В этом иллюстрированном руководстве показаны некоторые распространенные проблемы, которые могут возникнуть с полимерными и эластомерными материалами и которые отличаются от тех, которые возникают с металлическими уплотнениями и компонентами.
Выход из строя полимерных (пластмассовых и эластомерных) компонентов и его последствия могут быть столь же серьезными, как и выход из строя металлического оборудования.Представленная информация описывает некоторые свойства, влияющие на полимерные компоненты оборудования, используемого на промышленных объектах.Эта информация относится к некоторым устаревшимуплотнительные кольца, футерованная труба, армированный волокном пластик (FRP) и футерованная труба.Обсуждаются примеры таких свойств, как проникновение, температура стекла и вязкоупругость, а также их значение.
28 января 1986 года мир потрясла катастрофа космического корабля «Челленджер».Взрыв произошел из-за того, что уплотнительное кольцо не загерметизировалось должным образом.
Неисправности, описанные в этой статье, знакомят с некоторыми характеристиками неметаллических неисправностей, влияющих на оборудование, используемое в промышленности.Для каждого случая обсуждаются важные свойства полимера.
Эластомеры имеют температуру стеклования, которая определяется как «температура, при которой аморфный материал, такой как стекло или полимер, переходит из хрупкого стеклообразного состояния в пластичное состояние» [1].
Эластомеры имеют остаточную деформацию при сжатии – «определяемую как процент деформации, которую эластомер не может восстановить через фиксированный период времени при данной экструзии и температуре» [2].По мнению автора, под сжатием понимается способность резины возвращаться к исходной форме.Во многих случаях выигрыш от сжатия компенсируется некоторым расширением, возникающим во время использования.Однако, как показывает пример ниже, это не всегда так.
Неисправность 1: Низкая температура окружающей среды (36°F) перед запуском привела к недостаточному количеству уплотнительных колец из витона на космическом корабле "Челленджер".Как указано в различных расследованиях несчастных случаев: «При температуре ниже 50°F уплотнительное кольцо Viton V747-75 недостаточно гибкое, чтобы отслеживать открытие испытательного зазора» [3].Температура стеклования приводит к тому, что уплотнительное кольцо Challenger не обеспечивает должного уплотнения.
Проблема 2. Уплотнения, показанные на рисунках 1 и 2, в первую очередь подвергаются воздействию воды и пара.Уплотнения были собраны на месте с использованием этиленпропилендиенового мономера (EPDM).Однако они тестируют фторэластомеры (FKM), такие как Viton) и перфторэластомеры (FFKM), такие как уплотнительные кольца Kalrez.Хотя размеры различаются, все уплотнительные кольца, показанные на рисунке 2, изначально имеют одинаковый размер:
Что случилось?Использование пара может стать проблемой для эластомеров.Для применения с паром при температуре выше 250°F при расчете конструкции уплотнения необходимо учитывать деформации расширения и сжатия FKM и FFKM.Различные эластомеры имеют определенные преимущества и недостатки, даже те, которые обладают высокой химической стойкостью.Любые изменения требуют тщательного обслуживания.
Общие замечания по эластомерам.В целом, использование эластомеров при температурах выше 250°F и ниже 35°F является специализированным и может потребовать участия дизайнера.
Важно определиться с используемым эластомерным составом.Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) позволяет различать существенно разные типы эластомеров, такие как EPDM, FKM и FFKM, упомянутые выше.Однако тестирование, позволяющее отличить одно соединение FKM от другого, может оказаться сложной задачей.Уплотнительные кольца разных производителей могут иметь разные наполнители, вулканизацию и обработку.Все это оказывает существенное влияние на остаточную деформацию, химическую стойкость и низкотемпературные характеристики.
Полимеры имеют длинные повторяющиеся молекулярные цепи, которые позволяют определенным жидкостям проникать в них.В отличие от металлов, имеющих кристаллическую структуру, длинные молекулы переплетаются друг с другом, как прядь приготовленных спагетти.Физически могут проникать очень маленькие молекулы, такие как вода/пар и газы.Некоторые молекулы достаточно малы, чтобы пройти через промежутки между отдельными цепями.
