La decisione della nave di linea: Trent'anni di abbinamento della plastica al veleno

Hai mai visto cosa fa il gas acido all'acciaio al carbonio? Io ho. Non è carino. L'acciaio non arrugginisce come nell'aria. Si rompe. Dall'interno verso l'esterno. Piccole linee che non puoi vedere fino al giorno in cui raggiungono l’esterno e tutto si ferma molto velocemente.

Ho iniziato in questa attività nel 1994, appena uscito dalla scuola di metallurgia, lavorando per un produttore di tubi in Ohio. La mia prima settimana di lavoro, mi hanno portato a vedere un fallimento. Linea in acciaio al carbonio da dodici pollici, trasporto dell'acqua prodotta da un pozzo di scisto. Tre anni di servizio. Il fondo del tubo sembrava una spugna. Buchi ovunque. L'operatore aveva perso un quarto di milione di dollari a causa dei tempi di inattività.

È stato allora che ho imparato: l'acciaio è forte, ma l'acciaio è stupido. Non sa come proteggersi. Devi proteggerlo.

Questo è ciò che fanno i transatlantici. Sono il sistema immunitario per la tua pipa.

---

Il problema: Cosa stai davvero pompando?

Prima di scegliere un rivestimento, devi rispondere a una domanda. Non quello che c'è nella scheda tecnica. Cosa c'è effettivamente nel tubo?

Ho svolto un lavoro in Medio Oriente, 2008. Il cliente ha detto “gas acido, 2% H2S, Asciutto.” Consigliamo il PTFE. Installato trenta chilometri. Sei mesi dopo, fallimenti. Molti di loro.

Risulta, non era asciutto. L'acqua si stava condensando nei punti più bassi. L'H2S si è dissolto in quell'acqua. Prodotto acido solforico. Non forte, ma abbastanza forte. E il PTFE? Andava bene. Ma l'anello di supporto non era sigillato correttamente. L'acido è finito dietro il transatlantico. Ha corroso l'acciaio dall'esterno all'interno, se ha senso. La fodera era perfetta. La pipa era spazzatura.

Questo è il problema delle navi di linea. Funzionano solo se funziona anche tutto il resto.

tavolo 1: Mezzi corrosivi comuni e loro meccanismi

La chimica conta. La temperatura conta. La pressione conta. La portata è importante. Tutto conta.

---

La famiglia dei Liner: Chi è chi nel mondo della plastica

Lasciate che vi presenti i giocatori. Ho lavorato con tutti loro. Mi sono piaciuti alcuni. Odiavo gli altri. Imparato da tutti.

PTFE: Il vecchio re

Politetrafluoroetilene. Teflon per la maggior parte delle persone. Il nonno delle materie plastiche ad alte prestazioni.

In cosa è bravo: Quasi tutto. Chimicamente inerte fino a circa 260°C. Niente si attacca ad esso. Coefficiente di attrito così basso che difficilmente puoi misurarlo.

In cosa va male: Prezzo. Flusso freddo. Permeazione.

formula 1: Tasso di permeazione (La prima legge di Fick)

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

J=−D×DXDC​

Dove:

• $J$

  J = Flusso di permeazione

• $D$

  D = Coefficiente di diffusione

• $DC\mathrm{/}DX$

  DC/DX = Gradiente di concentrazione

Il PTFE ha un D relativamente alto per le piccole molecole. idrogeno, vapore acqueo, gas leggeri. Passano attraverso. Non veloce, ma abbastanza veloce.

L'ho visto su una linea del cloro in Texas. Tubo in acciaio rivestito in PTFE, dieci anni, funziona bene. Poi hanno cambiato il processo. Pressione più alta. All'improvviso, il cloro permeava attraverso il rivestimento, attaccando l'acciaio dietro di esso. La fodera sembrava perfetta. Il tubo stava cedendo dall'esterno verso l'interno.

L'abbiamo riparato ventilando l'anello. Praticare piccoli fori nell'acciaio per far fuoriuscire il gas permeato. Ha funzionato bene dopo.

tavolo 2: Prestazioni del PTFE per mezzo

PFA: L'aggiornamento

Perfluoroalcossi. Consideratelo come il PTFE più giovane, cugino più flessibile. Stessa resistenza chimica. Migliori proprietà meccaniche.

Cosa c'è di diverso: Il PFA può essere lavorato mediante fusione. Ciò significa saldature migliori, superfici più lisce, minore porosità. Gestisce anche brevemente temperature più elevate, sebbene la valutazione continua sia simile.

La cattura: Costa di più. Circa 20-30% più del PTFE. A volte ne vale la pena, a volte no.

