Szkło wzierne w przemyśle chemicznym – jak dobrać grubość i rodzaj szkła do skrajnych ciśnień?

Procesy chemiczne prowadzone w zamkniętych instalacjach wymagają kontroli bez naruszania ich szczelności. Szczególnym wyzwaniem jest obserwowanie substancji znajdujących się pod wysokim ciśnieniem, w podwyższonej temperaturze lub w kontakcie z agresywnymi związkami. Nieprawidłowo dobrana płyta obserwacyjna może ograniczać widoczność, utracić szczelność albo ulec uszkodzeniu pod wpływem występujących obciążeń. Jak wybrać produkt odpowiedni do takich warunków? W artykule omawiamy najważniejsze zależności. Zapraszamy do lektury!

Szkło wzierne – czym jest i jaką pełni funkcję?

Szkło wzierne to przezroczysty element obserwacyjny przeznaczony do kontrolowania wnętrza aparatury procesowej. Nie można go zastępować zwykłą szybą o zbliżonych wymiarach, ponieważ zastosowany materiał musi wykazywać ściśle określoną odporność mechaniczną, termiczną i chemiczną. W kompletnym układzie metalowy korpus podtrzymuje obwód płyty oraz wyznacza widoczny prześwit, uszczelki zapobiegają wyciekom, natomiast mocowania zapewniają wymagany docisk. Tak zbudowany zespół można osadzić w ścianie zbiornika lub reaktora, na króćcu albo pomiędzy odcinkami rurociągu. Produkty te nie są uniwersalne, dlatego przy wymianie należy zastosować część zgodną z dokumentacją danej armatury. O tym, przy jakim ciśnieniu i w jakiej temperaturze można bezpiecznie użytkować kompletny wziernik, decyduje jego najmniej odporna część, na przykład szklana płyta, uszczelnienie albo metalowy korpus.

Kontrola procesów chemicznych za pomocą szkła wziernego

Okno kontrolne pozwala obserwować przebieg procesu chemicznego bez otwierania urządzenia, obniżania panującego w nim ciśnienia ani opróżniania zbiornika. W zależności od miejsca zamontowania wziernika oraz właściwości substancji znajdującej się wewnątrz urządzenia operator może obserwować przebieg mieszania, zmianę koloru i klarowności cieczy, powstawanie piany, wytrącanie się osadu, krystalizację albo rozdzielanie poszczególnych faz.

Wziernik zamontowany na rurociągu umożliwia ocenę ciągłości przepływu. Za jego pośrednictwem można zauważyć zanieczyszczenia albo zatrzymanie ruchu cieczy. W płynowskazach obserwuje się natomiast położenie granicy pomiędzy cieczą a przestrzenią gazową, co ułatwia określenie poziomu napełnienia urządzenia. Informacje uzyskane w ten sposób uzupełniają wskazania czujników temperatury oraz przepływomierzy. Nie zastępują wymaganej aparatury pomiarowej, lecz pomagają rozpoznać zjawiska niewidoczne w pojedynczym odczycie, na przykład pojawienie się piany pomimo utrzymywania prawidłowego ciśnienia.

Okrągłe i podłużne szkła stosowane w armaturze procesowej

Szkła wzierne okrągłe montuje się przede wszystkim w oknach kontrolnych reaktorów, zbiorników, komór oraz rurociągów. Wymagania dotyczące ich materiału, wymiarów i odporności na różnicę ciśnień określa norma DIN 7080. Centralna część tafli zapewnia wgląd do wnętrza urządzenia, natomiast jej obwód spoczywa na powierzchni podparcia przygotowanej w oprawie.

Do wskazywania poziomu cieczy wykorzystuje się również podłużne szkła transparentne oraz refleksyjne objęte normą DIN 7081. W drugim rozwiązaniu powierzchnia skierowana w stronę substancji procesowej ma pryzmatyczne rowki, które odpowiednio załamują światło. Powstający kontrast pozwala odróżnić obszar wypełniony płynem od przestrzeni gazowej, a dzięki temu określić stopień napełnienia zbiornika.

Element transparentny ma natomiast gładkie powierzchnie i umożliwia bezpośrednią obserwację substancji znajdującej się pomiędzy dwiema przeciwległymi taflami. Pozwala ocenić jej barwę, klarowność, obecność zanieczyszczeń oraz rozdzielenie warstw. W określonych zastosowaniach powierzchnię mającą kontakt z substancją można zabezpieczyć miką. Wybór kształtu oraz sposobu wykonania szkła powinien zatem wynikać z miejsca montażu oraz rodzaju informacji potrzebnych operatorowi.

Od czego zależy odporność szkła wziernego na skrajne wartości ciśnienia?

