Tento ilustrovaný průvodce ukazuje některé běžné problémy, které se mohou vyskytnout u polymerních a elastomerních materiálů, které se liší od těch, které se vyskytují u kovových těsnění a součástí.
Selhání polymerních (plastových a elastomerních) součástí a jeho důsledky mohou být stejně závažné jako selhání kovových zařízení.Uvedené informace popisují některé vlastnosti, které ovlivňují polymerní komponenty zařízení používaných v průmyslových zařízeních.Tyto informace platí pro některé dědictvíO-kroužky, vložkované trubky, vlákny vyztužené plasty (FRP) a vložkované trubky.Jsou diskutovány příklady vlastností jako je penetrace, teplota skla a viskoelasticita a jejich důsledky.
28. ledna 1986 katastrofa raketoplánu Challenger šokovala svět.K výbuchu došlo, protože O-kroužek správně netěsnil.
Poruchy popsané v tomto článku představují některé charakteristiky nekovových poruch ovlivňujících zařízení používaná v průmyslových aplikacích.Pro každý případ jsou diskutovány důležité vlastnosti polymeru.
Elastomery mají teplotu skelného přechodu, která je definována jako „teplota, při které amorfní materiál, jako je sklo nebo polymer, přechází z křehkého skelného stavu do tvárného stavu“ [1].
Elastomery mají deformaci v tlaku – „definovanou jako procento napětí, které elastomer nemůže obnovit po určité době při dané extruzi a teplotě“ [2].Kompresí se podle autora rozumí schopnost pryže vrátit se do původního tvaru.V mnoha případech je zesílení komprese kompenzováno určitou expanzí, ke které dochází během používání.Jak však ukazuje příklad níže, není tomu tak vždy.
Závada 1: Nízká okolní teplota (36 °F) před startem měla za následek nedostatečné O-kroužky z Vitonu na raketoplánu Challenger.Jak bylo uvedeno v různých vyšetřováních nehod: „Při teplotách pod 50 °F není O-kroužek Viton V747-75 dostatečně pružný, aby sledoval otevření testovací mezery“ [3].Teplota skelného přechodu způsobuje, že O-kroužek Challenger správně netěsní.
Problém 2: Těsnění znázorněná na obrázcích 1 a 2 jsou primárně vystavena vodě a páře.Těsnění byla sestavena na místě pomocí monomeru ethylen-propylen-dienu (EPDM).Testují však fluoroelastomery (FKM), jako je Viton) a perfluoroelastomer (FFKM), jako jsou O-kroužky Kalrez.I když se velikosti liší, všechny O-kroužky zobrazené na obrázku 2 mají na začátku stejnou velikost:
Co se stalo?Použití páry může být pro elastomery problém.Pro aplikace s párou nad 250 °F musí být ve výpočtech návrhu těsnění zohledněny expanzní a smršťovací deformace FKM a FFKM.Různé elastomery mají určité výhody a nevýhody, dokonce i ty, které mají vysokou chemickou odolnost.Jakékoli změny vyžadují pečlivou údržbu.
Všeobecné poznámky k elastomerům.Obecně platí, že použití elastomerů při teplotách nad 250 °F a pod 35 °F je specializované a může vyžadovat vstup konstruktéra.
Je důležité určit použité elastomerní složení.Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR) dokáže rozlišit mezi výrazně odlišnými typy elastomerů, jako jsou výše uvedené EPDM, FKM a FFKM.Testování k rozlišení jedné FKM sloučeniny od druhé však může být náročné.O-kroužky vyrobené různými výrobci mohou mít různá plniva, vulkanizace a úpravy.To vše má významný vliv na kompresní tuhost, chemickou odolnost a nízkoteplotní vlastnosti.
Polymery mají dlouhé, opakující se molekulární řetězce, které umožňují určitým kapalinám pronikat jimi.Na rozdíl od kovů, které mají krystalickou strukturu, se dlouhé molekuly vzájemně proplétají jako provazec vařených špaget.Fyzicky mohou pronikat velmi malé molekuly, jako je voda/pára a plyny.Některé molekuly jsou dostatečně malé, aby prošly mezerami mezi jednotlivými řetězci.
