Těsnění – maličkosti obrovského významu

Každý ví, že v jaderné energetice je prvořadou otázkou bezpečnost. Pokud se v médiích objeví slovo „únik“, vždy se stane slovem poplašným, v drtivé většině případů zbytečně. Poďme se podívat na otázku těsnění v jaderné energetice – tedy na zabezpečení veškerých zařízení proti úniku kapalin a plynů – blíže.

Nevelké rozměry, obrovská zodpovědnost

Těsnicí systémy jsou integrální částí mechanických spojů téměř všude: u reaktorových tlakových nádob, hlavních cirkulačních čerpadel, parogenerátorů, kompenzátorů objemu a tlaku, potrubí a čerpadel, tepelných výměníků, ventilů, transportních a skladovacích kontajnerů pro radioaktivní odpad, v přechodech mezi objekty atd. Součástka a její těsnění nemohou být navržené nezávisle na sobě, musejí tvořit jediný systém. Těsnění se musí přizpůsobovat mechanickým změnám součástek a změnám nebo deformacím povrchů, na které přiléhá. Těsnění je tedy zároveň jakýmsi „kontrolním systémem“ stavu spoje a musí existovat možnost jeho revizí.

Po určité době provozu mají všechny materiály a mechanické spoje tendenci k netěsnosti. Podléhají elektromechanickým změnám spojů stejných nebo různých kovů, korozi, ale také vlivům chemických přísad nebo nečistot v tekoucím médiu, vlivům teplot a tlaků. Požadavky typu „žádná netěsnosť” nebo „absolutní těsnost“ jsou v technice vždy nerealistické. I zde platí princip ALARA – to nejlepší, co je ekonomicky rozumné. Každé těsnění je unikátní. Zjednodušeně platí, že čím menší je efektivní plocha těsnění, tím je těsnění účinnější. Samozřejmě, v jaderné elektrárně jsou některé spoje extrémně velké a potřebují extrémní řešení – např. 15 až 20 m dlouhé těsnění pro uzavírací víko reaktorové tlakové nádoby VVER 1000 apod.

Výzkum těsnení

Laboratoř pro výzkum těsnení vznikla spolu s bouřlivým rozvojem francouzského jaderného programu již v roce 1969 v městě Pierrelatte ze spolupráce CEA (Komisariát pro atomovou energii) a firem Technetics Group. Laboratoř je součástí mezinárodních programů rozvoje jaderné energetiky, podílí se na výzkumu pro čtvrtou generaci reaktorů (např. ASTRID, ALLEGRO) i pro jadernou fúzi (ITER). Momentálně je ve světě v provozu 437 energetických jaderných reaktorů a na 200 reaktorů experimentálních. Většina je jich tlakovodních a více než polovina z nich pracuje již déle než 20 let. To znamená desítky milionů hodin provozu a tedy i výbornou zkušenost výrobců, konstruktérů a provozovatelů. Integrace zkušeností spolu s laboratorním testováním je klíčem k vývoji nejlepších inženýrských řešení i v oblasti těsnění.

Životnost těsnění

S rostoucí úrovní techniky, technologií a materiálového výzkumu se zlepšují i konstrukce těsněných spojů a těsnicí materiály. Požadavky na trvanlivost a životnost se zvyšují. Typickým příkladem zvyšujících se požadavků na dobu těsnosti je kontejner pro skladování použitého jaderného paliva. Prvotní požadavek byl 20 let provozu a poté přetěsnění. Po 50 letech úspěšného provozu jaderných zařízení ale provozovatelé skladů požadují těsnění, které vydrží již 100 let provozu. V laboratoři v Pierrelatte se testují těsnění teplotním cyklem od 0 do 150 °C už více než 40 let. Zkoušky probíhají dvakrát do roka. Simulací náročných podmínek je tak laboratoř schopna simulovat ověření životnosti stříbrného obložení těsnění do 150 let, hliníkového do 100 let. Dostatek informací o procesu opotřebení v případě dvou těsnicích řešení využitelných pro kontajnery na použité palivo je tedy technikům a konstruktérům k dispozici již dnes.

Vývoj principů těsnění

Na počátku průmyslové éry se těsnění většinou zakládalo na principu „žádný kontakt kovu na kov“. Protikladný princip „kontakt kovu na kov“ zůstává na okraji. V poslení době však specialisté začínají preferovat právě rozvoj principu kovu na kov.

Obr. 1 znázorňuje princip těsnění „žádný kov na kov“. Hlavní vlastností těchto spojů je, že zátěž vyvolaná na spoji působí výlučně na těsnění, začne utažením šroubů již na stupni montáže a pokračuje po celou životnost spoje. Mezi přírubami není přípustný žádný mechanický odpor jakéhokoliv typu. Příklady: ploché těsnění, kovem opláštěné těsnění, spirálovité těsnění a vlnité těsnění. Vývoj se ubírá hlavně směrem nahrazování zastaralých materiálů novými, např. azbestu nezávadnějším polytetrafluóretylénem (teflonem) nebo elastickým grafitem.

