Protiexplozivní pojistky: pro volné proudění plynů i par a proti přenosu plamene

Hořlavé a výbušné kapaliny v řadě průmyslových odvětví se skladují v tancích, které musí být odvětrány, aby se zajistilo odpuštění přetlaku nebo podtlaku při napouštění či vypouštění nebo změnách teploty. Podle druhu skladované kapaliny vznikají nad hladinou páry s různým stupněm nebezpečí výbuchu. Pokud by se v blízkosti nechráněného výstupu náhodně vyskytl zdroj iniciace, došlo by k vznícení par a přenosu výbuchu do nádrže s katastrofálními důsledky. Proto každé takové odvětrání musí být opatřeno zařízením nazývaným protiexplozivní pojistka – v tomto případě koncová. Jiné typy takových pojistek brání přenosu výbuchu potrubím například mezi dvěma nádržemi či zařízeními – to jsou pojistky potrubní. Oba tyto základní typy mají množství podtypů a provedení podle způsobu použití a druhu par. Tato zařízení se vyrábějí již desítky let a nalezneme je například na každé čerpací stanici pohonných hmot. Protiexplozivní pojistka tedy musí umožnit volné proudění plynů a par, ale zamezit přenosu plamene z jedné strany na druhou. Jak to funguje? Zjednodušeně řečeno jako u každého jiného hašení – plamen je nutno ochladit a zamezit přístupu kyslíku. U výbuchu letícího potrubím nadzvukovou rychlostí se na první pohled zdá jeho uhašení tímto klasickým způsobem zhola nemožné. Ale není. Fyzika výbuchu je složitá a dokonce není ani do všech podrobností prozkoumána, ale je taková, že v potrubí dostatečné délky zhasne výbuch sám. Čím je průměr potrubí menší, tím je tato zhášecí délka kratší. Toho využívají protiexplozivní pojistky tak, že se proudící plyn v průřezu potrubí rozdělí do mnoha malých proudů, v nichž se pak plamen zbrzdí, ochladí o stěny a postupně zhasne. Prvek, kde k tomu dochází se nazývá vložka protiexplozivní pojistky a je klíčovou součástí tohoto ochranného zařízení. Jak se to dělá? Pro rozdělení proudu se v nejjednodušších případech používá vrstva poskládaných kovových sítek, dříve dokonce i jen nasypané ocelové kuličky. O něco novější variantou těchto typů jsou pórovité kovy (sintry) nebo pórovitá keramika. Všechny moderní pojistky však mají vložky s lamelovou skladbou, kde jsou kanálky vytvořeny různě tvarovanými a uspořádanými tenkými ocelovými plechy, kde geometrie kanálku již není náhodná, ale pravidelná, jak ostatně již vyžaduje dnes platná norma. Dnes nejobvyklejším provedením je takzvaná stáčená vložka. Ta se skládá ze dvou plechových pásků stáčených do válcovitého svitku, přičemž jeden z pásků je plochý a druhý je zvlněný. Tím vznikají kanálky přibližně trojúhelníkového tvaru s výškou do 1 milimetru. Takto vzniklý kotouč s jemnými dírkami je pak základním stavebním kamenem pojistky. Kde je tedy problém? Hořlavé plyny a páry mají různý stupeň intenzity výbuchu a jsou rozděleny do tříd normalizovaným srovnávacím postupem. Jednoduchá, výše popsaná, vložka pak postačí k zastavení výbuchu pouze v těch nejjednodušších případech. Proto je nutno prakticky vždy přistoupit k nějaké její modifikaci. V podstatě lze kanálek zmenšit, prodloužit, nebo rychlost proudění snížit. V praxi výrobci používají kombinaci všech těchto tří cest. Vložky mívají šikmo provedené zvlnění, obsahují několik vložkových kotoučů, mají předřazeny různé brzdicí překážky. Základním problémem ovšem je, že pojistka musí v běžném provozu (tedy pokud