이 그림 가이드는 금속 씰 및 부품에서 발생하는 문제와는 다른 폴리머 및 탄성 재료에서 발생할 수 있는 몇 가지 일반적인 문제를 보여줍니다.
폴리머(플라스틱 및 탄성중합체) 부품의 고장과 그 결과는 금속 장비의 고장만큼 심각할 수 있습니다.제시된 정보는 산업 시설에서 사용되는 장비의 폴리머 구성 요소에 영향을 미치는 일부 특성을 설명합니다.이 정보는 일부 기존 제품에 적용됩니다.O-링, 라이닝 파이프, 섬유 강화 플라스틱(FRP) 및 라이닝 파이프.침투, 유리 온도, 점탄성과 같은 특성의 예와 그 의미가 논의됩니다.
1986년 1월 28일, 챌린저 우주왕복선 참사로 인해 전 세계가 충격에 빠졌습니다.폭발은 O-링이 제대로 밀봉되지 않아 발생했습니다.
이 기사에 설명된 결함은 산업 응용 분야에 사용되는 장비에 영향을 미치는 비금속 결함의 일부 특성을 소개합니다.각 경우에 대해 중요한 폴리머 특성이 논의됩니다.
엘라스토머에는 유리 전이 온도가 있는데, 이는 "유리나 폴리머와 같은 비정질 재료가 부서지기 쉬운 유리 상태에서 연성 상태로 변하는 온도"로 정의됩니다[1].
엘라스토머에는 압축 영구 변형이 있습니다. 이는 "주어진 압출 및 온도에서 일정 기간 후에 엘라스토머가 회복할 수 없는 변형률의 백분율로 정의됩니다"[2].저자에 따르면 압축이란 고무가 원래 모양으로 돌아가는 능력을 말합니다.대부분의 경우 압축 게인은 사용 중에 발생하는 일부 확장으로 인해 상쇄됩니다.그러나 아래 예에서 볼 수 있듯이 항상 그런 것은 아닙니다.
결함 1: 발사 전 낮은 주변 온도(36°F)로 인해 우주 왕복선 챌린저의 Viton O-링이 부족했습니다.다양한 사고 조사에서 언급된 바와 같이: "50°F 미만의 온도에서 Viton V747-75 O-링은 테스트 간격의 개방을 추적할 만큼 충분히 유연하지 않습니다"[3].유리 전이 온도로 인해 Challenger O-링이 제대로 밀봉되지 않습니다.
문제 2: 그림 1과 2에 표시된 씰은 주로 물과 증기에 노출됩니다.씰은 EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 단량체)을 사용하여 현장에서 조립되었습니다.그러나 그들은 Viton과 같은 불소탄성체(FKM)와 Kalrez O-링과 같은 과불화탄성체(FFKM)를 테스트하고 있습니다.크기는 다양하지만 그림 2에 표시된 모든 O-링은 동일한 크기로 시작됩니다.
무슨 일이 일어났나요?증기의 사용은 엘라스토머에 문제가 될 수 있습니다.250°F 이상의 증기 응용 분야의 경우 포장 설계 계산 시 팽창 및 수축 변형 FKM 및 FFKM을 고려해야 합니다.다양한 엘라스토머에는 특정 장점과 단점이 있으며, 내화학성이 높은 경우에도 마찬가지입니다.모든 변경 사항에는 세심한 유지 관리가 필요합니다.
엘라스토머에 대한 일반 참고 사항.일반적으로 250°F 이상 및 35°F 미만의 온도에서 엘라스토머를 사용하는 것은 전문적이며 설계자의 의견이 필요할 수 있습니다.
사용된 엘라스토머 구성을 결정하는 것이 중요합니다.푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)은 위에서 언급한 EPDM, FKM, FFKM과 같이 상당히 다른 유형의 엘라스토머를 구별할 수 있습니다.그러나 하나의 FKM 화합물을 다른 FKM 화합물과 구별하는 테스트는 어려울 수 있습니다.다양한 제조업체에서 만든 O-링에는 충전제, 경화 및 처리 방식이 다를 수 있습니다.이 모든 것이 압축 영구 변형, 내화학성 및 저온 특성에 중요한 영향을 미칩니다.
폴리머는 특정 액체가 침투할 수 있도록 하는 길고 반복되는 분자 사슬을 가지고 있습니다.결정 구조를 갖는 금속과 달리 긴 분자는 조리된 스파게티 한 가닥처럼 서로 얽혀 있습니다.물리적으로 물/증기 및 가스와 같은 매우 작은 분자가 침투할 수 있습니다.일부 분자는 개별 사슬 사이의 틈을 통과할 만큼 작습니다.
