Ten ilustrowany przewodnik przedstawia niektóre typowe problemy, które mogą wystąpić w przypadku materiałów polimerowych i elastomerowych, które różnią się od tych, które występują w przypadku metalowych uszczelek i komponentów.
Awaria elementów polimerowych (plastikowych i elastomerowych) i jej konsekwencje mogą być tak poważne, jak awaria sprzętu metalowego.W przedstawionych informacjach opisano niektóre właściwości, jakie mają wpływ na polimerowe elementy urządzeń stosowanych w obiektach przemysłowych.Informacje te dotyczą niektórych starszych wersjiO-ringi, rura z wykładziną, tworzywo sztuczne wzmocnione włóknami (FRP) i rura z wykładziną.Omówiono przykłady właściwości, takich jak penetracja, temperatura szkła i lepkosprężystość oraz ich implikacje.
28 stycznia 1986 roku katastrofa promu kosmicznego Challenger wstrząsnęła światem.Eksplozja nastąpiła, ponieważ O-ring nie był prawidłowo uszczelniony.
Usterki opisane w tym artykule przedstawiają niektóre cechy usterek niemetalicznych wpływających na sprzęt używany w zastosowaniach przemysłowych.Dla każdego przypadku omówiono ważne właściwości polimeru.
Elastomery mają temperaturę zeszklenia, którą definiuje się jako „temperaturę, w której materiał amorficzny, taki jak szkło lub polimer, przechodzi ze stanu kruchego szklistego w stan plastyczny” [1].
Elastomery mają odkształcenie ściskające – „definiowane jako procent odkształcenia, którego elastomer nie jest w stanie odzyskać po ustalonym czasie przy danym wytłaczaniu i temperaturze” [2].Według autora kompresja oznacza zdolność gumy do powrotu do pierwotnego kształtu.W wielu przypadkach wzmocnienie kompresji jest kompensowane przez pewne rozszerzenie występujące podczas użytkowania.Jednakże, jak pokazuje poniższy przykład, nie zawsze tak jest.
Błąd 1: Niska temperatura otoczenia (36°F) przed startem spowodowała niewystarczającą liczbę pierścieni uszczelniających z Vitonu w promie kosmicznym Challenger.Jak stwierdzono w różnych badaniach wypadków: „W temperaturach poniżej 50°F O-ring Viton V747-75 nie jest wystarczająco elastyczny, aby śledzić otwarcie szczeliny testowej” [3].Temperatura zeszklenia powoduje, że O-ring firmy Challenger nie zapewnia prawidłowego uszczelnienia.
Problem 2: Uszczelnienia pokazane na rysunkach 1 i 2 są narażone przede wszystkim na działanie wody i pary.Uszczelki zostały zmontowane na miejscu przy użyciu monomeru etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM).Testują jednak fluoroelastomery (FKM), takie jak Viton) i perfluoroelastomery (FFKM), takie jak O-ringi Kalrez.Chociaż rozmiary są różne, wszystkie pierścienie uszczelniające pokazane na rysunku 2 mają początkowo ten sam rozmiar:
Co się stało?Stosowanie pary może stanowić problem dla elastomerów.W przypadku zastosowań z parą o temperaturze powyżej 250°F w obliczeniach projektu uszczelnienia należy uwzględnić odkształcenia związane z rozszerzaniem i kurczeniem FKM i FFKM.Różne elastomery mają pewne zalety i wady, nawet te, które mają wysoką odporność chemiczną.Wszelkie zmiany wymagają starannej konserwacji.
Ogólne uwagi dotyczące elastomerów.Ogólnie rzecz biorąc, zastosowanie elastomerów w temperaturach powyżej 250°F i poniżej 35°F jest specjalistyczne i może wymagać wkładu projektanta.
