Blog

Jak siła docisku śruby kołnierzowej określa wydajność uszczelniania

Fizyka osadzania uszczelek: dlaczego minimalne obciążenie śrub jest warunkiem niezbędnym

Uzyskanie dobrego uszczelnienia kołnierza zaczyna się od zapewnienia wystarczającego siły docisku za pomocą odpowiednio dokręconych śrub. Gdy dokręcamy te śruby, dociskają one materiał uszczelki między dwiema powierzchniami kołnierza. To ściskanie wypełnia wszystkie drobne nierówności powierzchni i tworzy pierwszą linię obrony przed wyciekami. Wielkość siły musi być większa niż ciśnienie rozprężające kołnierze od wewnątrz, a także przeciwdziałać naturalnej tendencji uszczelki do relaksacji po jej sprężeniu. Większość problemów wynika z niewystarczającego dokręcenia – badania wykazują, że około 73% wszystkich wycieków ma miejsce właśnie dlatego, że uszczelka nie została odpowiednio skompresowana. Różne uszczelki wymagają różnych sił docisku w zależności od ich konstrukcji i ciśnienia, któremu będą poddane. Na przykład uszczelki spiradowane zazwyczaj wymagają o około półtora raza większego sprężenia w porównaniu do pełnych metalowych pierścieni uszczelniających, jeśli chcemy zapobiec przeciekaniu cieczy. Jednak najważniejsze jest utrzymanie siły docisku w czasie. Same poprawne ustawienie podczas montażu nie wystarcza. Uszczelnienie musi nadal działać, nawet gdy temperatura się zmienia, a ciśnienia wahają się podczas normalnej pracy.

Przekroczenie lub niedosięgnięcie momentu obrotowego: Przyczyny wycieków w warunkach rzeczywistych zgodnie z API RP 14E i ASME PCC-1

Odchylenie momentu obrotowego jest główną przyczyną wycieków na placu budowy, z których 68% wynika z wartości spoza zakresu ±15% określonych wartości. API RP 14E i ASME PCC-1 identyfikują trzy krytyczne tryby uszkodzeń:

Oba standardy wymagają użycia skalibrowanego narzędzi i certyfikowanego personelu w celu osiągnięcia docelowych obciążeń z dokładnością do 5%—uznając, że precyzyjne zastosowanie momentu obrotowego jest nierozerwalnie związane z niezawodnością uszczelnienia.

Wybór odpowiedniej klasy śruby kołnierza dla warunków pracy rurociągu

ASTM A193 B7, B16, L7 oraz B8M: dopasowanie wytrzymałości, odporności na korozję i stabilności termicznej do środowiska pracy

Wybór odpowiedniego materiału śruby ma ogromne znaczenie dla wydajności połączeń w czasie. Weźmy na przykład stal stopową ASTM A193 B7, która charakteryzuje się imponującą wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą 125 ksi, idealną do zastosowań przy wysokim ciśnieniu, jednak zaczyna się degradować, gdy temperatura przekracza 400 stopni Celsjusza, a ponadto słabo radzi sobie z korozją. Środowiska zawierające gaz kwaśny stwarzają zupełnie inne wyzwania. W takich przypadkach śruby ASTM A193 L7 o ulepszanej strukturze martenzytycznej wykazują większą odporność na pękanie naprężeniowe spowodowane siarczkami. Dla operacji offshore, narażonych na działanie dużej ilości chlorków, potrzebne są zupełnie inne rozwiązania. Stal nierdzewna B8M sprawdza się doskonale dzięki zawartości molibdenu, który zapobiega powstawaniu irytujących ubytków. Sytuacje związane z cyklicznymi zmianami temperatury, takie jak w rafineriach, wymagają zastosowania śrub B16. Utrzymują one około 17 procent większy nacisk dociskowy niż śruby B7 w temperaturze około 550 stopni Celsjusza, zgodnie ze standardami ASME z 2022 roku. Dane branżowe wskazują również na niepokojącą sytuację – raporty NACE dotyczące korozji pokazują, że około 42% problemów z uszczelnieniem wynika z użycia śrub o niewłaściwej klasie wytrzymałości. Obserwowaliśmy przypadki, w których zwykłe śruby ze stali węglowej były stosowane w ścieżkach przepływu kwasów i prowadziły do poważnych problemów z odkształcaniem wodorowym w dalszej perspektywie czasu.

Geometria i konfiguracja śrub z kołnierzem: zapewnienie jednolitego rozkładu obciążenia

Śruby gwintowane vs. śruby do nakrętek vs. zespoły z podwójnymi nakrętkami — wpływ na powtarzalność i integralność przy dużych liczbach cykli

Kształt śrub odgrywa dużą rolę w sposobie rozkładu siły docisku na uszczelki. Śruby gwintowane, czyli te z gwintem na obu końcach, pozwalają na bardziej równomierny rozkład naprężeń i pomagają zapobiegać gromadzeniu się naprężeń w punktach połączeń kołnierzowych. Śruby dokręcane opowiadają inną historię – mają tendencję do tworzenia nieregularnych wzorców obciążenia, co może prowadzić do miejsc, w których uszczelka jest nadmiernie uciskana lub nieprawidłowo odkształca się. W przypadku urządzeń poddawanych wielu cyklom działania, podwójne nakrętki stanowią istotną różnicę, ponieważ zapobiegają ślizganiu się gwintu podczas zmian temperatury w trakcie pracy. Zgodnie ze standardem branżowym ASME PCC-1, przy użyciu śrub gwintowanych wraz z odpowiednią kolejnością dokręcania, wahania obciążeń spadają poniżej 15%. To znacząca poprawa w porównaniu z systemami śrub dokręcanych, gdzie wahania zwykle mieszczą się w zakresie od 25 do 40%. Zwiększanie średnicy większych śrub pomaga bardziej równomiernie rozprowadzić ciśnienie, a dłuższe śruby lepiej wytrzymują powtarzające się cykle naprężeń – coś szczególnie ważnego dla połączeń, które muszą regularnie wytrzymać ponad 500 cykli ciśnieniowych.

