Ce guide illustré présente certains problèmes courants pouvant survenir avec les matériaux polymères et élastomères, différents de ceux rencontrés avec les joints et composants métalliques.
La défaillance des composants polymères (plastiques et élastomères) et ses conséquences peuvent être aussi graves que la défaillance d'équipements métalliques.Les informations présentées décrivent certaines des propriétés qui affectent les composants polymères des équipements utilisés dans les installations industrielles.Ces informations s'appliquent à certains anciensJoints toriques, tube doublé, plastique renforcé de fibres (FRP) et tube doublé.Des exemples de propriétés telles que la pénétration, la température du verre et la viscoélasticité ainsi que leurs implications sont discutés.
Le 28 janvier 1986, la catastrophe de la navette spatiale Challenger a choqué le monde.L'explosion s'est produite parce que le joint torique n'était pas correctement scellé.
Les défauts décrits dans cet article présentent certaines des caractéristiques des défauts non métalliques affectant les équipements utilisés dans les applications industrielles.Pour chaque cas, les propriétés importantes du polymère sont discutées.
Les élastomères ont une température de transition vitreuse, qui est définie comme « la température à laquelle un matériau amorphe, tel que le verre ou un polymère, passe d'un état vitreux cassant à un état ductile » [1].
Les élastomères ont une déformation rémanente à la compression – « définie comme le pourcentage de déformation qu'un élastomère ne peut pas récupérer après une période de temps fixe à une extrusion et une température données » [2].Selon l’auteur, la compression fait référence à la capacité du caoutchouc à reprendre sa forme initiale.Dans de nombreux cas, le gain de compression est compensé par une certaine expansion qui se produit pendant l'utilisation.Cependant, comme le montre l’exemple ci-dessous, ce n’est pas toujours le cas.
Défaut 1 : La basse température ambiante (36 °F) avant le lancement a entraîné un nombre insuffisant de joints toriques Viton sur la navette spatiale Challenger.Comme indiqué dans diverses enquêtes sur des accidents : « À des températures inférieures à 50°F, le joint torique Viton V747-75 n'est pas assez flexible pour suivre l'ouverture de l'espace de test » [3].La température de transition vitreuse empêche le joint torique Challenger de bien sceller.
Problème 2 : Les joints illustrés aux figures 1 et 2 sont principalement exposés à l'eau et à la vapeur.Les joints ont été assemblés sur site en utilisant du monomère d'éthylène propylène diène (EPDM).Cependant, ils testent des élastomères fluorés (FKM) comme le Viton) et des élastomères perfluorés (FFKM) comme les joints toriques Kalrez.Bien que les tailles varient, tous les joints toriques illustrés dans la figure 2 commencent par la même taille :
Ce qui s'est passé?L'utilisation de vapeur peut poser problème pour les élastomères.Pour les applications de vapeur au-dessus de 250°F, les déformations de dilatation et de contraction FKM et FFKM doivent être prises en compte dans les calculs de conception de garniture.Différents élastomères présentent certains avantages et inconvénients, même ceux qui présentent une résistance chimique élevée.Tout changement nécessite un entretien minutieux.
Notes générales sur les élastomères.En général, l'utilisation d'élastomères à des températures supérieures à 250°F et inférieures à 35°F est spécialisée et peut nécessiter l'intervention du concepteur.
Il est important de déterminer la composition élastomère utilisée.La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) permet de distinguer des types d'élastomères très différents, tels que l'EPDM, le FKM et le FFKM mentionnés ci-dessus.Cependant, les tests visant à distinguer un composé FKM d'un autre peuvent s'avérer difficiles.Les joints toriques fabriqués par différents fabricants peuvent avoir des charges, des vulcanisations et des traitements différents.Tout cela a un impact significatif sur la déformation rémanente à la compression, la résistance chimique et les caractéristiques à basse température.
Les polymères ont de longues chaînes moléculaires répétitives qui permettent à certains liquides de les pénétrer.Contrairement aux métaux, qui ont une structure cristalline, les longues molécules s’entrelacent les unes avec les autres comme un brin de spaghetti cuit.Physiquement, de très petites molécules telles que l'eau/la vapeur et les gaz peuvent pénétrer.Certaines molécules sont suffisamment petites pour passer à travers les interstices entre les chaînes individuelles.