Отказ 3: Обычно документирование расследования анализа отказов начинается с получения изображений деталей.Однако плоский, гибкий, пахнущий бензином кусок пластика, полученный в пятницу, к понедельнику (в то время, когда была сделана фотография) превратился в твердую круглую трубку.Сообщается, что этот компонент представляет собой полиэтиленовую (ПЭ) оболочку трубы, используемую для защиты электрических компонентов ниже уровня земли на заправочной станции.Полученный вами плоский гибкий пластиковый элемент не защитил кабель.Проникновение бензина вызвало физические, а не химические изменения – полиэтиленовая труба не разложилась.Однако необходимо проникать в менее размягченные трубы.
Неисправность 4. На многих промышленных объектах для водоподготовки, кислотной обработки и там, где исключено наличие металлических примесей (например, в пищевой промышленности), используются стальные трубы с тефлоновым покрытием.Трубы с тефлоновым покрытием имеют вентиляционные отверстия, которые позволяют воде, просачивающейся в кольцевое пространство между сталью и футеровкой, стекать.Однако футерованные трубы имеют срок годности после длительного использования.
На рисунке 4 показана труба с тефлоновым покрытием, которая использовалась для подачи HCl более десяти лет.В кольцевом пространстве между вкладышем и стальной трубой скапливается большое количество продуктов коррозии стали.Продукт протолкнул облицовку внутрь, вызвав повреждение, как показано на рисунке 5. Коррозия стали продолжается до тех пор, пока труба не начнет протекать.
Кроме того, на тефлоновой поверхности фланца происходит ползучесть.Ползучесть определяется как деформация (деформация) под действием постоянной нагрузки.Как и в случае с металлами, ползучесть полимеров увеличивается с повышением температуры.Однако, в отличие от стали, ползучесть происходит при комнатной температуре.Скорее всего, по мере уменьшения сечения поверхности фланца болты стальной трубы перетягиваются до появления кольцевой трещины, показанной на фото.Круглые трещины еще больше подвергают стальную трубу воздействию HCl.
Неисправность 5. Вкладыши из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) обычно используются в нефтегазовой промышленности для ремонта корродированных стальных линий нагнетания воды.Однако существуют особые нормативные требования к сбросу давления в хвостовике.На рисунках 6 и 7 показан вышедший из строя лайнер.Повреждение вкладыша одного клапана происходит, когда давление в кольцевом пространстве превышает внутреннее рабочее давление – вкладыш выходит из строя из-за проникновения.Для вкладышей из ПЭВП лучший способ предотвратить этот отказ – избегать быстрой разгерметизации трубы.
Прочность деталей из стеклопластика снижается при многократном использовании.Несколько слоев со временем могут расслаиваться и трескаться.API 15 HR «Линейная труба из стекловолокна высокого давления» содержит заявление о том, что изменение давления на 20% является пределом испытаний и ремонта.В разделе 13.1.2.8 канадского стандарта CSA Z662 «Нефтяные и газопроводные системы» указано, что колебания давления должны поддерживаться на уровне ниже 20 % от номинального давления, указанного производителем труб.В противном случае расчетное давление может снизиться до 50%.При проектировании стеклопластика и стеклопластика с облицовкой необходимо учитывать циклические нагрузки.
Неисправность 6: Нижняя (6 часов) сторона стекловолоконной (FRP) трубы, используемой для подачи соленой воды, покрыта полиэтиленом высокой плотности.Были протестированы вышедшая из строя деталь, исправная деталь после отказа и третий компонент (представляющий собой постпроизводственный компонент).В частности, сечение вышедшего из строя участка сравнивалось с сечением сборной трубы того же размера (см. рисунки 8 и 9).Обратите внимание, что разрушенное поперечное сечение имеет обширные внутриламинарные трещины, которых нет в изготовленной трубе.Расслоение произошло как в новых, так и в вышедших из строя трубах.Расслоение часто встречается в стекловолокне с высоким содержанием стекла;Высокое содержание стекла придает большую прочность.Трубопровод подвергался сильным колебаниям давления (более 20%) и вышел из строя из-за циклической нагрузки.
Рисунок 9. Вот еще два сечения готового стекловолокна в стеклопластиковой трубе с футеровкой из полиэтилена высокой плотности.
При монтаже на месте соединяются меньшие участки труб – эти соединения имеют решающее значение.Обычно два куска трубы стыкуются, а зазор между трубами заполняется «замазкой».Затем стыки оборачиваются несколькими слоями стекловолоконной арматуры широкой ширины и пропитываются смолой.Наружная поверхность соединения должна иметь достаточное стальное покрытие.
