Este guia ilustrado mostra alguns problemas comuns que podem ocorrer com materiais poliméricos e elastoméricos que são diferentes daqueles que ocorrem com vedações e componentes metálicos.
A falha de componentes poliméricos (plásticos e elastoméricos) e suas consequências podem ser tão graves quanto a falha de equipamentos metálicos.As informações apresentadas descrevem algumas das propriedades que afetam os componentes poliméricos de equipamentos utilizados em instalações industriais.Esta informação se aplica a alguns legadosAnéis de vedação, tubo revestido, plástico reforçado com fibra (FRP) e tubo revestido.Exemplos de propriedades como penetração, temperatura do vidro e viscoelasticidade e suas implicações são discutidos.
Em 28 de janeiro de 1986, o desastre do ônibus espacial Challenger chocou o mundo.A explosão ocorreu porque o O-ring não vedou corretamente.
As falhas descritas neste artigo apresentam algumas das características das falhas não metálicas que afetam equipamentos utilizados em aplicações industriais.Para cada caso, são discutidas propriedades importantes do polímero.
Os elastômeros têm uma temperatura de transição vítrea, que é definida como “a temperatura na qual um material amorfo, como vidro ou polímero, muda de um estado vítreo quebradiço para um estado dúctil” [1].
Os elastômeros têm deformação por compressão – “definida como a porcentagem de deformação que um elastômero não consegue recuperar após um período fixo de tempo em uma determinada extrusão e temperatura” [2].Segundo o autor, compressão refere-se à capacidade da borracha de retornar à sua forma original.Em muitos casos, o ganho de compressão é compensado por alguma expansão que ocorre durante o uso.No entanto, como mostra o exemplo abaixo, nem sempre é esse o caso.
Falha 1: A baixa temperatura ambiente (36°F) antes do lançamento resultou em anéis de vedação Viton insuficientes no ônibus espacial Challenger.Conforme declarado em várias investigações de acidentes: “Em temperaturas abaixo de 50°F, o anel de vedação Viton V747-75 não é flexível o suficiente para rastrear a abertura da lacuna de teste” [3].A temperatura de transição vítrea faz com que o O-ring do Challenger não vede adequadamente.
Problema 2: As vedações mostradas nas Figuras 1 e 2 estão expostas principalmente à água e ao vapor.As vedações foram montadas no local usando monômero de etileno propileno dieno (EPDM).No entanto, eles estão testando fluoroelastômeros (FKM), como Viton) e perfluoroelastômeros (FFKM), como Kalrez O-rings.Embora os tamanhos variem, todos os anéis de vedação mostrados na Figura 2 começam com o mesmo tamanho:
O que aconteceu?O uso de vapor pode ser um problema para os elastômeros.Para aplicações de vapor acima de 250°F, as deformações de expansão e contração FKM e FFKM devem ser levadas em consideração nos cálculos do projeto da embalagem.Diferentes elastômeros apresentam certas vantagens e desvantagens, mesmo aqueles que possuem alta resistência química.Quaisquer alterações requerem manutenção cuidadosa.
Notas gerais sobre elastômeros.Em geral, o uso de elastômeros em temperaturas acima de 250°F e abaixo de 35°F é especializado e pode exigir a contribuição do projetista.
É importante determinar a composição elastomérica utilizada.A espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) pode distinguir entre tipos significativamente diferentes de elastômeros, como EPDM, FKM e FFKM mencionados acima.No entanto, testar para distinguir um composto FKM de outro pode ser um desafio.Os anéis de vedação feitos por fabricantes diferentes podem ter enchimentos, vulcanizações e tratamentos diferentes.Tudo isso tem um impacto significativo na deformação por compressão, na resistência química e nas características de baixa temperatura.
Os polímeros têm cadeias moleculares longas e repetidas que permitem que certos líquidos penetrem neles.Ao contrário dos metais, que possuem uma estrutura cristalina, moléculas longas se entrelaçam como um fio de espaguete cozido.Fisicamente, moléculas muito pequenas, como água/vapor e gases, podem penetrar.Algumas moléculas são pequenas o suficiente para passarem pelas lacunas entre as cadeias individuais.
