この図解ガイドでは、金属シールやコンポーネントで発生する問題とは異なる、ポリマーおよびエラストマー材料で発生する可能性のある一般的な問題をいくつか示します。
ポリマー (プラスチックおよびエラストマー) コンポーネントの故障とその影響は、金属機器の故障と同じくらい深刻になる可能性があります。提示された情報は、産業施設で使用される装置のポリマーコンポーネントに影響を与えるいくつかの特性について説明しています。この情報は一部のレガシーに適用されますOリング、ライニングパイプ、繊維強化プラスチック（FRP）、ライニングパイプ。針入度、ガラス温度、粘弾性などの特性の例とその影響について説明します。
1986 年 1 月 28 日、スペースシャトルのチャレンジャー号事故は世界に衝撃を与えました。爆発の原因は、O リングが適切に密閉されていなかったためです。
この記事で説明する障害は、産業用途で使用される機器に影響を与える非金属障害の特徴の一部を紹介します。それぞれのケースについて、重要なポリマー特性について説明します。
エラストマーにはガラス転移温度があり、これは「ガラスやポリマーなどの非晶質材料が脆いガラス状態から延性状態に変化する温度」として定義されます [1]。
エラストマーには圧縮永久歪みがあり、これは「特定の押出および温度で一定期間後にエラストマーが回復できないひずみの割合として定義される」[2]。著者によると、圧縮とはゴムが元の形状に戻ろうとする能力を指します。多くの場合、圧縮ゲインは、使用中に発生する何らかの膨張によって相殺されます。ただし、以下の例が示すように、常にそうであるとは限りません。
欠陥 1: 打ち上げ前の低い周囲温度 (36°F) により、スペースシャトル チャレンジャーのバイトン O リングが不十分になりました。さまざまな事故調査で述べられているように、「50°F 未満の温度では、Viton V747-75 O リングはテスト ギャップの開口部を追跡できるほど柔軟性がありません。」[3]。ガラス転移温度により、チャレンジャー O リングが適切にシールできなくなります。
問題 2: 図 1 および 2 に示されているシールは、主に水と蒸気にさらされています。シールは、エチレン・プロピレンジエン・モノマー (EPDM) を使用して現場で組み立てられました。ただし、彼らは、バイトンなどのフルオロエラストマー (FKM) と、カルレッツ O リングなどのパーフルオロエラストマー (FFKM) をテストしています。サイズは異なりますが、図 2 に示すすべての O リングは最初は同じサイズです。
どうしたの？蒸気の使用はエラストマーにとって問題となる可能性があります。250°F を超える蒸気用途では、パッキン設計の計算で膨張および収縮変形 FKM および FFKM を考慮する必要があります。耐薬品性が高いエラストマーであっても、エラストマーにはそれぞれ長所と短所があります。変更を行った場合は慎重なメンテナンスが必要です。
エラストマーに関する一般的な注意事項。一般に、250°F を超え 35°F 未満の温度でのエラストマーの使用は特殊であり、設計者の意見が必要になる場合があります。
使用するエラストマー組成を決定することが重要です。フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) は、上記の EPDM、FKM、FFKM など、大きく異なる種類のエラストマーを区別できます。ただし、ある FKM 化合物を別の FKM 化合物から区別するテストは困難な場合があります。異なるメーカーが製造した O リングには、異なる充填剤、加硫処理、および処理が施されている場合があります。これらすべてが圧縮永久歪、耐薬品性、低温特性に大きな影響を与えます。
ポリマーには長く繰り返される分子鎖があり、特定の液体の浸透を可能にします。結晶構造を持つ金属とは異なり、長い分子は調理されたスパゲッティの束のように互いに絡み合っています。物理的には、水/蒸気やガスなどの非常に小さな分子が浸透する可能性があります。分子の中には、個々の鎖の間の隙間に収まるほど小さいものもあります。