Défaillance 3 : En règle générale, la documentation d'une enquête d'analyse de défaillance commence par l'obtention d'images des pièces.Cependant, le morceau de plastique plat, flexible et sentant l'essence reçu vendredi s'était transformé en un tuyau rond et dur lundi (au moment où la photo a été prise).Le composant serait une gaine de tuyau en polyéthylène (PE) utilisée pour protéger les composants électriques sous le niveau du sol dans une station-service.La pièce plate en plastique flexible que vous avez reçue ne protège pas le câble.La pénétration de l’essence a provoqué des modifications physiques et non chimiques : le tuyau en polyéthylène ne s’est pas décomposé.Il est cependant nécessaire de pénétrer dans des canalisations moins ramollies.
Défaut 4. De nombreuses installations industrielles utilisent des tuyaux en acier recouverts de téflon pour le traitement de l'eau, le traitement des acides et là où la présence de contaminants métalliques est exclue (par exemple, dans l'industrie alimentaire).Les tuyaux recouverts de téflon ont des évents qui permettent à l'eau s'infiltrant dans l'espace annulaire entre l'acier et le revêtement de s'écouler.Cependant, les tuyaux doublés ont une durée de conservation après une utilisation prolongée.
La figure 4 montre un tuyau revêtu de téflon utilisé pour fournir du HCl depuis plus de dix ans.Une grande quantité de produits de corrosion de l'acier s'accumule dans l'espace annulaire entre le revêtement et le tuyau en acier.Le produit a poussé le revêtement vers l'intérieur, provoquant des dommages comme le montre la figure 5. La corrosion de l'acier se poursuit jusqu'à ce que le tuyau commence à fuir.
De plus, un fluage se produit sur la surface de la bride en Téflon.Le fluage est défini comme une déformation (déformation) sous charge constante.Comme pour les métaux, le fluage des polymères augmente avec l’augmentation de la température.Cependant, contrairement à l’acier, le fluage se produit à température ambiante.Très probablement, à mesure que la section transversale de la surface de la bride diminue, les boulons du tuyau en acier sont trop serrés jusqu'à ce que la fissure annulaire apparaisse, comme le montre la photo.Les fissures circulaires exposent davantage le tuyau en acier au HCl.
Échec 5 : Les revêtements en polyéthylène haute densité (PEHD) sont couramment utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière pour réparer les conduites d'injection d'eau en acier corrodées.Cependant, il existe des exigences réglementaires spécifiques concernant la décompression du revêtement.Les figures 6 et 7 montrent un revêtement défaillant.L'endommagement d'un revêtement de valve unique se produit lorsque la pression annulaire dépasse la pression de fonctionnement interne – le revêtement échoue en raison de la pénétration.Pour les revêtements en PEHD, la meilleure façon d’éviter cette défaillance est d’éviter une dépressurisation rapide du tuyau.
La résistance des pièces en fibre de verre diminue avec une utilisation répétée.Plusieurs couches peuvent se décoller et se fissurer avec le temps.API 15 HR « Tuyau linéaire en fibre de verre haute pression » contient une déclaration selon laquelle un changement de pression de 20 % est la limite de test et de réparation.La section 13.1.2.8 de la norme canadienne CSA Z662, Systèmes de pipelines de pétrole et de gaz, précise que les fluctuations de pression doivent être maintenues en dessous de 20 % de la pression nominale du fabricant de tuyaux.Sinon, la pression de conception peut être réduite jusqu'à 50 %.Lors de la conception de FRP et de FRP avec revêtement, les charges cycliques doivent être prises en compte.
Défaut 6 : Le côté inférieur (6 heures) du tuyau en fibre de verre (FRP) utilisé pour fournir de l'eau salée est recouvert de polyéthylène haute densité.La pièce défectueuse, la pièce en bon état après panne et le troisième composant (représentant le composant post-fabrication) ont été testés.En particulier, la section transversale de la section rompue a été comparée à la section transversale d'un tuyau préfabriqué de même taille (voir figures 8 et 9).Notez que la section transversale défaillante présente d’importantes fissures intralaminaires qui ne sont pas présentes dans le tuyau fabriqué.Un délaminage s'est produit dans les canalisations neuves et défaillantes.Le délaminage est courant dans les fibres de verre à forte teneur en verre ;Une teneur élevée en verre donne une plus grande résistance.Le pipeline a été soumis à de fortes fluctuations de pression (plus de 20 %) et s'est rompu en raison d'un chargement cyclique.