Falha 3: Normalmente, a documentação de uma investigação de análise de falha começa com a obtenção de imagens das peças.No entanto, o pedaço de plástico achatado, flexível e com cheiro de gasolina recebido na sexta-feira havia se transformado em um tubo redondo e duro na segunda-feira (momento em que a foto foi tirada).O componente é supostamente uma camisa de tubo de polietileno (PE) usada para proteger componentes elétricos abaixo do nível do solo em um posto de gasolina.A peça plástica plana e flexível que você recebeu não protegeu o cabo.A penetração da gasolina causou alterações físicas e não químicas – o tubo de polietileno não se decompôs.Porém, é necessário penetrar em tubos menos amolecidos.
Falha 4. Muitas instalações industriais utilizam tubos de aço revestidos de Teflon para tratamento de água, tratamento ácido e onde a presença de contaminantes metálicos é excluída (por exemplo, na indústria alimentícia).Os tubos revestidos de teflon têm aberturas de ventilação que permitem a drenagem da água que penetra no espaço anular entre o aço e o revestimento.No entanto, os tubos revestidos têm vida útil após uso prolongado.
A Figura 4 mostra um tubo revestido de Teflon que tem sido usado para fornecer HCl há mais de dez anos.Uma grande quantidade de produtos de corrosão do aço se acumula no espaço anular entre o revestimento e o tubo de aço.O produto empurrou o revestimento para dentro, causando danos conforme mostra a Figura 5. A corrosão do aço continua até que o tubo comece a vazar.
Além disso, ocorre fluência na superfície do flange de Teflon.A fluência é definida como deformação (deformação) sob carga constante.Tal como acontece com os metais, a fluência dos polímeros aumenta com o aumento da temperatura.No entanto, ao contrário do aço, a fluência ocorre à temperatura ambiente.Muito provavelmente, à medida que a seção transversal da superfície do flange diminui, os parafusos do tubo de aço são apertados demais até aparecer a rachadura do anel, mostrada na foto.Rachaduras circulares expõem ainda mais o tubo de aço ao HCl.
Falha 5: Revestimentos de polietileno de alta densidade (HDPE) são comumente usados na indústria de petróleo e gás para reparar linhas de injeção de água em aço corroído.No entanto, existem requisitos regulamentares específicos para o alívio da pressão do revestimento.As Figuras 6 e 7 mostram um revestimento com falha.Danos a uma única camisa de válvula ocorrem quando a pressão do anel excede a pressão interna de operação – a camisa falha devido à penetração.Para revestimentos de HDPE, a melhor maneira de evitar esta falha é evitar a rápida despressurização do tubo.
A resistência das peças de fibra de vidro diminui com o uso repetido.Várias camadas podem delaminar e rachar com o tempo.API 15 HR “Tubo Linear de Fibra de Vidro de Alta Pressão” contém uma declaração de que uma mudança de 20% na pressão é o limite de teste e reparo.A Seção 13.1.2.8 da Norma Canadense CSA Z662, Sistemas de Petróleo e Gasodutos, especifica que as flutuações de pressão devem ser mantidas abaixo de 20% da classificação de pressão do fabricante do tubo.Caso contrário, a pressão de projeto poderá ser reduzida em até 50%.Ao projetar FRP e FRP com revestimento, as cargas cíclicas devem ser levadas em consideração.
Falha 6: O lado inferior (6 horas) do tubo de fibra de vidro (FRP) usado para fornecer água salgada é coberto com polietileno de alta densidade.A peça com falha, a peça boa após a falha e o terceiro componente (representando o componente pós-fabricação) foram testados.Em particular, a secção transversal da secção falhada foi comparada com a secção transversal de um tubo pré-fabricado do mesmo tamanho (ver Figuras 8 e 9).Observe que a seção transversal falhada apresenta extensas fissuras intralaminares que não estão presentes no tubo fabricado.A delaminação ocorreu em tubos novos e com defeito.A delaminação é comum em fibra de vidro com alto teor de vidro;O alto teor de vidro proporciona maior resistência.O gasoduto esteve sujeito a fortes flutuações de pressão (mais de 20%) e falhou devido a carregamentos cíclicos.
