Questa guida illustrata mostra alcuni prublemi cumuni chì ponu accade cù materiali polimeri è elastomeri chì sò diffirenti di quelli chì si trovanu cù sigilli metallichi è cumpunenti.
U fallimentu di cumpunenti di polimeru (plasticu è elastomericu) è e so cunsequenze pò esse seriu cum'è u fallimentu di l'equipaggiu metallicu.L'infurmazioni presentate descrizanu alcune di e proprietà chì affettanu i cumpunenti polimeri di l'equipaggiu utilizatu in e instalazioni industriali.Questa informazione s'applica à qualchì legatuO-rings, pipa allineata, plastica rinforzata in fibra (FRP) è pipa allineata.Esempii di pruprietà cum'è a penetrazione, a temperatura di u vetru è a viscoelasticità è e so implicazioni sò discututi.
U 28 di ghjennaghju di u 1986, u disastru di u trasportu spaziale Challenger hà scuntatu u mondu.L'esplosione hè accaduta perchè l'O-ring ùn hè micca sigillatu bè.
I difetti descritti in questu articulu introducenu alcune di e caratteristiche di i difetti non metallici chì afectanu l'equipaggiu utilizatu in l'applicazioni industriali.Per ogni casu, i pruprietà di polimeru impurtanti sò discututi.
L'elastomeri anu una temperatura di transizione di vetru, chì hè definita cum'è "a temperatura à a quale un materiale amorfu, cum'è u vetru o u polimeru, cambia da un statu vetru fragile à un statu duttile" [1].
L'elastomers anu un set di compressione - "definitu cum'è u percentualità di tensione chì un elastomeru ùn pò micca ricuperà dopu un periudu fissu di tempu à una estrusione è a temperatura dati" [2].Sicondu l'autore, a compressione si riferisce à a capacità di gomma per turnà à a so forma originale.In parechji casi, u guadagnu di cumpressione hè compensatu da una certa espansione chì si trova durante l'usu.Tuttavia, cum'è l'esempiu sottu mostra, questu ùn hè micca sempre u casu.
Défaut 1 : La basse température ambiante (36 °F) avant le lancement a provoqué un manque de joints toriques en Viton sur la navette spatiale Challenger.Cum'è dichjaratu in diverse investigazioni d'accidenti: "À a temperatura sottu à 50 ° F, l'O-ring Viton V747-75 ùn hè micca abbastanza flexible per seguità l'apertura di u spaziu di prova" [3].La température de transition vitreuse fait que le joint torique du Challenger échoue à sceller correctement.
Prublemu 2: I sigilli mostrati in Figure 1 è 2 sò principarmenti esposti à l'acqua è a vapore.I sigilli sò stati assemblati in situ cù monomeru di etilene propilenu diene (EPDM).Tuttavia, stanu teste fluoroelastomers (FKM) cum'è Viton) è perfluoroelastomer (FFKM) cum'è Kalrez O-rings.Ancu se e dimensioni varienu, tutti i O-rings mostrati in a Figura 2 partenu da a stessa dimensione:
Chì hè accadutu ?L'usu di steam pò esse un prublema per elastomeri.Per l'applicazioni di vapore sopra à 250 °F, e deformazioni di espansione è contrazione FKM è FFKM deve esse cunsiderate in i calculi di cuncepimentu di imballaggio.Diversi elastomeri anu certi vantaghji è disadvantages, ancu quelli chì anu una alta resistenza chimica.Ogni cambiamentu richiede un mantenimentu attentu.
Note generali su elastomeri.In generale, l'usu di elastomeri à temperature sopra 250 ° F è sottu 35 ° F hè specializatu è pò esse bisognu di l'ingaghjamentu di u designer.
Hè impurtante di determinà a cumpusizioni elastomerica utilizata.A spettroscopia infrared di trasformazione di Fourier (FTIR) pò distingue trà tipi significativamente differenti di elastomeri, cum'è EPDM, FKM è FFKM citati sopra.Tuttavia, a prova per distingue un compostu FKM da un altru pò esse sfida.O-rings fatti da diversi Manufacturers pò avè differente fillers, vulcanizations, è trattamenti.Tuttu chistu hà un impattu significativu nantu à a cumpressione, a resistenza chimica è e caratteristiche di bassa temperatura.
