Računalniško orodje v okenskem okolju za izbiro in določitev tesnil na osnovi dveh različnih računskih metod
Windows Based PC Softvvare for Gasket Selection and Determination Based on Two Different Calculation Procedures
F. Bernard1, Fakulteta za pomorstvo in promet, Univerza v Ljubljani I. Borovničar, DONIT TESNITI, Tehnični servis, Medvode
Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-01-17
V delu predstavljamo novo, uporabniku prijazno računalniško orodje za izbiro in preračun statičnih tesnil. Orodje omogoča pravilno izbiro tesnilnega materiala oz. tesnila in njegovih dimenzijskih parametrov. Zahtevani vhodni podatki so delovni pogoji in tesnostne zahteve tesnilnega sklopa. Preračun tesnilnega sklopa temelji na računskih metodah FSA in PVRC.
Ključne besede: tesnilo, izbira tesnilnega materiala, industrijsko statično tesnenje, preračunski metodi, računalniško orodje
This paper presents a user-friendly computer program. It aliows correct selection of the gasket styie and its dimension parameters of service as functions of service conditions and tightness requirements of bolted joints. Two methods are offered for the calculation of bolting parameters, based respectively on FSA and PVRC approaches.
Key words: gasket, sealing material selection, industrial static sealing, calculation methods, softvvare Nomenklatura	1 Uvod
y, y* = tesnilni faktor, MPa P = delovni tlak, MPa m, m* = tesnilni faktor, /
Aj = površina, omejena s srednjim premerom
tesnila, mm2 Tpact = dejanski tesnostni parameter, / Ag = stisnjena površina tesnila, mm2 Ae = učinkovitost prirobnic, / K =1,5, je parameter prekomernega privijanja, ki
velja samo za vijake ANSI, / Sya = površinska obremenitev, potrebna za
prilagoditev tesnila v prirobničnem sklopu, MPa"
Smo = zahtevana obratovalna površinska obremenitev tesnila, MPa Smoact = dejanska obratovalna površinska obremenitev
tesnila, MPa Wmoact = dejanska sila v vijakih, kN Wmaact = dejanska sila v tesnilnem sklopu, kN Syaact = dejanska površinska obremenitev na tesnilo, MPa
Gb, Gs = tesnilni konstanti, MPa a	= tesnilna konstanta, /
P* = atmosferski tlak, MPa Tpact = dejanski tesnostni parameter, / Tract = faktor, /
Tcact = dejanski tesnostni koeficient, /
' Dr. Franc BERNARD, dipl. inž.
Univerza v Ljubljani. Fakulteta za pomorstvo in promet Pot pomorščakov 4 6320 Portorož. Slovenija
Računalniško orodje za izbiro statičnih tesnil in preračun vseh potrebnih parametrov, ki so pomembni za tesnost prirobničnega sklopa deluje v popularnem okenskem okolju Windows. Primerna strojna oprema za za-ganjanje omenjenega orodja je vsak zmogljivejši kompa-tibilni osebni računalnik IBM. Slika 1 prikazuje nekaj pogovornih oken.
Preračun tesnilnega sklopa temelji na standardnem računskem postopku Fluid Sealing Association - FSA1 ali Pressure Vessel Research Council - PVRC2. Slednji bo kmalu sprejet kot standardni preračunski postopek (ASME Boiler and Pressure Vessel Code). Oba računska postopka vključujeta standardne lastnosti kalandriranih tesnilnih materialov in lastnosti, ki smo jih ovrednotili z meritvami v tovarni DONIT TESNITI. Podatke za druge materiale pa smo pridobili iz uradnih virov in literature.
2 Opis računalniškega orodja
Izvorno kodo smo zapisali v računalniškem jeziku C++. Osnovni ukazi so dostopni v obliki zavesnih menijev, drugi pa kot ikonizirani gumbi. Osnovni ukazi vodijo do podukazov, potrditev zadnjega zaporednega podukaza v razvejeni drevesni strukturi pa zažene ustrezno pogovorno okno.
Izhodišče programa so trije osnovni ukazi: Medium, Gasket & Flange in Bolt, ki omogočajo spreminjanje predvnesenih podatkov ter še četrti osnovni ukaz Nu-meric & Graphic Evaluation. Z njim dosežemo prikaz rezultatov in spreminjanje oziroma prilagajanje že izbra-
__StMPLU.GOt__DI
FSA Nnri Standard As-;rnihly Fvnliiatinn
T.irarrJBraireil-1
L:\duu\iiunl\dnineddly.