Obr. 2 ukazuje možnosti těsnění „kov na kov“. Stlačení těsnění je zde limitované, čili životnost těsnění je větší a pevnost spoje rovněž. Konfigurace „kov na kov” může velmi dobře fungovat i za použití klasické příruby. Jak je vidět na obrázku 2 (varianty 4a, 4b, a 4c), způsob limitování komprese je právě na styčném místě spojovaných součástek a vyvolává mechanický odpor. Tento limitujíci prvek může i nemusí být součástí těsnění. V porovnání s principem „žádný kov na kov“ si konfigurace „kov na kov“ samozřejmě žádá těsnění odlišných materiálů i tvarů. Na trhu jsou např. Helicoflex®, kovový O-kroužek, C-kroužek, spirálovitá těsnení s nízkým zatížením lůžka, tvarově pružná grafitová těsnění, elastická kovová nebo kompozitová těsnění atd.

Základní požadavky na těsnění

Dobré těsnění musí vykazovatplasticitu na získání utěsnění a elasticitu na udržení funkčnosti těsnění.

Stabilita a elasticita mechanického spoje jsou v rozporu s mechanickými požadavky na těsnicí materiál. Tyto dvě funkce mechanických spojů jsou konstrukčně oddělené – spoj má zabezpečit stabilitu, zatímco těsnění má být charakteristické elasticitou a plasticitou. Integrovaný přístup umožnil vytvořit nové technické řešení využívající vlastností materiálů. Přístup „kov na kov“ garantuje splnění nasledujících kritérií:

Ø optimální komprese těsnění,

Ø nízký požadavek na elasticitu,

Ø pevnost komponenty,

to vše i za tepelné a tlakové nestálosti provozních podmínek.

Dlouholetý výzkum a zkušenosti s vývojem ukazují, že vysoce výkonné řešení těsnění musí být výsledkem úzké inženýrské spolupráce mezi designérem a výrobcem samotného těsnění, a dále návrhářem a výrobcem součástek mechanického spoje, kde je těsnění použito. Bezpečnostní a výkonnostní kritéria těsnosti v této souvislosti určuje konečný uživatel, tj. provozovatel jaderné elektrárny nebo jaderného zařízení, a jeho provozní zkušenosti. Doprovodná kvalifikace, validace a testování se provádí v úzké spolupráci s výzkumnými a dozorujícími institucemi. I zde koordinovaný specifický výzkum na základě požadavků zákazníků zajistí vysoce konkurenční technologie za pomoci partnerství „výrobce těsnění a výrobce komponent“ (viz obr. 3).

Podle materiálů Technetics Group LLC.

Více informací: www.techneticsgroup.com, Thomas Ritter (Senior Market Manager Nuclear, thomas.ritter@techneticsgroup.com)

Video

Práce v laboratoři pro výzkum a zkoušky těsnění:
www.techneticsgroup.com (film je v angličtině)

TECHNETICS GROUP

Skupina vznikla spojením sedmi nejlepších světových designérů a výrobců těsnicích komponent: HELICOFLEX®, Garlock France, Tara Technologies, Technetics, Wide Range Elastomers, Plastomer Technologies and Hydrodyne. Má zastoupení téměř na všech kontinentech. Její produkty slouží v nejexponovanějších průmyslových odvětvích, jako je letectví, turbíny, polovodiče, lékařské aplikace, plynárenství a naftový průmysl, jaderná energetika a technika, ale třeba i v závodech Formule 1. V jaderných zařízeních, jako jsou elektrárny, závody na obohacování uranu či na zpracování a ukládání jaderného odpadu, pracují jejich produkty již po desetiletí a splňují nejpřísnější požadavky na bezpečnost a prevenci netěsností. Vlastní výzkumná základna v Pierrelate zajišťuje kontakt s nejnovějšími poznatky vědy a techniky a jejich přenesení do praxe.

Příklady variací různých typů těsnění kov na kov a jejich široké použití v jaderných zařízeních:

· horní bloky reaktorových tlakových nádob – HELICOFLEX® / O-FLEX®

· parogenerátory a kompenzátory objemu a tlaku – ORIGRAF®

· parogenerátory – HELICOFLEX®

· reaktorová chladicí čerpadla – (RCP) HELICOFLEX® / SWG

· potrubní systémy – ORIGRAF®

· membrány – ORIGRAF® / HELICOFLEX®

· tepelné výměníky – ORIGRAF®

· vysokotlaké tepelné výměníky (parní turbínový systém) – SWG + JPR

· propust pro zařízení v budově reaktoru – Silicone / EPDM profiles

· bazénové brány – (RB & FB) CEFILAIR®/profiles

· parní turbíny – HELICOFLEX®

· ventily – HELICOFLEX®/ORIGRAF®/SWG

· transportní a skladovací kontajnery pro použité palivo – HELICOFLEX®/O-FLEX®

· termonukleární reaktory – HELICOFLEX®

· částicové urychlovače – HELICOFLEX®/QDS