Esta guía ilustrada mostra algúns problemas comúns que poden ocorrer con materiais poliméricos e elastoméricos que son diferentes dos que ocorren con selos e compoñentes metálicos.
A falla dos compoñentes de polímeros (plásticos e elastoméricos) e as súas consecuencias poden ser tan graves como a falla dos equipos metálicos.A información presentada describe algunhas das propiedades que afectan aos compoñentes poliméricos dos equipamentos utilizados en instalacións industriais.Esta información aplícase a algún legadojuntas tóricas, tubo revestido, plástico reforzado con fibra (FRP) e tubo revestido.Discútanse exemplos de propiedades como a penetración, a temperatura do vidro e a viscoelasticidade e as súas implicacións.
O 28 de xaneiro de 1986, o desastre do transbordador espacial Challenger conmocionou ao mundo.A explosión produciuse porque a junta tórica non selou correctamente.
As avarías descritas neste artigo introducen algunhas das características das avarías non metálicas que afectan aos equipos utilizados en aplicacións industriais.Para cada caso, analízanse as propiedades importantes do polímero.
Os elastómeros teñen unha temperatura de transición vítrea, que se define como "a temperatura á que un material amorfo, como o vidro ou o polímero, pasa dun estado vítreo fráxil a un estado dúctil" [1].
Os elastómeros teñen un conxunto de compresión: "definido como a porcentaxe de tensión que un elastómero non pode recuperar despois dun período de tempo fixo a unha determinada extrusión e temperatura" [2].Segundo o autor, a compresión refírese á capacidade da goma para volver á súa forma orixinal.En moitos casos, a ganancia de compresión vese compensada por algunha expansión que se produce durante o uso.Non obstante, como mostra o seguinte exemplo, non sempre é así.
Fallo 1: a baixa temperatura ambiente (36 °F) antes do lanzamento provocou que as juntas tóricas de Viton no transbordador espacial Challenger non sexan suficientes.Como se indicou en varias investigacións de accidentes: "A temperaturas inferiores a 50 °F, a junta tórica Viton V747-75 non é o suficientemente flexible como para seguir a apertura da brecha de proba" [3].A temperatura de transición vítrea fai que a junta tórica do Challenger non se seque correctamente.
Problema 2: os selos mostrados nas figuras 1 e 2 están expostos principalmente á auga e ao vapor.Os selos foron montados no lugar utilizando monómero de etileno propileno dieno (EPDM).Non obstante, están a probar fluoroelastómeros (FKM) como Viton) e perfluoroelastómeros (FFKM) como as juntas tóricas de Kalrez.Aínda que os tamaños varían, todas as juntas tóricas mostradas na Figura 2 comezan co mesmo tamaño:
Que pasou?O uso de vapor pode ser un problema para os elastómeros.Para aplicacións de vapor superiores a 250 °F, as deformacións de expansión e contracción FKM e FFKM deben terse en conta nos cálculos do deseño de envases.Os diferentes elastómeros teñen certas vantaxes e desvantaxes, incluso aqueles que teñen unha alta resistencia química.Calquera cambio require un coidado coidadoso.
Notas xerais sobre elastómeros.En xeral, o uso de elastómeros a temperaturas superiores a 250 °F e inferiores a 35 °F está especializado e pode requirir a intervención do deseñador.
É importante determinar a composición elastomérica utilizada.A espectroscopia infravermella de transformada de Fourier (FTIR) pode distinguir entre tipos significativamente diferentes de elastómeros, como EPDM, FKM e FFKM mencionados anteriormente.Non obstante, probar para distinguir un composto FKM doutro pode ser un reto.As juntas tóricas feitas por diferentes fabricantes poden ter diferentes recheos, vulcanizacións e tratamentos.Todo isto ten un impacto significativo no conxunto de compresión, resistencia química e características de baixa temperatura.
Os polímeros teñen cadeas moleculares longas e repetidas que permiten que determinados líquidos penetren neles.A diferenza dos metais, que teñen unha estrutura cristalina, as moléculas longas entrelázanse entre si coma un fío de espaguete cocido.Físicamente, poden penetrar moléculas moi pequenas como auga/vapor e gases.Algunhas moléculas son o suficientemente pequenas como para caber a través dos ocos entre cadeas individuais.