Elle Ldlt Seardi Medlum Gasket Bo» Calculatlons W1ndow Cejtlflcates blelp
ra^n rm rg m"rn m
DONIT TESh STANDARD
Theimal OU 100 00 ('C J
20.00 (bar )
SERVICE D/
10 9 12.3
ThatMi reuttani.........DIN 17240
CK 35	1.1181
24 Cr Mo 5 1.7258 21 D Mo V 57 1.7709 40 Ci Ho V 47 1.7711 Hifll> thanaal ttaUnL.DIN 17240
Gatket Shipe
Outer dlameter	As>nni>w bc
Internal diameter
Outer compressed dla
Compressed area
Area enclosed by Di
Min. surface stress
Max.surface stress
Max.surface stress at 100 'C Omaxt
GASKET DATA
|N/mm1
Flange Shape
Browse flgjjons Wndow
-v HAHDLE AUTORADIOBUTTON CLICKS for pressura um t con char PressStrFormatC43[7] - l"x9.01f'. "x9.Slf". ' «9.4] uoid donModiumDlg::HandleProssflflBtnClick (1 IsPOK - FflLSE;
PressilnitldOld - PressUnitldNou;
GetDlgltemTovt (IDC_pRESSURE. OlcPressStr, t1axLerCat 101
1F11 □ 1 cPr-ossStr [0 3 )
C
rtossago8ox C"\nViAll fields must bo filled in?". "] SetDlgItomText(IDC_PRESSLFE, '	">;
TESNIT BA-CF TESNIT BA-SL ftSNITBMj; TESNIT BA-F TESNIT BA-R TESNIT BA-C TESNIT BA S TESNIT BA-N TESNIT BA-Auto TESNIT BA-SM
Slika 1: Prikaz programskih oken
Figure 1: Appearance of the program dialogs and windows
nih podatkov. Odzivi na nadaljnjih pet ukazov: File, Edit, Search, Windows in Help, so primerljivi z odzivi v mnogih drugih, uporabniško razširjenih in v okenskem okolju delujočih programskih orodjih.
Z osnovnim ukazom Medium vstopimo v istoimensko pogovorno okno. V njem izberemo delovni medij, delovni tlak in delovno temperaturo. Osnovni ukaz Gasket & Flange vsebuje dva podukaza. To sta Gasket material in Shape. Uporabnik programskega orodja lahko izbira med osmimi različnimi glavnimi skupinami statičnih tesnilnih materialov in tesnil, kot so kalandrirani tesnilni materiali, ekspandirani grafit, PTFE ipd. Vsaka od glavnih skupin vodi k nadaljnjim podoknom. Izbira Ca-
landered materials pripelje v listo tesnilnih materialov Tesnit®. V pogovornem oknu Gasket shape izbiramo med standardnimi prirobnicami DIN, ANSI, API ali MSS in med nestandardnimi oblikami. Pomembno dopolnitev tovrstnih preračnov je vnos in upoštevanje podatka o učinkovitosti prirobnice.
Osnovni ukaz Bolt vsebuje podukaza za dostop do standardnih skupin vijakov ANSI in DIN. V primeru, da smo se odloči za vijake ANSI, nam pogovorno okno omogoči tudi vnos koeficienta trenja in parametra prekomernega privijanja.
Ko potrdimo izbiro vseh vhodnih podatkov, nas vnos osnovnega ukaza Evaluation pripelje do podukazov, na
podlagi katerih se odločimo za računsko metodo FSA ali PVRC. Metoda FSA je osnovana na dveh različnih tesnilnih faktorjih: y* in m*. Metoda PVRC pa temelji na faktorjih Gb, a in Gs. Z izbiro metode vstopimo v odgovarjajoče pogovorno okno, ki nam tabelarično ali grafično prikaže rezultate in dovoljuje spreminjanje oziroma prilagajanje že izbranih podatkov.
Predvneseni podatki so eksperimentalno določeni za tesnile materiale Tesnit®. Za druge tesnilne materiale ali tesnila pa so podatki pridobljeni iz uradnih virov, kot sta standarda PVRC in DIN3.
Pogovorno okno Evaluation izpiše glavne vhodne podatke in programske rezultate v obliki dejanskih, minimalnih in maksimalnih vrednosti prirobničnih parametrov, kot so: površinska obremenitev na tesnilo, skupna sila v vijakih in moment privijanja na vijaku. Ti rezultati so prikazani kot:
1.	Dejanske vrednosti prirobničnih parametrov, ki se odzivajo na podatke o vijakih in dimenzijskih parametrih tesnila.
2.	Minimalne zahtevane vrednosti prirobničnih parametrov, ki jih določajo karakteristike tesnilnega materiala. Minimalne zahtevane vrednosti zagotavljajo tesnost prirobničnega sklopa.
3.	Maksimalne dopustne vrednosti prirobničnih parametrov, ki so pogojene z zrušilno trdnostjo tesnilnega materiala in temperaturo.