Figura 9. Aqui estão mais duas seções transversais de fibra de vidro acabada em um tubo de fibra de vidro revestido com polietileno de alta densidade.
Durante a instalação no local, são conectadas seções menores de tubo – essas conexões são críticas.Normalmente, dois pedaços de tubo são unidos e o espaço entre os tubos é preenchido com “massa”.As juntas são então envolvidas em várias camadas de reforço de fibra de vidro de grande largura e impregnadas com resina.A superfície externa da junta deve ter revestimento de aço suficiente.
Materiais não metálicos, como liners e fibra de vidro, são viscoelásticos.Embora essa característica seja difícil de explicar, suas manifestações são comuns: os danos geralmente ocorrem durante a instalação, mas o vazamento não ocorre imediatamente.“A viscoelasticidade é uma propriedade de um material que apresenta propriedades viscosas e elásticas quando deformado.Materiais viscosos (como o mel) resistem ao fluxo de cisalhamento e deformam-se linearmente ao longo do tempo quando a tensão é aplicada.Materiais elásticos (como o aço) se deformarão imediatamente, mas também retornarão rapidamente ao seu estado original após a remoção da tensão.Os materiais viscoelásticos possuem ambas as propriedades e, portanto, apresentam deformação variável no tempo.A elasticidade normalmente resulta do alongamento das ligações ao longo dos planos cristalinos em sólidos ordenados, enquanto a viscosidade resulta da difusão de átomos ou moléculas dentro de um material amorfo” [4].
Componentes de fibra de vidro e plástico requerem cuidados especiais durante a instalação e manuseio.Caso contrário, eles poderão rachar e os danos poderão não se tornar aparentes até muito depois do teste hidrostático.
A maioria das falhas dos revestimentos de fibra de vidro ocorre devido a danos durante a instalação [5].O teste hidrostático é necessário, mas não detecta danos menores que possam ocorrer durante o uso.
Figura 10. Aqui são mostradas as interfaces interna (esquerda) e externa (direita) entre segmentos de tubo de fibra de vidro.
Defeito 7. A Figura 10 mostra a ligação de duas seções de tubos de fibra de vidro.A Figura 11 mostra a seção transversal da conexão.A superfície externa do tubo não foi suficientemente reforçada e vedada e o tubo quebrou durante o transporte.As recomendações para reforço de juntas são fornecidas em DIN 16966, CSA Z662 e ASME NM.2.
Os tubos de polietileno de alta densidade são leves, resistentes à corrosão e são comumente usados para tubulações de gás e água, incluindo mangueiras de incêndio em fábricas.A maioria das falhas nessas linhas está associada a danos recebidos durante trabalhos de escavação [6].No entanto, a falha por crescimento lento de fissuras (SCG) também pode ocorrer com tensões relativamente baixas e deformações mínimas.Segundo relatos, “SCG é um modo de falha comum em tubulações subterrâneas de polietileno (PE) com uma vida útil projetada de 50 anos” [7].
Falha 8: SCG se formou na mangueira de incêndio após mais de 20 anos de uso.Sua fratura apresenta as seguintes características:
A falha do SCG é caracterizada por um padrão de fratura: tem deformação mínima e ocorre devido a múltiplos anéis concêntricos.Quando a área do SCG aumenta para aproximadamente 2 x 1,5 polegadas, a fissura se propaga rapidamente e as características macroscópicas tornam-se menos óbvias (Figuras 12-14).A linha pode sofrer alterações de carga de mais de 10% a cada semana.Foi relatado que juntas antigas de HDPE são mais resistentes a falhas devido a flutuações de carga do que juntas antigas de HDPE [8].No entanto, as instalações existentes devem considerar o desenvolvimento de SCG à medida que as mangueiras de incêndio de HDPE envelhecem.
Figura 12. Esta foto mostra onde o ramal em T cruza com o tubo principal, criando a rachadura indicada pela seta vermelha.
Arroz.14. Aqui você pode ver de perto a superfície de fratura do ramal em forma de T até o tubo principal em forma de T.Existem rachaduras óbvias na superfície interna.
