Esta guía ilustrada muestra algunos problemas comunes que pueden ocurrir con materiales poliméricos y elastoméricos que son diferentes de los que ocurren con sellos y componentes metálicos.
La falla de los componentes poliméricos (plásticos y elastoméricos) y sus consecuencias pueden ser tan graves como las fallas de los equipos metálicos.La información presentada describe algunas de las propiedades que afectan a los componentes poliméricos de los equipos utilizados en instalaciones industriales.Esta información se aplica a algunos legados.juntas tóricas, tubería revestida, plástico reforzado con fibra (FRP) y tubería revestida.Se discuten ejemplos de propiedades tales como penetración, temperatura del vidrio y viscoelasticidad y sus implicaciones.
El 28 de enero de 1986, el desastre del transbordador espacial Challenger conmocionó al mundo.La explosión se produjo porque la junta tórica no selló correctamente.
Las fallas descritas en este artículo presentan algunas de las características de las fallas no metálicas que afectan a los equipos utilizados en aplicaciones industriales.Para cada caso, se discuten propiedades importantes del polímero.
Los elastómeros tienen una temperatura de transición vítrea, que se define como “la temperatura a la que un material amorfo, como el vidrio o el polímero, cambia de un estado vítreo frágil a un estado dúctil” [1].
Los elastómeros tienen deformación por compresión, “definida como el porcentaje de deformación que un elastómero no puede recuperar después de un período de tiempo fijo a una extrusión y temperatura determinadas” [2].Según el autor, la compresión se refiere a la capacidad del caucho de volver a su forma original.En muchos casos, la ganancia de compresión se ve compensada por cierta expansión que se produce durante el uso.Sin embargo, como muestra el siguiente ejemplo, este no es siempre el caso.
Fallo 1: La baja temperatura ambiente (36°F) antes del lanzamiento resultó en juntas tóricas de Viton insuficientes en el transbordador espacial Challenger.Como se indica en varias investigaciones de accidentes: “A temperaturas inferiores a 50 °F, la junta tórica de Viton V747-75 no es lo suficientemente flexible para seguir la apertura del espacio de prueba” [3].La temperatura de transición vítrea hace que la junta tórica Challenger no selle correctamente.
Problema 2: Los sellos que se muestran en las Figuras 1 y 2 están expuestos principalmente al agua y al vapor.Los sellos se ensamblaron in situ utilizando monómero de etileno propileno dieno (EPDM).Sin embargo, están probando fluoroelastómeros (FKM) como Viton) y perfluoroelastómeros (FFKM) como las juntas tóricas Kalrez.Aunque los tamaños varían, todas las juntas tóricas que se muestran en la Figura 2 comienzan con el mismo tamaño:
¿Qué ha pasado?El uso de vapor puede ser un problema para los elastómeros.Para aplicaciones de vapor por encima de 250°F, se deben tener en cuenta las deformaciones de expansión y contracción FKM y FFKM en los cálculos de diseño del empaque.Los diferentes elastómeros tienen ciertas ventajas y desventajas, incluso aquellos que tienen una alta resistencia química.Cualquier cambio requiere un mantenimiento cuidadoso.
Notas generales sobre elastómeros.En general, el uso de elastómeros a temperaturas superiores a 250 °F y inferiores a 35 °F es especializado y puede requerir la participación del diseñador.
Es importante determinar la composición elastomérica utilizada.La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) puede distinguir entre tipos significativamente diferentes de elastómeros, como EPDM, FKM y FFKM mencionados anteriormente.Sin embargo, realizar pruebas para distinguir un compuesto de FKM de otro puede resultar complicado.Las juntas tóricas fabricadas por diferentes fabricantes pueden tener diferentes rellenos, vulcanizaciones y tratamientos.Todo esto tiene un impacto significativo en la deformación por compresión, la resistencia química y las características de baja temperatura.
Los polímeros tienen cadenas moleculares largas y repetidas que permiten que ciertos líquidos penetren en ellos.A diferencia de los metales, que tienen una estructura cristalina, las moléculas largas se entrelazan entre sí como una hebra de espagueti cocido.Físicamente pueden penetrar moléculas muy pequeñas como agua/vapor y gases.Algunas moléculas son lo suficientemente pequeñas como para pasar por los espacios entre cadenas individuales.
