Bezpieczeństwo produkcji, Opinie i komentarze, Pary i gazy, Rozwiązania dla przemysłu, Technika i przemysł

Rewolucja w rozwiązaniach konstrukcyjnych zaworów oddechowych i przerywaczy płomienia

Thumbnail for 39682

Rozwój produktów wymuszany przez wyzwania spływające z rynku jest zarazem zmorą i bodźcem do rozwoju dla każdego z producentów armatury zabezpieczającej zbiorniki do przechowywania i instalacje do produkcji substancji tworzących gazowe/oparowe atmosfery wybuchowe. Istnieje kilka sposobów, dzięki którym sprawdzonym i stosowanym z powodzeniem od lat produktom można dodać blasku oraz osiągnąć wyższe parametry robocze pozwalające na ich zastosowanie w nowych obszarach przemysłu chemicznego i petrochemicznego.

Najprostszą drogą – bardzo często obieraną, a także konieczną i skuteczną z punktu widzenia żywotności produktu – jest zwiększanie serii istniejącego wyrobu o nowe średnice pozwalające uzyskać większe wydatki przepływu, co umożliwia zredukowanie liczby wymaganych urządzeń. W przypadku zaworów oddechowych granicą tego trendu jest masa urządzeń o coraz większych średnicach. W praktyce nie spotyka się zaworów większych niż DN 300. Z kolei odwrotny kierunek rozwoju – tworzenie urządzeń o średnicach mniejszych niż DN 50 – jest ograniczony przez zbyt małą przestrzeń wewnętrzną uniemożliwiającą upakowanie gniazda i talerza zaworu wraz z obciążeniem.

Kolejnym sposobem na zwiększenie atrakcyjności istniejącego produktu jest poszerzanie zakresu dostępnych certyfikacji dla parametrów roboczych takich jak ciśnienie lub temperatura robocza. Konstruując nowe zabezpieczenia, dla których należy uzyskać odpowiednią certyfikację CE ATEX według norm związanych z danym urządzeniem, uzyskujemy coraz szersze portfolio tego samego produktu, ale dostosowanego do nowych, wyższych parametrów roboczych. Przykładem mogą być końcowe przerywacze płomienia, dla których producent uzyskał Certyfikat Badania Typu dopuszczający do stosowania przy temperaturze 200 lub 300°C, ciśnieniu roboczym 1,6 lub 2 bar abs itd.

Należy również pamiętać o możliwości rozbudowy produktów poprzez zastosowanie nowych materiałów lub powłok pozwalających na uzyskanie wyższej odporności korozyjnej. Przykładem są tu standardowe wykonania materiałowe urządzeń ze specjalnymi powłokami polimerowymi ECTFE umożliwiającymi pracę w atmosferach silnie korozyjnych (przykładowo gorące opary kwasów). Kolejnym sposobem jest wdrażanie nowych wykonań korpusów urządzeń z materiałów posiadających lepsze parametry pracy (przykładowo specjalne stale nierdzewne z wysoką odpornością korozyjną). Idąc w przeciwną stronę, dla aplikacji o bardzo niskich wymaganiach jakościowych można zastosować urządzenia ze stopów lekkich lub żeliwa, dzięki czemu uzyskuje się korzystniejszy poziom cenowy.

Fot. 1. Jednostka filtra płomienia z prześwitami powstałymi ze zwinięcia dwóch pasków stali – gładkiego i karbowanego

Fot. 1. Jednostka filtra płomienia z prześwitami powstałymi ze zwinięcia dwóch pasków stali – gładkiego i karbowanego

Istotnym elementem zaworów oddechowych i przerywaczy płomienia, który również należy rozwijać, są jednostki filtra płomienia chroniące urządzenia i instalacje przed przedostaniem się płomienia. W przeszłości stosowano jednostki filtra płomienia w formie kaset, wypełnione kulkami stalowymi, bazaltowymi, sprasowanym drutem (fot. 2), a nawet piaskiem. Były to tzw. przerywacze o niemierzalnej szczelinie MESG, charakteryzujące się łatwością oczyszczania z nawet bardzo uporczywych zanieczyszczeń (np. przez wypalanie kasety z kulkami aż do usunięcia zanieczyszczenia lub po prostu wymianę wkładu [piasku]) oraz – co najważniejsze – olbrzymimi oporami przepływu. W praktyce uniemożliwiają one ich zastosowanie jako zabezpieczenia przed nad/podciśnieniem oraz przedostaniem się płomienia w zbiornikach klasyfikowanych jako bezciśnieniowe (max. dopuszczalne podciśnienie nie może przekroczyć wartości minus 2,5 mbar).

