotních změn; systémy RTJ vyžadují šrouby s vysokou mezí kluzu, schopné udržet extrémní tlakové deformace. Podle studií případů ASME B31.3 představují nesoulady 23 % těsnicích poruch v potrubích pod vysokým tlakem.