Falla 3: Normalmente, la documentación de una investigación de análisis de fallas comienza con la obtención de imágenes de las piezas.Sin embargo, el trozo de plástico plano, flexible y con olor a gasolina recibido el viernes se había convertido en un tubo redondo y duro el lunes (cuando se tomó la foto).Según se informa, el componente es una camisa de tubería de polietileno (PE) utilizada para proteger los componentes eléctricos bajo el nivel del suelo en una gasolinera.La pieza plana de plástico flexible que recibió no protegió el cable.La penetración de gasolina provocó cambios físicos, no químicos: la tubería de polietileno no se descompuso.Sin embargo, es necesario penetrar en tuberías menos blandas.
Fallo 4. Muchas instalaciones industriales utilizan tuberías de acero recubiertas de teflón para el tratamiento de agua, tratamiento de ácido y donde se excluye la presencia de contaminantes metálicos (por ejemplo, en la industria alimentaria).Las tuberías recubiertas de teflón tienen respiraderos que permiten que se drene el agua que se filtra en el espacio anular entre el acero y el revestimiento.Sin embargo, las tuberías revestidas tienen una vida útil después de un uso prolongado.
La Figura 4 muestra una tubería revestida de teflón que se ha utilizado para suministrar HCl durante más de diez años.Una gran cantidad de productos de corrosión del acero se acumula en el espacio anular entre el revestimiento y la tubería de acero.El producto empujó el revestimiento hacia adentro, causando daños como se muestra en la Figura 5. La corrosión del acero continúa hasta que la tubería comienza a tener fugas.
Además, se produce fluencia en la superficie de la brida de teflón.La fluencia se define como la deformación (deformación) bajo carga constante.Al igual que ocurre con los metales, la fluencia de los polímeros aumenta al aumentar la temperatura.Sin embargo, a diferencia del acero, la fluencia se produce a temperatura ambiente.Lo más probable es que, a medida que disminuye la sección transversal de la superficie de la brida, los pernos del tubo de acero se aprieten demasiado hasta que aparezca la grieta del anillo, como se muestra en la foto.Las grietas circulares exponen aún más la tubería de acero al HCl.
Falla 5: Los revestimientos de polietileno de alta densidad (HDPE) se usan comúnmente en la industria del petróleo y el gas para reparar líneas de inyección de agua de acero corroídas.Sin embargo, existen requisitos reglamentarios específicos para el alivio de presión del revestimiento.Las figuras 6 y 7 muestran un revestimiento fallido.El daño al revestimiento de una sola válvula ocurre cuando la presión del espacio anular excede la presión de operación interna: el revestimiento falla debido a la penetración.Para los revestimientos de HDPE, la mejor manera de prevenir esta falla es evitar la despresurización rápida de la tubería.
La resistencia de las piezas de fibra de vidrio disminuye con el uso repetido.Varias capas pueden deslaminarse y agrietarse con el tiempo.API 15 HR “Tubo lineal de fibra de vidrio de alta presión” contiene una declaración de que un cambio de presión del 20% es el límite de prueba y reparación.La sección 13.1.2.8 de la norma canadiense CSA Z662, Sistemas de tuberías de petróleo y gas, especifica que las fluctuaciones de presión deben mantenerse por debajo del 20 % de la presión nominal del fabricante de la tubería.De lo contrario, la presión de diseño podrá reducirse hasta en un 50%.Al diseñar FRP y FRP con revestimiento, se deben tener en cuenta las cargas cíclicas.
Fallo 6: El lado inferior (el lado de las 6 en punto) de la tubería de fibra de vidrio (FRP) utilizada para suministrar agua salada está cubierto con polietileno de alta densidad.Se probaron la pieza fallida, la pieza buena después de la falla y el tercer componente (que representa el componente posfabricación).En particular, se comparó la sección transversal de la sección fallida con la sección transversal de una tubería prefabricada del mismo tamaño (ver Figuras 8 y 9).Tenga en cuenta que la sección transversal fallida tiene extensas grietas intralaminares que no están presentes en la tubería fabricada.Se produjo delaminación tanto en tuberías nuevas como en tuberías defectuosas.La delaminación es común en fibra de vidrio con un alto contenido de vidrio;El alto contenido de vidrio proporciona mayor resistencia.La tubería estuvo sujeta a fuertes fluctuaciones de presión (más del 20%) y falló debido a cargas cíclicas.