障害 3: 通常、障害分析調査の文書化は、部品の画像を取得することから始まります。しかし、金曜日に受け取った平らで柔軟なガソリン臭のプラスチック片は、月曜日（写真が撮影された時間）には硬い丸いパイプに変わっていた。伝えられるところによると、この部品はガソリンスタンドで地表下の電気部品を保護するために使用されるポリエチレン（PE）パイプジャケットだという。受け取った平らで柔軟なプラスチック片はケーブルを保護しませんでした。ガソリンの浸透は化学的変化ではなく物理的変化を引き起こしました - ポリエチレンパイプは分解しませんでした。ただし、軟化度の低いパイプを貫通する必要があります。
欠点 4. 多くの産業施設では、水処理、酸処理、および金属汚染物質の存在が排除される場所 (食品産業など) にテフロンコーティングされた鋼管が使用されています。テフロンでコーティングされたパイプには通気孔があり、スチールとライニングの間の環状空間に浸入した水を排出できます。ただし、ライニングされたパイプには長期間使用した後の保存寿命があります。
図 4 は、10 年以上にわたって HCl の供給に使用されてきたテフロンでライニングされたパイプを示しています。ライナーと鋼管の間の環状空間には、多量の鋼の腐食生成物が蓄積します。製品によりライニングが内側に押し込まれ、図 5 に示すような損傷が発生しました。鋼の腐食はパイプから漏れが始まるまで続きます。
また、テフロンフランジ表面にはクリープが発生します。クリープとは、一定の荷重下での変形（変形）と定義されます。金属と同様、ポリマーのクリープは温度の上昇とともに増加します。ただし、鋼とは異なり、クリープは室温で発生します。おそらく、フランジ面の断面積が減少するにつれて、写真のようにリング亀裂が現れるまで鋼管のボルトが締めすぎたものと考えられます。円形の亀裂により、鋼管はさらに HCl にさらされます。
失敗 5: 高密度ポリエチレン (HDPE) ライナーは、石油およびガス産業で腐食した鋼製注水ラインを修復するために一般的に使用されています。ただし、ライナーの圧力解放には特定の規制要件があります。図 6 と 7 は破損したライナーを示しています。単一のバルブ ライナーの損傷は、弁輪圧力が内部動作圧力を超えると発生します。つまり、ライナーが貫通により破損します。HDPE ライナーの場合、この破損を防ぐ最善の方法は、パイプの急激な減圧を避けることです。
グラスファイバー部品は使用を繰り返すと強度が低下します。時間の経過とともに、いくつかの層が剥離したり亀裂が入ったりすることがあります。API 15 HR「高圧グラスファイバーリニアパイプ」には、圧力の 20% 変化がテストおよび修理の限界であるという記述が含まれています。カナダ規格 CSA Z662「石油およびガスパイプラインシステム」のセクション 13.1.2.8 では、圧力変動をパイプメーカーの圧力定格の 20% 未満に維持する必要があると規定しています。そうしないと、設計圧力が最大 50% 低下する可能性があります。FRP およびクラッディング付き FRP を設計する場合は、周期荷重を考慮する必要があります。
欠点 6: 塩水の供給に使用されるグラスファイバー (FRP) パイプの底部 (6 時側) が高密度ポリエチレンで覆われています。故障した部品、故障後の正常な部品、および 3 番目のコンポーネント (製造後のコンポーネントを表す) がテストされました。特に、破損した部分の断面を、同じサイズのプレハブパイプの断面と比較しました (図 8 および 9 を参照)。破損した断面には、製造されたパイプには存在しない広範囲の層内亀裂があることに注意してください。新しいパイプと破損したパイプの両方で層間剥離が発生しました。層間剥離はガラス含有量の高いファイバーグラスでよく起こります。ガラス含有量が高いと強度が高くなります。パイプラインは激しい圧力変動 (20% 以上) にさらされ、周期的な負荷により破損しました。
図 9. これは、高密度ポリエチレンでライニングされたグラスファイバーパイプの完成したグラスファイバーの断面をさらに 2 つ示します。
現場での設置中、パイプの小さなセクションが接続されます。これらの接続は重要です。通常、2 つのパイプを突き合わせて、パイプ間の隙間を「パテ」で埋めます。次に、接合部を幅の広いグラスファイバー補強材の層で包み、樹脂を含浸させます。ジョイントの外面には十分な鋼コーティングが施されている必要があります。
