Vlnité kovové tesnenie: Sprievodca výberom, teplotou a tesnením

Technická referencia

A vlnité kovové tesnenie je tesniaci prvok vytvorený z tenkého kovového plechu – zvyčajne nehrdzavejúcej ocele, uhlíkovej ocele alebo zliatiny – lisovaného do série sústredných alebo rovnobežných hrebeňov. Tieto hrebene sústreďujú zaťaženie skrutiek do úzkych tesniacich línií, čím sa dosahujú tesné spoje pri nižšom celkovom namáhaní príruby ako pri alternatívach z plného kovu. Táto príručka pokrýva každé kľúčové rozhodnutie o výbere: načasovanie aplikácie, teplotná kapacita, požadované namáhanie tesnenia a vhodnosť výmenníka tepla.

Kedy by ste mali použiť vlnité kovové tesnenia?

Kombinácia zvýšeného tlaku a teploty

Vlnité kovové tesnenia sú správnou voľbou vždy, keď prevádzkové podmienky systému prekračujú možnosti lisovaného vlákna alebo PTFE fólie – zvyčajne nad 260 C (500 F) alebo nad 100 barov (1450 psi). Vlnitý profil udržuje zvyškové napätie naprieč tesniacimi hrebeňmi aj pri tepelných cykloch, ktoré by uvoľnili mäkké tesnenie.

Chemicky agresívne médiá

Tam, kde procesná kvapalina napáda elastoméry alebo nekovové plnivá – koncentrované kyseliny, chlórované rozpúšťadlá, vodík, para nad 400 C – holé kovové tesnenie alebo vlnité tesnenie s kovovým plášťom eliminuje akúkoľvek organickú zložku z tesniacej dráhy. Výber triedy (316L, Inconel 625, titán) priamo mapuje požadovanú odolnosť proti korózii.

Príruby s obmedzeným zaťažením skrutiek

Pretože vlnité tesnenia sústreďujú napätie do kontaktných línií hrebeňa, než aby ho rozdeľovali po celej ploche tesnenia, dosahujú adekvátne utesnenie pri nižšom zaťažení montážnou skrutkou ako typy špirálovo vinutých alebo prstencových spojov. Vďaka tomu sú preferované pre príruby kanálov výmenníka tepla, kde je počet skrutiek obmedzený a tuhosť príruby je obmedzená.

Tepelné cyklické a vibračné prostredie

Vlnité kovové tesnenia vykazujú spätné pruženie – hrebene pôsobia ako mechanické pružiny, ktoré obnovujú čiastočné kontaktné napätie po tepelnej relaxácii alebo strate zaťaženia skrutky vyvolanej vibráciami. Toto samokompenzačné správanie im dáva významnú výhodu v oblasti spoľahlivosti oproti pevným plochým kovovým tesneniam v prírubách piestových kompresorov, parných potrubiach a pripojení vykurovaného ohrievača.

Štandardy plochých a zvýšených prírub

Vlnité tesnenia sú rozmerovo kompatibilné s prírubami ASME B16.5 a B16.47, prírubami radu EN 1092 PN a prírubami výmenníka tepla API 660 bez opracovaných drážok, čo z nich robí upgrade oproti tesneniam z vlákien alebo grafitu v existujúcich inštaláciách, kde nie je možné opätovné opracovanie príruby.

Ktoré vlnité kovové tesnenie zvládne vysokú teplotu?

Teplotná schopnosť je určená základnou kovovou zliatinou a mäkkým krycím materiálom – ak existuje – nalaminovaným na vlnité jadro. Nižšie uvedená tabuľka mapuje výber zliatiny na maximálnu nepretržitú prevádzkovú teplotu:

Kov / zliatina	Max. nepretržitá teplota	Kľúčová vlastnosť	Typická aplikácia
Uhlíková oceľ (A36 / SS400)	450 °C (840 °F)	Nízke náklady; dobrá sila	Nízkolegovaná para, voda
Nerezová oceľ 316L	600 °C (1112 °F)	Odolnosť proti korózii a oxidácii	Procesné potrubie, výmenníky tepla
321 / 347 Nehrdzavejúca oceľ	650 °C (1200 °F)	Stabilizované proti senzibilizácii	Vysokoteplotná para, vykurovacie telesá
Zliatina 800H / 800HT	870 °C (1600 °F)	Vysoká odolnosť proti tečeniu	Vývody reformátora, pyrolýzne linky
Inconel 625	980 °C (1800 °F)	Odolnosť voči chloridom oxidácii	Kyselina dusičná, pobrežie, odpadové teplo
Hastelloy C-276	1000 C (1832 F)	Najširšia chemická odolnosť	Agresívne kyseliny, FGD systémy

