Cam laminasyon otoklavında sızdırmazlık için kullanılan kapak contasının sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilmesi ve geometrisinin belirlenmesi
Analysis and determination of the gasket geometry by using finite element method for sealing on the door of glass lamination autoclave
Yazar: CENGİZ BEYÇAYİRİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sızdırmazlık elamanları gününüzde makine tasarımlarında, içten yanmalı motorlarda, sanayide ve günlük hayatta kullandığımız birçok alette oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Gerek malzeme özellikleride gerekse sanayinin talepleri doğrultusunda özellikle son 50 yılda ortaya çıkan gelişmelerle sızdırmazlık elemanlarının performaslarında ciddi ilerlemeler sağlanmıştır. Çalışma koşullarına uygun sızdırmazlık elemanının seçilmesi için çalışma basıncı, çalışma sıcaklığı, temas yüzeyinin pürüzlülüğü, sızdırmazlık contasının malzemesi gibi birçok parametre dikkate alınarak yapılmalıdır. Bu seçimin doğru yapılmaması durumunda ciddi kayıplar ve iş kazaları meydana gelebilir. Bu tür endüstriyel kazalar, fabrikada çalışan işçiler ve fabrika binası dışındaki insanlar için çok tehlikelidir.
Sızdırmazlık sistemleri, birçok mühendislik uygulamasında kullanılmaktadır. İki ayrılabilir mekanik bağlantı arasında herhangi bir akışkan akışı, hava akışı veya basınç farkı varsa, herhangi bir sızdırmazlık elemanının kullanılması kesinlikle gereklidir. Uygulamaya bağlı olarak, geçmişten günümüze farklı standart sızdırmazlık elemanları (O-Ringler, X-Ringler, U-Ringler vb.) geliştirilmiştir. Standart sızdırmazlık elemanları birçok sızdırmazlık uygulaması için kullanılabilir, ancak bazı uygulamalar standart sızdırmazlık elemanlarının kullanılması için uygun değildir. Bu tür uygulamalar için, çalışma koşulları dikkate alınarak özel sızdırmazlık elemanlarının tasarlanması gerekir.
Sızdırmazlık, tüm basınçlı kap uygulamalarında çok önemlidir. Basınçlı kapta herhangi bir yerde herhangi bir sızıntı varsa, bu sızıntıya bağlı olarak çok ciddi sorunlar oluşabilir. Basınçlı kaplara bağlı tüm parça ve sistemlerin montajı, tüm güvenlik kuralları dikkate alınarak dikkatlice yapılmalıdır.
Basınçlı kaplar endüstrideki birçok uygulama için kullanılmaktadır. Basınçlı kaplar için literatürdeki ilk kayıtlı teorik çalışma, 1495'te Leonardo da Vinci tarafından yapılmıştır. Ancak, basınçlı kapların kullanımı 1800'lerde sanayi devrimi ile başlamış ve zaman içinde yaygınlaşarak yeni uygulama alanları bulmuştur. Basınçlı kapların endüstrideki ilk uygulamalarından biri, buharın bir kazan içinde üretilmesidir. Bundan sonra, gemilerin veya lokomotifler hareket ettirilmesi gibi birçok mühendislik uygulamasında buhar kullanılmıştır. Bu uygulamalar basınçlı kapların kullanımına örnektir. Endüstrideki basınçlı kapların kullanımı iki ana bölüme ayrılabilir. Bunlardan ilki, basınçlı kaplar depolama amaçlı olarak kullanılırlar. Bu tür basınçlı kaplar, ortam basıncından farklı bir basınçta gazların (doğal gaz, propan vb.), Sıvıların (likid doğal gaz, likid petrol gazı vb.) veya sıkıştırılmış havanın depolanması (kompresörler) için kullanılmıştır. İkinci uygulama alanı ise, basınçlı kaplar kontrollü yüksek basınç ve yüksek sıcaklık uygulayarak ürünlerin mekanik özelliklerini geliştirmek için kullanılır. Bu tip basınçlı kaplar özel bir isimle "Otoklav" olarak adlandırılırlar. Otoklavlar birçok mühendislik uygulaması için kullanılmaktadır.
