La decisión del transatlántico: Treinta años combinando plástico con veneno

¿Alguna vez has visto lo que el gas amargo le hace al acero al carbono?? Tengo. no es bonito. El acero no se oxida como en el aire.. Se agrieta. De adentro hacia afuera. Pequeñas líneas que no puedes ver hasta el día en que llegan al exterior y todo se detiene muy rápido..

Empecé en este negocio en 1994, recién salido de la escuela de metalurgia, trabajando para un fabricante de tuberías en Ohio. Mi primera semana en el trabajo, me llevaron a ver un fracaso. Línea de acero al carbono de doce pulgadas., Transporte de agua producida desde un pozo de esquisto.. Tres años en servicio. El fondo de la tubería parecía una esponja.. Agujeros por todas partes. El operador había perdido un cuarto de millón de dólares en tiempos de inactividad.

Fue entonces cuando aprendí: el acero es fuerte, pero el acero es estúpido. No sabe protegerse. tienes que protegerlo.

Eso es lo que hacen los transatlánticos. Son el sistema inmunológico de tu pipa..

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El problema: ¿Qué estás bombeando realmente??

Antes de elegir un forro, necesitas responder una pregunta. No es lo que está en la hoja de especificaciones.. ¿Qué hay realmente en la tubería??

Trabajé en el Medio Oriente, 2008. El cliente dijo “Gas amargo, 2% H2S, seco.” Recomendamos PTFE. Instalado treinta kilómetros.. Seis meses después, fracasos. muchos de ellos.

Resulta, no estaba seco. El agua se condensaba en los puntos bajos.. El H2S disuelto en esa agua.. hecho ácido sulfúrico. No fuerte, pero lo suficientemente fuerte. y el PTFE? estuvo bien. Pero el anillo de respaldo no estaba sellado correctamente.. El ácido se metió detrás del revestimiento.. Corroió el acero desde el exterior del interior., si eso tiene sentido. El trazador de líneas era perfecto.. La pipa era basura..

Eso es lo que pasa con los revestimientos.. Sólo funcionan si todo lo demás también funciona..

Tabla 1: Medios corrosivos comunes y sus mecanismos

la quimica importa. La temperatura importa. La presión importa. El caudal importa. todo importa.

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La familia Liner: Quién es quién en el mundo del plástico

Déjame presentarte a los jugadores.. He trabajado con todos ellos. Me gustaron algunos. Odiaba a los demás. Aprendido de todos.

PTFE: El viejo rey

Politetrafluoroetileno. Teflón para la mayoría de las personas. El abuelo de los plásticos de alto rendimiento.

en que es bueno: Casi todo. Químicamente inerte hasta aproximadamente 260°C. Nada se le pega. Coeficiente de fricción tan bajo que apenas se puede medir.

en que es malo: Precio. flujo frío. Penetración.

fórmula 1: Tasa de permeación (Primera ley de Fick)

$J=-D\times \frac{DC}{DX}$

J=−D×DXDC​

dónde:

• $J$

  J = flujo de permeación

• $D$

  D = Coeficiente de difusión

• $DC\mathrm{/}DX$

  DC/DX = gradiente de concentración

El PTFE tiene una D relativamente alta para moléculas pequeñas.. hidrógeno, vapor de agua, gases ligeros. Ellos pasan directamente. No rápido, pero lo suficientemente rápido.

Vi esto en una línea de cloro en Texas.. Tubería de acero revestida de PTFE, diez años, trabajando bien. Luego cambiaron el proceso.. Mayor presión. De repente, El cloro estaba penetrando a través del revestimiento., atacando el acero detrás de él. El delineador se veía perfecto. La tubería fallaba desde afuera hacia adentro..

Lo arreglamos ventilando el anillo.. Se perforaron pequeños agujeros en el acero para dejar escapar el gas permeado.. Funcionó bien después de eso.

Tabla 2: Rendimiento de PTFE por medio

PFA: La actualización

perfluoroalcoxi. Piense en ello como el PTFE más joven., prima más flexible. Misma resistencia química. Mejores propiedades mecánicas.

¿Qué es diferente?: El PFA se puede procesar por fusión. Eso significa mejores soldaduras, superficies más lisas, menos porosidad. También soporta temperaturas más altas brevemente., aunque la calificación continua es similar.

la captura: cuesta mas. Acerca de 20-30% más que PTFE. A veces vale la pena, a veces no.

Utilicé PFA en un trabajo en el Mar del Norte. Gas a alta presión, condensar, algo de H2S, un poco de agua. El cliente quería lo mejor.. Revestimientos de PFA, anillo ventilado, puertos de monitoreo. Cuesta una fortuna. Pero esa línea lleva quince años funcionando sin problemas.. A veces obtienes lo que pagas.