실패 3: 일반적으로 실패 분석 조사를 문서화하는 것은 부품의 이미지를 얻는 것부터 시작됩니다.그러나 금요일에 받은 납작하고 유연하며 휘발유 냄새가 나는 플라스틱 조각은 월요일(사진 촬영 당시)에는 딱딱하고 둥근 파이프로 변했습니다.해당 부품은 주유소의 지면 아래 전기 부품을 보호하는 데 사용되는 폴리에틸렌(PE) 파이프 재킷인 것으로 알려졌습니다.귀하가 받은 납작하고 유연한 플라스틱 조각은 케이블을 보호하지 못했습니다.휘발유의 침투는 화학적 변화가 아닌 물리적 변화를 일으켰습니다. 폴리에틸렌 파이프는 분해되지 않았습니다.그러나 덜 연화된 파이프를 관통할 필요가 있다.
결함 4. 많은 산업 시설에서는 수처리, 산 처리 및 금속 오염 물질이 배제된 곳(예: 식품 산업)에 테프론 코팅 강철 파이프를 사용합니다.테프론 코팅 파이프에는 강철과 라이닝 사이의 환형 공간으로 스며드는 물이 배수되도록 하는 통풍구가 있습니다.그러나 라이닝된 파이프는 장기간 사용하면 유통기한이 있습니다.
그림 4는 10년 넘게 HCl을 공급하는 데 사용된 테프론 라이닝 파이프를 보여줍니다.라이너와 강관 사이의 환형 공간에는 다량의 강 부식 생성물이 축적됩니다.제품이 라이닝을 안쪽으로 밀어 넣어 그림 5와 같이 손상을 입혔다. 배관이 새기 시작할 때까지 철근의 부식이 계속된다.
또한, 테프론 플랜지 표면에 크리프(Creep)가 발생합니다.크리프는 일정한 하중 하에서 변형(변형)으로 정의됩니다.금속과 마찬가지로 폴리머의 크리프도 온도가 증가함에 따라 증가합니다.그러나 강철과 달리 크리프는 실온에서 발생합니다.아마도 플랜지 표면의 단면적이 감소함에 따라 사진에 표시된 링 균열이 나타날 때까지 강관의 볼트가 과도하게 조여진 것 같습니다.원형 균열은 강관을 HCl에 더욱 노출시킵니다.
실패 5: 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 라이너는 석유 및 가스 산업에서 부식된 강철 물 주입 라인을 수리하는 데 일반적으로 사용됩니다.그러나 라이너 압력 완화에 대한 특정 규제 요구 사항이 있습니다.그림 6과 7은 실패한 라이너를 보여줍니다.단일 밸브 라이너의 손상은 환형 압력이 내부 작동 압력을 초과할 때 발생합니다. 라이너는 관통으로 인해 파손됩니다.HDPE 라이너의 경우 이러한 실패를 방지하는 가장 좋은 방법은 파이프의 급격한 감압을 방지하는 것입니다.
유리섬유 부품은 반복 사용할수록 강도가 감소합니다.시간이 지남에 따라 여러 층이 박리되거나 균열될 수 있습니다.API 15 HR "고압 유리 섬유 선형 파이프"에는 20%의 압력 변화가 테스트 및 수리 한계라는 설명이 포함되어 있습니다.캐나다 표준 CSA Z662, 석유 및 가스 파이프라인 시스템의 섹션 13.1.2.8에서는 압력 변동이 파이프 제조업체 압력 등급의 20% 미만으로 유지되어야 한다고 명시하고 있습니다.그렇지 않으면 설계 압력이 최대 50%까지 감소할 수 있습니다.FRP와 클래딩이 포함된 FRP를 설계할 때는 반복 하중을 고려해야 합니다.
결함 6 : 소금물 공급에 사용되는 유리섬유(FRP) 배관의 하단(6시 방향)이 고밀도 폴리에틸렌으로 덮여 있다.고장난 부품, 고장 후 양호한 부품, 세 번째 부품(제조 후 부품을 나타냄)을 테스트했습니다.특히, 파손된 단면의 단면을 동일한 크기의 조립식 파이프 단면과 비교했습니다(그림 8 및 9 참조).실패한 단면에는 제작된 파이프에 존재하지 않는 광범위한 층내 균열이 있습니다.새 파이프와 고장난 파이프 모두에서 박리가 발생했습니다.박리는 유리 함량이 높은 유리섬유에서 흔히 발생합니다.유리 함량이 높으면 강도가 높아집니다.파이프라인은 심각한 압력 변동(20% 이상)을 겪었고 주기적인 부하로 인해 실패했습니다.
그림 9. 다음은 고밀도 폴리에틸렌 라이닝 유리섬유 파이프에 완성된 유리섬유의 단면 두 개입니다.