Ważne jest określenie użytego składu elastomeru.Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) umożliwia rozróżnienie znacznie różnych typów elastomerów, takich jak wspomniane powyżej EPDM, FKM i FFKM.Jednakże testowanie mające na celu odróżnienie jednego związku FKM od drugiego może stanowić wyzwanie.O-ringi różnych producentów mogą mieć różne wypełniacze, wulkanizację i obróbkę.Wszystko to ma istotny wpływ na odkształcenie po ściskaniu, odporność chemiczną i właściwości niskotemperaturowe.
Polimery mają długie, powtarzające się łańcuchy molekularne, które umożliwiają penetrację niektórych cieczy.W przeciwieństwie do metali, które mają strukturę krystaliczną, długie cząsteczki splatają się ze sobą jak nitka ugotowanego spaghetti.Fizycznie mogą przenikać bardzo małe cząsteczki, takie jak woda/para wodna i gazy.Niektóre cząsteczki są na tyle małe, że mieszczą się w szczelinach pomiędzy poszczególnymi łańcuchami.
Błąd 3: Zazwyczaj dokumentowanie analizy awarii rozpoczyna się od uzyskania obrazów części.Jednakże otrzymany w piątek płaski, elastyczny i pachnący benzyną kawałek plastiku zamienił się w twardą okrągłą rurę w poniedziałek (w momencie robienia zdjęcia).Według doniesień komponentem jest płaszcz rurowy z polietylenu (PE) stosowany do ochrony podzespołów elektrycznych znajdujących się poniżej poziomu gruntu na stacji benzynowej.Otrzymany płaski, elastyczny element plastikowy nie chronił kabla.Wnikanie benzyny spowodowało zmiany fizyczne, a nie chemiczne – rura polietylenowa nie uległa rozkładowi.Konieczne jest jednak penetrowanie mniej zmiękczonych rur.
Usterka 4. Wiele obiektów przemysłowych wykorzystuje rury stalowe pokryte teflonem do uzdatniania wody, uzdatniania kwasu oraz tam, gdzie wykluczona jest obecność zanieczyszczeń metalicznych (np. w przemyśle spożywczym).Rury pokryte teflonem posiadają otwory wentylacyjne, które umożliwiają odpływ wody przedostającej się do pierścieniowej przestrzeni pomiędzy stalą a okładziną.Jednakże rury wykładane mają trwałość po dłuższym użytkowaniu.
Rysunek 4 przedstawia rurę wyłożoną teflonem, która jest używana do dostarczania HCl od ponad dziesięciu lat.W przestrzeni pierścieniowej pomiędzy wykładziną a rurą stalową gromadzi się duża ilość produktów korozji stali.Produkt wepchnął wykładzinę do środka, powodując uszkodzenia pokazane na rysunku 5. Korozja stali trwa aż do momentu, gdy rura zacznie przeciekać.
Ponadto na powierzchni kołnierza teflonowego występuje pełzanie.Pełzanie definiuje się jako odkształcenie (odkształcenie) pod stałym obciążeniem.Podobnie jak w przypadku metali, pełzanie polimerów wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.Jednak w przeciwieństwie do stali pełzanie zachodzi w temperaturze pokojowej.Najprawdopodobniej w miarę zmniejszania się przekroju powierzchni kołnierza śruby rury stalowej są nadmiernie dokręcane, aż pojawi się pęknięcie pierścienia, jak pokazano na zdjęciu.Okrągłe pęknięcia dodatkowo narażają rurę stalową na działanie HCl.
Błąd 5: Wykładziny z polietylenu o dużej gęstości (HDPE) są powszechnie stosowane w przemyśle naftowym i gazowym do naprawy skorodowanych stalowych linii wtrysku wody.Istnieją jednak szczególne wymagania prawne dotyczące redukcji ciśnienia w wykładzinie.Ryciny 6 i 7 przedstawiają uszkodzoną wykładzinę.Uszkodzenie pojedynczej tulei zaworu następuje, gdy ciśnienie w pierścieniu przekracza wewnętrzne ciśnienie robocze – tuleja ulega zniszczeniu w wyniku penetracji.W przypadku wykładzin HDPE najlepszym sposobem zapobiegania tej awarii jest unikanie szybkiego obniżenia ciśnienia w rurze.
