Questa guida illustrata mostra alcuni problemi comuni che possono verificarsi con materiali polimerici ed elastomerici diversi da quelli che si verificano con guarnizioni e componenti metallici.
Il guasto dei componenti polimerici (plastica ed elastomerico) e le sue conseguenze possono essere gravi quanto il guasto delle apparecchiature metalliche.Le informazioni presentate descrivono alcune delle proprietà che influenzano i componenti polimerici delle apparecchiature utilizzate negli impianti industriali.Queste informazioni si applicano ad alcune ereditàO-ring, tubo rivestito, plastica rinforzata con fibra (FRP) e tubo rivestito.Vengono discussi esempi di proprietà quali penetrazione, temperatura del vetro e viscoelasticità e le loro implicazioni.
Il 28 gennaio 1986 il disastro dello Space Shuttle Challenger sconvolse il mondo.L'esplosione è avvenuta perché l'O-ring non sigillava correttamente.
I guasti descritti in questo articolo introducono alcune delle caratteristiche dei guasti non metallici che interessano le apparecchiature utilizzate nelle applicazioni industriali.Per ciascun caso vengono discusse importanti proprietà del polimero.
Gli elastomeri hanno una temperatura di transizione vetrosa, che è definita come “la temperatura alla quale un materiale amorfo, come il vetro o un polimero, passa da uno stato fragile e vetroso a uno stato duttile” [1].
Gli elastomeri hanno deformazione per compressione – “definita come la percentuale di deformazione che un elastomero non può recuperare dopo un determinato periodo di tempo ad una data estrusione e temperatura” [2].Secondo l'autore la compressione si riferisce alla capacità della gomma di ritornare alla sua forma originale.In molti casi, il guadagno di compressione è compensato da una certa espansione che si verifica durante l'uso.Tuttavia, come mostra l’esempio seguente, non è sempre così.
Guasto 1: La bassa temperatura ambiente (36°F) prima del lancio ha provocato O-ring in Viton insufficienti sullo Space Shuttle Challenger.Come affermato in varie indagini sugli incidenti: "A temperature inferiori a 50°F, l'O-ring in Viton V747-75 non è sufficientemente flessibile per tracciare l'apertura dello spazio di prova" [3].La temperatura di transizione vetrosa impedisce all'O-ring Challenger di sigillare correttamente.
Problema 2: Le guarnizioni mostrate nelle Figure 1 e 2 sono esposte principalmente all'acqua e al vapore.Le guarnizioni sono state assemblate in loco utilizzando etilene propilene diene monomero (EPDM).Tuttavia, stanno testando fluoroelastomeri (FKM) come Viton) e perfluoroelastomeri (FFKM) come gli O-ring Kalrez.Sebbene le dimensioni varino, tutti gli O-ring mostrati nella Figura 2 iniziano con la stessa dimensione:
Che è successo?L'uso del vapore può rappresentare un problema per gli elastomeri.Per applicazioni con vapore superiore a 250°F, le deformazioni di espansione e contrazione FKM e FFKM devono essere prese in considerazione nei calcoli di progettazione dell'imballaggio.Diversi elastomeri presentano alcuni vantaggi e svantaggi, anche quelli che presentano un'elevata resistenza chimica.Eventuali modifiche richiedono un'attenta manutenzione.
Cenni generali sugli elastomeri.In generale, l'uso degli elastomeri a temperature superiori a 250°F e inferiori a 35°F è specializzato e può richiedere il contributo del progettista.
È importante determinare la composizione elastomerica utilizzata.La spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) può distinguere tra tipi significativamente diversi di elastomeri, come EPDM, FKM e FFKM sopra menzionati.Tuttavia, i test per distinguere un composto FKM da un altro possono essere impegnativi.Gli O-ring realizzati da produttori diversi possono avere riempitivi, vulcanizzazioni e trattamenti diversi.Tutto ciò ha un impatto significativo sulla deformazione elastica, sulla resistenza chimica e sulle caratteristiche alle basse temperature.
I polimeri hanno catene molecolari lunghe e ripetitive che consentono a determinati liquidi di penetrarvi.A differenza dei metalli, che hanno una struttura cristallina, le lunghe molecole si intrecciano tra loro come un filo di spaghetti cotti.Fisicamente possono penetrare molecole molto piccole come acqua/vapore e gas.Alcune molecole sono abbastanza piccole da poter passare attraverso gli spazi tra le singole catene.