Porucha 3: Dokumentace vyšetřování analýzy poruchy obvykle začíná získáním obrázků dílů.Plochý, pružný a benzínem páchnoucí kus plastu, který jsme dostali v pátek, se však do pondělí (v době pořízení fotografie) proměnil v tvrdou kulatou trubku.Součást je údajně plášť z polyetylénu (PE) používaný k ochraně elektrických součástí pod úrovní země na čerpací stanici.Plochý pružný plastový kus, který jste obdrželi, nechrání kabel.Průnik benzinu způsobil fyzikální, nikoli chemické změny – polyetylenová trubka se nerozložila.Je však nutné proniknout do méně změkčených trubek.
Chyba 4. Mnoho průmyslových zařízení používá ocelové trubky potažené teflonem pro úpravu vody, úpravu kyselinou a tam, kde je vyloučena přítomnost kovových nečistot (například v potravinářském průmyslu).Trubky potažené teflonem mají průduchy, které umožňují odtékání vody prosakující do prstencového prostoru mezi ocelí a vyzdívkou.Vložkované trubky však mají po delším používání životnost.
Obrázek 4 ukazuje trubku s teflonovou vložkou, která se používá k zásobování HCl více než deset let.V prstencovém prostoru mezi vložkou a ocelovou trubkou se hromadí velké množství produktů koroze oceli.Produkt zatlačil výstelku dovnitř a způsobil poškození, jak je znázorněno na obrázku 5. Koroze oceli pokračuje, dokud trubka nezačne prosakovat.
Kromě toho dochází k tečení na povrchu teflonové příruby.Dotvarování je definováno jako deformace (deformace) při konstantním zatížení.Stejně jako u kovů se tečení polymerů zvyšuje s rostoucí teplotou.Na rozdíl od oceli však k tečení dochází při pokojové teplotě.S největší pravděpodobností, když se průřez povrchu příruby zmenšuje, jsou šrouby ocelové trubky příliš utaženy, dokud se neobjeví prasklina prstence, jak je znázorněno na fotografii.Kruhové trhliny dále vystavují ocelovou trubku působení HCl.
Porucha 5: Vložky z vysokohustotního polyetylenu (HDPE) se běžně používají v ropném a plynárenském průmyslu k opravě zkorodovaných ocelových potrubí vstřikování vody.Existují však specifické regulační požadavky na odlehčení tlaku vložky.Obrázky 6 a 7 ukazují vadnou vložku.Poškození jedné vložky ventilu nastane, když tlak mezikruží překročí vnitřní provozní tlak – vložka selže v důsledku proražení.U HDPE vložek je nejlepším způsobem, jak zabránit tomuto selhání, vyhnout se rychlému odtlakování potrubí.
Pevnost sklolaminátových dílů se opakovaným používáním snižuje.Několik vrstev se může časem oddělit a prasknout.API 15 HR „High Pressure Fiberglass Linear Pipe“ obsahuje prohlášení, že 20% změna tlaku je limitem testu a opravy.Část 13.1.2.8 kanadské normy CSA Z662, Petroleum and Gas Pipeline Systems, uvádí, že kolísání tlaku musí být udržováno pod 20 % jmenovitého tlaku výrobce potrubí.Jinak se může návrhový tlak snížit až o 50 %.Při navrhování FRP a FRP s opláštěním je třeba vzít v úvahu cyklické zatížení.
Porucha 6: Spodní strana (6 hodin) trubky ze skelných vláken (FRP) používaná k zásobování slanou vodou je pokryta vysokohustotním polyethylenem.Byla testována neúspěšná část, dobrá část po selhání a třetí součást (představující součást po výrobě).Zejména byl porovnán průřez porušeného úseku s průřezem prefabrikované trubky stejné velikosti (viz obrázky 8 a 9).Všimněte si, že poškozený průřez má rozsáhlé intralaminární trhliny, které se ve vyrobené trubce nevyskytují.K delaminaci došlo jak u nových, tak u vadných trubek.Delaminace je běžná u skleněných vláken s vysokým obsahem skla;Vysoký obsah skla dává větší pevnost.Potrubí bylo vystaveno velkým tlakovým výkyvům (více než 20 %) a selhalo v důsledku cyklického zatěžování.
Obrázek 9. Zde jsou další dva příčné řezy dokončeným skleněným vláknem v trubce ze skleněných vláken s vysokou hustotou potažené polyethylenem.