I polimeri anu catene molecolari longu è ripetute chì permettenu à certi liquidi di penetrà.A cuntrariu di i metalli, chì anu una struttura cristallina, longhe molécules intreccianu cù l'altri cum'è un filu di spaghetti cotti.Fisicamente, molécule assai chjuche cum'è acqua / vapore è gasi ponu penetrà.Certi molécule sò abbastanza chjuchi per passà à traversu i spazii trà e catene individuali.
Failure 3: Di genere, documentà una investigazione di analisi di fallimentu principia cù l'ottenimentu di l'imaghjini di e parti.In ogni casu, u pezzu di plastica flat, flexible, odore di benzina ricevutu u venneri s'era trasfurmatu in una pipa tonda dura u luni (u tempu chì a foto hè stata presa).U cumpunente hè informatu una giacca di pipa di polietilene (PE) utilizata per prutege i cumpunenti elettrici sottu u livellu di a terra in una stazione di benzina.U pezzu di plastica flessibile pianu chì avete ricevutu ùn pruteghja micca u cable.A penetrazione di gasoline hà causatu cambiamenti fisichi, micca chimichi - a pipa di polietilene ùn hà micca decompostu.In ogni casu, hè necessariu di penetrà i tubi menu affucati.
Fault 4. Parechje strutture industriali utilizanu tubi d'acciaio rivestiti di Teflon per u trattamentu di l'acqua, u trattamentu à l'acidu è induve a prisenza di contaminanti di metalli hè esclusa (per esempiu, in l'industria alimentaria).I tubi rivestiti di teflon anu venti chì permettenu l'acqua infiltrata in u spaziu annular trà l'acciaio è u rivestimentu per drenà.In ogni casu, i tubi allineati anu una durata di conservazione dopu l'usu prolongatu.
A Figura 4 mostra una pipa rivestita di Teflon chì hè stata utilizata per furnisce HCl per più di deci anni.Una grande quantità di prudutti di corrosione d'acciaio s'accumula in u spaziu annular trà u liner è u tubu d'acciaio.U pruduttu hà imbuttatu u lining inward, causannu danni cum'è mostra in Figura 5. Corrusione di l'azzaru cuntinueghja finu à chì a pipa principia à fughje.
Inoltre, u creep si trova nantu à a superficia di a flangia di Teflon.Creep hè definitu cum'è deformazione (deformazione) sottu carica constante.Cum'è cù i metalli, u creep di polimeri aumenta cù a temperatura crescente.In ogni casu, à u cuntrariu di l'acciaio, u creep si trova à a temperatura di l'ambienti.Hè assai prubabile, cum'è a sezione trasversale di a superficia di a flange diminuite, i bulloni di a pipa d'acciaio sò stretti finu à chì a crack di l'anellu appare, mostra in a foto.I cracks circulari ponu ancu esse esposti à u tubu d'acciaio à HCl.
Failure 5: Liners di polietilene d'alta densità (HDPE) sò cumunimenti usati in l'industria di u petroliu è di u gasu per riparà e linee di iniezione d'acqua d'acciaio corrode.Tuttavia, ci sò requisiti regulatori specifichi per u sollievu di pressione di liner.I figuri 6 è 7 mostranu un liner fallutu.U dannu à una sola valve liner si trova quandu a pressione annulus supera a pressione di u funziunamentu internu - u liner falla per a penetrazione.Per i liners HDPE, u megliu modu per prevene stu fallimentu hè di evità a depressurizazione rapida di a pipa.
A forza di e parti di fibra di vetro diminuisce cù l'usu ripetutu.Parechji strati ponu delaminate è crack cù u tempu.API 15 HR "Pipe lineare in fibra di vetro di alta pressione" cuntene una dichjarazione chì un cambiamentu di 20% in a pressione hè u limitu di prova è riparazione.Section 13.1.2.8 di Canadian Standard CSA Z662, Petroleum and Gas Pipeline Systems, specifica chì i fluttuazioni di pressione deve esse mantinutu sottu à 20% di a pressione di u fabricatore di pipa.Altrimenti, a pressione di u disignu pò esse ridutta finu à 50%.Quandu u disignu di FRP è FRP cù cladding, i carichi ciclichi deve esse cunsideratu.