Obecnie powszechnie stosowanym rozwiązaniem – praktycznie na całym rynku ogólnoświatowym – jest jednostka lub dysk filtra płomienia o tzw. mierzalnej szczelinie, które wykonuje się w technologii krążków lub walców zwiniętych z dwóch taśm metalowych o określonej szerokości – jedna jest gładka, a druga wyprofilowana trójkątnie. Obie taśmy po zwinięciu dają prześwity o określonej wysokości, tworzące gotowy element zabezpieczający (fot. 1). Tak powstały dysk lub walec jednostki filtra płomienia charakteryzuje się następującymi parametrami:

  • wysokością trójkątnego wyprofilowania, w konsekwencji zapewniającą maksymalny dopuszczalny bezpieczny prześwit (MDBP lub z angielskiego MESG);
  • długością elementu wynikającą z szerokości taśm użytych przy zwijaniu jednostki filtra płomienia lub dysku filtra płomienia, w konsekwencji wpływającą na skuteczność gaszenia płomienia (odbierania energii z płonącej mieszaniny gazów lub par z powietrzem) oraz – co najistotniejsze – skutkującą wywołaniem oporów przepływu;
  • wykonaniem materiałowym, czyli odpornością na wpływy korozyjne.
Fot. 2. Jednostka filtra płomienia ze sprasowanego drutu z niemierzalną szczeliną MSEG

Fot. 2. Jednostka filtra płomienia ze sprasowanego drutu z niemierzalną szczeliną MSEG
Fot. 3. Układ oddechowy składający się z osobnego zaworu nad/podciśnieniowego oraz osobnego przerywacza płomienia deflagracji połączonych ze sobą

Fot. 3. Układ oddechowy składający się z osobnego zaworu nad/podciśnieniowego oraz osobnego przerywacza płomienia deflagracji połączonych ze sobą
Wykonane w ten sposób jednostka lub dysk filtra płomienia są podatne na zatykanie pojedynczych prześwitów przez zanieczyszczenia, zwłaszcza przy aplikacjach emitujących nawet niewielkie ilości substancji ciekłych (mgły olejowe, kropelki produktu oraz wilgoć w formie kropel lub pary). Ponadto zmienne warunki pogodowe występujące na przełomach jesieni, zimy i wiosny stanowią bardzo poważne wyzwanie dla eksploatacji urządzeń chroniących przed przedostaniem się płomienia. I tu można spotkać różnorodne sposoby radzenia sobie z nimi przez użytkowników:
  • regularne przeglądy i kontrole stopnia zanieczyszczenia prześwitów dysku lub jednostki filtra płomienia – najbardziej skuteczne, ale czasochłonne i wymagają wykwalifikowanego personelu oraz przestoju lub wstrzymania pracy instalacji;
  • ogrzewanie procesowe urządzeń taśmą grzejną – stosunkowo trudne do realizacji, gdyż ogrzewanie wymaga szytego na miarę rozwiązania dostosowanego do konkretnego typu (kształtu) armatury oraz izolacji – ta wpływa na ograniczenie wydajności (wzrost oporów przepływu) urządzenia i tym samym zachodzi konieczność zastosowania większej średnicy o zmniejszonych oporach przepływu, zapewnienia możliwości łatwego demontażu i ponownego montażu systemu ogrzewania i izolacji podczas przeglądów, co w praktyce nie jest możliwe do realizacji – system ogrzewania i izolacji będzie wymagał wymiany raz na rok;
  • ogrzewanie zintegrowane z urządzeniem (tzw. płaszcz grzewczy) – w teorii bardzo praktyczny sposób izolowania urządzeń od wpływu zmiennych warunków pogodowych; w praktyce – dla urządzeń podlegających certyfikacji CE ATEX: ze względu na konieczność utrzymania max. temperatury medium grzewczego o 15% powyżej max. temperatury pracy wynikającej z Certyfikatu Badania Typu urządzenia (przykładowo przy max. temp. roboczej 60°C max. temperatura czynnika grzewczego nie może przekroczyć 70°C) odpada możliwość stosowania pary technologicznej; z drugiej strony doprowadzenie medium grzewczego (kondensatu lub glikolu) do urządzeń zlokalizowanych na dachu zbiornika staje się problemem nie do przeskoczenia;
  • demontaż jednostki filtra płomienia na czas niesprzyjających warunków pogodowych – niedozwolone w każdym przypadku, ale w praktyce dość często spotykane jako środek zaradczy;
  • zawór oddechowy ze zintegrowanymi jednostkami (dyskami) filtra płomienia zlokalizowanymi na wlocie/wylocie (fot. 5) versus rurowy dwukierunkowy przerywacz płomienia deflagracji z dokręconym nadciśnieniowo podciśnieniowym zaworem oddechowym (fot. 3) – jest to walka dwóch szkół istniejących na rynku.