Genel olarak, otovlavlar fabrikalarda çok tehlikeli ve yüksek riskli sınıf makineler gurubundadırlar. Bunun nedenden dolayı, otoklavlar belirli malzemeler ve iyi bilinen uluslararası talimatlar ve direktifler PED, CE (Avrupa için), ASME (Kuzey Amerika için), EAC (Rusya için) vb. kullanılarak üretilmektedirler. Tasarım, üretim ve test süreçleri bağımsız test şirketleri tarafından yapılır ve aşamaların talimatlara ve direktiflere uygun olması gerekir, aksi takdirde otoklavın üretim sürecinde bir sonraki adıma geçilmez. Otoklavda kullanılacak olan sacların kalınlığı talimatlara ve direktiflere göre hesaplanır. Kaynak işleminden önce malzeme kalınlığına göre saclara kaynak ağzı açılarak kaynak işlemi için hazırlanırlar. Kaynak işlemi için farklı kaynak yöntemleri kullanılabilir. Kaynak işleminin tamamlanmasından sonra, kaynak alanları UT, RT, PT ve benzeri gibi NDT yöntemleri kullanılarak kontrol edilir. Bundan sonra, otoklava hidro-statik test uygulanmalıdır. Hidrostatik test için tasarım basıncının 1,5 katı basınç uygulanır ve bağımsız uzman bir kişi tarafından kaynak alanlarından su sızıntısı olup olmadığı kontrol edilir. Sonuç olarak, tüm adımlar talimatlara ve direktiflere göre uygunsa, montaj işlemine geçilebilir.
Günümüzde otoklavlar kompozit malzeme üretimi, lamine cam üretimi, lastiklerin kaplanması, gazbeton tuğla üretimi, tıbbi atık stilizasyonu, kauçuk ve endüstriyel hortum üretimi ve bunaların dışında birçok uygulamada kullanılmaktadır. Otoklav prosesi, bu üretim süreçlerinde en önemli kısımdır, çünkü otoklava yüklenen ürünlerin mekanik özelliklerinin geliştirilmesine katkıda bulunur. Otoklavlar, kullanılacakları uygulamaya göre farklı çap, gövde uzunluğu, akışkan tipi, ısıtma sistemi, soğutma sistemi gibi farklı özelliklere sahip olabilir.
Otoklavın kapağı, otoklavın kolay ve hızlı bir şekilde yüklenmesini ve boşaltılmasını sağlayan "Bayonet Kapak Sistemi" olarak adlandırılan özel bir mekanizmaya sahiptir. Bu sistem, özel tasarımına bağlı olarak hızlı açma - kapama ve kilitleme mekanizmasına sahiptir ve otoklav kapağın kapanmasını ve açılmasını sağlayan cıvata ve somun yoktur. Bu sebepten dolayı O-Ringler, X- Ringler, U- Ringler gibi standart sızdırmazlık elemanları, otoklav kapağının sızdırmazlığının sağlanması için kullanılamazlar. Otoklav kapağının sızdırmazlığında özel tasarlanmış bir sızdırmazlık contası kullanılmalıdır. Bu özel conta, gövde flanşı üzerindeki yuvasına yerleştirilmiştir. Conta, otoklav kapağı açıldığında sabit kalır ve kapak kapatılıp kilitlendiğinde, otoklav kapağı sızdırmazlık sağlamak için kapak contasına baskı yapar. Flanş üzerinde conta yuvası, conta geometrisi ile ilişkilidir ve conta geometrisi göz önünde bulundurularak tasarlanmalıdır.
