Złącza i armatura do zaworów pobierania próbek — poradnik techniczny dotyczący wyboru odpowiednich komponentów do systemów pobierania próbek gazów i cieczy

Podsumowanie W przemysłach procesowych — od rafinerii petrochemicznych po systemy dostarczania gazów do przemysłu półprzewodnikowego — dokładność pomiarów analitycznych zależy w całości od integralności próbki. Zanieczyszczona lub niereprezentatywna próbka — spowodowana np. martwą objętością w łączu, materiałem reaktywnym przyłącza lub nieszczelnością uszczelki zaworu — generuje dane analityczne, które są gorsze niż bezużyteczne: są one aktywnie mylące. Łącza i przyłącza zaworów pobierania próbek, choć są fizycznie małymi elementami w szerszym łańcuchu urządzeń pomiarowych, stanowią najczęściej występujące punkty awarii w projektowaniu systemów pobierania próbek. Niniejszy artykuł zawiera przegląd techniczny typów łączy do pobierania próbek, kryteriów doboru materiałów oraz zagadnień projektowych związanych z konkretnymi zastosowaniami, przeznaczony dla inżynierów i integratorów systemów tworzących panele do pobierania próbek gazów i cieczy.

Część 1: Budowa systemu pobierania próbek — dlaczego złącza są ważniejsze niż zawory

Typowy system pobierania próbek punktowych dla gazu lub cieczy składa się z czterech funkcjonalnych bloków: miejsca poboru próbki z procesu i zaworu izolacyjnego, linii transportowej próbki, sekcji kondycjonowania próbki (filtracja, redukcja ciśnienia, kontrola temperatury) oraz punktu poboru próbki — zwykle butelki, cylindra lub bezpośredniego wejścia do urządzenia pomiarowego. Między każdym blokiem znajdują się złącza lub kołnierzowe połączenia.

Najczęstsze awarie systemów pobierania próbek nie wynikają z uszkodzeń zaworów. Dane serwisowe przemysłowe wskazują, że ponad 60% problemów z integralnością systemów pobierania próbek ma swoje źródło w złączach i połączeniach: połączeniach z naruszoną gwintem powodujących wycieki, materiałach niekompatybilnych reagujących z próbką, martwych przestrzeniach zatrzymujących pozostałości poprzedniej próbki oraz cyklowaniu termicznym powodującym poluzowanie połączeń zaciskowych. Dobrze zaprojektowana panelowa stacja pobierania próbek zaczyna się od wyboru złączy, a nie zaworów.

Cztery typy złączy dominują w przemysłowych zastosowaniach pobierania próbek:

• Złącza rurowe zaciskowe z podwójnym pierścieniem uszczelniającym — podstawowy element systemów pobierania próbek gazowych. Przedni pierścień uszczelniający zapewnia główną uszczelkę w miejscu styku z rurką, podczas gdy tylny pierścień uszczelniający zaciska rurkę, zapewniając odporność na wibracje. W zastosowaniach wysokiej czystości, w których wymagane jest testowanie szczelności helowym, złącza z podwójnym pierścieniem uszczelniającym wykonane ze stali nierdzewnej SS316L z elektropolerowanymi powierzchniami kontaktującymi się z medium osiągają współczynnik wycieku poniżej 1×10⁻⁹ mbar·L/s. Stanowią one standardowy wybór dla paneli do pobierania próbek gazów w przemyśle półprzewodnikowym, linii gazów nośnych w laboratoriach do chromatografii gazowej (GC) oraz wszelkich zastosowań, w których integralność próbki zależy od całkowitego wykluczenia zanieczyszczeń pochodzących z atmosfery.

• Łączniki CGA (Compressed Gas Association) — ustandaryzowany interfejs między butlami z próbkami a układami do napełniania/opróżniania. Połączenia CGA wykorzystują określony typ gwintu i konfigurację końcówek dopasowaną do rodzaju gazu, zapobiegając przypadkowemu nieprawidłowemu połączeniu gazów niekompatybilnych. Łączniki CGA-350 są przeznaczone do wodoru, CGA-580 — do azotu i gazów obojętnych, CGA-590 — do silanu, a CGA-330 — do gazów żrących; każdy z nich ma unikalną geometrię. System pobierania próbek, który napełnia butle różnymi gazami, musi zawierać specyficzne dla danego gazu zestawy przewodów z łącznikami CGA, aby zapobiec krzyżowemu zanieczyszczeniu.