Dobieranie śrub do kołnierzy zgodnie z wymogami: klasy, rozmiary i wymagania dotyczące gatunku według ASME B16.5

Standardy ASME B16.5 to nie tylko sugestie – są one zasadniczo obowiązującymi wymogami zapewniającymi bezpieczną pracę bez wycieków. Standard ten obejmuje trzy główne czynniki, które nie mogą zostać zignorowane: klasa ciśnienia (klasa), wymiary (rozmiar i długość) oraz wytrzymałość materiału (gatunek). Weźmy na przykład kołnierz klasy 300 pracujący pod ciśnieniem 500 funtów na cal kwadratowy w temperaturze około 400 stopni Fahrenheita. Taki układ wymaga znacznie mocniejszych śrub niż te stosowane w wersji klasy 150. Gdy komponenty nie spełniają odpowiednio tych specyfikacji, sytuacja szybko staje się problematyczna. Pojawia się nierównomierne rozłożenie ciśnienia, co według niektórych aktualnych raportów branżowych odpowiada za około 37% wszystkich wycieków rurociągów. Dlatego dobrzy inżynierowie zawsze sprawdzają te trzy kluczowe parametry razem przed podjęciem decyzji dotyczących doboru i instalacji sprzętu.

1. Wymagania dotyczące klasy : Ocenianie ciśnienia i temperatury określające minimalną wytrzymałość śrub
2. Specyfikacje rozmiarów : Kombinacje średnicy i długości zapewniające pełne zazębienie gwintu i wystarczające rozciągnięcie
3. Zgodność klasy : Certyfikaty materiałów (np. ASTM A193) dostosowane do wymagań dotyczących korozji, temperatury i wytrzymałości mechanicznej

Trójdzielne podejście do uszczelnienia analizuje śruby, uszczelki i kołnierze jako elementy jednego dużego systemu, w którym problem z dowolnym pojedynczym elementem może sparaliżować cały układ. Nowe narzędzia oprogramowania do obliczania rozmiarów śrub są teraz wyposażone w dane ASME B16.5, dzięki czemu pracownicy nie muszą już wykonywać tych obliczeń ręcznie. Technicy terenowi odnotowują około 23% mniej problemów z montażem od czasu wprowadzenia tych cyfrowych rozwiązań w 2022 roku. Pamiętaj również, aby sprawdzić, które wersje norm obowiązują aktualnie, ponieważ w zeszłym roku 2021 wprowadzono istotne zmiany dotyczące stopów odpornych na wysoką temperaturę, o których wiele osób nadal nie wie podczas prac montażowych.

Trójskładowy System Uszczelniania: Dlaczego Dobór Kołków Kołnierzowych Musi Odpowiadać Konstrukcji Uszczelki i Kołnierza

Integralność rurociągów zależy od zsynchronizowanej pracy kołnierzy, uszczelek i kołków. Niezgodności między tymi elementami są główną przyczyną katastrofalnych awarii połączeń. Na przykład uszczelki spiradowane wymagają o 30–50% niższych obciążeń kołkami niż uszczelki RTJ, aby poprawnie osiąść, nie uszkadzając metalowych zwojów – zgodnie z wytycznymi ASME B16.20.

Uszczelki Spiradowane vs. RTJ: W jaki Sposób Typ Uszczelki Określa Wymagane Obciążenie Kołkami Kołnierzowych i Margines Wytrzymałości

Uszczelki spiradowane działają poprzez ściskanie elastycznych materiałów, takich jak grafit, umieszczonych wewnątrz metalowych zwojów. Najlepiej sprawdzają się przy ciśnieniu zbliżonym do zakresu od około 15 tysięcy do 30 tysięcy funtów na cal kwadratowy. Ten zakres jest optymalny, aby utworzyć skuteczną uszczelkę, zachowując jednocześnie wystarczającą sprężystość materiału, by zachował on swoje właściwości przez dłuższy czas. Większość konstrukcji uszczelek spiradowanych dobrze znosi zmiany temperatury, wracając zwykle do około 15 procent pierwotnej wysokości po cyklach rozszerzania i kurczenia. Uszczelki RTJ są jednak inne. Wymagają one znacznie wyższego ciśnienia, ponieważ miękkie metale, takie jak aluminium lub stal niskowęglowa, muszą ulec odkształceniom i wciskaniu w rowki kołnierzy. Wymaga to zastosowania siły co najmniej 40 tysięcy psi pochodzącej od śrub łączących całość. W wyniku tego procesu powstaje trwałe metalowe połączenie uszczelniające, które nie podlega odzyskaniu. Jaka jest wada? Jeżeli śruby zostaną rozciągnięte poza ich granice wytrzymałości, cały system staje się podatny na odkształcenia i awarie w przyszłości.

Wybór śrub musi odzwierciedlać tę podstawową różnicę: systemy spiralinowe korzystają ze śrub o wyższej sprężystości, aby utrzymać obciążenie podczas zmian temperatury; systemy RTJ wymagają śrub o wysokiej granicy plastyczności, zdolnych do utrzymywania ekstremalnych ciśnień odkształcających. Zgodnie z przypadkami opisanymi w normie ASME B31.3, niezgodności odpowiadają za 23% awarii uszczelnienia w rurociągach wysokociśnieniowych.