Lamine cam, kırıldığında dağılmayan bir tür güvenlik camını tanımlanabilir. Lamine camlar; binalarda, havalanlarında, gökdelenlerde güvenlik camı olarak, otomotiv endüstrisi için ön cam olarak, güvenliğin önemli olduğu yerlerde kurşungeçirmez cam olarak veya diğer birçok uygulamada kullanılır. Lamine cam üretimi için en etkili ve hızlı yöntemlerden biri de otoklav kullanımıdır. Otoklav işlemi, bu üretim yönteminin en önemli parçasıdır. Lamine camlar bazı ek makineler kullanılarak otoklav prosesi için hazırlanır. Bu işlem, ön-lamine işlemi olarak adlandırılır. Ön lamine işleminde, PVB, EVA veya SGP gibi arakatman filmlerden biri lamine cam üretmek için iki veya daha fazla cam tabakası arasına serilerek yerleştirilir. Lamine cam üretimi için kullanılan arakatman filmler plastik esaslı malzemelerdir. Bu tür malzemeler, ısı ve yüksek basınç uygulandıktan sonra cam yüzeylere sıkıca yapıştırılırlar. Ön-lamine işlemi ile hazırlanmış olan camlar otoklava yüklendikten sonra otoklav çalıştırılır. 
Otoklav işlemi sırasında, camların arasındaki arakatman film, uygulanan ısı ile yüksek sıcaklıkla erirken ortamda bulunan yüksek basınç camların erimiş filme iyice yapışmasını sağlar. Lamine cam üretimi sırasında, otoklavın içindeki kararlı hava dolaşımı ürünleri kalitesi açısından çok önemlidir. Otoklavın içinde kararlı hava dolaşımını sağlayabilmek için, otoklav iyi şekilde izole edilmeli ve otoklavın herhangi bir yerinden hava kaçağı olmamalıdır. Otoklav üzerindeki tüm elemanların sızdırmazlığı standart sızdırmazlık elemanları kullanılarak ya da özel tasarlanmış sızdırmazlık elemanları kullanılarak sağlanmalıdır.
Kararlı hava sirkülasyonu ve izolasyon, lamine cam üretimi için kritik parametrelerdir. Sıcaklık dağılımının, cam levhaların başlangıcı ile cam levhaların sonu arasında ± 2oC civarında olması gerekir. Aksi takdirde, lamine camın kenarlarında delaminasyon meydana gelir. Ön laminasyon işlemi, lamine cam için daha iyi kalite sağlar ve ön laminasyon işlemi doğru şekilde uygulandığında, cam levhalar arasındaki delaminasyon ve kabarcıklar azalır. Lamine camın özelliklerine göre dikey veya yatay yükleme yöntemi uygulanmaktadır. Ayrıca, cam levhaların arasında mesafe bırakılarak otoklava yüklenmesi gerekir. Sıcak ve basıçlı hava cam plakaların aralarında geçerek kürleme işleminin tamamlanmasını sağlar.
Otoklavda, lamine cam üretimi 3 ana kısma ayrılır. Bunlar ısıtma, proses ve soğutma kısımları olarak adlandırdılar. Otoklav ısıtma kısmında, içine yüklenmiş olan camların arasında kullanılan film malzemesinin teknik özelliklerine, cam kalınlığına ve tipine göre hazırlanmış olan özel reçetelere uygun olarak basınçlandırılır ve ısıtılır. Yani, otoklavın sıcaklığı ve basıncı zamana bağlı olarak arttırılır. Otoklav çalışma sıcaklığına ve çalışma basıncına ulaştığı zaman, bu parametreler proses kısmı sonuna kadar sabit tutulur. Proses kısmı bittiğinde soğutma kısmına geçilir. Soğutma kısmı sırasında basınç sabit tutulurken sıcaklık azaltılır. Lamine cam üretimi süresi boyunca, otoklavın kapak contası sızdırmazlık sağlamalı ve otoklavın içindeki kararlı hava akışına zarar vermemelidir. Tüm bu işlemler sırasında otoklav çapına ve çalışma basıncına bağlı olarak otoklav kapağına çok büyük bir itme kuvveti uygulanır. Otoklav kapağı, bu büyük itme kuvvetine karşı sızdırmaz olmalıdır. Sonlu elemanlar analizi yapmak için, otoklav kapağı ve gövde flanşı arasında mesafe ve conta geometrisi dikkate alınarak mevcut çalışma koşullarına benzer basitleştirilmiş bir sonlu eleman modeli oluşturulmuştur.