4.	Predvidene in ciljne vrednosti "prepuščanja" in relativni "tesnostni razred" (samo za metodo PVRC). Podatki o skupni sili v vijakih in momentu na vijak
so uporabni in potrebni podatki za pravilno delovanje prirobničnega sklopa. Priporočljivo je, da so minimalne zahtevane vrednosti med dejanskimi in maksimalnimi dopustnimi vrednostmi, da se morebitne napake v pri-robničnem sklopu in razrahljanost sklopa, ki je posledica segrevanja, kompenzirajo. Če minimalne zahtevane vrednosti niso med spodnjimi in zgornjimi mejami, potem mora uporabnik spreminjati vrsto ali število vijakov, material ali površino tesnila toliko časa, dokler spremembe niso verificirane. V primeru računske metode PVRC imamo še sklop podatkov, ki je v zvezi s stopnjo prepuščanja, kar je učinkovito orodje za kontrolo velikosti nezaželenih emisij delovnega fluida iz tesnilnega sklopa.
Cominent v pogovornem oknu Evaluation pove uporabniku, da je izbrani tesnilni material ali tesnilo primerno za delovne razmere in ali je tesnilni sklop sposoben zagotoviti zahtevano tesnost.
3 Preračun prirobičnega sklopa
Natančno razlago enačb, uporabljenih v tem programu, vključuje4.
3.1 Računski postopek FSA1
Računski postopek je zasnovan na tesnilnih faktorjih y* in m* ter na naslednjih enačbah.
Zahtevana površinska obremenitev na tesnilo med obratovanjem je:
Smo = max(y* + P m*, 2 P, Smin),	(1)
zahtevana obratovalna sila na tesnilo pa:
Wmo = Smo Ag + P A;.	(2)
Enačbi (1) in (2) omogočata določitev zahtevane skupne"sile v prirobničnem sklopu:
Wma = max (Wmo
Smo Ag

(3)
Omenjena tesnilna faktorja y* in m* se razlikujeta od faktorjev y in m, ki ju definira standard ASTM F 586. Rossheim in Marki sta leta 1943 faktorja y in m izpeljala teoretično5. Za kalandrirane tesnilne materiale so y* in m* faktorji določeni eksperimentalno. Podjetje DONIT TESNITI je za tesnostno merilo določilo stopnjo prepuščanja 0,2 ml/min dušika skozi tesnilo dimenzij 50 x 90 mm. Nekateri avtorji so predlagali drugačna merila6.
3.2 Računski postopek PVRC
To je postopek za izračun minimalnih parametrov privijanja. Izhaja iz postopka, ki ga je pred leti predložil J. Payne. Osnovan je na tesnilnih konstantah ROTT: Gb,
a, Gs2.
Vnesena zahtevana tesnost prirobničnega sklopa omogoča izračun zahtevanega tesnostnega parametera Tpmin. V primeru računskega postopka PVRC določa skupno zahtevano silo v vijakih sklopa Wma enačba (3), ki vključuje enačbi (2) in (4). Enačba (4) je spremenjena enačba (1) za zahtevano površinsko obremenitev tesnila med obratovanjem:
Smo = max (Smin, 2 P, min(Smo,, Smo2, Sya AJ), (4)
kjer so:
zahtevana površinska obremenitev tesnila med obratovanjem Smoi
Smo, - Gs
SyaAe
Gs
(5)
zahtevana površinska obremenitev tesnila med obratovanjem Smo2
Smo2 - - ~
R

in
(6) m
zahtevana površinska obremenitev tesnila za prilagoditev tesnila
Sya = -^(XTpminr
(7)
Števec ulomka, ki predstavlja potenco v enačbi (5), je log(x Tpmin)
Tr = -
(8)
l°gTpmin '
kjer X določimo iterativno tako, da velja Smoi = Sm02 pri pogoju X > 1.
R je faktor oslabitve vijakov, ki izraža razmerje med začetno silo v vijakih med vgradnjo in preostalo silo v vijakih med obratovanjem. Tudi tega določimo iterativno:
f Wma
R = max
Wmo„
(9)
Ta postopek ima v primerjavi s postopkom FSA dve pomembni prednosti. Bolj natančno popisuje vedenje tesnila med obratovanjem, ko se njegova površinska obremenitev zmanjšuje zaradi hidrostatičnega razbremenjevanja in termičnega razrahljanja vijakov, hkrati pa dopušča izbiro željene tesnosti sklopa.