zrovna neprobíhá výbuch) klást proudícím parám co nejmenší odpor, tedy má mít co možná nejnižší tlakovou ztrátu. Tlakovou ztrátu ale razantně zvyšují všechny překážky, které na druhé straně jsou nutné, aby přenosu výbuchu bylo zamezeno. Kotoučová vložka navíc musí mít příčné podpěry, aby se tlakem výbuchu nerozjela jako svitek filmu. To vše činí proudění v celé pojistce velmi složité a nevypočitatelné. Proud víří, stáčí se, v některých místech zháší, aby se následně opět rozhořel, až někde zhasne nakonec zcela. Dokonce i na moderních výkonných počítačích je prostorový výpočet natolik náročný, že je jednodušší daný kus vyrobit a odzkoušet. A tak se to také dělá – víceméně empiricky se přidávají a ubírají prvky a upravují rozměry tak dlouho, až zkouška vyjde. Ve světě tyto pojistky dodává několik desítek výrobců a zpravidla se sobě velmi podobají. Ty nejlepší jsou přesně vyladěné na určitou třídu, tlak a teplotu par, a jejich tlaková ztráta je právě jen tak vysoká, jak je nezbytně nutné. Takové ladění je ovšem nákladné a je pochopitelně zahrnuto v ceně, která se pohybuje v řádu desítek až stovek tisíc korun. Vedle ceny je problémem i hmotnost a rozměry, které se odvíjí od množství potřebných součástí. Jak tedy jinak? Zabýváme se vývojem protiexplozivních pojistek již několik let a tuto otázku jsme si položili na samém počátku. A došli jsme k závěru, že nejlépe je držet se podstaty věci – zaměřit se tedy na základní fyzikální princip zhášení – dlouhý a malý zhášecí kanál. Běžná stáčená vložka toto neumožňuje – je velmi obtížné vyrobit kotouč s pravidelnou strukturou delší než 30 mm. V blízkosti středu kotouče také vznikají velmi nežádoucí deformace. Postupem několikaletého vývoje tak vznikly pojistky řady SafExty NExus®. Jejich vložka je lamelová, tak jako většina ostatních, složená z plochých a zvlněných lamel. Zvlněné lamely mají ovšem asi o 30 % menší rozteč vln. Teorie praví, že tento rozměr není rozhodující a dokonce i zkušební normovaný aparát pracuje pouze se štěrbinou, nikoli kanálkem. Řadou srovnávacích pokusů v certifikované zkušebně jsme si jednoznačně ověřili, že teorie se v tomto bodě prostě mýlí – šířka kanálu hraje roli stejně zásadní jako jeho výška. Vyrobit takový tvar velmi jemného a zcela pravidelného zvlnění vyžadovalo vyvinout příslušné zařízení. Dnes to umí naše poloautomatická linka v několika rozměrech kanálu i v dostatečné délce (šíři pásku). Kruhový tvar vložky jsme nahradili čtvercovým – lamely se tedy nestáčí, ale skládají se střídavě na sebe (zvlněná-plochá) lamely nastřihané automatem na přesnou délku. Dokonce i tato forma čtvercové pojistky je známá, ovšem s lamelami zcela jiného typu. Tato zcela nová kombinace a modifikace známých principů ve svém výsledku přinesla vložku s parametry, které překvapily nejen nás, ale i pracovníky certifikační laboratoře. Jsou pojistky SafExty NE xus® revolucí? Máme tedy vložku, která zháší výbuch v nepřerušeném dlouhém tenkém kanálu – to samo o sobě je zřejmě ojedinělé. Tím ale odpadla nutnost použít v pojistce více vložek a také brzdicí prvky nejsou potřeba – výkon se dosahuje pouze použitím lamel s různou délkou a profilem kanálu. Nestáčená rovná lamela má ve směru proudění tak vysokou mechanickou odolnost, že nevyžaduje v běžných dimenzích potrubí naprosto žádnou oporu a tím je pro proudění využit celý průřez. Čtvercové opláštění