W pierwszym przypadku mamy łatwy dostęp do jednostek filtra płomienia ze względu na ich zewnętrzną lokalizację, dodatkowo na czas przeglądu przestrzeń gazowa zbiornika jest stale fizycznie odcięta talerzami zaworu.

W drugim przypadku zachodzi konieczność demontażu zaworu oddechowego (przykładowo przy średnicy DN 300 wymaga to dźwigu), demontażu przerywacza płomienia (również wymagany dźwig, gdyż jednostka przerywacza płomienia ma średnicę 2 x DN 300) nad niczym niechronionym króćcem DN 300 na zbiorniku wypełnionym produktem łatwopalnym oraz pozostawienia otwartego zbiornika z produktem bez ochrony na czas konserwacji przerywacza i zaworu w warsztacie.

Zwolennicy takiego rozwiązania szafują argumentem, iż przerywacz nie ma kontaktu z atmosferą i jest „podgrzewany” przez opary medium, a tym samym całkowicie odporny na blokowanie przez kondensację i zatykanie prześwitów, ale pewnie ani razu w życiu nie sprawdzili tej teorii oraz nie stanęli przed koniecznością serwisowania swoich układów. Ponadto rozwiązanie zawór oddechowy + rurowy przerywacz w znakomitej większości przypadków (producentów armatury) jest niedopuszczalne przez brak wymaganej prawem certyfikacji kompletu jako całości – certyfikat badania typu dotyczy aplikacji dla rurowego przerywacza płomienia deflagracji i to jest jego limit stosowania, zaś deklaracja producenta, że oba urządzenia stanowią komplet, jest poświadczeniem nieprawdy.

Fot. 4. Jednostka filtra płomienia TORNADO w przekroju

Fot. 4. Jednostka filtra płomienia TORNADO w przekroju
Fot. 5. Końcowy przerywacz płomienia zabezpieczający przed deflagracją atmosferyczną z jednostką filtra płomienia typ TORNADO

Fot. 5. Końcowy przerywacz płomienia zabezpieczający przed deflagracją atmosferyczną z jednostką filtra płomienia typ TORNADO

Kolejnym aspektem problematyki użytkowania jednostki filtra płomienia wykonanej ze zwijanych taśm jest praktycznie całkowity brak możliwości usunięcia stałych zanieczyszczeń i osadów blokujących prześwity. W przypadku jednostki złożonej z dysków o niewielkiej grubości można stosować z dość dobrym efektem mycie ciśnieniowe parą lub wodą oraz uprzednie moczenie w odpowiednich rozpuszczalnikach. Jednak gdy mamy do czynienia z dyskami o średnicy DN 400 lub większymi, stajemy przed problemem wiotkości – podczas demontażu lub montażu niezwykle łatwo zniszczyć taki krążek. Kiedy mamy kilka dysków połączonych obudową w jednostkę filtra płomienia o dużej średnicy, w której z racji pochylenia prześwitów lewo/prawo nie możemy stwierdzić, jaki jest stopień zanieczyszczenia poszczególnych dysków, to weryfikacja konieczności oczyszczenia i przeprowadzenie demontażu bez uszkodzenia stanowią nie lada wyzwanie. Taśmy płaska i karbowana są tylko ciasno zwinięte – niczym niepołączone – i niezwykle łatwo dają się wygiąć, co prowadzi do ich trwałego uszkodzenia. Mit o rozwijaniu taśm, czyszczeniu ich i ponownym zwijaniu w krążek jest równie stary jak samo rozwiązanie.

