Dieser illustrierte Leitfaden zeigt einige häufige Probleme, die bei Polymer- und Elastomermaterialien auftreten können und sich von denen unterscheiden, die bei Metalldichtungen und -komponenten auftreten.
Der Ausfall von Polymerkomponenten (Kunststoff und Elastomer) und seine Folgen können ebenso schwerwiegend sein wie der Ausfall von Metallgeräten.Die präsentierten Informationen beschreiben einige der Eigenschaften, die sich auf Polymerkomponenten von Geräten auswirken, die in Industrieanlagen verwendet werden.Diese Informationen gelten für einige AltlastenO-Ringe, ausgekleidetes Rohr, faserverstärkter Kunststoff (FRP) und ausgekleidetes Rohr.Beispiele für Eigenschaften wie Penetration, Glastemperatur und Viskoelastizität sowie deren Auswirkungen werden diskutiert.
Am 28. Januar 1986 schockierte die Katastrophe der Raumfähre Challenger die Welt.Zur Explosion kam es, weil der O-Ring nicht richtig abdichtete.
Die in diesem Artikel beschriebenen Fehler stellen einige der Merkmale nichtmetallischer Fehler vor, die Geräte betreffen, die in industriellen Anwendungen verwendet werden.Für jeden Fall werden wichtige Polymereigenschaften besprochen.
Elastomere haben eine Glasübergangstemperatur, die definiert ist als „die Temperatur, bei der ein amorphes Material wie Glas oder Polymer von einem spröden glasartigen Zustand in einen duktilen Zustand übergeht“ [1].
Elastomere haben einen Druckverformungsrest – „definiert als der Prozentsatz der Dehnung, den sich ein Elastomer nach einem festgelegten Zeitraum bei einer bestimmten Extrusion und Temperatur nicht erholen kann“ [2].Unter Kompression versteht man nach Angaben des Autors die Fähigkeit von Gummi, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.In vielen Fällen wird der Komprimierungsgewinn durch eine gewisse Expansion ausgeglichen, die während des Gebrauchs auftritt.Wie das folgende Beispiel zeigt, ist dies jedoch nicht immer der Fall.
Fehler 1: Niedrige Umgebungstemperatur (36 °F) vor dem Start führte zu unzureichenden Viton-O-Ringen am Space Shuttle Challenger.In verschiedenen Unfalluntersuchungen heißt es: „Bei Temperaturen unter 50 °F ist der O-Ring Viton V747-75 nicht flexibel genug, um der Öffnung des Testspalts zu folgen“ [3].Die Glasübergangstemperatur führt dazu, dass der Challenger-O-Ring nicht richtig abdichtet.
Problem 2: Die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Dichtungen sind hauptsächlich Wasser und Dampf ausgesetzt.Die Dichtungen wurden vor Ort unter Verwendung von Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) montiert.Sie testen jedoch Fluorelastomere (FKM) wie Viton und Perfluorelastomere (FFKM) wie Kalrez-O-Ringe.Obwohl die Größen variieren, haben alle in Abbildung 2 gezeigten O-Ringe zunächst die gleiche Größe:
Was ist passiert?Der Einsatz von Dampf kann für Elastomere ein Problem darstellen.Bei Dampfanwendungen über 250 °F müssen die Ausdehnungs- und Kontraktionsverformungen von FKM und FFKM bei den Berechnungen der Packungskonstruktion berücksichtigt werden.Verschiedene Elastomere haben gewisse Vor- und Nachteile, auch solche mit hoher chemischer Beständigkeit.Alle Änderungen erfordern eine sorgfältige Wartung.
Allgemeine Hinweise zu Elastomeren.Im Allgemeinen ist die Verwendung von Elastomeren bei Temperaturen über 250 °F und unter 35 °F eine Spezialanwendung und erfordert möglicherweise die Eingabe von Designern.