vložky s výhodou tvoří přímo část vnější stěny celé pojistky, což znamená výrazné snížení hmotnosti. Technikovi by se mohlo zdát, že nekruhový průřez vložky je nevýhodný z hlediska přechodu na kruhové potrubí i z hlediska obrábění. Praxe ukázala, že pravdou je naprostý opak – konstrukce komor svařovaná z plochých dílců je levnější než odlitek a také lehčí. A stejně významnou výhodou je i flexibilita – vývoj nových typů pojistek je snadnou záležitostí – nevyžaduje investici do slévárenských kokil. Absence jakýchkoli dalších dílů způsobuje, že vložka se chová jako klasický uklidňovač proudění a snižuje turbulence před a za vložkou. Tím je dosaženo velmi nízkých tlakových ztrát srovnatelných se světovou špičkou, ovšem při výrazně nižší hmotnosti, rozměrech a také ceně. Nezatíženi vlastní dlouholetou historií jsme šli zcela jinou cestou než ostatní zavedení výrobci. Krok po kroku jsme se učili z vlastních chyb a naším srovnávacím etalonem byly pouze výrobky stojící na světové špičce. Výsledkem jsou první řady protiexplozivních pojistek SafExty NExus® se zcela ojedinělými špičkovými parametry, které budou rychle následovány dalšími typy až do uceleného sortimentu. Dnes věříme, že tím nejrevolučnějším počinem byl způsob zamyšlení se nad problémem. V obchodě je třeba se slovem revoluce nakládat velmi opatrně – zde je asi lépe zvolit označení špičkový výrobek za dobrou cenu. Co jsou to reliéfní ventily? Takto se označují ventily stojící na rozhraní – reliéfu – zařízení, které zprostředkují styk s vnější atmosférou. Více jistě napoví termíny hovorovější „odfukový“ nebo „přisávací“ ventil. Reliéfní ventil často obě funkce – přetlak i podtlak – sdružuje. Jeho úkolem je udržet v zařízení jistý přetlak nebo podtlak tak, aby k výměně plynů s atmosférou nedocházelo již při malých tlakových rozdílech. V chemickém průmyslu, farmacii a zejména petrochemii se tak zajišťuje zmenšení odparu skladovaných kapalin a ochrana životního prostředí, v potravinářském průmyslu (zejména kvasné procesy) se tak zajišťuje stálá vnitřní atmosféra tanku. Podtlaková část pak vždy chrání samotné zařízení před zborcením. Od běžných potrubních armatur se odlišují zejména malým rozsahem tlaků v řádu stovek pascalů až několika KPa – tedy tisíciny až setiny atmosféry. Musí fungovat rychle, spolehlivě a často musí být snadno dezinfikovatelné. V oboru výbušných par a plynů jsou tyto ventily zpravidla kombinovány s protiexplozivními pojistkami, často do jediné kompaktní armatury. Jak fungují? Pružinové ventily mají velkou nevýhodu v samotné charakteristice pružiny, kde k plnému otevření dojde vyšším tlakem než je nastavený tlak otevírací, což je právě v oboru velmi malých tlaků dosti výrazné. V oboru malých tlaků u stacionárních zařízení se zejména v posledních letech téměř výhradně používají prosté tíhové ventily, kde je tlak dán zátěží. Otevírací charakteristika tíhových ventilů je velmi strmá, což je vysoce preferovaná vlastnost. Jak se to dělá? Konstrukce tíhového ventilu bývá jednoduchá – v tělese z odlitku je sedlo, na něž nasedá ventilový talířek prostřednictvím těsnění, přičemž talířek tvoří zároveň příslušnou zátěž a ve své ose má upevněný vodicí trn, který zajišťuje jeho vedení v pouzdře tělesa. Přetlak přichází zespodu, podtlak pak shora. Tvary těsnicích ploch a materiály těsnění se přizpůsobují malým jmenovitým tlakům, přičemž právě