Fallo 3: normalmente, a documentación dunha investigación de análise de fallos comeza coa obtención de imaxes das pezas.Non obstante, a peza de plástico plana, flexible e con cheiro a gasolina recibida o venres converteuse nun tubo redondo duro o luns (a hora en que se fixo a foto).Segundo os informes, o compoñente é unha camisa de tubo de polietileno (PE) utilizada para protexer os compoñentes eléctricos baixo o nivel do chan nunha gasolineira.A peza plana de plástico flexible que recibiu non protexeu o cable.A penetración da gasolina provocou cambios físicos e non químicos: o tubo de polietileno non se descompuxo.Non obstante, é necesario penetrar tubos menos amolecidos.
Fallo 4. Moitas instalacións industriais utilizan tubos de aceiro revestidos de teflón para o tratamento de augas, tratamento de ácidos e onde se exclúe a presenza de contaminantes metálicos (por exemplo, na industria alimentaria).Os tubos revestidos de teflón teñen ventilacións que permiten que a auga se filtre no espazo anular entre o aceiro e o revestimento.Non obstante, os tubos revestidos teñen unha vida útil despois dun uso prolongado.
A figura 4 amosa un tubo revestido de teflón que se utilizou para subministrar HCl durante máis de dez anos.Unha gran cantidade de produtos de corrosión de aceiro acumúlase no espazo anular entre o forro e o tubo de aceiro.O produto empurrou o revestimento cara a dentro, causando danos como se mostra na Figura 5. A corrosión do aceiro continúa ata que o tubo comeza a filtrar.
Ademais, a fluencia ocorre na superficie da brida de teflón.A fluencia defínese como a deformación (deformación) baixo carga constante.Do mesmo xeito que cos metais, a fluencia dos polímeros aumenta co aumento da temperatura.Non obstante, a diferenza do aceiro, a fluencia ocorre a temperatura ambiente.O máis probable é que, a medida que a sección transversal da superficie da brida diminúe, os parafusos do tubo de aceiro están demasiado apretados ata que aparece a fenda do anel, que se mostra na foto.As gretas circulares expoñen aínda máis o tubo de aceiro ao HCl.
Fallo 5: os revestimentos de polietileno de alta densidade (HDPE) úsanse habitualmente na industria do petróleo e do gas para reparar as liñas de inxección de auga de aceiro corroídas.Non obstante, existen requisitos regulamentarios específicos para o alivio da presión do revestimento.As figuras 6 e 7 mostran un revestimento fallado.O dano nun revestimento dunha soa válvula ocorre cando a presión do anel supera a presión de funcionamento interna: o revestimento falla debido á penetración.Para os revestimentos de HDPE, a mellor forma de evitar este fallo é evitar a rápida despresurización da tubaxe.
A resistencia das pezas de fibra de vidro diminúe co uso repetido.Varias capas poden delaminarse e rachar co paso do tempo.A API 15 HR "Tubo lineal de fibra de vidro de alta presión" contén unha declaración de que un cambio de presión do 20 % é o límite de proba e reparación.A sección 13.1.2.8 da norma canadense CSA Z662, Sistemas de gasodutos de petróleo e gas, especifica que as flutuacións de presión deben manterse por debaixo do 20% da clasificación de presión do fabricante da tubaxe.En caso contrario, a presión de deseño pode reducirse ata un 50%.Ao deseñar FRP e FRP con revestimento, hai que ter en conta as cargas cíclicas.
Fallo 6: o lado inferior (ás 6 en punto) do tubo de fibra de vidro (FRP) que se utiliza para abastecer de auga salgada está cuberto de polietileno de alta densidade.Probáronse a parte fallida, a boa despois do fallo e o terceiro compoñente (que representa o compoñente posterior á fabricación).En particular, a sección transversal da sección fallada foi comparada coa sección transversal dun tubo prefabricado do mesmo tamaño (ver Figuras 8 e 9).Teña en conta que a sección transversal fallada ten extensas gretas intralaminares que non están presentes no tubo fabricado.A delaminación produciuse tanto en tubaxes novas como en fallas.A delaminación é común na fibra de vidro cun alto contido de vidro;O alto contido de vidro dá unha maior resistencia.O gasoduto estivo suxeito a fortes flutuacións de presión (máis do 20%) e fallou debido á carga cíclica.