Ho usato PFA per un lavoro nel Mare del Nord. Gas ad alta pressione, condensa, un po' di H2S, un po' d'acqua. Il cliente voleva il meglio. Fodere in PFA, anello ventilato, monitoraggio dei porti. Costa una fortuna. Ma quella linea è andata avanti per quindici anni senza problemi. A volte ottieni quello per cui paghi.

PP: Il cavallo di battaglia

polipropilene. Economico. Allegro. Fa il lavoro in molti posti.

Limite di temperatura: 80-90° C. Questo è tutto. Sopra quello, diventa morbido. Sopra i 100°C, è inutile.

Resistenza chimica: Buono per acidi e basi a temperature moderate. Non va bene per i forti ossidanti. Non va bene per gli idrocarburi: lo fanno gonfiare.

formula 2: Rapporto di rigonfiamento

$S\mathrm{\%}=\frac{V_{SW\mathrm{il}LLEN}-V_{\mathrm{il}R\mathrm{io}\mathrm{sol}\mathrm{io}NAL}}{V_{\mathrm{il}R\mathrm{io}\mathrm{sol}\mathrm{io}NAL}}\times 100$

S%=VoiosolPoiL​VSWilLLEN​−VoiosolPoiL​​×100

Se S% > 10%, hai un problema. Il rivestimento si espande, fibbie, ti blocca la pipa.

L'ho visto su una linea d'acqua prodotta nel Permiano. Fodera in PP, 80°C di acqua, qualche residuo di petrolio. Dopo due anni, il rivestimento si era gonfiato 15%. Sembrava un serpente che avesse ingoiato una capra. Dossi ovunque. Flusso ridotto della metà. Ho dovuto sostituire l'intera linea con PE.

PE: L'appuntamento economico

polietilene. Ancora più economico del PP. Utilizzato per l'acqua, acque reflue, prodotti chimici delicati.

Limite di temperatura: 60°C per l'HDPE. 80°C per PEX (reticolato). Sopra quello, No.

Resistenza chimica: Buono per acidi e basi a bassa temperatura. Non va affatto bene per gli idrocarburi. Trasformeranno l’HDPE in un gel.

Il vantaggio: Prezzo. e tenacità. Il PE è quasi impossibile da rompere. Puoi batterci sopra, lascialo cadere, trascinalo attraverso un fosso, e funzionerà ancora.

Ho utilizzato il PE per una linea di sterili in Canada. 40° C, acido debole, molti solidi. Il rivestimento in PE è durato dodici anni. Sostituito con la stessa cosa. A volte economico è intelligente.

gomma: La vecchia scuola

Gomma naturale, neoprene, butile, EPDM, nitrile. Gomme diverse per lavori diversi.

Quale gomma fa bene: Resistenza all'abrasione. Flessibilità. Sigillatura. Smorzamento.

Quale gomma non va bene: alta temperatura. Acidi forti. Prodotti organici.

tavolo 3: Selezione del rivestimento in gomma

Ho richiesto la gomma butilica per una linea di acido fosforico in Florida. 80° C, 40% acido, alcuni solidi. La gomma è durata otto anni. Quando l'abbiamo tirato, il rivestimento era ancora flessibile. L'acciaio dietro era perfetto. Questa è una vittoria.

Rivestimenti epossidici: L'opzione sottile

Non proprio un transatlantico. Più di una vernice spessa. 0.5da mm a 2 mm di spessore, Generalmente.

Dove funziona: prodotti chimici delicati, bassa temperatura, nessuna abrasione. Pensa all’acqua potabile, acque reflue leggere, esposizione atmosferica.

Dove fallisce: alta temperatura, Acidi forti, flessione, abrasione, vuoto.

formula 3: Durata del rivestimento (La mia regola pratica)

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

L=K×C×TT​

Dove:

• $L$

  L = Durata della vita in anni

• $T$

  T = Spessore del rivestimento (mm)

• $K$

  K = Costante (0.1 per resina epossidica)

• $C$

  C = Fattore di concentrazione chimica

• $T$

  T = Fattore di temperatura

Per una resina epossidica da 1 mm 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 anni. Non eccezionale.

Ho visto un rivestimento epossidico fallire in sei mesi in un servizio di acido cloridrico. Le specifiche dicono che dovrebbe durare cinque anni. Qualcuno ha dimenticato di dirlo all'acido.

---

La matrice di selezione: Cosa va dove

Dopo trent'anni, ecco il mio foglietto illustrativo. Non è in nessun libro di testo. È proprio ciò che funziona.

tavolo 4: Selezione del rivestimento in base al servizio

Ecco il punto su questo tavolo: è un punto di partenza, non un punto finale. Ogni lavoro è diverso. Ogni fluido è diverso. Ogni ciclo di temperatura è diverso.

---

Le modalità di fallimento: Come muoiono le navi di linea

Ho visto le navi di linea fallire in più modi di quanti io possa contare. Ecco i più grandi successi.

