Uszczelka z blachy falistej: przewodnik po wyborze, temperaturze i uszczelnieniu

Informacje techniczne

A uszczelka z blachy falistej to element uszczelniający utworzony z cienkiej blachy metalowej — zwykle ze stali nierdzewnej, stali węglowej lub stopu — wciśniętej w szereg koncentrycznych lub równoległych grzbietów. Te grzbiety skupiają obciążenie śrub w wąskich liniach uszczelniających, zapewniając szczelne połączenia przy niższym całkowitym naprężeniu kołnierza niż w przypadku alternatywnych rozwiązań z litego metalu. W tym przewodniku omówiono każdą kluczową decyzję dotyczącą wyboru: czas zastosowania, wytrzymałość temperaturową, wymagane naprężenia uszczelniające i przydatność wymiennika ciepła.

Kiedy należy stosować uszczelki z blachy falistej?

Kombinacje podwyższonego ciśnienia i temperatury

Uszczelki z blachy falistej są właściwym wyborem, gdy warunki pracy systemu przekraczają możliwości sprasowanego włókna lub arkusza PTFE — zazwyczaj powyżej 260 C (500 F) lub powyżej 100 barów (1450 psi). Profil falisty utrzymuje naprężenia szczątkowe na krawędziach uszczelniających nawet w przypadku cykli termicznych, które mogłyby rozluźnić miękką uszczelkę.

Media agresywne chemicznie

Tam, gdzie płyn procesowy atakuje elastomery lub wypełniacze niemetaliczne – stężone kwasy, chlorowane rozpuszczalniki, wodór, para o temperaturze powyżej 400°C – uszczelka falista z gołego metalu lub z metalowym płaszczem eliminuje wszelkie składniki organiczne ze ścieżki uszczelnienia. Wybór gatunku (316L, Inconel 625, tytan) jest bezpośrednio dostosowany do wymaganej odporności na korozję.

Kołnierze z ograniczonym obciążeniem śrub

Ponieważ uszczelki faliste skupiają naprężenia w liniach styku kalenicy, a nie rozkładają je na całej powierzchni uszczelki, zapewniają odpowiednie uszczelnienie przy niższych obciążeniach śrub montażowych niż w przypadku złączy spiralnych lub pierścieniowych. To sprawia, że są one preferowane w przypadku kołnierzy kanałów wymienników ciepła, gdzie liczba śrub jest ograniczona, a sztywność kołnierza jest ograniczona.

Środowiska cykliczne i wibracyjne

Uszczelki z blachy falistej wykazują właściwości sprężyste – grzbiety działają jak sprężyny mechaniczne, które odzyskują częściowe naprężenia kontaktowe po relaksacji termicznej lub utracie obciążenia śruby wywołanej wibracjami. To samokompensujące się zachowanie zapewnia im znaczną przewagę w zakresie niezawodności w porównaniu z solidnymi płaskimi uszczelkami metalowymi w kołnierzach sprężarek poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym, przewodach parowych i połączeniach grzejników opalanych ogniem.

Standardy kołnierzy z płaską i wypukłą powierzchnią czołową

Uszczelki faliste są wymiarowo kompatybilne z kołnierzami z podwyższoną powierzchnią ASME B16.5 i B16.47, kołnierzami serii EN 1092 PN i kołnierzami wymienników ciepła API 660 bez obrobionych rowków, co czyni je ulepszonym rozwiązaniem w stosunku do uszczelek z włókna lub grafitu w istniejących instalacjach, w których ponowna obróbka kołnierzy nie jest możliwa.

Która uszczelka z blachy falistej wytrzymuje wysoką temperaturę?

Odporność na temperaturę zależy od stopu metalu nieszlachetnego i miękkiego materiału wierzchniego – jeśli występuje – nałożonego na falisty rdzeń. Poniższa tabela przedstawia wybór stopu w zależności od maksymalnej ciągłej temperatury pracy:

Metal/stop	Maksymalna ciągła temperatura	Kluczowa właściwość	Typowe zastosowanie
Stal węglowa (A36 / SS400)	450°C (840°F)	Niski koszt; dobra siła	Para niskostopowa, usługi wodne
Stal nierdzewna 316L	600°C (1112°F)	Odporność na utlenianie korozyjne	Rurociągi procesowe, wymienniki ciepła
Stal nierdzewna 321/347	650°C (1200°F)	Stabilizowany przed uczuleniem	Wysokotemperaturowa para, grzejniki opalane
Stop 800H / 800HT	870°C (1600°F)	Wysoka odporność na pełzanie	Wyloty reformera, linie pirolizy
Inconel 625	980°C (1800°F)	Odporność na chlorki utleniające	Kwas azotowy, offshore, ciepło odpadowe
Hastelloy C-276	1000°C (1832°F)	Najszersza odporność chemiczna	Agresywne kwasy, systemy FGD