Během instalace na místě se připojují menší úseky potrubí – tato spojení jsou kritická.Obvykle jsou dva kusy trubky spojeny dohromady a mezera mezi trubkami je vyplněna „tmelem“.Spoje se pak obalí několika vrstvami širokorozměrné sklolaminátové výztuže a napustí pryskyřicí.Vnější povrch spoje musí mít dostatečný ocelový povlak.
Nekovové materiály, jako jsou vložky a sklolaminát, jsou viskoelastické.I když je tato charakteristika těžko vysvětlitelná, její projevy jsou běžné: k poškození obvykle dochází při instalaci, ale netěsnost nenastane okamžitě.„Viskoelasticita je vlastnost materiálu, která při deformaci vykazuje viskózní i elastické vlastnosti.Viskózní materiály (jako je med) odolávají smykovému toku a deformují se lineárně v průběhu času, když je aplikováno napětí.Elastické materiály (jako je ocel) se okamžitě deformují, ale po odstranění napětí se také rychle vrátí do původního stavu.Viskoelastické materiály mají obě vlastnosti, a proto vykazují časově proměnnou deformaci.Elasticita je typicky výsledkem natahování vazeb podél krystalických rovin v uspořádaných pevných látkách, zatímco viskozita je výsledkem difúze atomů nebo molekul v amorfním materiálu “[4].
Sklolaminátové a plastové komponenty vyžadují zvláštní péči při instalaci a manipulaci.Jinak mohou prasknout a poškození se projeví až dlouho po hydrostatické zkoušce.
K většině poruch sklolaminátových obkladů dochází v důsledku poškození při montáži [5].Hydrostatické testování je nutné, ale neodhalí drobné poškození, ke kterému může během používání dojít.
Obrázek 10. Zde jsou znázorněny vnitřní (vlevo) a vnější (vpravo) rozhraní mezi segmenty trubek ze skleněných vláken.
Defekt 7. Obrázek 10 ukazuje spojení dvou částí trubek ze skleněných vláken.Obrázek 11 ukazuje průřez spoje.Vnější povrch trubky nebyl dostatečně vyztužený a utěsněný a trubka praskla během přepravy.Doporučení pro vyztužení spojů jsou uvedena v DIN 16966, CSA Z662 a ASME NM.2.
Trubky z vysokohustotního polyetylenu jsou lehké, odolné proti korozi a běžně se používají pro plynové a vodovodní potrubí, včetně požárních hadic v továrnách.Většina poruch na těchto tratích je spojena s poškozením během výkopových prací [6].Porušení pomalého růstu trhlin (SCG) však může nastat i při relativně nízkém napětí a minimálním namáhání.Podle zpráv „SCG je běžný způsob selhání v podzemních polyetylénových (PE) potrubích s návrhovou životností 50 let“ [7].
Závada 8: V požární hadici se po více než 20 letech používání vytvořil SCG.Jeho zlomenina má následující vlastnosti:
Selhání SCG je charakterizováno lomovým vzorem: má minimální deformaci a dochází k němu v důsledku více soustředných prstenců.Jakmile se plocha SCG zvětší na přibližně 2 x 1,5 palce, trhlina se rychle šíří a makroskopické rysy se stanou méně zřetelnými (obrázky 12-14).Linka může každý týden zaznamenat změny zatížení o více než 10 %.Uvádí se, že staré spoje z HDPE jsou odolnější vůči selhání v důsledku kolísání zatížení než staré spoje z HDPE [8].Stávající zařízení by však měla zvážit vývoj SCG, protože HDPE požární hadice stárnou.
Obrázek 12. Tato fotografie ukazuje, kde se T-větev protíná s hlavním potrubím a vytváří trhlinu označenou červenou šipkou.
Rýže.14. Zde můžete zblízka vidět lomovou plochu odbočky ve tvaru T k hlavní trubce ve tvaru T.Na vnitřním povrchu jsou patrné praskliny.