zde bývá největší prostor pro know-how výrobce, aby i při malém tlaku ventil těsnil. Kde je tedy problém? Pokud chceme ventil pouze pro přetlak nebo pouze pro podtlak, problém není žádný. Jestliže ovšem chceme oba směry proudění zkombinovat, potřebujeme prostě ventily dva – jeden podtlakový a druhý přetlakový. Podtlakový tíhový ventil v klasickém provedení má samozřejmě sání shora, což znamená, že musí být umístěn na konci dolů obráceného potrubního kolena. To vyžaduje ale další prostor, odbočku, koleno a stoupá rapidně hmotnost a velikost celé armatury a také její tlaková ztráta. Ještě výraznější je tento problém, potřebujeme-li zkombinovat dvojventil s protiexplozivní pojistkou. Pokud zvolíme takové řešení, že pojistku vřadíme před ventil, pak se zdá problém přijatelně vyřešen, ale není tomu tak. Pojistka vřazená před ventil je nutně vždy pojistkou potrubní a ta je v každém případě větší, těžší, výrazně dražší a s větší tlakovou ztrátou než pojistka koncová, která by byla použita za ventilem. Proto předlako-podtlakový ventil s protiexplozivní pojistkou je vždy mohutná armatura obsahující dva ventily a dvě pojistky. Vložit oba ventily s jejich oddělenými cestami do jednoho prostoru pod jedinou pojistkou se sice některým výrobcům podařilo, ale rozměry a hmotnost tím nijak nesnížili. Takové sdružené armatury vypadají sice na pohled kompaktně, ale uvnitř složitého odlitku je nezbytný propletenec cest a i jen výměna těsnění je spojena s náročnou demontáží. Někdy toto výrobci rozměry snižují tím, že zmenšují průtokové kanály, což pochopitelně vede k větším tlakovým ztrátám. Jiní zas kombinují tíhový přetlakový ventil a pružinovým podtlakovým se všemi jeho nežádoucími vlastnostmi. Jak tedy jinak? Řešení přišlo s nápadem na počátku tak prostým, že jsme až nevěřili, že to nikoho nenapadlo dříve. Opak ukázala až provedená patentová rešerše. Naše řešení je prosté – směr působení závaží podtlakového ventilu je pomocí pákového mechanismu obrácen směrem vzhůru a podtlak tedy „tahá“ za talířek ventilu zespodu z téhož místa, z jakého působí přetlak na ventil přetlakový. Celý podtlakový ventil je umístěn na talíři přetlakového ventilu a oba talíře jsou souosé. Všechny součásti podtlakové části tvoří zároveň zátěž přetlakové části. Nastavení přetlaku a podtlaku je takto sice do jisté míry spolu svázáno, ale závaží jsou oddělená a tak jedinou nevýhodou je, že hmotnost přetlakové zátěže je třeba určit v závislosti na požadovaném podtlaku. jsou ventily SafExty® a S afExty NE xus® revolucí? Ano, jsou jedinými skutečně souosými tíhovými přetlako-podtlakovými ventily na světě. A jsou spolehlivé a odzkoušené. Mají velice malou tlakovou ztrátu, protože nedochází nikde k obratu proudu o 180°, mají jediné společné těsnění pro tlakovou i podtlakovou část. Toto těsnění se snadno mění – je pouze vložené – nikdy totiž nemůže nastat přetlak i podtlak zároveň, takže těsnění vždy přidržuje buď přetlakový těsnicí břit nebo podtlakový talířek. K těsnění dochází pouze mezi těsnicím kroužkem a oběma těsnicími břity, těsnost mezi těsnicím kroužkem a ostatními součástmi není potřebná. Hmotnost a rozměry jsou velmi silnou stránkou tohoto výrobku – menší nikde nenaleznete. Nejvíce se projeví kombinace s protiexplozivní koncovou pojistkou, kde se dosahuje velikosti a hmotnosti poloviční až třetinové proti jiným výrobkům. Ing. Jan Sedlák