Guasto 3: in genere, la documentazione di un'indagine di analisi dei guasti inizia con l'ottenimento di immagini delle parti.Tuttavia, il pezzo di plastica piatto, flessibile e profumato di benzina ricevuto venerdì si era trasformato in un tubo rotondo e rigido entro lunedì (ora in cui è stata scattata la foto).Secondo quanto riferito, il componente è un rivestimento per tubi in polietilene (PE) utilizzato per proteggere i componenti elettrici sotto il livello del suolo in una stazione di servizio.Il pezzo di plastica piatto e flessibile ricevuto non proteggeva il cavo.La penetrazione della benzina ha causato cambiamenti fisici e non chimici: il tubo in polietilene non si è decomposto.Tuttavia è necessario penetrare nei tubi meno ammorbiditi.
Difetto 4. Molti impianti industriali utilizzano tubi in acciaio rivestiti in teflon per il trattamento dell'acqua, il trattamento degli acidi e dove è esclusa la presenza di contaminanti metallici (ad esempio nell'industria alimentare).I tubi rivestiti in teflon sono dotati di prese d'aria che consentono all'acqua che penetra nello spazio anulare tra l'acciaio e il rivestimento di defluire.Tuttavia, i tubi rivestiti hanno una durata di conservazione dopo un uso prolungato.
La Figura 4 mostra un tubo rivestito in Teflon utilizzato per fornire HCl per oltre dieci anni.Nello spazio anulare tra il rivestimento e il tubo d'acciaio si accumula una grande quantità di prodotti della corrosione dell'acciaio.Il prodotto ha spinto il rivestimento verso l'interno, causando danni come mostrato nella Figura 5. La corrosione dell'acciaio continua finché il tubo non inizia a perdere.
Inoltre, si verifica uno scorrimento sulla superficie della flangia in Teflon.Il creep è definito come deformazione (deformazione) sotto carico costante.Come con i metalli, lo scorrimento dei polimeri aumenta con l'aumentare della temperatura.Tuttavia, a differenza dell’acciaio, lo scorrimento avviene a temperatura ambiente.Molto probabilmente, quando la sezione trasversale della superficie della flangia diminuisce, i bulloni del tubo d'acciaio vengono serrati eccessivamente fino a quando non appare la fessura dell'anello, mostrata nella foto.Le crepe circolari espongono ulteriormente il tubo d'acciaio all'HCl.
Guasto 5: I rivestimenti in polietilene ad alta densità (HDPE) sono comunemente utilizzati nell'industria petrolifera e del gas per riparare le linee di iniezione dell'acqua in acciaio corroso.Tuttavia, esistono requisiti normativi specifici per lo scarico della pressione del rivestimento.Le Figure 6 e 7 mostrano un rivestimento guasto.Il danneggiamento della camicia di una singola valvola si verifica quando la pressione dell'anello supera la pressione operativa interna: la camicia si rompe a causa della penetrazione.Per i rivestimenti in HDPE, il modo migliore per prevenire questo guasto è evitare una rapida depressurizzazione del tubo.
La resistenza delle parti in fibra di vetro diminuisce con l'uso ripetuto.Diversi strati potrebbero delaminarsi e rompersi nel tempo.API 15 HR "Tubo lineare in fibra di vetro ad alta pressione" contiene una dichiarazione secondo cui una variazione del 20% della pressione è il limite di prova e riparazione.La sezione 13.1.2.8 dello standard canadese CSA Z662, Sistemi di tubazioni per petrolio e gas, specifica che le fluttuazioni di pressione devono essere mantenute al di sotto del 20% della pressione nominale del produttore del tubo.Altrimenti la pressione di progetto può essere ridotta fino al 50%.Quando si progetta FRP e FRP con rivestimento, è necessario tenere conto dei carichi ciclici.
Difetto 6: il lato inferiore (ore 6) del tubo in fibra di vetro (FRP) utilizzato per fornire acqua salata è ricoperto di polietilene ad alta densità.Sono stati testati la parte guasta, la parte buona dopo il guasto e il terzo componente (che rappresenta il componente post-produzione).In particolare, la sezione del tratto ceduto è stata confrontata con la sezione di un tubo prefabbricato di pari dimensione (vedi Figure 8 e 9).Si noti che la sezione trasversale danneggiata presenta estese crepe intralaminari che non sono presenti nel tubo fabbricato.La delaminazione si è verificata sia nei tubi nuovi che in quelli guasti.La delaminazione è comune nella fibra di vetro ad alto contenuto di vetro;L'alto contenuto di vetro conferisce maggiore resistenza.La conduttura è stata soggetta a forti fluttuazioni di pressione (oltre il 20%) e ha ceduto a causa del carico ciclico.