Permeazione

Il gas passa attraverso il rivestimento, attacca l'acciaio da dietro. La fodera sembra perfetta. La pipa è spazzatura.

Come risolverlo: Sfiatare l'anello. Praticare dei fori nell'acciaio. Lascia che il gas fuoriesca. Monitorare la pressione nel sistema di sfiato. Se vedi pressione, hai permeazione. Se vedi del liquido, hai una perdita.

formula 4: Requisiti di ventilazione dell'anello

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

AVENT​=P×VQ×L​

Dove:

• $A_{VENT}$

  AVENT​ = Area di ventilazione necessaria

• $Q$

  Q = Tasso di permeazione

• $L$

  L = Lunghezza del tubo

• $P$

  P = Contropressione ammissibile

• $V$

  V = Velocità del gas

Ho progettato un sistema di sfiato per una linea di gas acido in Alberta. 20 chilometri, 12-pollici, Tubo in acciaio rivestito in PTFE. Abbiamo calcolato il tasso di permeazione, prese d'aria dimensionate di conseguenza. Vent'anni dopo, ancora funzionante.

Crollo

Vuoto nel tubo d'acciaio rivestito. Il rivestimento risucchia verso l'interno. Blocca il flusso.

formula 5: Pressione critica di collasso

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

PC​=1−N22E​×(DT​)3

Dove:

• $P_C$

  PC​ = Pressione di collasso

• $E$

  E = Modulo di elasticità

• $N$

  N = coefficiente di Poisson

• $T$

  T = spessore del rivestimento

• $D$

  D = Diametro della camicia

I rivestimenti sottili collassano facilmente. I rivestimenti spessi collassano più duramente.

L'ho visto su una linea di iniezione di acido in Louisiana. Le pompe si spensero all'improvviso. Formato sottovuoto. Il rivestimento in PP è crollato come una lattina calpestata. Costa una fortuna sostituirlo.

Come risolverlo: Usa fodere più spesse. Installare interruttori del vuoto. Progettare il sistema in modo che ciò non possa accadere.

Espansione termica

Il tubo si surriscalda. L'acciaio si espande. Il rivestimento si espande di più. Fibbie della fodera.

formula 6: Differenza di dilatazione termica

$\mathrm{D}L=({\mathrm{UN}}_{L\mathrm{io}NER}-{\mathrm{UN}}_{STEEL})\times L\times \mathrm{D}T$

DL=(UNLinÈ​−UNSTSÌL​)×L×DT

Il PTFE si espande circa dieci volte di più dell'acciaio. Riscaldalo a 100°C, e una sezione di 10 metri cresce di 15 mm in più rispetto all'acciaio. Dove va a finire quella lunghezza extra?? Si piega.

Come risolverlo: Incolla il rivestimento. Oppure progetta cicli di espansione. Oppure operare entro un intervallo di temperature ristretto.

Attacco chimico

Fodera sbagliata per il lavoro. Si dissolve, si gonfia, crepe, o si ammorbidisce.

tavolo 5: Avvertenze sulla compatibilità chimica

Una volta ho specificato PP per una linea del benzene. Grande errore. Il benzene a 50°C rigonfiava il PP come una spugna. Ho dovuto sostituirlo con PTFE. Mi è costato un cliente.

---

I casi di studio: Lavori veri, Lezioni reali

Lascia che ti guidi attraverso tre lavori. Ognuno mi ha insegnato qualcosa.

Caso 1: La linea del gas acido che ci ha quasi ucciso

Posizione: Alberta occidentale, 2010
Servizio: gas naturale, 5% H2S, 2% CO2, traccia d'acqua
temperatura: 40-60° C
Pressione: 1200 psi
LUNGHEZZA: 15 km
diametro: 10-pollici

La scelta: Fodera PTFE, 3spessore mm, anello ventilato.

Cosa è andato bene: Il PTFE ha gestito perfettamente l'H2S. Nessuna corrosione. Nessun problema di permeazione. Le prese d'aria non hanno mai mostrato pressione.

Cosa è andato storto: Durante uno spegnimento, la linea si è raffreddata rapidamente. Il PTFE si è contratto più dell'acciaio. Alle flange, il rivestimento si è ritirato dalla superficie di tenuta. Quando hanno ricominciato, il gas è penetrato dietro il rivestimento in corrispondenza della flangia. Pressurizzato l'anello. Ho fatto saltare lo sfiato.

La correzione: Abbiamo ridisegnato le connessioni flangiate. Aggiunto un meccanismo di bloccaggio che mantiene il rivestimento in posizione indipendentemente dalla temperatura. Costo extra, ma ha funzionato.

Quello che ho imparato: I cicli di temperatura contano più della temperatura costante. Progetta sempre per il caso peggiore.