Es ist wichtig, die verwendete Elastomerzusammensetzung zu bestimmen.Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) kann zwischen deutlich unterschiedlichen Elastomertypen wie den oben genannten EPDM, FKM und FFKM unterscheiden.Tests zur Unterscheidung einer FKM-Verbindung von einer anderen können jedoch eine Herausforderung sein.O-Ringe verschiedener Hersteller können unterschiedliche Füllstoffe, Vulkanisierungen und Behandlungen aufweisen.All dies hat erhebliche Auswirkungen auf den Druckverformungsrest, die chemische Beständigkeit und die Tieftemperatureigenschaften.
Polymere haben lange, sich wiederholende Molekülketten, die es bestimmten Flüssigkeiten ermöglichen, in sie einzudringen.Im Gegensatz zu Metallen, die eine kristalline Struktur haben, verflechten sich lange Moleküle miteinander wie ein Strang gekochter Spaghetti.Physikalisch gesehen können sehr kleine Moleküle wie Wasser/Dampf und Gase eindringen.Manche Moleküle sind klein genug, um durch die Lücken zwischen einzelnen Ketten zu passen.
Fehler 3: Typischerweise beginnt die Dokumentation einer Fehleranalyseuntersuchung mit der Erstellung von Bildern der Teile.Allerdings hatte sich das flache, flexible, nach Benzin riechende Stück Plastik, das wir am Freitag erhalten hatten, am Montag (dem Zeitpunkt der Aufnahme des Fotos) in ein hartes, rundes Rohr verwandelt.Bei der Komponente handelt es sich Berichten zufolge um einen Rohrmantel aus Polyethylen (PE), der zum Schutz elektrischer Komponenten unter der Erdoberfläche einer Tankstelle verwendet wird.Das flache, flexible Kunststoffstück, das Sie erhalten haben, schützte das Kabel nicht.Das Eindringen von Benzin verursachte physikalische, keine chemischen Veränderungen – das Polyethylenrohr zersetzte sich nicht.Es ist jedoch erforderlich, in weniger erweichte Rohre einzudringen.
Fehler 4. Viele Industrieanlagen verwenden teflonbeschichtete Stahlrohre zur Wasseraufbereitung, Säurebehandlung und dort, wo das Vorhandensein von Metallverunreinigungen ausgeschlossen ist (z. B. in der Lebensmittelindustrie).Teflonbeschichtete Rohre verfügen über Entlüftungsöffnungen, die das Abfließen von Wasser ermöglichen, das in den Ringraum zwischen Stahl und Auskleidung eindringt.Allerdings sind ausgekleidete Rohre nach längerem Gebrauch haltbar.
Abbildung 4 zeigt ein mit Teflon ausgekleidetes Rohr, das seit über zehn Jahren zur HCl-Versorgung verwendet wird.Im Ringraum zwischen Liner und Stahlrohr sammeln sich große Mengen an Stahlkorrosionsprodukten an.Das Produkt drückte die Auskleidung nach innen und verursachte Schäden, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Korrosion des Stahls setzt sich fort, bis das Rohr undicht wird.
Darüber hinaus tritt Kriechen an der Oberfläche des Teflonflansches auf.Kriechen ist definiert als Verformung (Verformung) unter konstanter Belastung.Wie bei Metallen nimmt auch bei Polymeren das Kriechen mit steigender Temperatur zu.Anders als bei Stahl tritt jedoch bei Raumtemperatur Kriechen auf.Wenn der Querschnitt der Flanschoberfläche abnimmt, werden die Schrauben des Stahlrohrs höchstwahrscheinlich zu fest angezogen, bis der im Foto gezeigte Ringriss auftritt.Kreisförmige Risse setzen das Stahlrohr zusätzlich HCl aus.