PÁGINAS: El caballo de batalla

polipropileno. Barato. Alegre. Hace el trabajo en muchos lugares..

Límite de temperatura: 80-90° C. Eso es todo. Por encima de eso, se vuelve suave. Por encima de 100°C, es inútil.

Resistencia química: Bueno para ácidos y bases a temperaturas moderadas.. No es bueno para oxidantes fuertes.. No es bueno para los hidrocarburos: lo hacen hincharse..

fórmula 2: Proporción de hinchazón

$S\mathrm{\%}=\frac{V_{SW\mathrm{la}LLEN}-V_{\mathrm{la}R\mathrm{Me}\mathrm{GRAMO}\mathrm{Me}NAL}}{V_{\mathrm{la}R\mathrm{Me}\mathrm{GRAMO}\mathrm{Me}NAL}}\times 100$

S%=VoMeGRAMOentoncesL​VSWlatodosEN​−VoMeGRAMOentoncesL​​×100

Si S% > 10%, tienes un problema. El revestimiento se expande, hebillas, bloquea tu tubería.

Vi esto en una línea de agua producida en el Pérmico.. revestimiento de polipropileno, 80°C agua, algo de petróleo remanente. Después de dos años, el revestimiento se había hinchado 15%. Parecía una serpiente que se tragó una cabra.. Golpes por todas partes. Flujo reducido a la mitad. Tuve que reemplazar toda la línea con PE.

PE: La cita barata

polietileno. Incluso más barato que el PP. Utilizado para agua, aguas residuales, químicos suaves.

Límite de temperatura: 60°C para HDPE. 80°C para PEX (reticulado). Por encima de eso, No.

Resistencia química: Bueno para ácidos y bases a baja temperatura.. No es bueno para los hidrocarburos en absoluto.. Convertirán el HDPE en gel.

la ventaja: Precio. y dureza. PE es casi imposible de romper. Puedes vencerlo, suéltalo, arrastrarlo por una zanja, y seguirá funcionando.

Utilicé PE para una línea de relaves en Canadá. 40° C, ácido suave, muchos sólidos. El revestimiento de PE duró doce años.. Lo reemplacé por lo mismo.. A veces lo barato es inteligente.

goma: La vieja escuela

Caucho natural, neopreno, butilo, EPDM, nitrilo. Diferentes gomas para diferentes trabajos.

Que caucho hace bien: Resistencia a la abrasión. Flexibilidad. Caza de focas. Mojadura.

¿Qué goma no va bien?: temperatura alta. ácidos fuertes. Orgánicos.

Tabla 3: Selección de revestimiento de goma

Especifiqué caucho butílico para una línea de ácido fosfórico en Florida.. 80° C, 40% ácido, algunos sólidos. La goma duró ocho años.. Cuando lo tiramos, el revestimiento todavía era flexible. El acero detrás era perfecto.. eso es una victoria.

Recubrimientos epoxi: La opción delgada

No es realmente un transatlántico. Una pintura más espesa.. 0.5mm a 2 mm de espesor, generalmente.

donde funciona: químicos suaves, baja temperatura, sin abrasión. Piense en agua potable, aguas residuales suaves, exposición atmosférica.

donde falla: temperatura alta, ácidos fuertes, flexionando, abrasión, vacío.

fórmula 3: Vida útil del recubrimiento (Mi regla general)

$L=\frac{T}{K\times C\times T}$

L=K×C×TT​

dónde:

• $L$

  L = Esperanza de vida en años

• $T$

  T = Espesor del revestimiento (mm)

• $K$

  K = Constante (0.1 para epoxi)

• $C$

  C = Factor de concentración química

• $T$

  T = factor de temperatura

Para un epoxi de 1 mm en 10% H2SO4 a 40°C:

$L=1\mathrm{/}(0.1\times 2\times 1.5)=3.3$

L=1/(0.1×2×1.5)=3.3 años. No genial.

Vi fallar un recubrimiento epóxico en seis meses en un servicio de ácido clorhídrico. La especificación decía que debería durar cinco años.. Alguien se olvidó de decirle al ácido..

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La matriz de selección: ¿Qué va a dónde?

Después de treinta años, aquí está mi hoja de trucos. No está en ningún libro de texto.. Es solo lo que funciona.

Tabla 4: Selección de revestimiento por servicio

Esto es lo que pasa con esta mesa.: es un punto de partida, no es un punto final. Cada trabajo es diferente. Cada fluido es diferente. Cada ciclo de temperatura es diferente.

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Los modos de falla: Cómo mueren los transatlánticos

He visto revestimientos fallar en más formas de las que puedo contar.. Aquí están los grandes éxitos..