현장 설치 중에 파이프의 작은 부분이 연결됩니다. 이러한 연결은 매우 중요합니다.일반적으로 두 개의 파이프를 맞대고 파이프 사이의 틈을 "퍼티"로 채웁니다.그런 다음 조인트를 여러 겹의 폭이 넓은 유리 섬유 강화재로 감싸고 수지를 함침시킵니다.조인트의 외부 표면에는 충분한 강철 코팅이 있어야 합니다.
라이너 및 유리 섬유와 같은 비금속 재료는 점탄성을 갖습니다.이 특성은 설명하기 어렵지만 그 증상은 일반적입니다. 일반적으로 설치 중에 손상이 발생하지만 누출은 즉시 발생하지 않습니다.“점탄성이란 변형되었을 때 점성 및 탄성 특성을 모두 나타내는 재료의 특성입니다.꿀과 같은 점성 물질은 전단 흐름에 저항하고 응력이 가해지면 시간이 지남에 따라 선형으로 변형됩니다.강철과 같은 탄성 재료는 즉시 변형되지만 응력이 제거되면 빠르게 원래 상태로 돌아갑니다.점탄성 재료는 두 가지 특성을 모두 갖고 있으므로 시간에 따라 변하는 변형을 나타냅니다.탄성은 일반적으로 규칙적인 고체의 결정면을 따라 결합이 늘어나는 결과로 나타나는 반면, 점도는 비정질 물질 내에서 원자나 분자가 확산되면서 발생합니다.” [4]
유리섬유 및 플라스틱 부품은 설치 및 취급 시 특별한 주의가 필요합니다.그렇지 않으면 균열이 발생하고 수압 테스트가 끝난 후 오랜 시간이 지나도 손상이 눈에 띄지 않을 수 있습니다.
유리섬유 라이닝의 대부분의 파손은 설치 중 손상으로 인해 발생합니다[5].수압 테스트가 필요하지만 사용 중에 발생할 수 있는 경미한 손상을 감지하지 못합니다.
그림 10. 여기에 표시된 것은 유리 섬유 파이프 세그먼트 사이의 내부(왼쪽) 및 외부(오른쪽) 인터페이스입니다.
결함 7. 그림 10은 유리 섬유 파이프의 두 섹션 연결을 보여줍니다.그림 11은 연결 단면을 보여줍니다.파이프 외부 표면의 보강 및 밀봉이 충분하지 않아 운송 중에 파이프가 파손되었습니다.조인트 보강에 대한 권장 사항은 DIN 16966, CSA Z662 및 ASME NM.2에 나와 있습니다.
고밀도 폴리에틸렌 파이프는 가볍고 부식에 강하며 공장 현장의 소방호스를 비롯한 가스관, 수도관 등에 널리 사용됩니다.이 라인의 대부분의 실패는 굴착 작업 중 받은 손상과 관련이 있습니다[6].그러나 느린 균열 성장(SCG) 실패는 상대적으로 낮은 응력과 최소 변형률에서도 발생할 수 있습니다.보고서에 따르면, "SCG는 설계 수명이 50년인 지하 폴리에틸렌(PE) 파이프라인의 일반적인 고장 모드입니다"[7].
결함 8: 20년 이상 사용한 소방 호스에 SCG가 형성되었습니다.골절에는 다음과 같은 특징이 있습니다.
SCG 실패는 파손 패턴이 특징입니다. 변형이 최소화되고 여러 동심원 링으로 인해 발생합니다.SCG 영역이 약 2 x 1.5인치로 증가하면 균열이 빠르게 전파되고 거시적인 특징이 덜 명확해집니다(그림 12-14).라인에서는 매주 10% 이상의 부하 변화가 발생할 수 있습니다.기존 HDPE 조인트는 기존 HDPE 조인트보다 하중 변동으로 인한 파손에 더 강한 것으로 보고되었습니다[8].그러나 기존 시설에서는 HDPE 소방 호스가 노후화됨에 따라 SCG 개발을 고려해야 합니다.
그림 12. 이 사진은 T자형 가지가 메인 파이프와 교차하여 빨간색 화살표로 표시된 균열을 생성하는 위치를 보여줍니다.
쌀.14. 여기서는 T자형 주 파이프에 대한 T자형 가지의 파단면을 가까이서 볼 수 있습니다.내부 표면에 눈에 띄는 균열이 있습니다.
중간 벌크 컨테이너(IBC)는 소량의 화학 물질을 저장하고 운반하는 데 적합합니다(그림 15).그들은 매우 신뢰할 수 있기 때문에 실패가 심각한 위험을 초래할 수 있다는 사실을 쉽게 잊을 수 있습니다.그러나 MDS 실패로 인해 상당한 금전적 손실이 발생할 수 있으며, 그 중 일부는 작성자가 조사했습니다.대부분의 고장은 부적절한 취급으로 인해 발생합니다 [9-11].IBC는 검사가 간단해 보이지만 부적절한 취급으로 인해 발생하는 HDPE 균열은 감지하기 어렵습니다.위험물이 담긴 벌크컨테이너를 자주 취급하는 기업의 자산관리자는 정기적이고 철저한 외부 및 내부 점검이 필수입니다.미국에서.