Fehler 5: Auskleidungen aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) werden in der Öl- und Gasindustrie häufig zur Reparatur korrodierter Wassereinspritzleitungen aus Stahl verwendet.Für die Druckentlastung von Linern gelten jedoch besondere behördliche Anforderungen.Die Abbildungen 6 und 7 zeigen einen ausgefallenen Liner.Schäden an einer einzelnen Ventilauskleidung treten auf, wenn der Ringraumdruck den internen Betriebsdruck übersteigt – die Auskleidung versagt aufgrund von Penetration.Bei HDPE-Auskleidungen besteht die beste Möglichkeit, diesen Fehler zu verhindern, darin, eine schnelle Druckentlastung des Rohrs zu vermeiden.
Die Festigkeit von Glasfaserteilen nimmt bei wiederholtem Gebrauch ab.Mehrere Schichten können sich mit der Zeit ablösen und reißen.API 15 HR „High Pressure Fiberglass Linear Pipe“ enthält die Aussage, dass eine Druckänderung von 20 % die Prüf- und Reparaturgrenze darstellt.Abschnitt 13.1.2.8 des kanadischen Standards CSA Z662, Erdöl- und Gaspipelinesysteme, legt fest, dass Druckschwankungen unter 20 % des Nenndrucks des Rohrherstellers gehalten werden müssen.Andernfalls kann der Auslegungsdruck um bis zu 50 % reduziert werden.Bei der Konstruktion von FVK und FVK mit Verkleidung müssen zyklische Belastungen berücksichtigt werden.
Fehler 6: Die Unterseite (6 Uhr) des Glasfaserrohrs (FRP), das zur Salzwasserversorgung verwendet wird, ist mit hochdichtem Polyethylen bedeckt.Der fehlerhafte Teil, der gute Teil nach dem Fehler und die dritte Komponente (die die Post-Manufacturing-Komponente darstellt) wurden getestet.Insbesondere wurde der Querschnitt des ausgefallenen Abschnitts mit dem Querschnitt eines Fertigrohrs gleicher Größe verglichen (siehe Abbildungen 8 und 9).Beachten Sie, dass der ausgefallene Querschnitt ausgedehnte intralaminare Risse aufweist, die im hergestellten Rohr nicht vorhanden sind.Sowohl bei neuen als auch bei defekten Rohren kam es zu Delamination.Bei Glasfasern mit hohem Glasanteil kommt es häufig zu Delamination;Hoher Glasanteil sorgt für höhere Festigkeit.Die Pipeline war starken Druckschwankungen (mehr als 20 %) ausgesetzt und fiel aufgrund zyklischer Belastung aus.
Abbildung 9. Hier sind zwei weitere Querschnitte der fertigen Glasfaser in einem mit hochdichtem Polyethylen ausgekleideten Glasfaserrohr.
Bei der Installation vor Ort werden kleinere Rohrabschnitte verbunden – diese Verbindungen sind von entscheidender Bedeutung.Typischerweise werden zwei Rohrstücke aneinander gestoßen und der Spalt zwischen den Rohren mit „Kitt“ gefüllt.Anschließend werden die Verbindungen mit mehreren Lagen breitflächiger Glasfaserverstärkung umwickelt und mit Harz imprägniert.Die äußere Oberfläche der Verbindung muss über eine ausreichende Stahlbeschichtung verfügen.
Nichtmetallische Materialien wie Liner und Glasfaser sind viskoelastisch.Obwohl dieses Merkmal schwer zu erklären ist, sind seine Erscheinungsformen häufig: Schäden treten normalerweise während der Installation auf, Leckagen treten jedoch nicht sofort auf.„Viskoelastizität ist eine Eigenschaft eines Materials, das bei Verformung sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften aufweist.Viskose Materialien (z. B. Honig) widerstehen der Scherströmung und verformen sich bei Belastung mit der Zeit linear.Elastische Materialien (z. B. Stahl) verformen sich sofort, kehren aber nach Spannungsabbau auch schnell wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück.Viskoelastische Materialien besitzen beide Eigenschaften und weisen daher eine zeitlich veränderliche Verformung auf.Elastizität resultiert typischerweise aus der Streckung von Bindungen entlang kristalliner Ebenen in geordneten Festkörpern, während Viskosität aus der Diffusion von Atomen oder Molekülen innerhalb eines amorphen Materials resultiert“ [4].