Figura 9. Aquí tes dúas seccións transversais máis de fibra de vidro acabada nun tubo de fibra de vidro revestido de polietileno de alta densidade.
Durante a instalación no lugar, conéctanse seccións máis pequenas de tubos; estas conexións son críticas.Normalmente, dous anacos de tubo están unidos e o oco entre os tubos está cheo de "masilla".A continuación, as unións envólvense en varias capas de reforzo de fibra de vidro de amplo ancho e impregnáronse con resina.A superficie exterior da unión debe ter suficiente revestimento de aceiro.
Os materiais non metálicos como os forros e a fibra de vidro son viscoelásticos.Aínda que esta característica é difícil de explicar, as súas manifestacións son comúns: os danos adoitan producirse durante a instalación, pero a fuga non se produce inmediatamente."A viscoelasticidade é unha propiedade dun material que presenta propiedades viscosas e elásticas cando se deforma.Os materiais viscosos (como o mel) resisten o fluxo de cizallamento e defórmanse linealmente ao longo do tempo cando se aplica tensión.Os materiais elásticos (como o aceiro) deformaranse inmediatamente, pero tamén volverán rapidamente ao seu estado orixinal despois de eliminar a tensión.Os materiais viscoelásticos teñen ambas propiedades e, polo tanto, presentan deformacións variables no tempo.A elasticidade xeralmente resulta do estiramento de enlaces ao longo de planos cristalinos en sólidos ordenados, mentres que a viscosidade resulta da difusión de átomos ou moléculas dentro dun material amorfo "[4].
Os compoñentes de fibra de vidro e plástico requiren coidados especiais durante a instalación e manipulación.En caso contrario, poden rachar e os danos poden non aparecer ata moito tempo despois da proba hidrostática.
A maioría dos fallos dos revestimentos de fibra de vidro ocorren debido a danos durante a instalación [5].As probas hidrostáticas son necesarias pero non detectan danos menores que poidan producirse durante o uso.
Figura 10. Aquí móstranse as interfaces interior (esquerda) e exterior (dereita) entre os segmentos de tubos de fibra de vidro.
Defecto 7. A figura 10 mostra a conexión de dous tramos de tubos de fibra de vidro.A figura 11 mostra a sección transversal da conexión.A superficie exterior do tubo non estaba suficientemente reforzada e selada, e o tubo rompeuse durante o transporte.As recomendacións para o reforzo das unións danse na DIN 16966, CSA Z662 e ASME NM.2.
Os tubos de polietileno de alta densidade son lixeiros, resistentes á corrosión e úsanse habitualmente para tubos de gas e auga, incluídas as mangueiras contra incendios nas fábricas.A maioría das avarías nestas liñas están asociadas a danos recibidos durante os traballos de escavación [6].Non obstante, a falla de crecemento lento de fisuras (SCG) tamén pode ocorrer a tensións relativamente baixas e deformacións mínimas.Segundo os informes, "SCG é un modo de fallo común en gasodutos subterráneos de polietileno (PE) cunha vida útil de deseño de 50 anos" [7].
Fallo 8: SCG formouse na mangueira de incendios despois de máis de 20 anos de uso.A súa fractura ten as seguintes características:
A falla de SCG caracterízase por un patrón de fractura: ten unha deformación mínima e prodúcese debido a múltiples aneis concéntricos.Unha vez que a área SCG aumenta a aproximadamente 2 x 1,5 polgadas, a fenda propágase rapidamente e as características macroscópicas fanse menos obvias (Figuras 12-14).A liña pode experimentar cambios de carga de máis do 10 % cada semana.Informes que as xuntas antigas de HDPE son máis resistentes ao fallo debido ás flutuacións de carga que as antigas de HDPE [8].Non obstante, as instalacións existentes deberían considerar o desenvolvemento de SCG a medida que envellecen as mangueiras contra incendios de HDPE.
Figura 12. Esta foto mostra onde se cruza a rama en T co tubo principal, creando a fenda indicada pola frecha vermella.
Arroz.14. Aquí podes ver de cerca a superficie de fractura da rama en forma de T ata o tubo principal en forma de T.Hai fendas evidentes na superficie interna.
