Deze geïllustreerde gids toont enkele veelvoorkomende problemen die kunnen optreden bij polymeer- en elastomere materialen en die verschillen van de problemen die optreden bij metalen afdichtingen en componenten.
Het falen van polymere (kunststof en elastomere) componenten en de gevolgen daarvan kunnen net zo ernstig zijn als het falen van metalen apparatuur.De gepresenteerde informatie beschrijft enkele eigenschappen die van invloed zijn op polymeercomponenten van apparatuur die in industriële faciliteiten wordt gebruikt.Deze informatie is van toepassing op bepaalde erfenissenO-ringen, gevoerde buis, vezelversterkte kunststof (FRP) en gevoerde buis.Voorbeelden van eigenschappen zoals penetratie, glastemperatuur en visco-elasticiteit en hun implicaties worden besproken.
Op 28 januari 1986 schokte de ramp met het ruimteveer Challenger de wereld.De explosie vond plaats doordat de O-ring niet goed afdichtte.
De in dit artikel beschreven fouten introduceren enkele kenmerken van niet-metalen fouten die van invloed zijn op apparatuur die in industriële toepassingen wordt gebruikt.Voor elk geval worden belangrijke polymeereigenschappen besproken.
Elastomeren hebben een glasovergangstemperatuur, die wordt gedefinieerd als “de temperatuur waarbij een amorf materiaal, zoals glas of polymeer, verandert van een brosse glasachtige toestand naar een ductiele toestand” [1].
Elastomeren hebben een compressie-set – “gedefinieerd als het percentage spanning dat een elastomeer niet kan herstellen na een vaste periode bij een bepaalde extrusie en temperatuur” [2].Volgens de auteur verwijst compressie naar het vermogen van rubber om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm.In veel gevallen wordt de compressieversterking gecompenseerd door enige expansie die optreedt tijdens gebruik.Zoals het onderstaande voorbeeld laat zien, is dit echter niet altijd het geval.
Fout 1: Lage omgevingstemperatuur (36°F) voorafgaand aan de lancering resulteerde in onvoldoende Viton O-ringen op de Space Shuttle Challenger.Zoals blijkt uit verschillende ongevalsonderzoeken: “Bij temperaturen onder 50°F is de Viton V747-75 O-ring niet flexibel genoeg om de opening van de testopening te volgen” [3].De glasovergangstemperatuur zorgt ervoor dat de Challenger O-ring niet goed afdicht.
Probleem 2: De afdichtingen getoond in figuren 1 en 2 worden voornamelijk blootgesteld aan water en stoom.De afdichtingen werden ter plaatse gemonteerd met behulp van ethyleenpropyleendieenmonomeer (EPDM).Ze testen echter fluorelastomeren (FKM) zoals Viton) en perfluorelastomeer (FFKM) zoals Kalrez O-ringen.Hoewel de maten variëren, hebben alle O-ringen die in Figuur 2 worden getoond, dezelfde maat:
Wat is er gebeurd?Het gebruik van stoom kan een probleem zijn voor elastomeren.Voor stoomtoepassingen boven 250°F moeten uitzettings- en krimpvervormingen FKM en FFKM in aanmerking worden genomen bij het berekenen van het pakkingontwerp.Verschillende elastomeren hebben bepaalde voor- en nadelen, zelfs die met een hoge chemische weerstand.Eventuele wijzigingen vereisen zorgvuldig onderhoud.
Algemene opmerkingen over elastomeren.Over het algemeen is het gebruik van elastomeren bij temperaturen boven 250°F en onder 35°F specialistisch en vereist mogelijk input van de ontwerper.
Het is belangrijk om de gebruikte elastomere samenstelling te bepalen.Fouriertransformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) kan onderscheid maken tussen aanzienlijk verschillende soorten elastomeren, zoals de hierboven genoemde EPDM, FKM en FFKM.Testen om de ene FKM-verbinding van de andere te onderscheiden, kunnen echter een uitdaging zijn.O-ringen gemaakt door verschillende fabrikanten kunnen verschillende vulstoffen, vulkanisaties en behandelingen hebben.Dit alles heeft een aanzienlijke impact op de compressieset, chemische weerstand en eigenschappen bij lage temperaturen.
Polymeren hebben lange, zich herhalende moleculaire ketens waardoor bepaalde vloeistoffen erin kunnen binnendringen.In tegenstelling tot metalen, die een kristallijne structuur hebben, zijn lange moleculen met elkaar verweven als een streng gekookte spaghetti.Fysisch gezien kunnen zeer kleine moleculen zoals water/stoom en gassen binnendringen.Sommige moleculen zijn klein genoeg om door de gaten tussen individuele ketens te passen.