Figure 9. Voici deux autres coupes transversales de fibre de verre finie dans un tuyau en fibre de verre doublé de polyéthylène haute densité.
Lors de l’installation sur site, de plus petites sections de tuyaux sont connectées – ces connexions sont essentielles.En règle générale, deux morceaux de tuyau sont assemblés bout à bout et l'espace entre les tuyaux est rempli de « mastic ».Les joints sont ensuite enveloppés de plusieurs couches de renfort en fibre de verre grande largeur et imprégnés de résine.La surface extérieure du joint doit avoir un revêtement d'acier suffisant.
Les matériaux non métalliques tels que les doublures et la fibre de verre sont viscoélastiques.Bien que cette caractéristique soit difficile à expliquer, ses manifestations sont courantes : les dommages surviennent généralement lors de l'installation, mais les fuites ne se produisent pas immédiatement.« La viscoélasticité est une propriété d'un matériau qui présente des propriétés à la fois visqueuses et élastiques lorsqu'il est déformé.Les matériaux visqueux (tels que le miel) résistent au cisaillement et se déforment linéairement au fil du temps lorsqu'une contrainte est appliquée.Les matériaux élastiques (tels que l’acier) se déformeront immédiatement, mais reviendront également rapidement à leur état d’origine une fois les contraintes supprimées.Les matériaux viscoélastiques possèdent les deux propriétés et présentent donc une déformation variable dans le temps.L'élasticité résulte généralement de l'étirement des liaisons le long des plans cristallins dans des solides ordonnés, tandis que la viscosité résulte de la diffusion d'atomes ou de molécules au sein d'un matériau amorphe » [4].
Les composants en fibre de verre et en plastique nécessitent un soin particulier lors de l'installation et de la manipulation.Sinon, ils pourraient se fissurer et les dommages pourraient ne devenir apparents que longtemps après les essais hydrostatiques.
La plupart des défaillances des revêtements en fibre de verre sont dues à des dommages lors de l'installation [5].Des tests hydrostatiques sont nécessaires mais ne détectent pas les dommages mineurs pouvant survenir lors de l'utilisation.
Figure 10. Voici les interfaces intérieures (à gauche) et extérieures (à droite) entre les segments de tuyaux en fibre de verre.
Défaut 7. La figure 10 montre le raccordement de deux sections de tuyaux en fibre de verre.La figure 11 montre la section transversale de la connexion.La surface extérieure du tuyau n’était pas suffisamment renforcée et scellée et le tuyau s’est cassé pendant le transport.Les recommandations pour le renforcement des joints sont données dans les normes DIN 16966, CSA Z662 et ASME NM.2.
Les tuyaux en polyéthylène haute densité sont légers, résistants à la corrosion et sont couramment utilisés pour les conduites de gaz et d'eau, y compris les tuyaux d'incendie sur les sites d'usine.La plupart des ruptures sur ces lignes sont associées à des dommages subis lors des travaux d'excavation [6].Cependant, une rupture à croissance lente de fissures (SCG) peut également se produire à des contraintes relativement faibles et à des déformations minimes.Selon les rapports, « le SCG est un mode de défaillance courant dans les canalisations souterraines en polyéthylène (PE) avec une durée de vie nominale de 50 ans » [7].
Défaut 8 : Du SCG s'est formé dans la lance d'incendie après plus de 20 ans d'utilisation.Sa fracture présente les caractéristiques suivantes :
La rupture du SCG est caractérisée par un type de fracture : elle présente une déformation minime et se produit en raison de plusieurs anneaux concentriques.Une fois que la zone SCG atteint environ 2 x 1,5 pouces, la fissure se propage rapidement et les caractéristiques macroscopiques deviennent moins évidentes (Figures 12 à 14).La ligne peut connaître des changements de charge de plus de 10 % chaque semaine.Il a été rapporté que les anciens joints en PEHD sont plus résistants aux ruptures dues aux fluctuations de charge que les anciens joints en PEHD [8].Cependant, les installations existantes devraient envisager de développer des SCG à mesure que les tuyaux d'incendie en PEHD vieillissent.
Figure 12. Cette photo montre l'endroit où la branche en T croise le tuyau principal, créant la fissure indiquée par la flèche rouge.
Riz.14. Ici, vous pouvez voir de près la surface de fracture de la branche en forme de T jusqu'au tuyau principal en forme de T.Il y a des fissures évidentes sur la surface intérieure.