Penetración

El gas pasa por el revestimiento., ataca el acero por detrás. El delineador se ve perfecto. La pipa es basura.

como solucionarlo: Ventile el anillo. Taladrar agujeros en el acero.. Deja escapar el gas. Monitorear la presión en el sistema de ventilación.. Si ves presión, tienes permeacion. Si ves liquido, tienes una fuga.

fórmula 4: Requisito de ventilación del anillo

$A_{VENT}=\frac{Q\times L}{P\times V}$

AVENT​=P×VQ×L​

dónde:

• $A_{VENT}$

  AVENT​ = Área de ventilación necesaria

• $Q$

  Q = Tasa de permeación

• $L$

  L = longitud de la tubería

• $P$

  P = Contrapresión permitida

• $V$

  V = Velocidad del gas

Diseñé un sistema de ventilación para una línea de gas amargo en Alberta.. 20 kilómetros, 12-pulgadas, Tubería de acero revestida de PTFE. Calculamos la tasa de permeación., rejillas de ventilación de tamaño acorde. Veinte años después, todavía trabajando.

Colapsar

Vacío en la tubería de acero revestida.. El revestimiento succiona hacia adentro. Bloquea el flujo.

fórmula 5: Presión crítica de colapso

$P_C=\frac{2E}{1-{\mathrm{norte}}^2}\times {\left(\frac{T}{D}\right)}^3$

PC​=1−norte22E​×(DT​)3

dónde:

• $P_C$

  PC​ = Presión de colapso

• $E$

  E = Módulo de elasticidad

• $\mathrm{norte}$

  norte = relación de Poisson

• $T$

  T = espesor del revestimiento

• $D$

  D = Diámetro del revestimiento

Los revestimientos finos se colapsan fácilmente. Los revestimientos gruesos se colapsan con más fuerza.

Vi esto en una línea de inyección de ácido en Luisiana.. Las bombas se pararon repentinamente. formado al vacío. El revestimiento de PP se desplomó como una lata de refresco pisada. Cuesta una fortuna reemplazar.

como solucionarlo: Utilice revestimientos más gruesos. Instalar interruptores de vacío. Diseñar el sistema para que esto no pueda suceder..

Expansión térmica

La tubería se calienta. El acero se expande. El revestimiento se expande más. Hebillas de forro.

fórmula 6: Diferencia de expansión térmica

$\mathrm{d}L=(a_{L\mathrm{Me}NER}-a_{STEEL})\times L\times \mathrm{d}T$

dL=(aLenes​−aSTSíL​)×L×dT

El PTFE se expande unas diez veces más que el acero. Calentarlo a 100°C, y un tramo de 10 metros crece 15mm más que el acero. ¿A dónde va esa longitud extra?? Se abrocha.

como solucionarlo: Unir el revestimiento. O diseñar bucles de expansión. O operar dentro de un rango de temperatura estrecho.

Ataque químico

Forro incorrecto para el trabajo. Se disuelve, se hincha, grietas, o suaviza.

Tabla 5: Advertencias de compatibilidad química

Una vez especifiqué PP para una línea de benceno. Gran error. El benceno a 50°C hinchó el PP como una esponja. Tuve que reemplazar con PTFE. Me costó un cliente.

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Los estudios de caso: Trabajos reales, Lecciones reales

Déjame guiarte a través de tres trabajos. cada uno me enseño algo.

Caso 1: La línea de gas amargo que casi nos mata

Ubicación: Alberta occidental, 2010
Servicio: gas natural, 5% H2S, 2% CO2, trazar agua
temperatura: 40-60° C
La presión: 1200 psi
longitud: 15 kilómetros
Diámetro: 10-pulgadas

La elección: Revestimiento de PTFE, 3mm de espesor, anillo ventilado.

Lo que salió bien: El PTFE manejó perfectamente el H2S.. Sin corrosión. Sin problemas de permeación. Los respiraderos nunca mostraron presión..

¿Qué salió mal?: Durante un cierre, la línea se enfrió rápidamente. El PTFE se contrajo más que el acero. en las bridas, el revestimiento retirado de la cara de sellado. cuando reiniciaron, El gas se metió detrás del revestimiento en la brida.. Presurizó el anillo. Sopló el respiradero.

La solución: Rediseñamos las conexiones de brida.. Se agregó un mecanismo de bloqueo que mantenía el revestimiento en su lugar independientemente de la temperatura.. Costo adicional, pero funcionó.

lo que aprendí: Los ciclos de temperatura importan más que la temperatura constante. Diseñe siempre para el peor de los casos.

Caso 2: La línea ácida que duró dos meses

Ubicación: Luisiana, 2015
Servicio: 30% Hcl, algunos orgánicos
temperatura: 70° C
La presión: 150 psi
longitud: 500 metros
Diámetro: 6-pulgadas

La elección: revestimiento de polipropileno, 4mm de espesor. Alguien pensó que ahorraría dinero..