Fout 3: Normaal gesproken begint het documenteren van een foutanalyseonderzoek met het verkrijgen van afbeeldingen van de onderdelen.Het platte, flexibele, naar benzine ruikende stuk plastic dat we vrijdag ontvingen, was echter maandag (het tijdstip waarop de foto werd genomen) veranderd in een harde ronde pijp.Het onderdeel is naar verluidt een buismantel van polyethyleen (PE) die wordt gebruikt om elektrische componenten onder het maaiveld van een benzinestation te beschermen.Het platte, flexibele plastic stuk dat je ontving, beschermde de kabel niet.Het binnendringen van benzine veroorzaakte fysieke, en geen chemische veranderingen – de polyethyleen buis ontbond niet.Het is echter noodzakelijk om minder verweekte leidingen binnen te dringen.
Fout 4. Veel industriële faciliteiten gebruiken met Teflon gecoate stalen buizen voor waterbehandeling, zuurbehandeling en waar de aanwezigheid van metaalverontreinigingen is uitgesloten (bijvoorbeeld in de voedingsindustrie).Met teflon gecoate buizen zijn voorzien van ventilatieopeningen waardoor water in de ringvormige ruimte tussen het staal en de bekleding kan wegvloeien.Gevoerde buizen zijn echter na langdurig gebruik houdbaar.
Figuur 4 toont een met teflon beklede leiding die al ruim tien jaar wordt gebruikt voor de aanvoer van HCl.Een grote hoeveelheid staalcorrosieproducten hoopt zich op in de ringvormige ruimte tussen de voering en de stalen buis.Het product duwde de voering naar binnen en veroorzaakte schade, zoals weergegeven in figuur 5. De corrosie van het staal gaat door totdat de buis begint te lekken.
Bovendien treedt kruip op het Teflon-flensoppervlak op.Kruip wordt gedefinieerd als vervorming (vervorming) onder constante belasting.Net als bij metalen neemt de kruip van polymeren toe bij toenemende temperatuur.In tegenstelling tot staal treedt kruip echter op bij kamertemperatuur.Hoogstwaarschijnlijk worden, naarmate de dwarsdoorsnede van het flensoppervlak afneemt, de bouten van de stalen buis te vast aangedraaid totdat de ringscheur verschijnt, weergegeven op de foto.Ronde scheuren stellen de stalen buis verder bloot aan HCl.
Fout 5: Hogedichtheidpolyethyleen (HDPE) voeringen worden vaak gebruikt in de olie- en gasindustrie om gecorrodeerde stalen waterinjectieleidingen te repareren.Er zijn echter specifieke wettelijke vereisten voor drukontlasting van de voering.Figuren 6 en 7 tonen een defecte voering.Schade aan een enkele klepvoering treedt op wanneer de druk in de annulus de interne werkdruk overschrijdt – de voering faalt als gevolg van penetratie.Bij HDPE-voeringen is de beste manier om dit falen te voorkomen het vermijden van een snelle drukverlaging van de leiding.
De sterkte van glasvezelonderdelen neemt af bij herhaald gebruik.Verschillende lagen kunnen na verloop van tijd delamineren en barsten.API 15 HR “High Pressure Fiberglass Linear Pipe” bevat een verklaring dat een drukverandering van 20% de test- en reparatielimiet is.Paragraaf 13.1.2.8 van de Canadese norm CSA Z662, Petroleum and Gas Pipeline Systems, specificeert dat drukschommelingen onder de 20% van de drukwaarde van de fabrikant van de leidingen moeten worden gehouden.Anders kan de ontwerpdruk tot 50% worden verlaagd.Bij het ontwerpen van FRP en FRP met bekleding moet rekening worden gehouden met cyclische belastingen.
Fout 6: De onderkant (6 uur) van de glasvezelbuis (FRP) die wordt gebruikt om zout water aan te voeren, is bedekt met polyethyleen met hoge dichtheid.Het defecte onderdeel, het goede onderdeel na een storing en het derde onderdeel (dat het postproductieonderdeel vertegenwoordigt) werden getest.In het bijzonder werd de dwarsdoorsnede van het bezwijkende gedeelte vergeleken met de dwarsdoorsnede van een geprefabriceerde buis van dezelfde maat (zie figuren 8 en 9).Merk op dat de defecte dwarsdoorsnede uitgebreide intralaminaire scheuren vertoont die niet aanwezig zijn in de gefabriceerde buis.Delaminatie trad op bij zowel nieuwe als defecte leidingen.Delaminatie komt veel voor bij glasvezel met een hoog glasgehalte;Een hoog glasgehalte geeft een grotere sterkte.De leiding was onderhevig aan hevige drukschommelingen (meer dan 20%) en begaf het door cyclische belasting.