Fault 6: U latu di fondu (6 ore) di u tubu di fibra di vetro (FRP) utilizatu per furnisce l'acqua salata hè cupartu di polietilene d'alta densità.A parte falluta, a bona parte dopu fallimentu, è u terzu cumpunente (rappresentendu u cumpunente post-fabbricazione) sò stati pruvati.In particulare, a seccione trasversale di a seccione falluta hè stata paragunata cù a seccione trasversale di una pipa prefabbricata di a listessa dimensione (vede Figures 8 è 9).Innota chì a sezione trasversale falluta hà cracks intralaminar estensivi chì ùn sò micca prisenti in a pipa fabricata.A delaminazione hè accaduta in i tubi novi è falluti.A delaminazione hè cumuna in fibreglassu cù un altu cuntenutu di vetru;Un altu cuntenutu di vetru dà una forza maiò.U pipeline era sottumessu à severi fluttuazioni di pressione (più di 20%) è falliu per via di a carica ciclica.
Figura 9. Eccu dui seccioni più trasversali di fibra di vetru finita in una pipa di fibra di polietilene d'alta densità.
Duranti a stallazione in situ, e sezioni più chjuche di pipa sò cunnessi - sti cunnessione sò critichi.Di genere, dui pezzi di pipa sò cunghjuntati inseme è u spaziu trà i pipi hè pienu di "putty".I ghjunti sò allora impannillati in parechji strati di rinforzu di fibra di vetru larga è impregnate cù resina.A superficia esterna di l'articulazione deve avè un revestimentu d'acciaio sufficiente.
I materiali non metallici, cum'è liners è fiberglass, sò viscoelastici.Ancu s'è sta caratteristica hè difficiuli di spiegà, i so manifestazioni sò cumuni: i danni sò generalmente durante a stallazione, ma a fuga ùn hè micca immediatamente."A viscoelasticità hè una pruprietà di un materiale chì mostra proprietà viscose è elastiche quandu si deforma.I materiali viscosi (cum'è u meli) resistenu à u flussu di cisura è si deformanu linearmente cù u tempu quandu u stress hè appiicatu.I materiali elastici (cum'è l'azzaru) si deformanu immediatamente, ma dinò tornanu rapidamente à u so statu originale dopu chì u stress hè eliminatu.I materiali viscoelastici anu e duie proprietà è per quessa mostranu deformazione chì varieghja in u tempu.L'elasticità risulta tipicamente da l'allungamentu di ligami longu i piani cristallini in solidi urdinati, mentri a viscosità risulta da a diffusione di atomi o molécule in un materiale amorfu "[4].
Fibra di vetro è cumpunenti di plastica necessitanu una cura speciale durante a stallazione è a manipulazione.Altrimenti, ponu crack è i danni ùn ponu esse apparenti finu à longu dopu a prova idrostatica.
A maiò parte di i fallimenti di i rivestimenti in fibra di vetru si sò per via di danni durante a stallazione [5].A prova idrostatica hè necessaria, ma ùn rileva micca danni minori chì ponu accade durante l'usu.
Figura 10. Mostrati quì sò l'interfacce internu (left) è esternu (right) trà i segmenti di tubi di fibra di vetro.
Difettu 7. A figura 10 mostra a cunnessione di dui seccioni di tubi di fibra di vetro.A figura 11 mostra a sezione trasversale di a cunnessione.A superficia esterna di a pipa ùn hè micca abbastanza rinfurzata è sigillata, è a pipa si rompe durante u trasportu.E raccomandazioni per u rinfurzamentu di e articuli sò datu in DIN 16966, CSA Z662 è ASME NM.2.
I tubi di polietilene d'alta densità sò ligeri, resistenti à a corrosione, è sò comunmente usati per i tubi di gasu è acqua, cumpresi i tubi di u focu in i siti di fabbrica.A maiò parte di i fallimenti in queste linee sò assuciati cù danni ricevuti durante u travagliu di scavi [6].Tuttavia, u fallimentu di a crescita di crack slow (SCG) pò ancu accade à stress relativamente bassu è ceppi minimi.Sicondu i rapporti, "SCG hè un modu di fallimentu cumuni in pipeline di polietilene (PE) sotterranei cù una vita di designu di 50 anni" [7].
Fault 8: SCG s'hè furmatu in a manguera di u focu dopu più di 20 anni di usu.A so frattura hà e seguenti caratteristiche:
A fallimentu di SCG hè carattarizatu da un mudellu di frattura: hà una deformazione minima è si trova per via di parechji anelli concentrici.Quandu l'area SCG aumenta à circa 2 x 1,5 inch, a fissura si propaga rapidamente è e caratteristiche macroscopiche diventanu menu evidenti (Figure 12-14).A linea pò sperimentà cambiamenti di carica di più di 10% ogni settimana.I vechji articuli HDPE sò stati infurmati per esse più resistenti à u fallimentu per via di fluttuazioni di carica cà i vechji articuli HDPE [8].Tuttavia, e strutture esistenti anu da cunsiderà u sviluppu di SCG cum'è l'età di i tubi di u focu HDPE.