Figura 9. Ecco altre due sezioni trasversali di fibra di vetro finita in un tubo in fibra di vetro rivestito di polietilene ad alta densità.
Durante l'installazione in loco, vengono collegate sezioni di tubo più piccole: queste connessioni sono fondamentali.In genere, due pezzi di tubo vengono uniti e lo spazio tra i tubi viene riempito con "stucco".I giunti vengono quindi avvolti in diversi strati di rinforzo in fibra di vetro di ampia larghezza e impregnati con resina.La superficie esterna del giunto deve avere un rivestimento in acciaio sufficiente.
I materiali non metallici come rivestimenti e fibra di vetro sono viscoelastici.Sebbene questa caratteristica sia difficile da spiegare, le sue manifestazioni sono comuni: i danni si verificano solitamente durante l'installazione, ma le perdite non si verificano immediatamente.“La viscoelasticità è una proprietà di un materiale che mostra proprietà sia viscose che elastiche quando deformato.I materiali viscosi (come il miele) resistono al flusso di taglio e si deformano linearmente nel tempo quando viene applicata la sollecitazione.I materiali elastici (come l'acciaio) si deformeranno immediatamente, ma torneranno rapidamente al loro stato originale una volta rimossa la tensione.I materiali viscoelastici hanno entrambe le proprietà e quindi mostrano deformazioni variabili nel tempo.L’elasticità risulta tipicamente dallo stiramento dei legami lungo i piani cristallini nei solidi ordinati, mentre la viscosità risulta dalla diffusione di atomi o molecole all’interno di un materiale amorfo” [4].
I componenti in fibra di vetro e plastica richiedono particolare attenzione durante l'installazione e la movimentazione.In caso contrario, potrebbero rompersi e il danno potrebbe non essere evidente se non molto tempo dopo il test idrostatico.
La maggior parte dei guasti dei rivestimenti in fibra di vetro si verificano a causa di danni durante l'installazione [5].Il test idrostatico è necessario ma non rileva danni minori che potrebbero verificarsi durante l'uso.
Figura 10. Qui sono mostrate le interfacce interna (sinistra) ed esterna (destra) tra i segmenti di tubo in fibra di vetro.
Difetto 7. La Figura 10 mostra il collegamento di due tratti di tubi in fibra di vetro.La Figura 11 mostra la sezione trasversale della connessione.La superficie esterna del tubo non era sufficientemente rinforzata e sigillata e il tubo si è rotto durante il trasporto.Le raccomandazioni per il rinforzo dei giunti sono fornite nella norma DIN 16966, CSA Z662 e ASME NM.2.
I tubi in polietilene ad alta densità sono leggeri, resistenti alla corrosione e sono comunemente utilizzati per i tubi del gas e dell'acqua, comprese le manichette antincendio nei siti industriali.La maggior parte dei fallimenti su queste linee sono associati ai danni subiti durante i lavori di scavo [6].Tuttavia, il cedimento a crescita lenta della fessura (SCG) può verificarsi anche con sollecitazioni relativamente basse e deformazioni minime.Secondo i rapporti, “SCG è una modalità di guasto comune nelle tubazioni sotterranee in polietilene (PE) con una durata prevista di 50 anni” [7].
Guasto 8: SCG si è formato nella manichetta antincendio dopo più di 20 anni di utilizzo.La sua frattura ha le seguenti caratteristiche:
Il cedimento dell'SCG è caratterizzato da un modello di frattura: ha una deformazione minima e si verifica a causa di più anelli concentrici.Una volta che l'area SCG aumenta a circa 2 x 1,5 pollici, la fessura si propaga rapidamente e le caratteristiche macroscopiche diventano meno evidenti (Figure 12-14).La linea potrebbe subire variazioni di carico superiori al 10% ogni settimana.È stato riportato che i vecchi giunti in HDPE sono più resistenti ai guasti dovuti alle fluttuazioni del carico rispetto ai vecchi giunti in HDPE [8].Tuttavia, le strutture esistenti dovrebbero prendere in considerazione lo sviluppo di SCG man mano che le manichette antincendio in HDPE invecchiano.
Figura 12. Questa foto mostra il punto in cui il ramo a T si interseca con il tubo principale, creando la fessura indicata dalla freccia rossa.