Figuur 9. Hier zijn nog twee dwarsdoorsneden van afgewerkt glasvezel in een met polyethyleen beklede glasvezelbuis met hoge dichtheid.
Tijdens de installatie ter plaatse worden kleinere leidingstukken aangesloten; deze verbindingen zijn van cruciaal belang.Normaal gesproken worden twee stukken pijp tegen elkaar geplakt en wordt de opening tussen de pijpen opgevuld met "stopverf".De voegen worden vervolgens omwikkeld met meerdere lagen glasvezelversterking over de brede breedte en geïmpregneerd met hars.Het buitenoppervlak van de verbinding moet voldoende staalcoating hebben.
Niet-metalen materialen zoals voeringen en glasvezel zijn visco-elastisch.Hoewel dit kenmerk moeilijk uit te leggen is, zijn de manifestaties ervan gebruikelijk: schade treedt meestal op tijdens de installatie, maar lekkage treedt niet onmiddellijk op.“Visco-elasticiteit is een eigenschap van een materiaal dat bij vervorming zowel viskeuze als elastische eigenschappen vertoont.Viskeuze materialen (zoals honing) zijn bestand tegen schuifvloeiing en vervormen lineair in de loop van de tijd wanneer er spanning op wordt uitgeoefend.Elastische materialen (zoals staal) zullen direct vervormen, maar ook snel terugkeren naar hun oorspronkelijke staat nadat de spanning is weggenomen.Visco-elastische materialen hebben beide eigenschappen en vertonen daarom in de tijd variërende vervorming.Elasticiteit is doorgaans het resultaat van het uitrekken van bindingen langs kristallijne vlakken in geordende vaste stoffen, terwijl viscositeit het gevolg is van de diffusie van atomen of moleculen in een amorf materiaal” [4].
Glasvezel- en kunststofonderdelen vereisen speciale zorg tijdens de installatie en het gebruik.Anders kunnen ze barsten en wordt schade pas lang na de hydrostatische test zichtbaar.
De meeste defecten aan glasvezelvoeringen treden op als gevolg van schade tijdens de installatie [5].Hydrostatisch testen is noodzakelijk, maar kleine schade die tijdens gebruik kan optreden wordt niet gedetecteerd.
Figuur 10. Hier worden de binnenste (links) en buitenste (rechts) interfaces tussen glasvezelpijpsegmenten weergegeven.
Defect 7. Figuur 10 toont de verbinding van twee delen glasvezelbuizen.Figuur 11 toont de dwarsdoorsnede van de verbinding.Het buitenoppervlak van de buis was niet voldoende versterkt en afgedicht en de buis brak tijdens transport.Aanbevelingen voor het versterken van verbindingen worden gegeven in DIN 16966, CSA Z662 en ASME NM.2.
Leidingen van polyethyleen met hoge dichtheid zijn lichtgewicht, corrosiebestendig en worden vaak gebruikt voor gas- en waterleidingen, inclusief brandslangen op fabrieksterreinen.De meeste storingen op deze lijnen houden verband met schade die is opgelopen tijdens graafwerkzaamheden [6].Het falen van langzame scheurgroei (SCG) kan echter ook optreden bij relatief lage spanningen en minimale spanningen.Volgens rapporten is “SCG een veel voorkomende faalwijze in ondergrondse polyethyleen (PE) pijpleidingen met een ontwerplevensduur van 50 jaar” [7].
Fout 8: SCG heeft zich na ruim 20 jaar gebruik in de brandslang gevormd.De breuk heeft de volgende kenmerken:
SCG-falen wordt gekenmerkt door een breukpatroon: het heeft minimale vervorming en treedt op als gevolg van meerdere concentrische ringen.Zodra het SCG-oppervlak groter wordt tot ongeveer 6 x 1,5 inch, plant de scheur zich snel voort en worden de macroscopische kenmerken minder duidelijk (figuren 12-14).De lijn kan wekelijks lastveranderingen van meer dan 10% ervaren.Er is gerapporteerd dat oude HDPE-verbindingen beter bestand zijn tegen falen als gevolg van belastingsschommelingen dan oude HDPE-verbindingen [8].Bestaande faciliteiten zouden echter moeten overwegen om SCG te ontwikkelen naarmate HDPE-brandslangen ouder worden.
Figuur 12. Deze foto laat zien waar de T-aftakking de hoofdleiding kruist, waardoor de scheur ontstaat die wordt aangegeven door de rode pijl.