Glasfaser- und Kunststoffkomponenten erfordern besondere Sorgfalt bei der Installation und Handhabung.Andernfalls kann es zu Rissen kommen und Schäden werden möglicherweise erst lange nach der hydrostatischen Prüfung sichtbar.
Die meisten Ausfälle von Glasfaserauskleidungen sind auf Schäden während der Installation zurückzuführen [5].Eine hydrostatische Prüfung ist erforderlich, sie erkennt jedoch keine geringfügigen Schäden, die während des Gebrauchs auftreten können.
Abbildung 10. Hier sind die inneren (links) und äußeren (rechts) Schnittstellen zwischen Glasfaserrohrsegmenten dargestellt.
Defekt 7. Abbildung 10 zeigt die Verbindung zweier Glasfaserrohrabschnitte.Abbildung 11 zeigt den Querschnitt der Verbindung.Die Außenfläche des Rohres war nicht ausreichend verstärkt und abgedichtet und das Rohr brach während des Transports.Empfehlungen zur Verstärkung von Verbindungen finden sich in DIN 16966, CSA Z662 und ASME NM.2.
Rohre aus hochdichtem Polyethylen sind leicht, korrosionsbeständig und werden häufig für Gas- und Wasserleitungen, einschließlich Feuerwehrschläuchen auf Fabrikgeländen, verwendet.Die meisten Ausfälle dieser Leitungen sind auf Schäden zurückzuführen, die während der Aushubarbeiten entstanden sind [6].Allerdings kann es auch bei relativ geringen Spannungen und minimalen Dehnungen zu einem Versagen des langsamen Risswachstums (SCG) kommen.Berichten zufolge „ist SCG eine häufige Fehlerursache in unterirdischen Rohrleitungen aus Polyethylen (PE) mit einer Auslegungslebensdauer von 50 Jahren“ [7].
Fehler 8: SCG hat sich nach mehr als 20 Jahren Nutzung im Feuerwehrschlauch gebildet.Sein Bruch weist folgende Merkmale auf:
Ein SCG-Versagen ist durch ein Bruchmuster gekennzeichnet: Es weist eine minimale Verformung auf und entsteht aufgrund mehrerer konzentrischer Ringe.Sobald die SCG-Fläche auf etwa 2 x 1,5 Zoll ansteigt, breitet sich der Riss schnell aus und makroskopische Merkmale werden weniger offensichtlich (Abbildungen 12-14).Auf der Leitung kann es jede Woche zu Laständerungen von mehr als 10 % kommen.Berichten zufolge sind alte HDPE-Verbindungen widerstandsfähiger gegen Ausfälle aufgrund von Lastschwankungen als alte HDPE-Verbindungen [8].Bestehende Einrichtungen sollten jedoch die Entwicklung von SCG in Betracht ziehen, da HDPE-Feuerwehrschläuche altern.
Abbildung 12. Dieses Foto zeigt, wo sich der T-Abzweig mit dem Hauptrohr schneidet und der durch den roten Pfeil angezeigte Riss entsteht.
Reis.14. Hier sehen Sie die Bruchfläche des T-förmigen Abzweigs zum T-förmigen Hauptrohr aus der Nähe.Es gibt offensichtliche Risse auf der Innenfläche.
Intermediate Bulk Container (IBCs) eignen sich für die Lagerung und den Transport kleiner Mengen Chemikalien (Abbildung 15).Sie sind so zuverlässig, dass man leicht vergisst, dass ihr Ausfall eine erhebliche Gefahr darstellen kann.MDS-Ausfälle können jedoch zu erheblichen finanziellen Verlusten führen, die von den Autoren teilweise untersucht werden.Die meisten Ausfälle werden durch unsachgemäße Handhabung verursacht [9-11].Obwohl die Inspektion von IBC einfach zu sein scheint, sind Risse im HDPE, die durch unsachgemäße Handhabung verursacht wurden, schwer zu erkennen.Für Vermögensverwalter in Unternehmen, die häufig mit Großbehältern mit gefährlichen Produkten umgehen, sind regelmäßige und gründliche externe und interne Inspektionen obligatorisch.in den Vereinigten Staaten.