Materiały okładzinowe i ich dopuszczalne temperatury

Wiele uszczelek z blachy falistej jest dostarczanych z miękką okładziną — grafitem, PTFE lub miką — laminowaną na powierzchniach kalenicy w celu poprawy dopasowania na lekko uszkodzonych powierzchniach kołnierzy. Wybór okładzin ogranicza temperaturę użytkową niezależnie od metalowego rdzenia:

Elastyczna okładzina grafitowa: znamionowa do 550 C (1022 F) w trybie utleniania; do 3000 C w atmosferze redukującej/obojętnej
Okładzina PTFE: ograniczona do 260°C (500°F); preferowany do agresywnych zastosowań kwasowych i farmaceutycznych
Okładzina mikowa: znamionowe do 900 C (1650 F); stosowany w kołnierzach pieców wysokotemperaturowych i grzejników opalanych
Goły metal (bez okładziny): maksymalna temperatura określona przez sam stop; wymaga gładszego wykończenia kołnierza (Ra 1,6 do 3,2 mikrona)

Jakiego naprężenia uszczelniającego wymaga uszczelka z blachy falistej?

Wymagania dotyczące naprężeń uszczelniających dla uszczelek z blachy falistej są określone przez dwa parametry ASME: minimalne projektowe naprężenie osadzające y (montaż początkowy) i współczynnik uszczelki m (czynnik utrzymania ruchu). Wartości te są niższe niż w przypadku uszczelek z litego metalu właśnie dlatego, że pofałdowane grzbiety zwiększają lokalny nacisk kontaktowy.

Minimalne naprężenie siedziska (y)

W przypadku gołej uszczelki falistej 316L typowe projektowe naprężenie gniazdowe y mieści się w zakresie od 55 do 90 MPa (8000 do 13 000 psi), w zależności od nachylenia grzbietu i grubości blachy. Uszczelki faliste z powłoką grafitową wymagają niższych wartości y — zazwyczaj od 28 do 55 MPa (4000 do 8000 psi), ponieważ miękka okładzina dopasowuje się pod umiarkowanym naprężeniem.

Współczynnik uszczelki m (roboczy)

Współczynnik m dla uszczelek z blachy falistej zwykle mieści się w przedziale od 2,75 do 3,75. Oznacza to, że szczątkowe naprężenie uszczelki pod ciśnieniem roboczym musi być równe co najmniej 2,75 do 3,75-krotności wewnętrznego ciśnienia płynu. Jest to znacznie mniej niż w przypadku uszczelek pierścieniowych (m = 5,5 do 6,5), co zmniejsza wymagane obciążenie śrub i grubość kołnierza.

Obliczanie obciążenia śruby

Wymagane obciążenie śruby W = y x Ag (warunki osadzenia) lub W = 2b x pi x G x m x P (warunki pracy), gdzie Ag to powierzchnia styku uszczelki, b to efektywna szerokość gniazda, G to średnia średnica uszczelki, a P to ciśnienie projektowe. Wartość kontrolna (wyższa) reguluje rozmiar kołka. W przypadku większości kołnierzy wymienników ciepła o średnicach od DN100 do DN400 uszczelki faliste umożliwiają zmniejszenie rozmiaru śrub o jedną do dwóch w porównaniu do połączeń pierścieniowych.

Wymagania dotyczące wykończenia powierzchni kołnierza

Uszczelki z gołego metalu falistego wymagają wykończenia powierzchni kołnierza o grubości Ra 1,6 do 3,2 mikrona (63 do 125 AARH). Uszczelki faliste z powłoką grafitową tolerują Ra do 6,3 mikrona (250 AARH), dzięki czemu nadają się do ponownego użycia na zużytych kołnierzach bez konieczności ponownej obróbki. Nie zaleca się wykończenia poniżej Ra 0,8 mikrona — zbyt gładka powierzchnia zmniejsza tarcie i umożliwia pełzanie uszczelki pod wpływem wibracji roboczych.

Jaka uszczelka najlepiej pasuje do wymienników ciepła?