Sızdırmazlık contası geometrisinin belirlenmesi, malzeme özellikleri, tasarım basıncı, çalışma basıncı, çalışma sıcaklığı, çalışma ortamı (gaz, sıvı, buhar vb.), kapı geometrisi ve kapının temas yüzeyinin pürüzlülüğü gibi birçok parametreye bağlıdır. Bu çalışmada, 5 adet farklı sızdırmazlık contası geometrisi, en uygun geometriyi belirleyebilmek için Sonlu Elemanlar Metodunu kullanan Ansys programı ile analiz edilecektir. Contalarının kesitleri Autocad programı kullanılarak tasarlanmıştır. Contaların 3 boyutlu katı modelleri Autodesk Inventor programı kullanılarak oluşturulmuştur. Ayrıca .STEP dosyaları yine Autodesk Inventor programı kullanılarak oluşturulmuştur. Contaların SEM analizi için otoklavın çalışma ve sınır koşulları dikkate alınarak Ansys Workbench programı kullanmıştır. Tüm analizlerde çalışma basıncı 13 bar, tasarım basıncı 14 bar, hidrostatik test basıncı 21 bar olarak kabul edilmiştir.
Genellikle cam laminasyon otoklavlarında conta malzemesi olarak hiper-elastik malzemeler kullanılır. Hiper elastik malzemelerin mekanik davranışları metallerden ve diğer plastik malzemelerden farklıdır. Hiper-elastik malzemeler Hooke Yasasına uymazlar ve lineer olmayan malzeme özelliklerine sahiptirler. Hiper-elastik malzemeler, küçük kuvvetler uygulandığında büyük sapmalara sahip olabilir. Gerilme-Şekil değiştirme diyagramlarını göz önüne alarak Hiper-elastik malzemelerin elastik davranışlarını belirleyebilmek için bazı deneysel ve sayısal çalışmalar (Mooney-Rivlin, Noe-Hookean, Ogden, Yeoh vb.) vardır. Bu çalışmada Mooney-Rivlin hiper elastik malzeme modeli kullanılmıştır.
Analizler; Toplam Deformasyon, Eşdeğer Gerilme, Maksimum Gerilme, Eşdeğer Elastik Şekil Değiştirme ve Maksimum Elastik Şekil Değiştirme değerleri için yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. En uygun conta geometrisi, simülasyonlar ve Sonlu Eleman Analizi sonuçları dikkate alınarak belirlenmiştir. Hem sızdırmazlık contası hem de otoklav gövdesinin flanşı üzerindeki conta yuvası, analiz sonucuna bağlı olarak üretilecektir. 
Bu çalışma, daha yüksek sıcaklık, daha yüksek basınç ve benzeri basınçlı kaplar için farklı çalışma koşulları dikkate alınarak farklı conta geometrisinin tasarımına atıfta bulunabilir ve katkıda bulunabilir. Öte yandan, bu çalışma herhangi bir statik sızdırmazlık uygulaması için referans olabilir.

Abstract:
Sealing elements are widely used for designing of machines, on the internal combustion engines, for different industrial applications and on the some of the small devices which are used for daily life. Performance of sealing elements has been developed especially in the last 50 years as a result of both improvements of material properties and industrial applications. A lot of different parameters have to be considered such as working pressure, working temperature, the roughness of the contact surface, sealing gasket material in order to select suitable sealing element according to the operating conditions. Determining of the suitable sealing element is very important for sealing performance; otherwise, very serious problems may be occurred in terms of employment-industrial accidents. These kinds of industrial accidents are very dangerous for the employees in the factory and people around of the factory building.
Sealing systems heve been used for many applications of engineering. Using a sealing element is absolutely necessary if there is any fluid flow, air flow or pressure difference between two separable mechanical connections. Depending on the application, different standard sealing elements such as O-Rings, X-Rings, U-Rings, and so on have been developed from past to present. One of the standard sealing elements may be used for many sealing applications but, some applications are not suitable for using standard sealing elements. For such applications, special sealing elements have to be designed by considering the operating conditions.
