Dobór uszczelek: płaskich, spiralnie nawijanych i pierścieniowych

Dobór uszczelki: arkuszowe, spiralne i pierścieniowe to proces dopasowania elementu uszczelniającego do klasy ciśnieniowej kołnierza, rodzaju przylgi, temperatury i medium procesowego tak, aby połączenie utrzymywało ciśnienie bez przecieków, pełzania lub wyrzutu. Uszczelka wypełnia mikroskopijne nierówności między dwiema powierzchniami kołnierza i utrzymuje szczelność wobec obciążenia śrub, cykli termicznych i ciśnienia. Wybór niewłaściwego typu jest jedną z najczęstszych przyczyn powtarzających się przecieków kołnierzy i emisji fugitivnych.

Trzy rodziny uszczelki

Praktycznie każda przemysłowa uszczelka mieści się w jednej z trzech rodzin, w oparciu o ilość metalu w uszczelnieniu.

• Arkuszowe niemataliczne: sprasowane włókna, PTFE i materiały wiązane gumą, cięte płasko bez wzmocnienia metalowego. Stosowane na kołnierzach klasy 150 i 300.
• Półmetaliczne: spiralne (spiral wound) i kammprofile, gdzie metalowy nawoj lub żłobkowane jądro przenosi obciążenie, a miękki wypełniacz (PTFE, grafit, mika) zapewnia uszczelnienie. Radzą sobie z wyższym ciśnieniem i temperaturą.
• Metalowe uszczelki pierścieniowe (RTJ): pełne metalowe pierścienie (żeliwo miękkie, stal węglowa, stal nierdzewna lub stopy) osadzane w frezowanych rowkach, typowo dla klas 600 i wyżej.

Dobór zaczyna się od już zamontowanej przylgi kołnierza: uszczelka RTJ nie może być użyta na kołnierzu z podniesioną przylgą, a płaska uszczelka arkuszowa jest nieodpowiednia dla żłobionej powierzchni RTJ.

Czynniki uszczelki: m i y

ASME BPVC Section VIII, Division 1, Appendix 2 przypisuje każdemu materiałowi uszczelki dwa współczynniki projektowe do dobierania obciążenia śrub. ASME B16.20 to odrębna norma dotycząca wymiarów uszczelek, nie zaś m i y.

• m, współczynnik utrzymania: mnożnik ciśnienia potrzebny, aby uszczelka utrzymała szczelność po zgazyfikowaniu. Miękkie arkusze mają niskie wartości (około 2 do 3,5); uszczelki spiralne przyjmują domyślnie około 3,0; stałe RTJ wymagają najwyższych wartości (5,5 lub więcej), ponieważ pierścień musi plastycznie odkształcić się w rowku.
• y, minimalne naprężenie dosadzeniowe: naprężenie potrzebne do dosadzenia uszczelki przed przyłożeniem ciśnienia. Miękkie arkusze potrzebują tylko kilku MPa; uszczelki spiralne znacznie więcej; RTJ potrzebuje najwięcej, często rzędu wielokrotności wartości dla arkuszy.

Te współczynniki wpływają na obliczenie obciążenia śrub, więc dobór uszczelki i moment dokręcania śrub kołnierza muszą być wykonywane razem. Uszczelka o wysokim y dokręcona jak dla miękkiego arkusza nigdy się nie dosadzi.

Typowy dobór uszczelki według zastosowania

Traktuj to jako punkt wyjścia, nie zastępstwo dla karty danych producenta i klasy kołnierza zgodnie z ASME B16.5 lub B16.47. Obsługa kwaśna i wodorowa nakłada dodatkowe ograniczenia materiałowe, np. NACE MR0175 / ISO 15156.