Rijst.14. Hier kun je van dichtbij het breukvlak zien van de T-vormige aftakking naar de T-vormige hoofdbuis.Er zijn duidelijke scheuren aan de binnenkant.
Intermediate Bulk Containers (IBC’s) zijn geschikt voor de opslag en het transport van kleine hoeveelheden chemicaliën (Figuur 15).Ze zijn zo betrouwbaar dat je gemakkelijk vergeet dat hun falen een aanzienlijk gevaar kan vormen.Mislukkingen van MDS kunnen echter leiden tot aanzienlijke financiële verliezen, waarvan sommige door de auteurs zijn onderzocht.De meeste storingen worden veroorzaakt door onjuiste behandeling [9-11].Hoewel IBC eenvoudig te inspecteren lijkt, zijn scheuren in HDPE, veroorzaakt door onjuiste behandeling, moeilijk te detecteren.Voor vermogensbeheerders in bedrijven die veelvuldig bulkcontainers met gevaarlijke producten hanteren, zijn regelmatige en grondige externe en interne inspecties verplicht.in de Verenigde Staten.
Ultraviolette (UV) schade en veroudering komen veel voor in polymeren.Dit betekent dat we de opslaginstructies voor O-ringen zorgvuldig moeten volgen en rekening moeten houden met de impact op de levensduur van externe componenten zoals open tanks en vijverbekleding.Hoewel we het onderhoudsbudget moeten optimaliseren (minimaliseren), is enige inspectie van externe componenten noodzakelijk, vooral die welke zijn blootgesteld aan zonlicht (Figuur 16).
Kenmerken zoals glasovergangstemperatuur, compressieset, penetratie, kruip bij kamertemperatuur, visco-elasticiteit, langzame scheurvoortplanting, enz. bepalen de prestatiekenmerken van kunststof en elastomere onderdelen.Om effectief en efficiënt onderhoud van kritische componenten te garanderen, moet met deze eigenschappen rekening worden gehouden, en polymeren moeten zich van deze eigenschappen bewust zijn.
De auteurs willen graag inzichtelijke klanten en collega's bedanken voor het delen van hun bevindingen met de industrie.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12e editie, Thomas Press International, Londen, VK, 1992.
2. Internetbron: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Effect van temperatuur en oppervlaktebehandeling van O-ringen op het afdichtingsvermogen van Viton V747-75.NASA technisch document 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. en Mamun M. Falen, risico- en gevarenanalyse van plastic buizen, DOT-project nr. 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi en Jingyan Zheng, Mechanismen van langzame scheurgroei in polyethyleen: eindige elementenmethoden, 2015 ASME Pressure Vessels and Piping Conference, Boston, MA, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M., en Bryce, W., Vermoeidheid van plastic waterleidingen: technisch overzicht en aanbevelingen voor het vermoeiingsontwerp van PE4710-buizen, technisch rapport namens de Plastic Pipe Association, mei 2012.
9. CBA/SIA-richtlijnen voor de opslag van vloeistoffen in middelgrote bulkcontainers, ICB uitgave 2, oktober 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, VK, 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, gepost in Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, gepost op blog.containerexchanger.com, 15 september 2018.
Ana Benz is hoofdingenieur bij IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8; telefoon: 780-577-4481; e-mail: [email protected]).Ze werkte 24 jaar als corrosie-, faal- en inspectiespecialist.Haar ervaring omvat onder meer het uitvoeren van inspecties met behulp van geavanceerde inspectietechnieken en het organiseren van fabrieksinspectieprogramma's.Mercedes-Benz bedient wereldwijd de chemische verwerkende industrie, petrochemische fabrieken, kunstmestfabrieken en nikkelfabrieken, evenals olie- en gasproductie-installaties.Ze behaalde een diploma in materiaalkunde aan de Universidad Simon Bolivar in Venezuela en een masterdiploma in materiaalkunde aan de Universiteit van British Columbia.Ze heeft verschillende niet-destructieve testcertificeringen van de Canadian General Standards Board (CGSB), evenals API 510-certificering en CWB Group Level 3-certificering.Benz was 15 jaar lang lid van de NACE Edmonton Executive Branch en bekleedde voorheen verschillende functies bij de Edmonton Branch Canadian Welding Society.
NINGBO BODI SEALS CO.,LTD PRODUCEERDE ALLE SOORTENFFKM ORING,FKM ORINGKITS,
WELKOM OM HIER CONTACT MET ONS OP TE NEMEN, BEDANKT!
Posttijd: 18-nov-2023