Sealing is very important subjects for all of the pressure vessel applications. If there is any leakage in any place on the pressure vessel, very serious problems may occur depending on this leakage. Installation of all parts and systems connected to the pressure vessels has to be carried out carefully by considering all safety rules.
Pressure vessels have been used for many applications in the industry. The first theoretical study in literature for pressure vessels was conducted by Leonardo da Vinci in 1495. However, using of pressure vessles started with the industrial revolution in 1800s and became widespread over time and found new application areas. One of the first applications of pressure vessels in industry was generation of the steam in the boiler. After that, steam has been used for many engineering applications such as moving of steam-boat or steam-locomotives. All of these applications are examples of using of pressure vessels. Using of pressure vessels in industry can be divided into two main areas. The first one, pressure vessels are used for storage purposes. These kinds of pressure vessels have been used for storing of gases (natural gas, propane, etc.), liquids (liquid natural gas, liquid petroleum gas, etc.) or compressed air (compressors) at a pressure which is different from the ambient pressure. The second application area using of pressure vessels, is used to improve the mechanical properties of the products by applying and controlling of high pressure and high temperature. These types of pressure vessels are specifically called as autoclaves, and they are used for many engineering applications.
Generally, autovlaves are called very dangerous and high risk class machines on the factories. That's the reason why, autoclaves have to be manufactured by using specific materials and well-known international instructions and directives such as PED, CE (for Europe), ASME (for North America), EAC (for Russia) and so on. Designing, manufacturing and testing processes of the autoclaves are controlled by independent testing companies and all steps have to be suitable for instructions and directives, otherwise, it is not possible to proceed the next step during the manufacturing process of an autoclave. Thickness of the sheets is calculated according to instructions and directives. Afterwards, depending on the material thickness, sheets are prepared by applying special form on the edges before welding process. Different welding methods may be used for welding process. After complating of the welding process, welding areas are controlled by using NDT methods such as UT, RT, PT and so on. After that, hyro-static test has to be applied to the autoclave. 1,5 times higher pressure than the design pressure is applied for hydrostatic test and it is checked is there any water leakage from the welding areas by independent specialized person. As a result, if all steps are suitable according to instructions and directives, it is proceed to assembling process.
Nowadays, autoclaves are used for composite material production, laminated glass production, retreading of tires,  production aerated concrete bricks, medical waste stylization, rubber and industrial hose production and many additional application. Autoclave process is most important part fot these production processes, because, it contributes to improve mechanic properties of the goods which are loaded into the autoclave for process. Autoclaves may have different properties such as different diameter, body length, operating pressure, operating temperature, fluid type, heating system, cooling system according to the applications that will be used.
Door of the autoclave has a special mechanism which is called "Byonette Door System" to allow both loading and unloading of the autoclave easily and quickly. This system has quick open - close and locking mechanism depending on its special design and there is not any bolts and nuts to be able to lock and unlock the door. That's the reason why standard sealing elements such as O-Rings, X-Rings, U-Rings are not able to use efficiently for sealing on the autoclave door. A special designed sealing gasket has to be used for the sealing of the autoclave door. This special sealing gasket has been located to  its housing of the body flange. When the door is open it remains fixed and when the door is closed and locked, the autoclave door presses to the sealing gasket in order to provide sealing. Housing of gasket on the flange, is associated with the gasket geometry and it has to be design by considering gasket geometry.
Laminated glass is able to describe as a kind of safety glass that stays together when it breaks. Laminated glasses are used on the buildings, airports, shopping malls skyscreepers as security glass, for the automotive industry as windshield, for bullet resistance glass industry as high security purposes, besides, they are used for many other applicaitons. One of the most effective and fast methods for the laminated glass production is implemented by autoclave process. Autoclave process is the most important part of this production method. Laminated glasses have to prepared previously by using some additional machines. This process is called as pre-lamination process. One of interlayer film (such as PVB, EVA or SGP) is interlayed between two or more glass sheets during pre-lamination process. Interlayer films are plastic based materials and they are firmly adhered to glass surfaces under high temperature and high pressure. The autoclave is operated after the pre-laminated glasses are loaded into the autoclave. During autoclave process plastic basis interlayer film is molten with high temperature as a result of applying heat, meantime glass sheets are adhered to the molten film strongly by means of high pressure. Steady air circulation in autoclave is very important in terms of products quality through laminated glass production process. To be able to provide steady air circulation inside of the autoclave, it has to be well insulated and has not any leakage in any place of on the autoclave body. Sealing of all elements on the autoclave have to be provided either by using standard sealing elements or by using specially designed sealing elements.