Os contedores intermedios a granel (IBC) son axeitados para almacenar e transportar pequenas cantidades de produtos químicos (Figura 15).Son tan fiables que é fácil esquecer que a súa falla pode supoñer un perigo importante.Non obstante, os fallos do MDS poden producir importantes perdas financeiras, algunhas das cales son examinadas polos autores.A maioría dos fallos son causados por un manexo inadecuado [9-11].Aínda que o IBC parece sinxelo de inspeccionar, as fisuras no HDPE causadas por un manexo inadecuado son difíciles de detectar.Para os xestores de activos das empresas que manipulan con frecuencia envases a granel que conteñan produtos perigosos, son obrigatorias as inspeccións externas e internas periódicas e exhaustivas.nos Estados Unidos.
Os danos ultravioletas (UV) e o envellecemento son frecuentes nos polímeros.Isto significa que debemos seguir coidadosamente as instrucións de almacenamento das juntas tóricas e considerar o impacto na vida útil dos compoñentes externos, como os tanques abertos e os revestimentos de estanques.Aínda que necesitamos optimizar (minimizar) o orzamento de mantemento, é necesaria algunha inspección dos compoñentes externos, especialmente aqueles expostos á luz solar (Figura 16).
Características como a temperatura de transición vítrea, o conxunto de compresión, a penetración, a fluencia da temperatura ambiente, a viscoelasticidade, a propagación lenta da greta, etc. determinan as características de rendemento das pezas de plástico e elastómeros.Para garantir un mantemento eficaz e eficiente dos compoñentes críticos, hai que ter en conta estas propiedades e os polímeros deben ser conscientes destas propiedades.
Os autores queren agradecer a clientes e colegas perspicaces por compartir os seus descubrimentos coa industria.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12ª edición, Thomas Press International, Londres, Reino Unido, 1992.
2. Fonte de Internet: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Efecto da temperatura e do tratamento da superficie con junta tórica na capacidade de selado de Viton V747-75.Documento técnico da NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Mellores prácticas para produtores canadenses de petróleo e gas (CAPP), "Using Reinforced Composite (Non-Metallic) Pipeline", abril de 2017.
6. Maupin J. e Mamun M. Failure, Risk and Hazard Analysis of Plastic Pipe, DOT Project No 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi e Jingyan Zheng, Mechanisms of Slow Crack Growth in Polyethylene: Finite Element Methods, 2015 ASME Pressure Vessels and Piping Conference, Boston, MA, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M. e Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Recommendations for Fatigue Design of PE4710 Pipe, Technical Report en nome da Plastic Pipe Association, maio de 2012.
9. CBA/SIA Guidelines for the Storage of Liquids in Intermediate Bulk Containers, ICB Issue 2, October 2018 Online: www.chemical.org.uk/wp-content/uploads/2018/11/ibc-guidance-issue-2- 2018-1.pdf.
10. Beale, Christopher J., Way, Charter, Causes of IBC Leaks in Chemical Plants - An Analysis of Operating Experience, Serie de seminarios núm. 154, IChemE, Rugby, Reino Unido, 2008, en liña: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Caring for IBC Totes: Five Tips to Make Them Last, publicado en Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, publicado en blog.containerexchanger.com, 15 de setembro de 2018.
Ana Benz é enxeñeira xefa en IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canadá T6E 5T8; Teléfono: 780-577-4481; Correo electrónico: [email protected]).Traballou como especialista en corrosión, fallos e inspección durante 24 anos.A súa experiencia inclúe a realización de inspeccións utilizando técnicas de inspección avanzadas e a organización de programas de inspección de plantas.Mercedes-Benz atende á industria de procesamento químico, plantas petroquímicas, plantas de fertilizantes e plantas de níquel en todo o mundo, así como plantas de produción de petróleo e gas.Licenciouse en enxeñaría de materiais pola Universidade Simón Bolívar de Venezuela e posúe un máster en enxeñaría de materiais pola Universidade da Columbia Británica.Ela posúe varias certificacións de probas non destrutivas da Canadian General Standards Board (CGSB), así como a certificación API 510 e a certificación CWB Group Level 3.Benz foi membro da rama executiva de NACE Edmonton durante 15 anos e anteriormente desempeñou varios cargos na sociedade canadense de soldadura de Edmonton Branch.
Ningbo BODI SEALS CO, LTD PRODUCIDO TODO TIPO DEFFKM ORING,KITS DE ORING FKM,
BENVIDO A CONTACTAR CONNOSCO AQUÍ , GRAZAS !
Hora de publicación: 18-nov-2023