Figura 9. Aquí hay dos secciones transversales más de fibra de vidrio terminada en una tubería de fibra de vidrio revestida de polietileno de alta densidad.
Durante la instalación en el sitio, se conectan secciones más pequeñas de tubería; estas conexiones son críticas.Por lo general, se unen dos trozos de tubería y el espacio entre las tuberías se rellena con "masilla".Luego, las juntas se envuelven en varias capas de refuerzo de fibra de vidrio de gran ancho y se impregnan con resina.La superficie exterior de la junta debe tener suficiente revestimiento de acero.
Los materiales no metálicos como los revestimientos y la fibra de vidrio son viscoelásticos.Aunque esta característica es difícil de explicar, sus manifestaciones son comunes: el daño suele ocurrir durante la instalación, pero las fugas no ocurren de inmediato.“La viscoelasticidad es una propiedad de un material que exhibe propiedades tanto viscosas como elásticas cuando se deforma.Los materiales viscosos (como la miel) resisten el flujo cortante y se deforman linealmente con el tiempo cuando se aplica tensión.Los materiales elásticos (como el acero) se deformarán inmediatamente, pero también volverán rápidamente a su estado original una vez que se elimine la tensión.Los materiales viscoelásticos tienen ambas propiedades y, por lo tanto, exhiben una deformación que varía con el tiempo.La elasticidad generalmente resulta del estiramiento de enlaces a lo largo de planos cristalinos en sólidos ordenados, mientras que la viscosidad resulta de la difusión de átomos o moléculas dentro de un material amorfo” [4].
Los componentes de fibra de vidrio y plástico requieren cuidado especial durante la instalación y manipulación.De lo contrario, podrían agrietarse y es posible que los daños no se manifiesten hasta mucho después de la prueba hidrostática.
La mayoría de las fallas de los revestimientos de fibra de vidrio ocurren debido a daños durante la instalación [5].La prueba hidrostática es necesaria pero no detecta daños menores que puedan ocurrir durante el uso.
Figura 10. Aquí se muestran las interfaces interna (izquierda) y externa (derecha) entre los segmentos de tubería de fibra de vidrio.
Defecto 7. La Figura 10 muestra la conexión de dos tramos de tubería de fibra de vidrio.La figura 11 muestra la sección transversal de la conexión.La superficie exterior de la tubería no estaba suficientemente reforzada y sellada y la tubería se rompió durante el transporte.Las recomendaciones para el refuerzo de juntas se dan en DIN 16966, CSA Z662 y ASME NM.2.
Las tuberías de polietileno de alta densidad son livianas, resistentes a la corrosión y se usan comúnmente para tuberías de gas y agua, incluidas las mangueras contra incendios en las fábricas.La mayoría de fallas en estas líneas están asociadas a daños recibidos durante los trabajos de excavación [6].Sin embargo, la falla por crecimiento lento de grietas (SCG) también puede ocurrir con tensiones relativamente bajas y deformaciones mínimas.Según los informes, "SCG es un modo de falla común en tuberías subterráneas de polietileno (PE) con una vida útil de diseño de 50 años" [7].
Fallo 8: Se ha formado SCG en la manguera contra incendios después de más de 20 años de uso.Su fractura tiene las siguientes características:
La falla del SCG se caracteriza por un patrón de fractura: tiene una deformación mínima y ocurre debido a múltiples anillos concéntricos.Una vez que el área del SCG aumenta a aproximadamente 2 x 1,5 pulgadas, la grieta se propaga rápidamente y las características macroscópicas se vuelven menos obvias (Figuras 12-14).La línea puede experimentar cambios de carga de más del 10% cada semana.Se ha informado que las juntas antiguas de HDPE son más resistentes a fallas debido a fluctuaciones de carga que las juntas antiguas de HDPE [8].Sin embargo, las instalaciones existentes deberían considerar el desarrollo de SCG a medida que las mangueras contra incendios de HDPE envejecen.
Figura 12. Esta fotografía muestra dónde se cruza la rama en T con la tubería principal, creando la grieta indicada por la flecha roja.
Arroz.14. Aquí puede ver de cerca la superficie de fractura de la rama en forma de T hasta la tubería principal en forma de T.Hay grietas evidentes en la superficie interior.