Płytę zamontowaną we wzierniku obciąża różnica ciśnień występująca pomiędzy jej dwiema stronami. W instalacji pracującej względem ciśnienia atmosferycznego wartość ta jest zbliżona do nadciśnienia panującego wewnątrz urządzenia. Z kolei w układach próżniowych kierunek działania obciążenia jest przeciwny, dlatego oprawa musi zapewniać podparcie odpowiednie również dla takich warunków.

Odporność szklanej płyty zależy od składu zastosowanego materiału, sposobu obróbki jego oraz dokładności wykonania. Znaczenie mają płaskość powierzchni, a także brak rys, wyszczerbień czy innych uszkodzeń. Ze względu na kruchość tafli nawet miejscowy ubytek może powodować koncentrację naprężeń oraz osłabiać element, mimo że jego wymiary pozostają zgodne z dokumentacją.

W produktach przeznaczonych do pracy pod wysokim ciśnieniem stosuje się hartowanie termiczne. Proces ten wytwarza w zewnętrznych warstwach naprężenia ściskające, zwiększające odporność tafli na zginanie. Znaczenie mają również wartość wprowadzonych naprężeń, jednorodność materiału oraz jakość przeprowadzonej obróbki.

Podczas doboru szkła wziernego należy rozróżnić ciśnienie robocze od projektowego oraz uwzględnić możliwe skoki jego wartości. Uderzenia hydrauliczne i powtarzające się cykle obciążenia mogą oddziaływać na element inaczej niż stabilna praca przy niezmiennych parametrach. Trzeba więc znać nie tylko maksymalną wartość ciśnienia, lecz także częstotliwość oraz czas trwania jego wzrostów.

Jak grubość i średnica szkła wziernego wpływają na jego odporność ciśnieniową?

Grubości płyty nie można dobierać bez znajomości jej średnicy zewnętrznej oraz wielkości swobodnego prześwitu. Prześwit oznacza niepodpartą część tafli, na którą bezpośrednio działa różnica ciśnień. Im większa jest jego powierzchnia, tym większe naprężenia mogą powstawać w szkle przy takim samym obciążeniu instalacji.

W uproszczonym modelu okrągłego elementu naprężenia są proporcjonalne do kwadratu rozpiętości części pozbawionej podparcia. Zachowanie odpowiedniej odporności może wymagać użycia grubszej płyty, wytrzymalszego materiału lub innej konstrukcji oprawy. Jeden parametr nie wystarcza więc do ustalenia dopuszczalnego ciśnienia. Pokazują to dane produktów MAXOS: model 30 × 15 mm (średnica × grubość) z widocznym obszarem 20 mm może pracować przy 200 bar, podczas gdy dla wersji 250 × 30 mm i prześwitu 225 mm producent wskazuje limit 10 bar. Rozległa powierzchnia wystawiona na parcie ma w tym przypadku większe znaczenie niż zastosowanie masywniejszej tafli.

Podane liczby dotyczą określonych wyrobów oraz warunków wskazanych w ich dokumentacji. Nie można stosować ich jako uniwersalnych parametrów wszystkich tafli o zbliżonych wymiarach. Obliczenia powinny uwzględniać właściwości konkretnego materiału, tolerancje wykonania, sposób podparcia i warunki eksploatacji całego wziernika.

Temperatura i skład chemiczny substancji a trwałość szkła wziernego

W instalacjach chemicznych często wykorzystuje się szkło wzierne borokrzemowe ze względu na jego wysoką przezierność oraz odporność hydrolityczną. Jego niewielka rozszerzalność ogranicza naprężenia powstające podczas zmian temperatury, nie eliminuje jednak ryzyka uszkodzenia wywołanego nierównomiernym nagrzewaniem. Szczególnie niekorzystne może być skierowanie gorącego strumienia na fragment zimnej tafli albo gwałtowne schłodzenie jej rozgrzanej powierzchni.

Naprężenia termiczne ograniczają zdolność tafli do przenoszenia parcia. Dlatego maksymalnej wartości ciśnienia nie należy automatycznie łączyć z najwyższą temperaturą wskazaną w dokumentacji. Dla specjalnej armatury wyposażonej w transparentne szkło MAXOS producent podaje 414 bar przy 38°C. W bezpośrednim kontakcie nieosłoniętego elementu z gorącą wodą lub parą nasyconą graniczne warunki wynoszą natomiast 35 bar oraz 243°C.Przydatność materiału zależy również od składu obserwowanej cieczy lub gazu. Borokrzemian wykazuje odporność na wodę i liczne środowiska o niskim pH, nie jest jednak obojętny wobec każdej substancji. Kwas fluorowodorowy oraz gorące roztwory alkaliczne o wysokiej koncentracji mogą uszkadzać powierzchnię tafli. Powstałe ubytki ograniczają przezierność i osłabiają element poddawany ciśnieniu. Oceniając zgodność chemiczną, trzeba więc uwzględnić rodzaj medium, jego stężenie, temperaturę oraz przewidywany czas oddziaływania na szkło.