Wymienniki ciepła stanowią najbardziej wymagające środowisko uszczelek w zakładzie procesowym: wiele połączeń kołnierzowych znajdujących się blisko siebie, zróżnicowana rozszerzalność cieplna pomiędzy płaszczem a wiązką rur, ograniczony dostęp do śrub i częste rozłączania podczas konserwacji. The uszczelka z blachy falistej w większości zastosowań płaszczowo-rurowych rozwiązuje wszystkie cztery wyzwania skuteczniej niż konkurencyjne typy.

Zalecane

Uszczelka z blachy falistej

Niskie naprężenia osadzające — brak zniekształceń kołnierza w przypadku lekkich pokryw kanałów
Sprężyna powrotna kompensuje różnicowe rozszerzanie się wiązki
Warianty z powłoką grafitową zapewniają niezawodne ponowne uszczelnienie po rozerwaniu podczas konserwacji
Wymiary zgodne z API 660 i TEMA w standardzie
Ekonomiczne dla rozmiarów DN25 do DN1200

Alternatywa

Uszczelka spiralna

Wymagane większe naprężenie osadzania – ryzyko odkształcenia kołnierza kanału
Nie można ponownie wykorzystać po skompresowaniu; wymiana przy każdym rozłączeniu
Doskonały do bardzo wysokich ciśnień powyżej 250 barów w kołnierzach o grubych ściankach
Pierścienie wewnętrzne i zewnętrzne dodają promieniowe ograniczenia przestrzenne
Wyższy koszt jednostkowy; dłuższy czas realizacji dla stopów specjalnych

W przypadku kołnierzy płaszcza wymiennika ciepła w klasie 150 do klasy 600 (PN20 do PN100) przy pracy w temperaturach poniżej 600 C, uszczelki faliste 316L z grafitową powierzchnią stanowią optymalną równowagę pomiędzy niezawodnością uszczelnienia, wygodą konserwacji i kosztem instalacji. Powyżej klasy 900 lub przy ciśnieniu parcjalnym wodoru powyżej 50 barów, złącza spiralne lub pierścieniowe należy oceniać indywidualnie dla każdego przypadku.

Często zadawane pytania

Czy uszczelki z blachy falistej można ponownie wykorzystać po rozerwaniu kołnierza?

Uszczelki z blachy falistej pokrytej grafitem można zazwyczaj użyć ponownie raz, jeśli okładzina grafitowa nie wykazuje pęknięć, rdzeń metalowy nie został trwale zgnieciony poniżej grubości projektowej, a powierzchnie kołnierzy są w akceptowalnym stanie. Nie należy ponownie używać uszczelek falistych z gołego metalu — początkowe osadzenie trwale odkształca końcówki kalenicy, a szczątkowe naprężenia osadzania podczas ponownego montażu będą niewystarczające do zapewnienia szczelności.

Jaka jest różnica między uszczelkami metalowymi falistymi i ząbkowanymi?

Ząbkowana uszczelka ma koncentryczne rowki w kształcie litery V wyfrezowane w solidny metalowy pierścień — ząbki są elementami powierzchniowymi na grubym podłożu. Uszczelka falista wykonana jest z cienkiej blachy, a jej cały przekrój ma kształt falisty, co zapewnia jej sprężystość i sprężystość. Uszczelki ząbkowane wymagają znacznie większych naprężeń podczas osadzania i są zwykle stosowane w kołnierzach z rowkami pierścieniowymi; uszczelki faliste są stosowane w standardowych kołnierzach z wypukłą powierzchnią przy niższych obciążeniach śrub.

Jak określa się grubość uszczelki z blachy falistej?

Uszczelki z blachy falistej są określane na podstawie grubości ściśniętej (zainstalowanej), a nie grubości w stanie swobodnym. Standardowe grubości sprasowanych wahają się od 1,5 mm do 4,5 mm. Wysokość w stanie swobodnym wynosi zazwyczaj 1,5 do 2,5-krotności grubości po ściśnięciu. Normy wymiarowe uszczelek wymienników ciepła są zgodne z normami ASME B16.20, EN 1514-6 i API 660, dodatek G, w zależności od specyfikacji projektu.

Czy uszczelki z blachy falistej wymagają specjalnej kolejności dokręcania podczas montażu?

Tak. Uszczelki z blachy falistej wymagają krzyżowej sekwencji dokręcania w co najmniej trzech przejściach: 30% docelowego momentu obrotowego, 70%, następnie 100%, a następnie ostatnie przejście przy 100% po kondycjonowaniu termicznym złącza w temperaturze roboczej. To progresywne obciążenie zapewnia równomierne ściskanie grzbietu na całym obwodzie uszczelki i zapobiega miejscowemu nadmiernemu zgnieceniu, które wyeliminowałoby efekt sprężynowania.