Intermediate Bulk Containers (IBC) jsou vhodné pro skladování a přepravu malých množství chemikálií (obrázek 15).Jsou tak spolehlivé, že je snadné zapomenout, že jejich selhání může představovat značné nebezpečí.Selhání MDS však může mít za následek značné finanční ztráty, z nichž některé autoři zkoumají.Většina poruch je způsobena nesprávnou manipulací [9-11].Přestože se IBC zdá být snadno kontrolovatelná, je obtížné odhalit trhliny v HDPE způsobené nesprávnou manipulací.Pro správce majetku ve společnostech, které často manipulují s velkoobjemovými kontejnery obsahujícími nebezpečné produkty, jsou povinné pravidelné a důkladné vnější i vnitřní kontroly.ve Spojených státech.
U polymerů převládá ultrafialové (UV) poškození a stárnutí.To znamená, že musíme pečlivě dodržovat pokyny pro skladování O-kroužků a zvážit dopad na životnost externích součástí, jako jsou otevřené nádrže a obložení jezírek.I když potřebujeme optimalizovat (minimalizovat) rozpočet na údržbu, je nutná určitá kontrola externích součástí, zejména těch, které jsou vystaveny slunečnímu záření (obrázek 16).
Charakteristiky jako teplota skelného přechodu, deformace v tlaku, penetrace, tečení při pokojové teplotě, viskoelasticita, pomalé šíření trhlin atd. určují výkonnostní charakteristiky plastových a elastomerních dílů.Aby byla zajištěna účinná a účinná údržba kritických komponent, musí být tyto vlastnosti brány v úvahu a polymery si musí být těchto vlastností vědomy.
Autoři by rádi poděkovali zasvěceným klientům a kolegům za sdílení svých zjištění s průmyslem.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12. vydání, Thomas Press International, Londýn, Velká Británie, 1992.
2. Internetový zdroj: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Vliv teploty a povrchové úpravy O-kroužku na těsnicí schopnost Vitonu V747-75.NASA Technical Paper 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Osvědčené postupy pro kanadské producenty ropy a zemního plynu (CAPP), „Používání vyztuženého kompozitního (nekovového) potrubí“, duben 2017.
6. Maupin J. a Mamun M. Selhání, analýza rizik a rizik plastových trubek, projekt DOT č. 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi a 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. a Bryce, W., Únava plastové vodní trubky: Technická revize a doporučení pro únavový design trubky PE4710, Technická zpráva jménem Asociace plastových trubek, květen 2012.
9. Pokyny CBA/SIA pro skladování kapalin v kontejnerech pro středně velké množství, ICB vydání 2, říjen 2018 Online: www.chemical.org.uk/wp-content/uploads/2018/11/ibc-guidance-issue-2- 2018-1.pdf.
10. Beale, Christopher J., Way, Charta, Příčiny úniků IBC v chemických závodech – analýza provozních zkušeností, řada seminářů č. 154, IChemE, Rugby, Spojené království, 2008, online: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Péče o IBC Totes: Five Tips to Make Them Last, zveřejněno v Hromadné kontejnery, IBC Totes, Sustainability, zveřejněno na blog.containerexchanger.com, 15. září 2018.
Ana Benz je hlavní inženýrka ve společnosti IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Kanada T6E 5T8; Telefon: 780-577-4481; E-mail: [chráněný e-mailem]).Pracovala 24 let jako specialista na korozi, poruchy a kontroly.Mezi její zkušenosti patří provádění inspekcí s využitím pokročilých inspekčních technik a organizování programů inspekcí závodů.Mercedes-Benz slouží chemickému zpracovatelskému průmyslu, petrochemickým závodům, závodům na výrobu hnojiv a niklu po celém světě, stejně jako závodům na výrobu ropy a plynu.Získala titul v materiálovém inženýrství na Universidad Simon Bolivar ve Venezuele a magisterský titul v oboru materiálového inženýrství na University of British Columbia.Je držitelkou několika certifikací pro nedestruktivní testování Canadian General Standards Board (CGSB), stejně jako certifikace API 510 a certifikace CWB Group Level 3.Benz byl členem výkonné pobočky NACE Edmonton po dobu 15 let a předtím sloužil na různých pozicích v Edmonton Branch Canadian Welding Society.
NINGBO BODI SEALS CO.,LTD VYRÁBIL VŠECHNY DRUHYFFKM ORING,FKM ORING SOUPRAVY,
VÍTEJTE, ŽE NÁS KONTAKTUJTE ZDE, DĚKUJEME!
Čas odeslání: 18. listopadu 2023