Riso.14. Qui potete vedere da vicino la superficie di frattura del ramo a T del tubo principale a T.Sono presenti evidenti crepe sulla superficie interna.
I contenitori intermedi per prodotti sfusi (IBC) sono adatti per lo stoccaggio e il trasporto di piccole quantità di sostanze chimiche (Figura 15).Sono così affidabili che è facile dimenticare che il loro fallimento può rappresentare un pericolo significativo.Tuttavia, i fallimenti di MDS possono comportare perdite finanziarie significative, alcune delle quali vengono esaminate dagli autori.La maggior parte dei guasti sono causati da una gestione impropria [9-11].Sebbene gli IBC sembrino semplici da ispezionare, le crepe nell'HDPE causate da una manipolazione impropria sono difficili da rilevare.Per i gestori patrimoniali di aziende che movimentano frequentemente contenitori sfusi contenenti prodotti pericolosi, sono obbligatorie ispezioni esterne e interne regolari e approfondite.negli Stati Uniti.
I danni ultravioletti (UV) e l'invecchiamento sono prevalenti nei polimeri.Ciò significa che dobbiamo seguire attentamente le istruzioni per la conservazione degli O-ring e considerare l'impatto sulla durata dei componenti esterni come serbatoi aperti e rivestimenti di stagni.Sebbene sia necessario ottimizzare (minimizzare) il budget per la manutenzione, sono necessarie alcune ispezioni dei componenti esterni, in particolare quelli esposti alla luce solare (Figura 16).
Caratteristiche come la temperatura di transizione vetrosa, la deformazione permanente alla compressione, la penetrazione, lo scorrimento a temperatura ambiente, la viscoelasticità, la propagazione lenta delle cricche, ecc. determinano le caratteristiche prestazionali delle parti in plastica ed elastomero.Per garantire una manutenzione efficace ed efficiente dei componenti critici, queste proprietà devono essere prese in considerazione e i polimeri devono essere consapevoli di queste proprietà.
Gli autori desiderano ringraziare clienti e colleghi perspicaci per aver condiviso i loro risultati con l’industria.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12a edizione, Thomas Press International, Londra, Regno Unito, 1992.
2. Fonte Internet: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Effetto della temperatura e del trattamento superficiale dell'O-ring sulla capacità di tenuta del Viton V747-75.Documento tecnico della NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Migliori pratiche per i produttori canadesi di petrolio e gas (CAPP), "Utilizzo di tubazioni composite rinforzate (non metalliche)", aprile 2017.
6. Maupin J. e Mamun M. Analisi di guasti, rischi e pericoli dei tubi in plastica, progetto DOT n. 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi e Jingyan Zheng, Meccanismi di crescita lenta delle crepe nel polietilene: metodi degli elementi finiti, conferenza ASME Pressure Vessels and Piping 2015, 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, Rapporto tecnico per conto della Plastic Pipe Association, maggio 2012.
9. Linee guida CBA/SIA per lo stoccaggio di liquidi in contenitori sfusi intermedi, ICB numero 2, ottobre 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 di seminari n. 154, IChemE, Rugby, Regno Unito, 2008, online: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Prendersi cura delle borse IBC: cinque consigli per farle durare, pubblicato in Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, pubblicato su blog.containerexchanger.com, 15 settembre 2018.
Ana Benz è ingegnere capo presso IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8; telefono: 780-577-4481; e-mail: [e-mail protetta]).Ha lavorato come specialista in corrosione, guasti e ispezioni per 24 anni.La sua esperienza include la conduzione di ispezioni utilizzando tecniche di ispezione avanzate e l'organizzazione di programmi di ispezione degli impianti.Mercedes-Benz serve l'industria della lavorazione chimica, impianti petrolchimici, impianti di fertilizzanti e impianti di nichel in tutto il mondo, nonché impianti di produzione di petrolio e gas.Ha conseguito una laurea in ingegneria dei materiali presso l'Università Simon Bolivar in Venezuela e un master in ingegneria dei materiali presso l'Università della British Columbia.Possiede diverse certificazioni di test non distruttivi del Canadian General Standards Board (CGSB), nonché la certificazione API 510 e la certificazione CWB Group Level 3.Benz è stato membro della NACE Edmonton Executive Branch per 15 anni e in precedenza ha ricoperto vari incarichi presso la Edmonton Branch Canadian Welding Society.
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Orario di pubblicazione: 18 novembre 2023