ライナーやグラスファイバーなどの非金属材料は粘弾性があります。この特性を説明するのは難しいですが、その症状は一般的です。通常、損傷は設置中に発生しますが、漏れはすぐには発生しません。「粘弾性とは、変形時に粘性と弾性の両方の特性を示す材料の特性です。粘性材料 (蜂蜜など) はせん断流に抵抗し、応力がかかると時間の経過とともに直線的に変形します。弾性材料 (スチールなど) はすぐに変形しますが、応力が取り除かれるとすぐに元の状態に戻ります。粘弾性材料は両方の特性を備えているため、時間とともに変化する変形を示します。通常、弾性は規則正しい固体の結晶面に沿った結合の伸張によって生じますが、粘性は非晶質材料内の原子または分子の拡散によって生じます。」[4]。
グラスファイバーおよびプラスチックのコンポーネントは、取り付けおよび取り扱いの際に特別な注意が必要です。そうしないと、ひび割れが発生し、水圧試験後しばらくしてから損傷が明らかになる可能性があります。
グラスファイバーライニングの故障のほとんどは、設置時の損傷によって発生します [5]。水圧試験は必要ですが、使用中に発生する可能性のある軽微な損傷は検出されません。
図 10. ここに示されているのは、グラスファイバー パイプ セグメント間の内側 (左) と外側 (右) の境界面です。
欠陥 7. 図 10 は、グラスファイバーパイプの 2 つのセクションの接続を示しています。図 11 に接続部の断面図を示します。パイプの外面の補強やシールが十分でなく、輸送中にパイプが破損した。接合部の強化に関する推奨事項は、DIN 16966、CSA Z662、および ASME NM.2 に記載されています。
高密度ポリエチレンパイプは軽量で耐食性に優れ、工場現場の消防ホースをはじめとするガス管や水道管などに多く使用されています。これらの路線の故障のほとんどは、掘削作業中に受けた損傷に関連しています [6]。ただし、遅い亀裂成長 (SCG) 破壊は、比較的低い応力と最小限のひずみでも発生する可能性があります。報告によると、「SCG は、設計寿命が 50 年の地下ポリエチレン (PE) パイプラインでよく見られる故障モードです」[7]。
欠陥 8: 20 年以上の使用により、消防ホース内に SCG が形成されました。その骨折には次のような特徴があります。
SCG 破壊は破壊パターンによって特徴付けられます。変形は最小限であり、複数の同心リングによって発生します。SCG エリアが約 2 x 1.5 インチに増加すると、亀裂は急速に広がり、巨視的な特徴は目立たなくなります (図 12 ～ 14)。回線では毎週 10% 以上の負荷変化が発生する可能性があります。古い HDPE ジョイントは、古い HDPE ジョイントよりも負荷変動による破損に対する耐性が高いことが報告されています [8]。ただし、HDPE 消防ホースの老朽化に伴い、既存の施設は SCG の開発を検討する必要があります。
図 12. この写真は、T 分岐がメイン パイプと交差する場所を示しており、赤い矢印で示された亀裂が生じています。
米。14. ここでは、T 字型主管への T 字型分岐の破面を拡大して見ることができます。内面に明らかな亀裂がございます。
中間バルクコンテナ (IBC) は、少量の化学物質の保管と輸送に適しています (図 15)。彼らは非常に信頼できるため、失敗が重大な危険をもたらす可能性があることを忘れがちです。ただし、MDS の失敗は重大な経済的損失を引き起こす可能性があり、その一部については著者が検証しています。ほとんどの故障は不適切な取り扱いによって引き起こされます [9-11]。IBC は検査が簡単に見えますが、不適切な取り扱いによって生じる HDPE の亀裂を検出するのは困難です。危険な製品を含むバルクコンテナを頻繁に取り扱う企業の資産管理者は、外部および内部の定期的かつ徹底した検査が義務付けられています。米国では。
紫外線 (UV) による損傷と老化はポリマーに蔓延しています。これは、O リングの保管指示に注意深く従い、オープントップタンクや池のライニングなどの外部コンポーネントの寿命への影響を考慮する必要があることを意味します。メンテナンス予算を最適化 (最小化) する必要がある一方で、外部コンポーネント、特に太陽光にさらされているコンポーネントの検査が必要です (図 16)。