폴리머에서는 자외선(UV) 손상과 노화가 만연합니다.이는 O-링 보관 지침을 주의 깊게 따르고 상단 개방형 탱크 및 연못 라이닝과 같은 외부 구성 요소의 수명에 미치는 영향을 고려해야 함을 의미합니다.유지 관리 예산을 최적화(최소화)해야 하지만 외부 구성 요소, 특히 햇빛에 노출된 구성 요소에 대한 일부 검사가 필요합니다(그림 16).
유리 전이 온도, 압축 영구 변형, 침투, 실온 크리프, 점탄성, 느린 균열 전파 등과 같은 특성은 플라스틱 및 탄성 부품의 성능 특성을 결정합니다.중요한 구성 요소의 효과적이고 효율적인 유지 관리를 보장하려면 이러한 특성을 고려해야 하며 폴리머는 이러한 특성을 알고 있어야 합니다.
저자는 자신의 연구 결과를 업계와 공유해 준 통찰력 있는 고객과 동료에게 감사를 표하고 싶습니다.
1. Lewis Sr., Richard J., Hawley's Concise Dictionary of Chemistry, 12판, Thomas Press International, 영국 런던, 1992년.
2. 인터넷 출처: https://promo.parker.com/promotionsite/oring-ehandbook/us/en/ehome/laboratory-compression-set.
3. Lach, Cynthia L., Viton V747-75의 밀봉 능력에 대한 온도 및 O-링 표면 처리의 영향.NASA 기술 문서 3391, 1993, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940013602.pdf.
5. 캐나다 석유 및 가스 생산업체(CAPP)를 위한 모범 사례, "강화 복합재(비금속) 파이프라인 사용", 2017년 4월.
6. Maupin J. 및 Mamun M. 플라스틱 파이프의 고장, 위험 및 위험 분석, DOT 프로젝트 번호 194, 2009.
7. Xiangpeng Luo, Jianfeng Shi 및 Jingyan Zheng, 폴리에틸렌의 느린 균열 성장 메커니즘: 유한 요소 방법, 2015 ASME 압력 용기 및 배관 회의, 보스턴, 매사추세츠, 2015.
8. Oliphant, K., Conrad, M. 및 Bryce, W., 플라스틱 수도관의 피로: PE4710 파이프의 피로 설계에 대한 기술 검토 및 권장 사항, 플라스틱 파이프 협회를 대신한 기술 보고서, 2012년 5월.
9. 중간 벌크 컨테이너의 액체 보관에 대한 CBA/SIA 지침, ICB 제2호, 2018년 10월 온라인: 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 – 운영 경험 분석, 세미나 시리즈 No. 154, IChemE, Rugby, UK, 2008, 온라인: https://www.icheme.org/media/9737/xx-paper-42.pdf.
11. Madden, D., IBC 토트 관리: 지속성을 위한 5가지 팁, 대량 컨테이너, IBC 토트, 지속 가능성에 게시, blog.containerexchanger.com에 게시, 2018년 9월 15일.
Ana Benz는 IRISNDT(5311 86th Street, Edmonton, Alberta, Canada T6E 5T8; 전화: 780-577-4481; 이메일: [이메일 보호])의 수석 엔지니어입니다.그녀는 24년 동안 부식, 고장 및 검사 전문가로 일했습니다.그녀의 경험에는 고급 검사 기술을 사용하여 검사를 수행하고 공장 검사 프로그램을 구성하는 것이 포함됩니다.Mercedes-Benz는 전 세계적으로 화학 처리 산업, 석유화학 공장, 비료 공장, 니켈 공장은 물론 석유 및 가스 생산 공장에 서비스를 제공하고 있습니다.그녀는 베네수엘라의 시몬 볼리바르 대학교(Universidad Simon Bolivar)에서 재료 공학 학위를, 브리티시 컬럼비아 대학교(University of British Columbia)에서 재료 공학 석사 학위를 받았습니다.그녀는 여러 캐나다 일반 표준 위원회(CGSB) 비파괴 테스트 인증과 API 510 인증 및 CWB 그룹 레벨 3 인증을 보유하고 있습니다.Benz는 15년 동안 NACE Edmonton Executive Branch의 회원이었으며 이전에는 Edmonton Branch Canadian Welding Society에서 다양한 직책을 맡았습니다.
NINGBO BODI SEALS CO.,LTD는 모든 종류의 제품을 생산합니다.FFKM 오링,FKM ORING 키트,
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게시 시간: 2023년 11월 18일