Program primerja zahtevane vrednosti parametrov privijanja z dejanskimi, hkrati pa omogoča izraračun predvidenega dejanskega tesnostnega parametra za obstoječi sklop. Ce sta pri sobni in delovni temperaturi, Wmaact in WmoB, dejanski dopustni vrednosti sile v vijakih, potem lahko določimo:
-	dejansko površinsko obremenitev prirobničnega sklopa:
Wma ,
Sgact =-^- ,	(10)
-	dejansko površinsko obremenitev med obratovanjem:
min(Wmoacl - P A„ Wmaacl Ae)
Smo,,
- dejanski tesnostni parameter:
^Pact = (^Sacl ^j})^^"^
in
ki vključuje faktor
Tr =
1 4 nrt
log(Sgact^)
log(-
Smo,, Gs
(H)
(12)
(13)
a)
Z vpeljavo napovedi stopnje prepuščanja na podlagi kinematične viskoznosti in širine tesnila nam program omogoča tudi vrednotenje ciljne in dejanske stopnje prepuščanja skozi sklop za različne medije in dimenzije tesnil7.
4 Grafična predstavitev rezultatov
Glavni del novega programskega orodja, ki ga predstavljamo, je pogovorno okno Evaluation. V njem prikazujemo vse pomembne vhodne podatke in rezultate. Uporabnik lahko v tem oknu spremeni večino vhodnih podatkov s pritiskom na ustrezni gumb za neposredno spreminjanje podatkov. To okno omogoča poleg tabelarične predstavitve rezultatov tudi grafično, kot je prikazano na sliki 2.
V diagramu je prikazana specifična površinska obremenitev na tesnilo kot funkcija delovne temperature v obliki minimalnih, dejanskih in maksimalnih vrednosti.
ttjtt ar« t aroe
dMtTuctiori area workng twr*»r"turo

IDO 160
Temperature [*C]
Slika 2: Grafična predstavitev rezultatov Figure 2: Graphic presentation of the results
Z grafičnim prikazom rezultatov lahko uporabnik takoj določi položaj svojih vhodnih podatkov, ki so določeni z navpično belo črto in drobno belo točko. Ko leži točka vhodnih podatkov znotraj temnosivega, varnega območja, smemo trditi, da je izbira tesnila ustrezna. Če ni tako, potem mora uporabnik ponavljati in spreminjati podatke toliko časa (kvaliteta in/ali velikost vijakov, tesnilni material ali dimenzijski parametri tesnila), dokler ne doseže temnosivega področja. Področje netesnosti - najsvetlejše področje - se razprostira vse do horizontalne sive črte. Le-ta pomeni minimalne zahteve, ki jih mora prirobnični sklop izpolnjevati, da bo tesnil. Področje tesnosti je torej temnosivo obarvano. Področje zrušilne trdnosti tesnilnega materiala je obarvano črno in sega od zgornjega roba diagrama, do črne meje. Temna črta v diagramu, ki zgoraj omejuje področje tesnosti, pa pomeni največjo zmogljivost vijakov v prirobničnem sklopu.
5 Sklepi
Računalniško orodje dopušča izbiro kateregakoli statičnega tesnila, tudi novih tipov, s predpostavko da so njihovi tesnilni faktorji znani. Možnost izbire med dvema računskima metodama in vnos poljubnih tesnilnih faktorjev razširja njeno področje uporabe. Izbira in uporaba računske metode PVRC omogoča določitev pravilnih parametrov z namenom doseči zahtevano tesnost prirobničnega sklopa. Na ta način lahko kontroliramo in minimiziramo škodljivo puščanje skozi prirobnični sklop v okolico.
Menimo, da je računalniško orodje primerno in uporabno za izbiro tesnil na osnovi delovnih pogojev in tes-nostnih zahtev. V prihodnosti ga nameravamo nadgraditi z računsko metodo DIN EN 1591.
Zahvala
G. Ghirlanda Maxu se zahavljujeva za prijazno pomoč in podrobno razlago računske metode PVRC.
6 Literatura
' Non-Metallic Gasketing Handbook: Fluid Sealing Association, Phila-delphia, USA, 1989, 5-6
2	J. R. Paine: Current activities on gasket constants. Proc. of PVRC Conferenče, Information Exchange Sessions on Gasket testing, San Antonio, Texas, USA, February 1994, 51-76
3	Design Rules for Gasketed Circular Flange Connections, DIN EN 1591, 1994, 30-33
4	F. Bernard, I. Borovničar, M. Ghirlanda: Windows based computer program for gasket determination based on two different procedures.
Proc. of PVRC & PVP Conference, Montreal, Canada, July 1996, 109-113
5 D. B. Rossheim, A. R. C. Marki: Gasket Loading Constants, Mechani-cal Engineering, 65, 1943, 647 6J. Latte, C. Rossi: Survey and Development of Design Rules for Flange Connections, Proc. of ESA Conference on Fugitive Emissions, Antwerpen, Belgium, October 1995, 121-150 7 M. Ghirlanda: A procedure for the calculation of gasket tightness pa-rameters on the basis of PVRC gasket design procedure, 1995, Guarco Industria's technical publication, 10-12