Os contêineres intermediários para granel (IBCs) são adequados para armazenar e transportar pequenas quantidades de produtos químicos (Figura 15).Eles são tão confiáveis que é fácil esquecer que sua falha pode representar um perigo significativo.No entanto, as falhas do MDS podem resultar em perdas financeiras significativas, algumas das quais são examinadas pelos autores.A maioria das falhas é causada por manuseio inadequado [9-11].Embora o IBC pareça simples de inspecionar, rachaduras no HDPE causadas por manuseio inadequado são difíceis de detectar.Para gestores de ativos em empresas que movimentam frequentemente contêineres a granel contendo produtos perigosos, são obrigatórias inspeções externas e internas regulares e completas.nos Estados Unidos.
Danos ultravioleta (UV) e envelhecimento são predominantes em polímeros.Isso significa que devemos seguir cuidadosamente as instruções de armazenamento do O-ring e considerar o impacto na vida útil dos componentes externos, como tanques abertos e revestimentos de lagos.Embora precisemos otimizar (minimizar) o orçamento de manutenção, é necessária alguma inspeção dos componentes externos, especialmente aqueles expostos à luz solar (Figura 16).
Características como temperatura de transição vítrea, deformação por compressão, penetração, fluência à temperatura ambiente, viscoelasticidade, propagação lenta de trincas, etc. determinam as características de desempenho de peças plásticas e elastoméricas.Para garantir a manutenção eficaz e eficiente de componentes críticos, estas propriedades devem ser levadas em conta, e os polímeros devem estar cientes destas propriedades.
Os autores gostariam de agradecer a clientes e colegas perspicazes por compartilharem suas descobertas com a indústria.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12ª edição, Thomas Press International, Londres, Reino Unido, 1992.
2. Fonte da Internet: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Efeito da temperatura e do tratamento de superfície do O-Ring na capacidade de vedação do Viton V747-75.Artigo Técnico da NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Melhores práticas para produtores canadenses de petróleo e gás (CAPP), “Using Reinforced Composite (Non-Metallic) Pipeline”, abril de 2017.
6. Maupin J. e Mamun M. Análise de falhas, riscos e perigos de tubos de plástico, Projeto DOT nº 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi e Jingyan Zheng, Mecanismos de crescimento lento de fissuras em polietileno: métodos de elementos finitos, 2015 ASME Pressure Vessels and Piping Conference, Boston, MA, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M., e Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Recommendations for Fatigue Design of PE4710 Pipe, Technical Report em nome da Plastic Pipe Association, maio de 2012.
9. Diretrizes CBA/SIA para o armazenamento de líquidos em contêineres intermediários para granel, ICB Edição 2, outubro de 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, Série de Seminários No. 154, IChemE, Rugby, Reino Unido, 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, publicado em Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, publicado em blog.containerexchanger.com, 15 de setembro de 2018.
Ana Benz é engenheira-chefe da IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canadá T6E 5T8; telefone: 780-577-4481; e-mail: [email protegido]).Ela trabalhou como especialista em corrosão, falhas e inspeção por 24 anos.Sua experiência inclui a realização de inspeções utilizando técnicas avançadas de inspeção e a organização de programas de inspeção de plantas.A Mercedes-Benz atende a indústria de processamento químico, plantas petroquímicas, fábricas de fertilizantes e fábricas de níquel em todo o mundo, bem como fábricas de produção de petróleo e gás.Ela se formou em engenharia de materiais pela Universidade Simon Bolívar, na Venezuela, e possui mestrado em engenharia de materiais pela Universidade da Colúmbia Britânica.Ela possui várias certificações de testes não destrutivos do Canadian General Standards Board (CGSB), bem como certificação API 510 e certificação CWB Group Level 3.Benz foi membro do Ramo Executivo da NACE Edmonton por 15 anos e anteriormente atuou em vários cargos na Sociedade Canadense de Soldagem do Ramo Edmonton.
NINGBO BODI SEALS CO., LTD PRODUZIU TODOS OS TIPOS DEFFKM ORING, KITS DE ANÉIS FKM,
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Horário da postagem: 18 de novembro de 2023