Obkladové materiály a ich teplotné limity

Mnoho vlnitých kovových tesnení sa dodáva s mäkkým povrchom – grafit, PTFE alebo sľuda – nalaminovaný na čelá hrebeňa, aby sa zlepšila prispôsobivosť na mierne poškodených povrchoch prírub. Výber čela obmedzuje využiteľnú teplotu nezávisle od kovového jadra:

Flexibilný grafitový obklad: dimenzované na 550 C (1022 F) v oxidačnej prevádzke; do 3000 C v redukčnej/inertnej atmosfére
PTFE obklad: obmedzená na 260 °C (500 F); preferované pre agresívne kyseliny a farmaceutické služby
Sľudový obklad: dimenzované na 900 C (1650 F); používa sa vo vysokoteplotných peciach a prírubách ohrievačov
Holý kov (bez obloženia): maximálna teplota určená samotnou zliatinou; vyžaduje hladší povrch príruby (Ra 1,6 až 3,2 mikrónu)

Aké veľké namáhanie tesnenia potrebuje vlnité kovové tesnenie?

Požiadavky na tesniace napätie pre vlnité kovové tesnenia sú definované dvoma parametrami ASME: minimálnym návrhovým napätím y (počiatočná montáž) a faktor tesnenia m (prevádzkový udržiavací faktor). Tieto hodnoty sú nižšie ako hodnoty pre pevné kovové tesnenia práve preto, že zvlnené hrebene zosilňujú lokálny kontaktný tlak.

Minimálne napätie pri sedení (y)

Pre holé 316L vlnité tesnenie sa typické konštrukčné napätie y v sede pohybuje od 55 do 90 MPa (8 000 až 13 000 psi) v závislosti od rozstupu hrebeňa a hrúbky plechu. Vlnité tesnenia s grafitovým povrchom vyžadujú nižšie hodnoty y – zvyčajne 28 až 55 MPa (4 000 až 8 000 psi) – pretože mäkký povrch sa pri miernom namáhaní prispôsobí.

Faktor tesnenia m (prevádzkový)

Faktor m pre vlnité kovové tesnenia sa zvyčajne pohybuje medzi 2,75 a 3,75. To znamená, že zvyškové napätie tesnenia pri prevádzkovom tlaku sa musí rovnať aspoň 2,75 až 3,75-násobku vnútorného tlaku kvapaliny. To je výrazne nižšie ako u tesnení prstencových spojov (m = 5,5 až 6,5), čím sa znižuje požadované zaťaženie skrutiek a hrúbka príruby.

Výpočet zaťaženia skrutiek

Požadované zaťaženie skrutky W = y x Ag (podmienka uloženia) alebo W = 2b x pi x G x m x P (prevádzkový stav), kde Ag je kontaktná plocha tesnenia, b je efektívna šírka dosadnutia, G je stredný priemer tesnenia a P je návrhový tlak. Riadiaca (vyššia) hodnota určuje veľkosť čapu. Pre väčšinu prírub výmenníkov tepla DN100 až DN400 umožňujú vlnité tesnenia jednu až dve veľkosti skrutiek v porovnaní s prstencovými spojmi.

Požiadavka na povrchovú úpravu príruby

Holé vlnité kovové tesnenia vyžadujú povrchovú úpravu príruby Ra 1,6 až 3,2 mikrónov (63 až 125 AARH). Vlnité tesnenia s grafitovým povrchom tolerujú Ra až 6,3 mikrónov (250 AARH), vďaka čomu sú vhodné na opätovné použitie na servisne opotrebovaných prírubách bez opätovného opracovania. Povrchová úprava pod Ra 0,8 mikrónu sa neodporúča – príliš hladký povrch znižuje trenie a umožňuje tečenie tesnenia pri prevádzkových vibráciách.

Aké tesnenie najlepšie vyhovuje výmenníkom tepla?