Wytrzymałość części z włókna szklanego zmniejsza się przy wielokrotnym użyciu.Z biegiem czasu kilka warstw może się rozwarstwiać i pękać.API 15 HR „Wysokociśnieniowa rura liniowa z włókna szklanego” zawiera stwierdzenie, że 20% zmiana ciśnienia stanowi granicę testów i napraw.Sekcja 13.1.2.8 kanadyjskiej normy CSA Z662, Systemy rurociągów naftowych i gazowych określa, że wahania ciśnienia muszą być utrzymywane poniżej 20% ciśnienia znamionowego producenta rur.W przeciwnym razie ciśnienie obliczeniowe może zostać obniżone nawet o 50%.Projektując FRP i FRP z okładziną, należy wziąć pod uwagę obciążenia cykliczne.
Błąd 6: Dolna strona (na godzinie szóstej) rury z włókna szklanego (FRP) służącej do dostarczania słonej wody pokryta jest polietylenem o dużej gęstości.Przetestowano część, która uległa uszkodzeniu, część sprawną po awarii oraz trzeci element (reprezentujący element poprodukcyjny).W szczególności porównano przekrój uszkodzonego odcinka z przekrojem prefabrykowanej rury o tym samym rozmiarze (patrz rysunki 8 i 9).Należy zauważyć, że uszkodzony przekrój poprzeczny zawiera rozległe pęknięcia wewnątrzwarstwowe, które nie występują w wyprodukowanej rurze.Rozwarstwienie wystąpiło zarówno w nowych, jak i uszkodzonych rurach.Rozwarstwianie jest powszechne w przypadku włókna szklanego o dużej zawartości szkła;Wysoka zawartość szkła zapewnia większą wytrzymałość.Rurociąg podlegał silnym wahaniom ciśnienia (ponad 20%) i uległ awarii z powodu cyklicznego obciążenia.
Rysunek 9. Oto dwa kolejne przekroje gotowego włókna szklanego w rurze z włókna szklanego pokrytego polietylenem o dużej gęstości.
Podczas montażu na miejscu łączone są mniejsze odcinki rur – te połączenia mają kluczowe znaczenie.Zwykle dwa kawałki rury są ze sobą stykane, a szczelina między rurami wypełniana „szpachlą”.Następnie złącza owija się kilkoma warstwami zbrojenia z włókna szklanego o dużej szerokości i impregnuje żywicą.Zewnętrzna powierzchnia złącza musi mieć wystarczającą powłokę stalową.
Materiały niemetalowe, takie jak wykładziny i włókno szklane, są lepkosprężyste.Chociaż tę cechę trudno wyjaśnić, jej objawy są powszechne: uszkodzenie zwykle następuje podczas instalacji, ale wyciek nie następuje natychmiast.„Wiskoelastyczność to właściwość materiału, który po odkształceniu wykazuje zarówno właściwości lepkie, jak i elastyczne.Lepkie materiały (takie jak miód) są odporne na przepływ ścinający i odkształcają się liniowo w czasie pod wpływem naprężenia.Materiały elastyczne (takie jak stal) odkształcają się natychmiast, ale także szybko wracają do stanu pierwotnego po usunięciu naprężeń.Materiały lepkosprężyste mają obie właściwości i dlatego wykazują zmienne w czasie odkształcenie.Elastyczność zazwyczaj wynika z rozciągania wiązań wzdłuż płaszczyzn krystalicznych w uporządkowanych ciałach stałych, natomiast lepkość wynika z dyfuzji atomów lub cząsteczek w materiale amorficznym” [4].
Elementy z włókna szklanego i tworzyw sztucznych wymagają szczególnej ostrożności podczas montażu i obsługi.W przeciwnym razie mogą pęknąć, a uszkodzenia mogą ujawnić się dopiero długo po badaniu hydrostatycznym.