Dopasowanie uszczelki do medium i przylgi kołnierza

• Zgodność chemiczna: utleniacze, silne kwasy i niektóre rozpuszczalniki atakują spoiwa elastomerowe w sprasowanych włóknach. PTFE i spirale z wypełnieniem grafitowym opierają się bardziej, lecz grafit jest nieodpowiedni w gorących, utleniających warunkach.
• Przylga kołnierza: kołnierze z podniesioną przylgą przyjmują arkuszowe lub spiralne uszczelki. Kołnierze płaskie, powszechne w żeliwie, wymagają pełnopowierzchniowej uszczelki arkuszowej; żłobione powierzchnie RTJ wymagają dopasowanego pierścienia.
• Praca cykliczna: spirale i kammprofile lepiej utrzymują naprężenie przy ruchu niż arkusze — kluczowe przy konserwacji sprężarek tłokowych, gdzie połączenia pokryw zaworów są narażone na ciągłe pulsacje.
• Wykończenie obróbką: miękkie arkusze tolerują bardziej chropowatą powierzchnię przylgi; RTJ i kammprofile wymagają rowka obrobionego zgodnie ze specyfikacją.

Tryby awarii: wyrzut i relaksacja pełzająca

Wyrzut (blowout) występuje, gdy ciśnienie i niewystarczające resztkowe obciążenie śrub wypychają uszczelkę na bok lub wyciskają ją z połączenia — częstsze w przypadku miękkich arkuszy przy wysokim ciśnieniu, za małych uszczelek lub śrub poluzowanych przez wibracje.

Relaksacja pełzająca to stopniowa utrata grubości i naprężenia uszczelki w czasie, przyspieszana przez ciepło. Gdy naprężenie spada poniżej wymaganego współczynnika m, połączenie zaczyna się sączyć, często najpierw zauważane jako przebarwienia. Sprasowane włókniny i arkusze elastomerowe są najbardziej podatne; uszczelki metalowe i półmetaliczne pełzną znacznie mniej.

Uszczelka jest elementem zużywalnym z określonymi interwałami ponownego dokręcania i inspekcji, a nie „zainstaluj i zapomnij”. W przepływie pracy CMMS opartym na Fabrico każde połączenie kołnierzowe ma swoją specyfikację uszczelki i interwał inspekcji, więc technicy pobierają właściwe dane na miejscu pracy.

Wybór uszczelki i obciążenie śrub działają razem

Dobór uszczelki jest niekompletny bez odpowiadającego obliczenia obciążenia śrub: wielkość śruby, klasa, ilość i moment muszą osiągnąć wymagane naprężenia m i y równomiernie wokół kołnierza. Niedokręcenie prawidłowo dobranej uszczelki powoduje przeciekanie tak samo jak wybór złej uszczelki. W połączeniach krytycznych często zamiast dokręcania kluczem dynamometrycznym stosuje się naciąganie hydrauliczne dla bardziej równomiernego rozkładu obciążenia.

Zobacz moment dokręcania śrub kołnierza po stronie naciągania. Aby śledzić specyfikacje uszczelek i momentów względem inwentarza kołnierzy, umów demonstrację Fabrico.

Najczęściej zadawane pytania

Czy uszczelka spiralna może być stosowana na kołnierzu z podniesioną przylgą klasy 150?

Tak. Uszczelki spiralne stosuje się od klasy 150 do 2500 na kołnierzach z podniesioną przylgą i często wybierane są w niższych klasach, gdy obciążenia cykliczne lub temperatura czynią arkuszowe uszczelki nieodpowiednimi.

Dlaczego uszczelka RTJ wymaga znacznie większego obciążenia śrub niż uszczelka arkuszowa?

Uszczelnia poprzez plastyczne osadzenie metalowego pierścienia w frezowanym rowku, co wymaga znacznie wyższego naprężenia dosadzeniowego niż uszczelka, która uszczelnia przez dostosowanie się do nierówności powierzchni.

Jak często należy wymieniać uszczelkę kołnierzową na śrubach?

Nie ma stałego interwału; zależy to od materiału, cykli temperatury i ciśnienia. Zasadniczo wymień uszczelkę zawsze, gdy połączenie jest otwierane, ponieważ uszczelka już przeszła trwałe odkształcenie kompresyjne.

Czy arkusz PTFE nadaje się do obsługi pary o wysokiej temperaturze?

Generalnie nie. Arkusz PTFE jest ograniczony do około 260 °C, a jego odporność na pełzanie gwałtownie spada w pobliżu tej granicy. Dla pary o wysokiej temperaturze lepszym wyborem jest spiralna uszczelka z wypełnieniem grafitowym.