Los contenedores intermedios para graneles (IBC) son adecuados para almacenar y transportar pequeñas cantidades de productos químicos (Figura 15).Son tan fiables que es fácil olvidar que su fallo puede suponer un peligro importante.Sin embargo, los fallos del MDS pueden provocar pérdidas financieras importantes, algunas de las cuales son examinadas por los autores.La mayoría de las fallas son causadas por un manejo inadecuado [9-11].Aunque el IBC parece sencillo de inspeccionar, las grietas en el HDPE causadas por una manipulación inadecuada son difíciles de detectar.Para los administradores de activos en empresas que manipulan con frecuencia contenedores a granel que contienen productos peligrosos, son obligatorias inspecciones externas e internas periódicas y exhaustivas.en los Estados Unidos.
El daño y el envejecimiento de los rayos ultravioleta (UV) son frecuentes en los polímeros.Esto significa que debemos seguir cuidadosamente las instrucciones de almacenamiento de las juntas tóricas y considerar el impacto en la vida útil de los componentes externos, como tanques abiertos y revestimientos de estanques.Si bien necesitamos optimizar (minimizar) el presupuesto de mantenimiento, es necesaria alguna inspección de los componentes externos, especialmente aquellos expuestos a la luz solar (Figura 16).
Características como la temperatura de transición vítrea, la deformación por compresión, la penetración, la fluencia a temperatura ambiente, la viscoelasticidad, la lenta propagación de grietas, etc. determinan las características de rendimiento de las piezas plásticas y elastoméricas.Para garantizar un mantenimiento eficaz y eficiente de los componentes críticos, se deben tener en cuenta estas propiedades, y los polímeros deben ser conscientes de estas propiedades.
Los autores desean agradecer a sus clientes y colegas perspicaces por compartir sus hallazgos con la industria.
1. Lewis Sr., Richard J., Diccionario conciso de química de Hawley, 12.ª edición, Thomas Press International, Londres, Reino Unido, 1992.
2. Fuente de Internet: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Efecto de la temperatura y el tratamiento de la superficie de la junta tórica sobre la capacidad de sellado de Viton V747-75.Documento técnico de la NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Mejores prácticas para productores canadienses de petróleo y gas (CAPP), “Using Reinforced Composite (Non-Metallic) Pipeline”, abril de 2017.
6. Maupin J. y Mamun M. Análisis de fallas, riesgos y peligros de tuberías de plástico, Proyecto DOT No. 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi y Jingyan Zheng, Mecanismos de crecimiento lento de grietas en polietileno: métodos de elementos finitos, Conferencia de tuberías y recipientes a presión de ASME de 2015, Boston, MA, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M. y Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Recommendations for Fatigue Design of PE4710 Pipe, Informe técnico en nombre de la Plastic Pipe Association, mayo de 2012.
9. Directrices CBA/SIA para el almacenamiento de líquidos en contenedores intermedios a granel, ICB Número 2, octubre de 2018 En línea: 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, Reino Unido, 2008, en línea: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Cuidando los contenedores IBC: cinco consejos para que duren, publicado en Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, publicado en blog.containerexchanger.com, 15 de septiembre de 2018.
Ana Benz es ingeniera jefe en IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canadá T6E 5T8; teléfono: 780-577-4481; correo electrónico: [email protected]).Trabajó como especialista en corrosión, fallas e inspección durante 24 años.Su experiencia incluye realizar inspecciones utilizando técnicas de inspección avanzadas y organizar programas de inspección de plantas.Mercedes-Benz presta servicios a la industria de procesamiento químico, plantas petroquímicas, plantas de fertilizantes y plantas de níquel en todo el mundo, así como a plantas de producción de petróleo y gas.Recibió una licenciatura en ingeniería de materiales de la Universidad Simón Bolívar en Venezuela y una maestría en ingeniería de materiales de la Universidad de Columbia Británica.Posee varias certificaciones de pruebas no destructivas de la Junta Canadiense de Normas Generales (CGSB), así como la certificación API 510 y la certificación CWB Group Nivel 3.Benz fue miembro de la rama ejecutiva de NACE Edmonton durante 15 años y anteriormente ocupó varios puestos en la Sociedad Canadiense de Soldadura de la rama de Edmonton.
NINGBO BODI SEALS CO., LTD PRODUCIÓ TODO TIPO DEJUNTA TRICA FFKM, KITS DE JUNTAS TÓRICAS FKM ,
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Hora de publicación: 18-nov-2023