Większość uszkodzeń wykładzin z włókna szklanego ma miejsce na skutek uszkodzeń podczas montażu [5].Testy hydrostatyczne są konieczne, ale nie pozwalają na wykrycie drobnych uszkodzeń, które mogą powstać w trakcie użytkowania.
Rysunek 10. Pokazane tutaj są wewnętrzne (po lewej) i zewnętrzne (po prawej) powierzchnie styku pomiędzy segmentami rur z włókna szklanego.
Wada 7. Rysunek 10 pokazuje połączenie dwóch odcinków rur z włókna szklanego.Rysunek 11 przedstawia przekrój połączenia.Zewnętrzna powierzchnia rury nie została wystarczająco wzmocniona i uszczelniona, w związku z czym rura pękła podczas transportu.Zalecenia dotyczące wzmacniania złączy podano w normach DIN 16966, CSA Z662 i ASME NM.2.
Rury z polietylenu o dużej gęstości są lekkie, odporne na korozję i są powszechnie stosowane w rurach gazowych i wodnych, w tym wężach strażackich na terenie fabryk.Większość awarii na tych liniach związana jest z uszkodzeniami powstałymi w trakcie prac ziemnych [6].Jednakże uszkodzenie spowodowane powolnym wzrostem pęknięć (SCG) może również wystąpić przy stosunkowo niskich naprężeniach i minimalnych odkształceniach.Według doniesień „SCG jest powszechnym rodzajem awarii podziemnych rurociągów z polietylenu (PE), którego projektowany okres użytkowania wynosi 50 lat” [7].
Błąd 8: Po ponad 20 latach użytkowania w wężu strażackim utworzył się SCG.Jego pęknięcie ma następujące cechy:
Awaria SCG charakteryzuje się wzorem pęknięć: ma minimalne odkształcenie i występuje z powodu wielu koncentrycznych pierścieni.Gdy powierzchnia SCG wzrośnie do około 2 x 1,5 cala, pęknięcie rozprzestrzenia się szybko, a cechy makroskopowe stają się mniej oczywiste (ryc. 12-14).Linia może doświadczać zmian obciążenia o więcej niż 10% tygodniowo.Donoszono, że stare złącza HDPE są bardziej odporne na uszkodzenia spowodowane wahaniami obciążenia niż stare złącza HDPE [8].Jednakże istniejące obiekty powinny rozważyć rozwój SCG w miarę starzenia się węży strażackich HDPE.
Rysunek 12. To zdjęcie pokazuje, gdzie trójnik przecina się z główną rurą, tworząc pęknięcie wskazane czerwoną strzałką.
Ryż.14. Tutaj widać z bliska powierzchnię pęknięcia odgałęzienia w kształcie litery T prowadzącego do głównej rury w kształcie litery T.Na powierzchni wewnętrznej widoczne są wyraźne pęknięcia.
Pośrednie kontenery do przewozu luzem (IBC) nadają się do przechowywania i transportu małych ilości chemikaliów (Rysunek 15).Są na tyle niezawodne, że łatwo zapomnieć, że ich awaria może stanowić poważne zagrożenie.Jednak awarie MDS mogą skutkować znacznymi stratami finansowymi, z których część została zbadana przez autorów.Większość awarii jest spowodowana niewłaściwą obsługą [9-11].Chociaż IBC wydaje się łatwy do sprawdzenia, pęknięcia w HDPE spowodowane niewłaściwym obchodzeniem się są trudne do wykrycia.W przypadku osób zarządzających aktywami w firmach, które często zajmują się kontenerami masowymi zawierającymi produkty niebezpieczne, obowiązkowe są regularne i dokładne inspekcje zewnętrzne i wewnętrzne.w Stanach Zjednoczonych.