Schäden und Alterung durch ultraviolette Strahlung (UV) sind bei Polymeren weit verbreitet.Das bedeutet, dass wir die Anweisungen zur Lagerung von O-Ringen sorgfältig befolgen und die Auswirkungen auf die Lebensdauer externer Komponenten wie offener Tanks und Teichauskleidungen berücksichtigen müssen.Während wir das Wartungsbudget optimieren (minimieren) müssen, sind einige Inspektionen externer Komponenten erforderlich, insbesondere derjenigen, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind (Abbildung 16).
Eigenschaften wie Glasübergangstemperatur, Druckverformungsrest, Penetration, Kriechen bei Raumtemperatur, Viskoelastizität, langsame Rissausbreitung usw. bestimmen die Leistungsmerkmale von Kunststoff- und Elastomerteilen.Um eine effektive und effiziente Wartung kritischer Komponenten zu gewährleisten, müssen diese Eigenschaften berücksichtigt werden und Polymere müssen sich dieser Eigenschaften bewusst sein.
Die Autoren möchten sich bei aufschlussreichen Kunden und Kollegen dafür bedanken, dass sie ihre Erkenntnisse mit der Branche geteilt haben.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12. Auflage, Thomas Press International, London, UK, 1992.
2. Internetquelle: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Einfluss der Temperatur und der O-Ring-Oberflächenbehandlung auf die Dichtungsfähigkeit von Viton V747-75.NASA Technical Paper 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Best Practices für kanadische Öl- und Gasproduzenten (CAPP), „Using Reinforced Composite (Non-Metallic) Pipeline“, April 2017.
6. Maupin J. und Mamun M. Fehler-, Risiko- und Gefahrenanalyse von Kunststoffrohren, DOT-Projekt Nr. 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi und 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. und Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Recommendations for Fatigue Design of PE4710 Pipe, Technischer Bericht im Namen der Plastic Pipe Association, Mai 2012.
9. CBA/SIA-Richtlinien für die Lagerung von Flüssigkeiten in Intermediate Bulk Containers, ICB Ausgabe 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, UK, 2008, online: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Pflege von IBC-Behältern: Fünf Tipps, damit sie lange halten, veröffentlicht in Großbehältern, IBC-Behältern, Nachhaltigkeit, veröffentlicht auf blog.containerexchanger.com, 15. September 2018.
Ana Benz ist Chefingenieurin bei IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Kanada T6E 5T8; Telefon: 780-577-4481; E-Mail: [email protected]).Sie war 24 Jahre lang als Korrosions-, Fehler- und Inspektionsspezialistin tätig.Zu ihren Erfahrungen gehören die Durchführung von Inspektionen mithilfe fortschrittlicher Inspektionstechniken und die Organisation von Anlageninspektionsprogrammen.Mercedes-Benz beliefert weltweit die chemische verarbeitende Industrie, petrochemische Anlagen, Düngemittelwerke und Nickelwerke sowie Öl- und Gasförderanlagen.Sie erhielt einen Abschluss in Werkstofftechnik von der Universidad Simon Bolivar in Venezuela und einen Master-Abschluss in Werkstofftechnik von der University of British Columbia.Sie verfügt über mehrere Zertifizierungen des Canadian General Standards Board (CGSB) für zerstörungsfreie Prüfungen sowie über die API 510-Zertifizierung und die CWB Group Level 3-Zertifizierung.Benz war 15 Jahre lang Mitglied der NACE Edmonton Executive Branch und hatte zuvor verschiedene Positionen bei der Edmonton Branch Canadian Welding Society inne.
NINGBO BODI SEALS CO.,LTD PRODUZIERT ALLE ARTEN VONFFKM-O-RING,FKM O-RING-SÄTZE,
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. November 2023