Z jednej strony prostota wykonania oraz możliwość tworzenia całej palety różnych średnic, grup wybuchowości, konfiguracji wielodyskowej dla różnych ciśnień i temperatur pracy, a z drugiej wrażliwość na wychwytywanie skroplin i kondensację przy przechłodzeniu oraz problem weryfikacji stopnia zanieczyszczenia złożonych jednostek tworzą cały szereg problemów, z jakimi muszą na co dzień mierzyć się użytkownicy.

Największym wyzwaniem, przed jakim stoją producenci armatury zbiornikowej, jest wynalezienie i wdrożenie do produkcji zupełnie nowych rozwiązań gwarantujących optymalny stosunek jakości technicznej, ceny oraz prostoty eksploatacyjnej pozwalającej na bezproblemowe użytkowanie przerywaczy płomienia. Bardzo dobrym przykładem takiej innowacyjności jest włoska firma FNC S.p.A., która postanowiła zrewolucjonizować dotychczas panujący na rynku sposób budowy jednostki filtra płomienia stosowanej jako zabezpieczenie przed przedostaniem się płomienia w przerywaczach i zaworach oddechowych zintegrowanych z jednostką filtra płomienia.

Zasadniczo pomysł na pierścieniową jednostkę filtra płomienia nie jest nowy. Z powodzeniem był używany w armaturze chroniącej duże silniki okrętowe przed rozprzestrzenieniem się płomienia powstałego z zapłonu paliwa w układzie wydechowym silnika lub w aplikacjach charakteryzujących się najgorszymi warunkami eksploatacyjnymi – jako zabezpieczenie filtrów odpylających przy mediach pyłowych (ekstremalnie duże zanieczyszczenie produktem tworzącym atmosferę wybuchową podczas normalnej pracy). Nowością jest implementacja jednostek tego typu do aplikacji typowo gazowo/oparowych.

Wspomniane powyżej aplikacje potwierdzają, iż zastosowane przy gazach i parach cieczy jednostki filtra płomienia zbudowanej z koncentrycznie ułożonych jeden na drugim pierścieni zapewnia szereg zalet w odniesieniu do „zwijanych” dysków filtra płomienia:

  • redukcję oporów przepływu lub spadków ciśnienia dla wszystkich grup wybuchowości – każda z pary pierścieni tworzy jeden ciągły prześwit o wymiarach odpowiadających średnicy pierścieni, zaś powierzchnia odbierająca ciepło odpowiada różnicy średnicy zewnętrznej i wewnętrznej pierścieni, zapewniając, wraz z odległością jednego pierścienia od drugiego, wymagany dla konkretnych grup wybuchowości MDBP;
  • możliwość dokładnego usunięcia zanieczyszczeń bez uszkadzania prześwitów jednostki pierścieniowej; po demontażu w zaciszu warsztatu mamy możliwość dotarcia do każdego z pierścieni tworzących naszą jednostkę filtra płomienia typu TORNADO;
  • dużo łatwiejszą kontrolę stopnia zanieczyszczenia jednostki – bez konieczności demontażu w miejscu zabudowy za pomocą źródła światła dostosowanego do występującej strefy zagrożonej wybuchem, skierowanego wzdłuż prześwitu, bardzo łatwo ocenić, czy zalegają tam zanieczyszczenia; oszczędzamy przy tym czas i pieniądze związane z przeglądem urządzeń;
  • lepszą odporność na ciężkie warunki pracy – potwierdzoną przez wieloletnią pracę w warunkach wysokiego zanieczyszczenia różnorodnymi substancjami (pyły, spaliny);
  • eliminację możliwości pomyłki przy składaniu wielodyskowej jednostki filtra płomienia zgodnie z wytycznymi producenta – przy kilku dyskach o różnym pochyleniu prześwitów (prawo- lub lewostronny, prosty) należy zachować kolejność składania dysków po zakończonej konserwacji – przez nieuwagę łatwo tutaj o pomyłkę skutkującą ryzykiem niezadziałania urządzenia po złożeniu w niewłaściwy sposób;
  • prostotę montażu/demontażu, niższe koszty wytwarzania, niższą masę – stanowiące kolejne zalety pierścieniowych jednostek typu TORNADO.