• Łączniki szybkozłączeniowe i szybkoodłączające — stosowane tam, gdzie punkt poboru próbek wymaga częstego łączenia i rozłączania, np. w przenośnych analizatorach, zestawach do pobierania próbek w terenie oraz wielopunktowych kolektorach próbek. Szybkozłączenia z podwójnym zamknięciem uszczelniają zarówno część męską, jak i żeńską po rozłączeniu, zapobiegając zanieczyszczeniu linii poboru próbek powietrzem zewnętrznym oraz uwalnianiu próbek do otoczenia. W przypadku pobierania próbek gazów niebezpiecznych obowiązkowe są szybkozłączenia samouszczelniające wyposażone w dodatkowe mechanizmy blokujące.

• Łączniki uszczelniane membraną i uszczelniane bębnem — stosowane wtedy, gdy próbka musi być całkowicie odizolowana od metalowych powierzchni zwilżanych, gumowych pierścieni uszczelniających (O-ringów) lub oddziaływania atmosfery. Zastosowanie tych łączników przewidziano do pobierania próbek o najwyższej czystości w fabrykach półprzewodników, pobierania próbek gazów korozyjnych w zakładach chemicznych oraz w każdej aplikacji, w której wymagana jest kontrola zanieczyszczeń na poziomie części na miliard (ppb).

Rysunek: Łącznik rurowy AFKLOK — nakrętka, tylna pierścieniowa uszczelka, przednia pierścieniowa uszczelka, zawory igłowe oraz rura ze stali nierdzewnej SS316L

Część 2: Dobór materiału — różnica między reprezentatywnym a skażonym próbką

Najważniejszą decyzją dotyczącą doboru złączek jest wybór materiału. Nieodpowiedni materiał nie powoduje natychmiastowego awarii systemu — niemniej jednak cichomyślnie skaża każdą próbkę wytworzoną przez ten system, czasem przez miesiące, zanim wykryje się rozbieżność analityczną.

Stal nierdzewna SS316L jest materiałem domyślnym stosowanym w przemysłowych złączkach do pobierania próbek gazów i cieczy. Zawartość molibdenu (2–3%) zapewnia odporność na korozję punktową w środowiskach zawierających chlorki. Elektropolerowana stal nierdzewna SS316L o chropowatości powierzchni poniżej 0,5 μm Ra minimalizuje generowanie cząsteczek stałych oraz adsorpcję wilgoci i węglowodorów — co ma kluczowe znaczenie w analizie gazów na poziomie śladowym. W przypadku pobierania próbek węglowodorów w aplikacjach rafineryjnych złączki ze stali nierdzewnej SS316L zapobiegają reakcjom katalitycznym, które mogą zachodzić na powierzchni stali węglowej, zachowując pierwotny skład próbki.

Łączniki ze stopu Hastelloy C-276 są stosowane w przypadku strumieni prób zawierających wilgotny chlor, kwas solny lub mieszanki kwasów. Standardowe gatunki stali nierdzewnej ulegają szybkiemu korozji punktowej w tych warunkach. Matryca niklowo-chromowo-molibdenowa stopu Hastelloy zapewnia niemal uniwersalną odporność na korozję przy koszcie materiałowym 3–5 razy wyższym niż dla stali nierdzewnej SS316L — uzasadnionym jedynie wtedy, gdy chemia procesu tego wymaga.

Łączniki z PTFE i PFA stosowane są w aplikacjach, w których nawet elektropolerowana stal nierdzewna wprowadza nieakceptowalne ryzyko zanieczyszczenia. Do pobierania próbek gazów w przemyśle półprzewodnikowym w celu analizy śladowych metali metodą ICP-MS oraz do pobierania próbek w ramach walidacji procesów farmaceutycznych stosuje się całkowicie fluoropolimerowe ścieżki przepływu. Kompromis dotyczy właściwości mechanicznych — PTFE ulega deformacji plastycznej pod wpływem ciśnienia („cold flow”), co wymaga okresowego ponownego dokręcania połączeń, czego nie wymagają połączenia ze stali nierdzewnej.

Dla próbkowania w wysokiej temperaturze powyżej 200 °C — stosowanego m.in. przy pobieraniu próbek pary w rafineriach oraz monitorowaniu emisji gazów z komina — dobór materiału złączek musi uwzględniać różnicę współczynników rozszerzalności termicznej między korpusem złącza a rurką. Złącza wykonane z Inconelu 625 połączone z rurkami ze stali nierdzewnej SS316L powodują różnicę w rozszerzalności termicznej, która może prowadzić do wycieków podczas cykli nagrzewania i ochładzania. Połączenia wykonane z jednolitych materiałów (złącza i rurki z Inconelu lub całe systemy ze stali nierdzewnej SS316L) eliminują ten rodzaj uszkodzenia.