ガラス転移温度、圧縮永久歪み、針入度、室温クリープ、粘弾性、遅い亀裂伝播などの特性が、プラスチックおよびエラストマー部品の性能特性を決定します。重要なコンポーネントの効果的かつ効率的なメンテナンスを確実に行うには、これらの特性を考慮する必要があり、ポリマーもこれらの特性を認識している必要があります。
著者らは、調査結果を業界に共有してくださった洞察力に富んだクライアントと同僚に感謝したいと思います。
1. Lewis Sr.、Richard J.、Hawley's Concise Dictionary of Chemistry、第 12 版、Thomas Press International、ロンドン、英国、1992 年。
2. インターネット ソース: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set。
3. Lach、Cynthia L.、Viton V747-75 のシール能力に対する温度と O リング表面処理の影響。NASA 技術文書 3391、1993 年、https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf。
5. カナダ石油・ガス生産者向けのベスト プラクティス (CAPP)、「強化複合材 (非金属) パイプラインの使用」、2017 年 4 月。
6. Maupin J. および Mamun M. プラスチック パイプの失敗、リスクおよび危険性分析、DOT プロジェクト No. 194、2009 年。
7. Xiangpeng Luo、Jianfeng Shi、Jingyan Zheng、「ポリエチレンにおけるゆっくりとした亀裂成長のメカニズム: 有限要素法」、2015 ASME 圧力容器および配管カンファレンス、ボストン、マサチューセッツ州、2015 年。
8. Oliphant, K.、Conrad, M.、および Bryce, W.、プラスチック製水道管の疲労: PE4710 パイプの疲労設計に関する技術レビューと推奨事項、プラスチック パイプ協会を代表する技術報告書、2012 年 5 月。
9. 中間バルクコンテナでの液体の保管に関する CBA/SIA ガイドライン、ICB 第 2 号、2018 年 10 月 オンライン: 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 Operation Experience、セミナー シリーズ No. 154、IChemE、ラグビー、英国、2008 年、オンライン: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf。
11. Madden, D.、IBC トートの手入れ: 長持ちさせるための 5 つのヒント、バルクコンテナ、IBC トート、持続可能性、blog.containerexchanger.com に投稿、2018 年 9 月 15 日。
Ana Benz は IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8、電話: 780-577-4481、電子メール: [email protected]) のチーフ エンジニアです。彼女は、腐食、故障、検査の専門家として 24 年間働いてきました。彼女の経験には、高度な検査技術を使用した検査の実施やプラント検査プログラムの組織化などが含まれます。メルセデス・ベンツは、石油およびガスの生産プラントだけでなく、世界中の化学処理産業、石油化学プラント、肥料プラント、ニッケルプラントにもサービスを提供しています。彼女はベネズエラのシモン・ボリバル大学で材料工学の学位を取得し、ブリティッシュ・コロンビア大学で材料工学の修士号を取得しました。彼女は、カナダ一般規格委員会 (CGSB) の非破壊検査認定をいくつか取得しているほか、API 510 認定および CWB グループ レベル 3 認定も取得しています。ベンツは、NACE エドモントン執行支部のメンバーを 15 年間務め、以前はカナダ溶接協会エドモントン支部でさまざまな役職を務めていました。
寧波ボディシール株式会社はあらゆる種類の製品を生産していますFFKM オリング、FKM オーリングキット、
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投稿日時: 2023 年 11 月 18 日