Неметаллические материалы, такие как вкладыши и стекловолокно, являются вязкоупругими.Хотя эту характеристику трудно объяснить, ее проявления распространены: повреждение обычно происходит при монтаже, но протечка не возникает сразу.«Вязкоупругость — это свойство материала, который при деформации проявляет как вязкие, так и упругие свойства.Вязкие материалы (например, мед) сопротивляются сдвиговому течению и линейно деформируются со временем при приложении напряжения.Эластичные материалы (например, сталь) немедленно деформируются, но также быстро возвращаются в исходное состояние после снятия напряжения.Вязкоэластичные материалы обладают обоими свойствами и поэтому демонстрируют изменяющуюся во времени деформацию.Эластичность обычно возникает в результате растяжения связей вдоль кристаллических плоскостей в упорядоченных твердых телах, тогда как вязкость возникает в результате диффузии атомов или молекул внутри аморфного материала» [4].
Детали из стекловолокна и пластика требуют особого ухода при установке и обращении.В противном случае они могут треснуть, и повреждение может проявиться лишь спустя долгое время после гидростатических испытаний.
Большинство отказов стеклопластиковых накладок происходит из-за повреждений при монтаже [5].Гидростатические испытания необходимы, но они не позволяют обнаружить незначительные повреждения, которые могут возникнуть во время использования.
Рисунок 10. Здесь показаны внутренняя (слева) и внешняя (справа) границы раздела между сегментами стеклопластиковой трубы.
Дефект 7. На рисунке 10 показано соединение двух участков стеклопластиковых труб.На рисунке 11 показано поперечное сечение соединения.Наружная поверхность трубы не была достаточно армирована и герметизирована, и при транспортировке труба сломалась.Рекомендации по усилению соединений приведены в DIN 16966, CSA Z662 и ASME NM.2.
Трубы из полиэтилена высокой плотности легкие, устойчивы к коррозии и обычно используются для газо- и водопроводных труб, в том числе пожарных рукавов на заводских площадках.Большинство аварий на этих линиях связано с повреждениями, полученными при земляных работах [6].Однако разрушение с медленным ростом трещины (SCG) также может произойти при относительно низких напряжениях и минимальных деформациях.По имеющимся данным, «SCG является распространенным видом отказа в подземных трубопроводах из полиэтилена (ПЭ) с расчетным сроком службы 50 лет» [7].
Неисправность 8: после более чем 20 лет эксплуатации в пожарном рукаве образовался SCG.Его перелом имеет следующие характеристики:
Разрушение ЗКГ характеризуется характером разрушения: оно имеет минимальную деформацию и происходит за счет множественных концентрических колец.Как только площадь SCG увеличивается примерно до 2 x 1,5 дюймов, трещина быстро распространяется, и макроскопические особенности становятся менее очевидными (рис. 12-14).На линии могут наблюдаться изменения нагрузки более чем на 10% каждую неделю.Сообщается, что старые соединения из ПЭВП более устойчивы к разрушению из-за колебаний нагрузки, чем старые соединения из ПЭВП [8].Однако существующим объектам следует рассмотреть возможность разработки SCG по мере старения пожарных рукавов из полиэтилена высокой плотности.
Рисунок 12. На этой фотографии показано, где Т-образное ответвление пересекается с основной трубой, образуя трещину, указанную красной стрелкой.
Рис.14. Здесь вблизи видна поверхность излома Т-образного ответвления к основной Т-образной трубе.На внутренней поверхности имеются явные трещины.
Промежуточные контейнеры для массовых грузов (IBC) подходят для хранения и транспортировки небольших количеств химикатов (рис. 15).Они настолько надежны, что легко забыть, что их выход из строя может представлять значительную опасность.Однако сбои MDS могут привести к значительным финансовым потерям, некоторые из которых рассматриваются авторами.Большинство отказов вызвано неправильным обращением [9-11].Хотя IBC кажется простым для проверки, трещины в полиэтилене высокой плотности, вызванные неправильным обращением, обнаружить сложно.Для управляющих активами в компаниях, которые часто работают с контейнерами для массовых грузов, содержащими опасные продукты, регулярные и тщательные внешние и внутренние проверки являются обязательными.В Соединенных Штатах.