Bezpieczeństwo wziernika – wpływ oprawy, uszczelnienia i osadzenia szkła

Oprawa wziernika wyznacza wielkość wolnego prześwitu, podpiera obrzeże szklanego wkładu oraz przenosi siłę docisku potrzebną do uzyskania szczelności. Jej klasa ciśnieniowa bywa niższa niż wartość podana dla samej tafli, dlatego użycie wytrzymalszej płyty nie zwiększa automatycznie odporności kompletnej armatury, jeżeli pozostałe części mają mniejszy limit roboczy. Materiał uszczelniający musi zachowywać sprężystość w kontakcie z substancją procesową oraz w pełnym zakresie temperatur występujących podczas użytkowania. Niewłaściwie dobrany wariant może pęcznieć, twardnieć albo ulegać rozkładowi, co prowadzi do wycieku lub nierównego rozkładu obciążenia.

Równie ważne jest przygotowanie gniazda oraz właściwe przeprowadzenie montażu. Powierzchnia podparcia powinna być czysta, gładka i pozbawiona deformacji, elastyczne przekładki prawidłowo ułożone, a mocowania dokręcone zgodnie z kolejnością oraz momentem podanymi w instrukcji. Zabrudzenia, przekrzywienie bądź bezpośrednie oparcie krawędzi na metalu sprzyjają powstawaniu miejscowych naprężeń. Po uruchomieniu instalacji trzeba także pamiętać o regularnych oględzinach wziernika. Rysy, wyszczerbienia, trwałe zmętnienie i narastające osady utrudniają obserwację wnętrza urządzenia, natomiast postępujące ubytki mogą świadczyć o chemicznym trawieniu powierzchni przez ciecz albo gaz znajdujące się w układzie. Częstotliwość przeglądów i moment wymiany tafli należy zatem dostosować do warunków eksploatacji oraz zaleceń producenta.

Jakie informacje są potrzebne do doboru szkła wziernego?

Przed zamówieniem szkła wziernego do instalacji chemicznej należy zgromadzić dane opisujące rzeczywiste warunki jego przyszłej eksploatacji. Trzeba ustalić:

• rodzaj urządzenia oraz cel prowadzonej obserwacji,
• skład i stężenie cieczy lub gazu obecnego w instalacji,
• ciśnienie robocze i projektowe urządzenia,
• możliwe skoki ciśnienia wraz z częstotliwością ich występowania,
• wartość podciśnienia, jeżeli pojawia się podczas prowadzenia procesu lub opróżniania instalacji,
• minimalną i maksymalną temperaturę substancji procesowej,
• temperaturę otoczenia w miejscu zamontowania wziernika,
• przewidywane tempo nagrzewania oraz chłodzenia tafli,
• wymaganą średnicę widocznego pola obserwacji,
• średnicę i grubość dotychczas używanej płyty,
• konstrukcję oprawy oraz sposób podparcia szkła,
• materiał uszczelnień mających kontakt z substancją,
• normy obowiązujące dla danej armatury oraz wymagane certyfikaty.

Komplet danych umożliwia dobranie rodzaju materiału i wymiarów tafli na podstawie dokumentacji technicznej całego zespołu. Sama średnica otworu, grubość dotychczasowego szkła albo najwyższe ciśnienie znalezione w katalogu nie zapewniają wystarczających podstaw do oceny bezpieczeństwa instalacji.

Odporność szkła wziernego na ciśnienie zależy jednocześnie od jego grubości, średnicy, materiału oraz sposobu osadzenia. Przed wyborem odpowiedniego elementu trzeba również ustalić, jaki fragment przezroczystej płyty pozostanie bez podparcia, w jakim zakresie temperatur będzie przebiegał proces, z jaką substancją zetknie się powierzchnia oraz czy podczas pracy mogą wystąpić nagłe przeciążenia. Nawet prawidłowo wykonana tafla nie zapewni bezpieczeństwa, jeżeli oprawa albo uszczelnienia mają niższą klasę roboczą bądź dojdzie do jej uszkodzenia podczas montażu. Jeżeli dobierasz element obserwacyjny do reaktora, zbiornika lub rurociągu użytkowanego w szczególnie trudnych warunkach, skontaktuj się z nami. Pomożemy określić odpowiedni rodzaj, wymiary oraz standard wykonania produktu.