Výmenníky tepla predstavujú najnáročnejšie tesniace prostredie v spracovateľskom závode: viacnásobné prírubové spoje v tesnej blízkosti, rozdielna tepelná rozťažnosť medzi plášťom a zväzkom rúrok, obmedzený prístup k skrutkám a časté demontáže pri údržbe. The vlnité kovové tesnenie rieši všetky štyri výzvy efektívnejšie ako konkurenčné typy pre väčšinu aplikácií plášťa a rúrky.

Odporúčané

Vlnité kovové tesnenie

Nízke namáhanie sedla – žiadne skreslenie príruby na ľahkých krytoch kanálov
Odpruženie kompenzuje diferenciálnu expanziu zväzku
Varianty s grafitovým povrchom po údržbovom rozťahovaní spoľahlivo tesnia
Rozmery štandardne vyhovujúce API 660 a TEMA
Cenovo výhodné pre veľkosti DN25 až DN1200

Alternatíva

Špirálové vinuté tesnenie

Vyžaduje sa vyššie napätie v sedle – riziko deformácie príruby kanála
Po stlačení nie je možné znovu použiť; výmena pri každom roztiahnutí
Vynikajúci pre veľmi vysoký tlak nad 250 barov v hrubostenných prírubách
Vnútorné a vonkajšie prstence pridávajú radiálne priestorové obmedzenia
Vyššie jednotkové náklady; dlhšia dodacia lehota pre špeciálne zliatiny

Pre plášťové príruby výmenníkov tepla v triede 150 až 600 (PN20 až PN100) prevádzke pri teplote nižšej ako 600 C predstavujú vlnité tesnenia 316L s grafitovým povrchom optimálnu rovnováhu spoľahlivosti tesnenia, pohodlia údržby a nákladov na inštaláciu. Nad triedou 900 alebo v prevádzke s parciálnym tlakom vodíka nad 50 barov by sa typy špirálových alebo kruhových spojov mali hodnotiť od prípadu k prípadu.

Často kladené otázky

Môžu byť vlnité kovové tesnenia znovu použité po roztiahnutí príruby?

Vlnité kovové tesnenia s grafitovým povrchom sa môžu zvyčajne opätovne použiť raz, ak grafitový povrch nevykazuje žiadne trhliny, kovové jadro nebolo trvalo rozdrvené pod konštrukčnú hrúbku a povrchy prírub sú v prijateľnom stave. Vlnité tesnenia z holých kovov by sa nemali opätovne používať – počiatočné dosadnutie trvalo deformuje hroty hrebeňa a zvyškové namáhanie dosadnutia pri opätovnej montáži nebude dostatočné na tesnosť.

Aký je rozdiel medzi vlnitými a zúbkovanými kovovými tesneniami?

Zúbkované tesnenie má sústredné drážky V-profilu opracované do pevného kovového krúžku – zúbky sú povrchové prvky na hrubom substráte. Vlnité tesnenie je vytvorené z tenkého plechu, kde je celý prierez vlnitý, čo mu dáva elastické pruženie. Zúbkované tesnenia vyžadujú výrazne vyššie namáhanie v sedle a zvyčajne sa používajú v prírubách s prstencovými drážkami; vlnité tesnenia sa používajú na štandardných zvýšených prírubách pri nižších zaťaženiach skrutiek.

Ako je špecifikovaná hrúbka vlnitého kovového tesnenia?

Vlnité kovové tesnenia sú špecifikované stlačenou (inštalovanou) hrúbkou, nie hrúbkou vo voľnom stave. Štandardné stlačené hrúbky sú od 1,5 mm do 4,5 mm. Výška vo voľnom stave je zvyčajne 1,5 až 2,5 násobok stlačenej hrúbky. Rozmerové normy pre tesnenia výmenníka tepla sa riadia ASME B16.20, EN 1514-6 a API 660 dodatkom G v závislosti od špecifikácie projektu.

Vyžadujú vlnité kovové tesnenia špeciálnu postupnosť montážneho momentu?

áno. Vlnité kovové tesnenia vyžadujú krížovú sekvenciu krútiaceho momentu aplikovanú minimálne v troch prechodoch: 30 % cieľového krútiaceho momentu, 70 %, potom 100 %, po ktorom nasleduje posledný prechod pri 100 % po tepelnej úprave spoja pri prevádzkovej teplote. Toto progresívne zaťaženie zaisťuje rovnomerné stlačenie hrebeňa po celom obvode tesnenia a zabraňuje lokalizovanému nadmernému stlačeniu, ktoré by eliminovalo výhodu spätného pruženia.