Jdi na obsah Jdi na menu
 


Těsnostně - pevnostní výpočet přírubového spoje

4. 12. 2015
 
 
 

 

1. Pevnostní výpočet přírubového spoje

Přírubový spoj je vystaven za provozu vysokému namáhání, neboť se zde sečítají různé vlivy. Nejvíce je přírubový spoj namáhán nutným utažením přírubových šroubů, které vyvolává jeho předpětí. Další namáhání vznikne působením vnitřního přetlaku a také působením tepelného šoku stěnou za provozu. K uvedeným namáháním přistupují další namáhání, zejména od sil a momentů vyvolaných teplotní dilatací potrubí, jeho vlastní vahou apod.  Za ohřevu a chladnutí se zvyšuje namáhání přírubového spoje, neboť změna teploty přírubového listu a přírubových šroubů je různá.
V minulosti dimenzování přírubových spojů vycházelo pouze z pevnostního hlediska, přičemž těsnost byla ve výpočtu zahrnuta odhadnutými hodnotami utahovacího tlaku y a součinitele těsnění m (ČSN, DIN, ASME-Code, BS aj.). Jde o výpočtovou metodu Taylor-Forgeovu.
V současné době je v normách  povolena metoda tato a jako jedna z alternativ. Druhá alternativa je zde též uvedena, je to  metoda následující, tj. podle ČSN EN 1591 se zajištěním těsnosti.

 

2. Výpočet přírubového spoje pro dosažení požadované těsnosti

2.1.Třídy netěsnosti

Zdroje emisí by zejména u vybraných anorganických a organických látek neměly překročit předepsané hodnoty. Povolené emise – jinými slovy množství netěsností – jsou tím definovány.
Tři třídy netěsností pro měkká těsnění odpovídají množstvím netěsností:
a)      třída L1,0 (1 mg/s.m): požadavkům pro utěsnění většiny kapalin a nízkotlakých plynů, např. u rozvodů tlakového vzduchu;
b)     třída L0,1 (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;
c)      třída L0,01 (0,01 mg/s.m): vhodná pro utěsnění nebezpečných látek, definovaných jako hořlavé, výbušné, jedovaté, toxické apod.)
Z běžných těsnicích materiálů se pro třídu L1,0 a L0,1 hodí vláknitopryžová těsnění a expandovaný grafit v průmyslové čistotě, v třídě L0,01 PTFE nebo grafit v jaderné čistotě nebo kombinované těsnicí materiály a kovová těsnění, která mohou dosáhnout i vyšší těsnosti.
 
 

2.2. Vliv tloušťky těsnění a viskozity média

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.

    

2.3. Podmínky pro dosažení vysoké těsnosti

           Podmínky pro dosažení vysoké těsnosti jsou:
    -    Užití těsnění, s vlastnostmi zjištěnými dle norem, která jsou zveřejňována na www.gasketdata.org
    -    Těsnostně pevnostní výpočet dle ČSN EN 1591-1
    -           Montáž přírubového spoje s odborně vyškolenými pracovníky montáže a údržby příp. s měřením utahovacích sil ve spoji (dle ČSN EN 1591-4).
           Těsnění certifikovaná podle TA-Luft musí mít určité úpravy, např. difúzní uzávěr (vnitřní nepropustný lem) a vůči těsnicím plochám musí mít 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.
           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.   
 
       

2.4. Principy návrhu těsnostně-pevnostního výpočtu přírubového spoje

           Základní funkce tohoto spoje jsou zajištění pevnosti a těsnosti (viz třídy L). Výpočet je iterační proces, jehož jednotlivé kroky jsou řízeny výsledky průkazu těsnosti a průkazu pevnosti přírubového spoje. Nejprve se volí utahovací síla ve šroubech tak, aby zajistila vyplnění nerovností na těsnící liště použitým těsněním při montáži, nesmí však klesnout pod minimální hranici pro dosažení dané třídy těsnosti v definovaných provozních stavech. Dále  se určí  silové poměry ve spoji s tím, že se respektuje tuhost jednotlivých částí. Dále se zkontroluje měrný tlak na těsnění, pevnost přírub a šroubů. V případě, že jednotlivé kontroly nevyhovují, výpočet se opakuje.

           Úkolem průkazu těsnosti je určit velikost předpětí spoje, která je nutná pro dosažení těsnících vlastností těsnění při montáži a dodržení potřebného tlaku na těsnění v provozu ( viz třídy L).

           Úkolem průkazu pevnosti je určit, zda všechny části přírubového spoje odolají  silovému zatížení a to opět při montáži a za provozu.

 

2.5.Těstnostně-pevnostní výpočet přírubového spoje           

Výpočet těsnostně pevnostního dimenzování je zahrnut ve 4 dílech normy ČSN EN 1591. 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 používá povinně v jaderných elektrárnách a pro vybrané nebezpečné látky. 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 plochvliv 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.   

 

 2.6. Výstupy z výpočtu přírubového spoje
  
           Z výpočtu přírubového spoje je nutné jako výstup udávat tyto údaje:
-                             specifikace nebo potvrzení specifikace těsnění
-                             specifikace spojovacího materiálu (tj. šroubů, matic, podložek, průžných podložek atd.)
-                             specifikace maziva
-                             utahovací moment šroubového spojePředpokládáme použití normalizovaných přírub specifikovaných v potrubní třídě. I těsnění a spojovací materiál se poté zanese do potrubní třídy. Mazivo a utahovací moment se uvádí ve vhodném dokumentu projektu.
 
 
 
3. Literatura a odkazy pro další a podrobnější informace 
 
ČSN EN 1591-1 Příruby a přírubové spoje. Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů Část 1 – Výpočtová metoda
ČSN EN 1591-2 Příruby a přírubové spoje. Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů Část 2 – Parametry těsnění.
ČSN EN 1591-3 Příruby a přírubové spoje. Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů Část 3 – Metody výpočtu přírubových spojů se stykem kov na kov
ČSN EN 1591-4 Příruby a přírubové spoje. Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů Část 4 – Kvalifikace odborné způsobilosti personálu k montáži šroubových spojů v tlakových zařízeních v kritických aplikacích 
ČSN EN 13480-3 „Kovová průmyslová potrubí“, Část 3 „Konstrukce a výpočet“ Příloha P „Přírubové spoje se šrouby – Použití EN 1591“(uveřejněno ve změně A2) 
ČSN EN 13445-3 Netopené tlakové nádoby – Část 3 Konstrukce a výpočet , Příloha G Alternativní konstrukční pravidla pro příruby a těsněné přírubové spoje
ČSN EN 13555 Příruby a přírubové spoje - Parametry těsnění a zkoušení vztahující se na pravidla dimenzování přírubových spojů s kruhovými přírubami a těsněním.
Dále se uvedeným zabývá Mezinárodní úřad pro techniku chloru, tzv. BITC. Detailní požadavky jsou v uvedeny GEST 89/140 a 150, dále GEST 86/129 a GEST 86/128.
Pospíšil F.: Závitová a šroubová spojení, SNTL Praha, 1968 
Lukavský J.: Přírubové spoje - dosažení požadované těsnosti, 2010 http://www.tlakinfo.cz/t.py?t=2&i=1783