Część 3: Uwagi projektowe związane z konkretnym zastosowaniem

Najskuteczniejsze decyzje dotyczące wyboru złączek do pobierania próbek są uzależnione od konkretnych rodzajów uszkodzeń występujących w danym zastosowaniu:

Pobieranie próbek gazów masowych półprzewodnikowych: Główne zagrożenie stanowi zanieczyszczenie, a nie wyciek. Nawet 10-ppb wzrost zawartości wilgoci pochodzący z powierzchni wewnętrznej łącznika może spowodować fałszywe ostrzeżenie jakościowe w systemie dostarczania azotu lub argonu. Łączniki muszą być wykonane ze szlifowanej elektrolitycznie stali nierdzewnej SS316L, a tam, gdzie to możliwe, należy je spawać metodą orbitalną oraz poddać badaniu szczelności metodą helową. Martwe przestrzenie — czyli wszelkie wnęki łączników, w których gazy gromadzą się między cyklami pobierania próbek — należy wyeliminować poprzez zastosowanie konstrukcji łączników o zerowej objętości martwej lub konfiguracji ciągłego przepływu czyszczącego.

Pobieranie próbek w rafineriach i przemyśle petrochemicznym: Główne zagrożenia to bezpieczeństwo oraz reprezentatywność próbek. Próbki cieczy zawierające rozpuszczony siarkowodór uwalniają się do przestrzeni gazowej w przypadku nieodpowiednio zaprojektowanych złączy, co prowadzi do uzyskania próbek fazowych gazowych, które nie odzwierciedlają składu cieczy. Złącza do butelek do pobierania próbek muszą być przeznaczone do maksymalnego ciśnienia procesowego z odpowiednimi współczynnikami bezpieczeństwa, a konfiguracje zaworów typu „podwójny zawór z odpowietrzeniem” przy punkcie poboru prób zapobiegają niekontrolowanemu uwolnieniu medium podczas odłączania złącza.

Pobieranie próbek w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym: Złącza muszą być wolne od szczelin i umożliwiać całkowite opróżnienie, aby spełniać wymagania protokołów czyszczenia na miejscu (CIP) i sterylizacji parą na miejscu (SIP). Standardem są sanitarne złącza typu Tri-clamp z uszczelkami wykonanymi z EPDM lub PTFE. Materiał złącza musi być w pełni śledzony — dokumentacja obejmuje oznaczenia partii, certyfikaty materiału zgodnie z normą EN 10204 typu 3.1 oraz certyfikaty chropowatości powierzchni — celem spełnienia wymagań audytów FDA i unijnych zasad dobrej praktyki produkcyjnej (GMP).

Chromatografia gazowa w laboratorium: Objętość wewnętrzna łącznika ma bezpośredni wpływ na wydajność analityczną. Łącznik o objętości martwej 50 μL w linii gazu nośnego chromatografu gazowego powoduje rozmycie szczytów i przesunięcie czasów retencji. Łączniki o niskiej objętości martwej z wewnętrznym średnicą kanału 0,25 mm są standardem w zastosowaniach chromatografii gazowej kapilarnej, podczas gdy systemy z kolumnami napełnionymi mogą tolerować łączniki o większej średnicy kanału.

Podsumowanie Łączniki i złącza zaworów pobierania próbek mogą być najmniejszymi pod względem fizycznym elementami w systemie analitycznym procesowym, ale ponoszą one nieproporcjonalnie dużą odpowiedzialność za integralność całego systemu. Każdy łącznik stanowi potencjalną ścieżkę przecieku, potencjalne źródło zanieczyszczenia oraz potencjalny punkt modyfikacji próbki. Dobór łączników w oparciu o tryb awarii specyficzny dla danej aplikacji — a nie na podstawie ogólnych danych technicznych zawartych w arkuszu specyfikacji — stanowi różnicę między systemami pobierania próbek generującymi wiarygodne dane analityczne a tymi, które cicho podkopują każdą dokonaną przez siebie pomiarową wartość.

Kontakt prasowy i profil firmy

Shenzhen Wofly Technology Co., Ltd. to certyfikowany zgodnie z normą ISO producent komponentów systemów przemysłowych do przesyłania cieczy, działający od 15 lat i specjalizujący się w obsłudze gazów o wysokiej czystości w zastosowaniach związanych z przemysłem półprzewodnikowym, laboratoriów, farmaceutycznym oraz petrochemicznym. Portfel produktów AFKLOK obejmuje złącza ścisające ze stali nierdzewnej SS316L, łączniki typu CGA, szybkozłącze do pobierania próbek, zawory membranowe, reduktory ciśnienia oraz zintegrowane panele do pobierania próbek gazów.

W celu uzyskania konsultacji technicznych, oceny zgodności materiałów lub wsparcia przy konfiguracji systemów do pobierania próbek skontaktuj się z zespołem inżynierów systemów przepływowych AFKLOK pod adresem www.szwofly.com .