Figura 12. Questa foto mostra induve a T-branch intersects with the main pipe, creendu u crack indicatu da a freccia rossa.
Risu.14. Quì pudete vede vicinu à a superficia di frattura di u ramu in forma di T à u tubu principale in forma di T.Ci sò cracks evidenti nantu à a superficia interna.
I Container Bulk Intermediate (IBC) sò adattati per almacenà è trasportu picculi quantità di sustanzi chimichi (Figura 15).Sò cusì affidabili chì hè faciule per scurdà chì u so fallimentu pò esse un periculu significativu.In ogni casu, i fallimenti di MDS ponu risultatu in perditi finanziarii significativi, alcuni di quali sò esaminati da l'autori.A maiò parte di i fallimenti sò causati da una manipulazione impropria [9-11].Ancu se l'IBC pare simplice di inspeccionà, i crack in HDPE causati da una manipulazione impropria sò difficiuli di detectà.Per i gestori di l'assi in cumpagnie chì trattanu spessu cuntenituri in grani chì cuntenenu prudutti periculosi, ispezioni esterne è interne rigulari è accurate sò obbligatori.in i Stati Uniti.
U dannu ultraviolet (UV) è l'anziane sò prevalenti in i polimeri.Questu significa chì duvemu seguità attentamente l'istruzzioni di almacenamentu di l'O-ring è cunsiderà l'impattu nantu à a vita di cumpunenti esterni, cum'è i tanki aperti è i rivestimenti di stagni.Mentre avemu bisognu di ottimisà (minimizà) u budgetu di mantenimentu, una certa inspezione di cumpunenti esterni hè necessariu, in particulare quelli esposti à u sole (Figura 16).
E caratteristiche cum'è a temperatura di transizione di vetru, a compressione, a penetrazione, a temperatura di l'ambienti, a viscoelasticità, a propagazione di crack lenta, etc. determinanu e caratteristiche di rendiment di e parti plastiche è elastomeriche.Per assicurà un mantenimentu efficace è efficiente di i cumpunenti critichi, queste proprietà deve esse cunsideratu, è i polimeri anu da esse cuscenti di sti pruprietà.
L'autori volenu ringrazià i clienti perspicaci è i culleghi per sparta i so risultati cù l'industria.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12th edition, Thomas Press International, London, UK, 1992.
2. Surghjente Internet: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Effettu di Temperature and O-Ring Superficie Trattamentu nantu à a Capacità di Sealing di Viton V747-75.Documentu Tecnicu NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Best Practices for Canadian Oil and Gas Producers (CAPP), "Using Reinforced Composite (Non-Metallic) Pipeline", April 2017.
6. Maupin J. è Mamun M. Failure, Risk and Hazard Analysis of Plastic Pipe, DOT Project No 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi è 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., è Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Recommendations for Fatigue Design of PE4710 Pipe, Rapportu Tecnicu in nome di l'Associazione Plastic Pipe, May 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, Seminar Series No 154, IChemE, Rugby, UK, 2008, online: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Caring for IBC Totes: Five Tips to Make Them Last, publicatu in Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, publicatu in blog.containerexchanger.com, 15 settembre 2018.
Ana Benz hè Chief Engineer in IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8; Phone: 780-577-4481; Email: [email protected]).Hà travagliatu cum'è specialista in corrosione, fallimentu è ispezione per 24 anni.A so sperienza include a realizazione di ispezioni cù tecniche di ispezione avanzate è l'urganizazione di prugrammi di ispezione di e piante.Mercedes-Benz serve l'industria di trasfurmazioni chimiche, e piante petrochimiche, e piante di fertilizzanti è e piante di nichel in u mondu sanu, è ancu e piante di pruduzzione di petroliu è gasu.Hà ricevutu un diploma in ingegneria di i materiali da l'Università Simon Bolivar in Venezuela è un maestru in ingegneria di i materiali da l'Università di a Columbia Britannica.Ella hà parechje certificazioni di teste non distruttive di u Canadian General Standards Board (CGSB), è ancu a certificazione API 510 è a certificazione CWB Group Level 3.Benz era un membru di a Branca Esecutiva NACE Edmonton per 15 anni è hà servitu prima in diverse pusizioni cù a Società Canadese di Saldatura di Edmonton Branch.
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Tempu di post: 18-Nov-2023