Les conteneurs pour vrac intermédiaires (IBC) conviennent au stockage et au transport de petites quantités de produits chimiques (Figure 15).Ils sont si fiables qu’il est facile d’oublier que leur défaillance peut constituer un danger important.Cependant, les échecs du MDS peuvent entraîner des pertes financières importantes, dont certaines sont examinées par les auteurs.La plupart des échecs sont causés par une mauvaise manipulation [9-11].Bien que les IBC semblent simples à inspecter, les fissures du PEHD causées par une mauvaise manipulation sont difficiles à détecter.Pour les gestionnaires d’actifs des entreprises qui manipulent fréquemment des conteneurs pour vrac contenant des produits dangereux, des inspections externes et internes régulières et approfondies sont obligatoires.aux Etats-Unis.
Les dommages causés par les ultraviolets (UV) et le vieillissement sont répandus dans les polymères.Cela signifie que nous devons suivre attentivement les instructions de stockage des joints toriques et prendre en compte l'impact sur la durée de vie des composants externes tels que les réservoirs à toit ouvert et les revêtements de bassin.Bien que nous devions optimiser (minimiser) le budget de maintenance, une certaine inspection des composants externes est nécessaire, en particulier ceux exposés au soleil (Figure 16).
Des caractéristiques telles que la température de transition vitreuse, la déformation rémanente à la compression, la pénétration, le fluage à température ambiante, la viscoélasticité, la propagation lente des fissures, etc. déterminent les caractéristiques de performance des pièces en plastique et en élastomère.Pour garantir une maintenance efficace et efficiente des composants critiques, ces propriétés doivent être prises en compte et les polymères doivent en être conscients.
Les auteurs souhaitent remercier leurs clients et collègues avisés d’avoir partagé leurs découvertes avec l’industrie.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12e édition, Thomas Press International, Londres, Royaume-Uni, 1992.
2. Source Internet : https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Effet de la température et du traitement de surface du joint torique sur la capacité d'étanchéité du Viton V747-75.Document technique de la NASA 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. Meilleures pratiques pour les producteurs canadiens de pétrole et de gaz (CAPP), « Utilisation de pipelines en composites renforcés (non métalliques), avril 2017.
6. Maupin J. et Mamun M. Défaillance, analyse des risques et des dangers des tuyaux en plastique, projet DOT n° 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi et Jingyan Zheng, Mécanismes de croissance lente des fissures dans le polyéthylène : méthodes par éléments finis, conférence ASME 2015 sur les récipients sous pression et la tuyauterie, Boston, MA, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M. et Bryce, W., Fatigue of Plastic Water Pipe: Technical Review and Recommendations for Fatigue Design of PE4710 Pipe, rapport technique au nom de la Plastic Pipe Association, mai 2012.
9. Lignes directrices CBA/SIA pour le stockage de liquides dans des conteneurs pour vrac intermédiaires, ICB numéro 2, octobre 2018 En ligne : 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, en ligne : https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., Caring for IBC Totes: Five Tips to Make Them Last, publié dans Bulk Containers, IBC Totes, Sustainability, publié sur blog.containerexchanger.com, 15 septembre 2018.
Ana Benz est ingénieur en chef chez IRISNDT (5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8 ; téléphone : 780-577-4481 ; courriel : [email protégé]).Elle a travaillé comme spécialiste de la corrosion, des pannes et de l’inspection pendant 24 ans.Son expérience comprend la réalisation d'inspections à l'aide de techniques d'inspection avancées et l'organisation de programmes d'inspection d'usines.Mercedes-Benz dessert l'industrie de transformation chimique, les usines pétrochimiques, les usines d'engrais et les usines de nickel du monde entier, ainsi que les usines de production de pétrole et de gaz.Elle est titulaire d'un diplôme en génie des matériaux de l'Université Simon Bolivar au Venezuela et d'une maîtrise en génie des matériaux de l'Université de la Colombie-Britannique.Elle détient plusieurs certifications en essais non destructifs de l'Office des normes générales du Canada (ONGC), ainsi que la certification API 510 et la certification CWB Group Niveau 3.Benz a été membre de la branche exécutive de la NACE à Edmonton pendant 15 ans et a auparavant occupé divers postes au sein de la succursale d'Edmonton de la Société canadienne de soudage.
NINGBO BODI SEALS CO., LTD A PRODUIT TOUTES SORTES DEANNEAU FFKM, KITS DE JOINTS FKM,
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Heure de publication : 18 novembre 2023