В полимерах преобладают ультрафиолетовое (УФ) повреждение и старение.Это означает, что мы должны тщательно следовать инструкциям по хранению уплотнительных колец и учитывать влияние на срок службы внешних компонентов, таких как резервуары с открытым верхом и облицовка пруда.Хотя нам необходимо оптимизировать (минимизировать) бюджет на техническое обслуживание, необходима некоторая проверка внешних компонентов, особенно тех, которые подвергаются воздействию солнечного света (рис. 16).
Такие характеристики, как температура стеклования, остаточная деформация при сжатии, проникновение, ползучесть при комнатной температуре, вязкоупругость, медленное распространение трещин и т. д., определяют эксплуатационные характеристики пластиковых и эластомерных деталей.Чтобы обеспечить эффективное и действенное обслуживание критически важных компонентов, необходимо учитывать эти свойства, и полимеры должны знать об этих свойствах.
Авторы хотели бы поблагодарить проницательных клиентов и коллег за то, что они поделились своими выводами с представителями отрасли.
1. Льюис-старший, Ричард Дж., Краткий химический словарь Хоули, 12-е издание, Thomas Press International, Лондон, Великобритания, 1992.
2. Интернет-источник: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Лач, Синтия Л., Влияние температуры и обработки поверхности уплотнительного кольца на герметизирующую способность Viton V747-75.Технический документ НАСА 3391, 1993 г., https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Передовой опыт для канадских производителей нефти и газа (CAPP), «Использование армированного композитного (неметаллического) трубопровода», апрель 2017 г.
6. Мопин Дж. и Мамун М. Анализ отказов, рисков и опасностей пластиковых труб, проект DOT № 194, 2009 г.
7. Сянпэн Луо, Цзяньфэн Ши и Цзинъянь Чжэн, Механизмы медленного роста трещин в полиэтилене: методы конечных элементов, Конференция ASME по сосудам и трубопроводам под давлением, 2015 г., Бостон, Массачусетс, 2015 г.
8. Олифант К., Конрад М. и Брайс В. Усталость пластиковых водопроводных труб: технический обзор и рекомендации по усталостному расчету труб PE4710, Технический отчет от имени Ассоциации пластиковых труб, май 2012 г.
9. Рекомендации CBA/SIA по хранению жидкостей в контейнерах для массовых грузов, ICB, выпуск 2, октябрь 2018 г., онлайн: www.chemical.org.uk/wp-content/uploads/2018/11/ibc-guidance-issue-2- 2018-1.pdf.
10. Бил, Кристофер Дж., Уэй, Хартия, причины утечек IBC на химических заводах – анализ опыта эксплуатации, серия семинаров № 154, IChemE, Регби, Великобритания, 2008 г., онлайн: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Мэдден Д., Уход за сумками IBC: пять советов, как сделать их долговечными, опубликовано в разделе Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, опубликовано на сайте blog.containerexchanger.com, 15 сентября 2018 г.
Ана Бенц — главный инженер IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8; телефон: 780-577-4481; электронная почта: [email protected]).В течение 24 лет она проработала специалистом по коррозии, отказам и инспекциям.Ее опыт включает проведение проверок с использованием передовых методов проверки и организацию программ проверки предприятий.Mercedes-Benz обслуживает предприятия химической перерабатывающей промышленности, нефтехимические заводы, заводы по производству удобрений и никелевые заводы по всему миру, а также заводы по добыче нефти и газа.Она получила степень в области инженерии материалов в Университете Симона Боливара в Венесуэле и степень магистра в области технологии материалов в Университете Британской Колумбии.Она имеет несколько сертификатов неразрушающего контроля Канадского совета по общим стандартам (CGSB), а также сертификат API 510 и сертификат CWB Group Level 3.Бенц был членом исполнительного органа NACE в Эдмонтоне в течение 15 лет, а ранее занимал различные должности в Эдмонтонском филиале Канадского общества сварщиков.
NINGBO BODI SEALS CO., LTD ПРОИЗВОДИТ ВСЕ ВИДЫФФКМ ОРИНГ, КОМПЛЕКТЫ УПЛОТНЕНИЙ FKM ,
ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ ЗДЕСЬ, СПАСИБО!
Время публикации: 18 ноября 2023 г.