¿Qué salió mal?: Todo. El PP no estaba clasificado para HCl a 70°C. les dijimos. ellos no escucharon. Después de dos meses, el revestimiento estaba quebradizo. Grietas por todas partes. El ácido llegó al acero.. Fugas estenopeicas en seis lugares.

La solución: Reemplazar con PTFE. Cuesta tres veces lo que hubiera costado el trabajo original..

lo que aprendí: Lo barato sale caro. Siempre.

Caso 3: La línea de pulpa que no moriría

Ubicación: Nevada, 2018
Servicio: Relaves de minería de oro, 30% sólidos, PH 2-3
temperatura: 30-40° C
La presión: Atmosférico
longitud: 3 kilómetros
Diámetro: 8-pulgadas

La elección: Caucho natural, 6mm de espesor.

Lo que salió bien: La goma absorbió la abrasión como un campeón.. Después de cinco años, medimos la pérdida de la pared. Menos de 1 mm. El acero detrás era perfecto..

¿Qué salió mal?: Nada. Esa línea sigue funcionando..

lo que aprendí: A veces las viejas costumbres son las mejores.. El caucho ha existido desde siempre por una razón.

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Las cosas nuevas: Hacia dónde nos dirigimos

Revestimientos conductores

La electricidad estática se acumula en las tuberías de plástico.. Puede causar chispas. En servicio inflamable, eso es malo.

Los revestimientos nuevos tienen negro de carbón u otros rellenos conductores.. Disipan la estática. Seguro para hidrocarburos.

Revestimientos de doble capa

Dos plásticos diferentes, coextruido. La capa interior es resistente a productos químicos.. La capa exterior se adhiere al acero.. Lo mejor de ambos mundos.

Vi una demostración de esto en una feria comercial el año pasado.. interior de PTFE, exterior de PE modificado. Fuerza de unión tres veces mayor que la estándar. Cosas interesantes.

Revestimientos inteligentes

Sensores de fibra óptica integrados en el revestimiento.. miden la temperatura, cepa, incluso presencia química. Monitoreo en tiempo real del estado del revestimiento.

Caro ahora. Será estándar en diez años..

Tabla 6: Tecnologías de revestimiento emergentes

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El proceso de decisión: Lo que realmente hago

Después de treinta años, aquí está mi proceso. no es complicado.

Paso 1: Obtenga los datos reales

No la hoja de especificaciones. los datos reales. ¿Qué hay en la tubería de acero revestida?? ¿A qué temperatura?? ¿A qué presión?? Por cuánto tiempo? Cualquier malestar? Cualquier parada? Cualquier ciclo de limpieza?

Paso 2: Elimine los no obvios

Temperatura demasiado alta para PP? Eliminar. Hidrocarburos presentes? Eliminar caucho (excepto nitrilo). Oxidante fuerte? Eliminar todo excepto PTFE/PFA.

Paso 3: Lista corta de los posibles

Generalmente terminas con dos o tres opciones.. PTFE para las cosas difíciles. PP para las cosas fáciles. Caucho para abrasión.

Paso 4: Considere el sistema

¿Cuánto mide la tubería?? cuantos accesorios? cuantas bridas? Los tramos largos de tubería favorecen los revestimientos más baratos. Muchos accesorios prefieren revestimientos más flexibles.

Paso 5: Piensa en el fracaso

Si este revestimiento falla, Lo que sucede? Una fuga estenopeica? Una ruptura catastrófica? ¿Qué tan mala es la consecuencia?? Las malas consecuencias justifican los costosos transatlánticos.

Paso 6: Haz la llamada

Entonces eliges. Y espero que tengas razón.

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Tabla 7: Mi tarjeta de referencia rápida

✅ = Bueno, ⚠️ = Precaución, ❌ = No

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Lo que les digo a los jóvenes ingenieros

Un joven ingeniero me preguntó una vez: “¿Cómo sé qué revestimiento elegir??”

Yo dije: “tu no. No precisamente. Usted hace su mejor suposición basándose en los datos que tiene.. Entonces lo miras como un halcón. Y cuando falla, porque algo siempre falla, se aprende de ello.”

parecía decepcionado. Quería una fórmula, Creo. Un árbol de decisiones. Una respuesta garantizada.

no hay uno.

solo hay experiencia. y datos. y prestando atencion. Y ser lo suficientemente humilde para admitir cuando te equivocas.

Esa línea de gas agrio en Alberta? El que tiene el problema de la brida.? lo arreglamos. Pero todavía lo pienso. Todavía me pregunto qué más me perdí.

ese es el trabajo. nunca dejas de aprender. nunca dejas de preocuparte. Simplemente aprendes mejor de qué preocuparte.