Dodatkowo możliwość bezproblemowej adaptacji jednostek typu TORNADO do istniejącego typoszeregu korpusów armatury ułatwiła produkcję pierwszych egzemplarzy w roku 2013. Z powodzeniem przeszły one próby i uzyskały Certyfikaty Badania Typu CE ATEX jednostek notyfikowanych według PN-EN 16852, potwierdzające możliwość stosowania ich w aplikacjach takich jak zbiorniki i instalacje technologiczne, w których mamy do czynienia z koniecznością ochrony przed zjawiskami spalania: deflagracją atmosferyczną lub długotrwałym spalaniem.

Fot. 6. Nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy z jednostką filtra płomienia typ TORNADO zabezpieczający przed przedostaniem się płomienia

Fot. 6. Nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy z jednostką filtra płomienia typ TORNADO zabezpieczający przed przedostaniem się płomienia

Fot. 7. Nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy – wersja modułowa

Fot. 7. Nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy – wersja modułowa

Obecnie trwają prace nad uzyskaniem Certyfikatu Badania Typu CE ATEX dla rurowych przerywaczy płomienia deflagracji lub detonacji opartych na jednostkach filtra płomienia typu TORNADO oraz nad wdrożeniem tego nowatorskiego rozwiązania do sprzedaży.

Kolejną innowacją, nad którą aktualnie pracuje partner GRUPY WOLFF – firma FNC – są modułowe zawory oddechowe. Koncepcja modułowej konstrukcji zaworów otwiera cały szereg nowych opcji w porównaniu z tradycyjnym układem oddechowym złożonym z jednego lub kilku zaworów realizujących wdech oraz wydech lub tylko wdech.

Podstawą modułowego zaworu jest korpus na bazie sześciokątnej bryły z czterema króćcami, który umożliwia poprzez zunifikowane kołnierze połączenia z:

  • jednym króćcem do zabudowy zaworu modułowego na instalacji/zbiorniku;
  • jednym zaworem nadciśnieniowym (wydech bezpośrednio do atmosfery lub poprzez zintegrowaną jednostkę filtra płomienia typu TORNADO);
  • maksymalnie dwoma zaworami podciśnieniowymi umożliwiającymi wdech z atmosfery (z identycznymi opcjami jak przy nadciśnieniu);
  • kolejnym korpusem modułowym dającym możliwość zabudowy następnego zaworu nadciśnieniowego oraz łącznie 3 modułów odpowiedzialnych za wdech przy podciśnieniu.

Mamy zatem do czynienia z redukcją liczby zaworów niezbędnych do stworzenia układu oddechowego, jego masy, liczby komponentów i w konsekwencji ceny urządzenia. Modułowy system pozwala na tworzenie różnorakiej konfiguracji zaworów:

  • tylko dla nadciśnienia,
  • tylko dla podciśnienia,
  • dla nad- lub podciśnienia,
  • dla nad- lub podciśnienia z przyłączem procesowym,
  • dla nad- i podciśnienia oraz połączenia ze zintegrowaną jednostką filtra płomienia TORNADO.

W efekcie mamy ekonomiczne pod względem cenowym, eksploatacyjnym i spełniające wymagane wydajności rozwiązanie. Jest ono dokładnie dopasowane do aplikacji wymuszającej przykładowo zastosowanie wielu zaworów tylko dla wdechu podciśnieniowego i jednego zaworu pokrywającego swoją wydajnością wydech przy nadciśnieniu (typowa aplikacja dla układu oddechowego chroniącego zbiorniki o dużej pojemności (> 1000 m3) przed nad- i podciśnieniem oraz przepływami wywołanymi wpływem warunków atmosferycznych: parowania i skraplania magazynowanego produktu).

Obecnie trwają prace nad poszczególnymi seriami średnic i niezbędną gamą dopasowanych akcesoriów, a spodziewane ich zakończenie to końcówka 2018 roku.