Steady air circulation and insulation are critical parameters for laminated glass production. Temperature distrubition has to be around ± 2 oC between beginning of the glas sheets and end of the glass sheets. Othervise, delamination is occurred on the edges of the laminated glass. Laminated glasses are loaded into the autoclave after the pre-lamination process. Pre-lamination process provides better quality for laminated glass production on the other hand, risk of delamination and bubbles between glass sheets are reduced, if all steps are applied correctly. Vertical or horizontal loading method is applied depending on the specifications of the laminated glass. In addition,  glass sheets have to be loaded in to the autoclave by locating some distance between glass sheets. Hot and pressurised air passes through these gaps between glass sheets and provides the curing process to be complete.
Laminated glass production is divided mainly 3 sections by using of the autoclave. These are called as heating, process, and cooling. Autoclave is pressurised and heated up during heating section, according to its special recipies which are prepared by considering technical specification of interlayer material, types and thickness of the glass sheets. It means that, pressure and temperature of the autoclave have beed increased with respect to time up to working pressure. When the autoclave reachs to the working pressure and working temperature, these parameters are fixed until end of the process section. After completing of process section, cooling section is started. During cooling section, temperature is decreased with respect to time while pressure is fixed. During the entire laminated glass production period, sealing gasket on the autoclave door provides sealing and it has not to damage steady air circulation inside of the autoclave. During the process, big compressive force is applied to the door of the autoclave, depending on diameter of the autoclave and working pressure. Door of the autoclave has to be sealed againts for this compressive force. In order to make finite element analysis, a simplified and similar finite element model has been created by considering both gaps between autoclave door and its housing and also,  geometry of sealing gasket.
Generally, hyper-elastic based materials are used as sealing gasket for glass laminating autoclaves. Mechanical behaviors of hyper-elastic materials are different then the metals and other plastic materials. Hyper-elastic materials are not suitable according to Hooke's Law because they have non-linear characteristics in terms of material properties. Hyper-elastic materials may have big deflection by applying of small forces. There are some experimental and numerical studies (such as Mooney-Rivlin, Noe-Hookean, Ogden, Yeoh and so on) to be able to determine elastic behaviors of Hyper-elastic materials by considering stress-strain diagrams. Mooney-Rivlin hyper-elastic material model was used for this study.
Determining of sealing gasket geometry is associated with, some parameters such as material properties, design pressure, working pressure, working temperature, working environment (such as gas, liquid, steam etc), door geometry and roughness of the contact surface of the door. In this study, 5 pieces of different sealing gasket geometry, will be analysed by using of FEM to be able to determine most suitable geometry. Sections of the sealing gaskets were designed by using Autocad. 3D models of the gasket geomerty were created by using Autodesk Inventor. Also, STEP files were created by using Autodesk Inventor. FEM analysis of the gaskets were carried out by using Ansys Workbench by considering boundry conditions according to autoclave working conditions. Working pressure has been considered as 13 bar, design pressure has been considered as 14 bar and hydrostatic test pressure has been considered as 21 bar for all analysis.
Analysis have been done in order to get results for Total Deformation, Equivalent Stress, Maximum Principle Stress, Equivalent Elastic Strain, Maximum Principle Elastic Strain. The most suitable gasket geometry has been determined by considering the FEA results and simulations. Both sealing gasket and its own housing on flange of the autoclave body will be produced depending on the analysis results. 
This study is able to be refer and contribute to design different gasket geometry by considering different operating conditions for the pressure vessels such as higher temperature, higher pressure and so on. On the other hand, this study is able to refer for any kind of static sealing application.