W polimerach powszechne są uszkodzenia i starzenie się spowodowane promieniowaniem ultrafioletowym (UV).Oznacza to, że musimy dokładnie przestrzegać instrukcji przechowywania O-ringów i wziąć pod uwagę wpływ na żywotność elementów zewnętrznych, takich jak zbiorniki z otwartą górą i wykładziny stawów.Chociaż musimy zoptymalizować (minimalizować) budżet na konserwację, konieczna jest pewna kontrola komponentów zewnętrznych, szczególnie tych wystawionych na działanie światła słonecznego (Rysunek 16).
Właściwości takie jak temperatura zeszklenia, odkształcenie po ściskaniu, penetracja, pełzanie w temperaturze pokojowej, lepkosprężystość, powolna propagacja pęknięć itp. określają właściwości użytkowe części z tworzyw sztucznych i elastomerów.Aby zapewnić skuteczną i wydajną konserwację krytycznych komponentów, należy wziąć pod uwagę te właściwości, a polimery muszą być świadome tych właściwości.
Autorzy chcieliby podziękować wnikliwym klientom i współpracownikom za podzielenie się swoimi odkryciami z branżą.
1. Lewis senior, Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, wydanie 12, Thomas Press International, Londyn, Wielka Brytania, 1992.
2. Źródło internetowe: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Wpływ temperatury i obróbki powierzchni pierścieni uszczelniających na zdolność uszczelniania Vitonu V747-75.Dokument techniczny NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Najlepsze praktyki dla kanadyjskich producentów ropy i gazu (CAPP), „Using Reinforced Composite (Non-Metallic) Pipeline”, kwiecień 2017 r.
6. Maupin J. i Mamun M. Analiza awarii, ryzyka i zagrożeń rur z tworzyw sztucznych, projekt DOT nr 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi i Jingyan Zheng, Mechanizmy powolnego wzrostu pęknięć w polietylenie: metody elementów skończonych, 2015 Konferencja ASME Pressure Vessels and Piping, Boston, MA, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M. i Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Rekomendacje dotyczące zmęczenia projektu rur PE4710, Raport techniczny w imieniu stowarzyszenia Plastic Pipe Association, maj 2012.
9. Wytyczne CBA/SIA dotyczące przechowywania cieczy w pośrednich pojemnikach do przewozu luzem, ICB wydanie 2, październik 2018 r. Internet: 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, Seria seminariów nr 154, IChemE, Rugby, Wielka Brytania, 2008, online: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Dbanie o pojemniki IBC: pięć wskazówek, jak sprawić, by były trwałe, opublikowane w kategorii Pojemniki zbiorcze, Pojemniki IBC, Zrównoważony rozwój, opublikowane na blog.containerexchanger.com, 15 września 2018 r.
Ana Benz jest głównym inżynierem w IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Kanada T6E 5T8; telefon: 780-577-4481; e-mail: [chroniony e-mailem]).Przez 24 lata pracowała jako specjalista ds. korozji, awarii i kontroli.Jej doświadczenie obejmuje prowadzenie inspekcji z wykorzystaniem zaawansowanych technik inspekcji oraz organizowanie programów inspekcji zakładów.Mercedes-Benz obsługuje przemysł przetwórstwa chemicznego, zakłady petrochemiczne, zakłady nawozowe i zakłady niklowe na całym świecie, a także zakłady wydobycia ropy i gazu.Uzyskała dyplom z inżynierii materiałowej na Universidad Simon Bolivar w Wenezueli oraz tytuł magistra inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej.Posiada kilka certyfikatów Canadian General Standards Board (CGSB) w zakresie badań nieniszczących, a także certyfikat API 510 i certyfikat CWB Group Level 3.Benz był członkiem Oddziału Wykonawczego NACE w Edmonton przez 15 lat, a wcześniej zajmował różne stanowiska w Kanadyjskim Towarzystwie Spawalniczym Oddziału w Edmonton.
NINGBO BODI SEALS CO., LTD PRODUKUJE WSZYSTKIE RODZAJEORING FFKM,ZESTAWY ORINGÓW FKM,
ZAPRASZAMY DO KONTAKTU Z NAMI TUTAJ, DZIĘKUJEMY!
Czas publikacji: 18 listopada 2023 r