Caso 2: La linea acida durata due mesi

Posizione: Louisiana, 2015
Servizio: 30% HCl, alcune sostanze organiche
temperatura: 70° C
Pressione: 150 psi
LUNGHEZZA: 500 metri
diametro: 6-pollici

La scelta: Fodera in PP, 4spessore mm. Qualcuno pensava che avrebbe risparmiato soldi.

Cosa è andato storto: Qualunque cosa. Il PP non è stato classificato per l'HCl a 70°C. Glielo abbiamo detto. Non hanno ascoltato. Dopo due mesi, il rivestimento era fragile. Crepe ovunque. L'acido ha raggiunto l'acciaio. Il foro stenopeico perde in sei punti.

La correzione: Sostituirlo con PTFE. Costa tre volte quello che sarebbe costato il lavoro originale.

Quello che ho imparato: Economico è costoso. Sempre.

Caso 3: La linea del liquame che non morirà

Posizione: Nevada, 2018
Servizio: Residui dell'estrazione dell'oro, 30% solidi, PH 2-3
temperatura: 30-40° C
Pressione: Atmosferico
LUNGHEZZA: 3 km
diametro: 8-pollici

La scelta: Gomma naturale, 6spessore mm.

Cosa è andato bene: La gomma ha assorbito l'abrasione come un campione. Dopo cinque anni, abbiamo misurato la perdita del muro. Meno di 1 mm. L'acciaio dietro era perfetto.

Cosa è andato storto: Niente. Quella linea è ancora in funzione.

Quello che ho imparato: A volte i vecchi metodi sono i migliori. La gomma esiste da sempre per un motivo.

---

Le novità: Dove siamo diretti

Liner conduttivi

L'elettricità statica si accumula nei tubi di plastica. Può provocare scintille. In servizio infiammabile, è un male.

I nuovi rivestimenti contengono nerofumo o altri riempitivi conduttivi. Dissipano l'elettricità statica. Sicuro per gli idrocarburi.

Fodere a doppio strato

Due plastiche diverse, coestruso. Lo strato interno è resistente agli agenti chimici. Lo strato esterno si lega all'acciaio. Il meglio di entrambi i mondi.

Ne ho visto una demo ad una fiera l'anno scorso. Interno in PTFE, esterno in PE modificato. Forza di legame tre volte superiore allo standard. Roba interessante.

Liner intelligenti

Sensori in fibra ottica incorporati nel rivestimento. Misurano la temperatura, sottoporre a tensione, anche la presenza chimica. Monitoraggio in tempo reale dello stato di salute del rivestimento.

Caro adesso. Sarà standard tra dieci anni.

tavolo 6: Tecnologie di linea emergenti

---

Il processo decisionale: Quello che faccio realmente

Dopo trent'anni, ecco il mio processo. Non è complicato.

Fare un passo 1: Ottieni i dati reali

Non la scheda tecnica. I dati reali. Cosa c'è nel tubo d'acciaio rivestito? A quale temperatura? A quale pressione? Per quanto tempo? Eventuali sconvolgimenti? Eventuali arresti? Eventuali cicli di pulizia?

Fare un passo 2: Elimina i no evidenti

Temperatura troppo alta per PP? Eliminare. Sono presenti idrocarburi? Elimina la gomma (tranne il nitrile). Forte ossidante? Eliminare tutto tranne PTFE/PFA.

Fare un passo 3: Seleziona i possibili

Di solito ti ritrovi con due o tre opzioni. PTFE per le cose difficili. PP per le cose facili. Gomma per abrasione.

Fare un passo 4: Considera il sistema

Quanto è lungo il tubo?? Quanti raccordi? Quante flange? I tubi lunghi favoriscono rivestimenti più economici. Molti accessori favoriscono fodere più flessibili.

Fare un passo 5: Pensa al fallimento

Se questo rivestimento fallisce, che succede? Una perdita stenopeica? Una rottura catastrofica? Quanto è grave la conseguenza? Le cattive conseguenze giustificano navi costose.

Fare un passo 6: Effettua la chiamata

Poi scegli. E spero che tu abbia ragione.

---

tavolo 7: La mia scheda di riferimento rapido

✅ = Buono, ⚠️ = Attenzione, ❌ = No

---

Quello che dico ai giovani ingegneri

Me lo chiese una volta un giovane ingegnere: “Come faccio a sapere quale fodera scegliere??”

ho detto: “Tu no. Non proprio. Fai la tua ipotesi migliore in base ai dati che hai. Poi lo guardi come un falco. E quando fallisce, perché qualcosa fallisce sempre, impari da esso.”

Sembrava deluso. Volevo una formula, Penso. Un albero decisionale. Una risposta garantita.

Non ce n'è uno.

C'è solo esperienza. E dati. E prestando attenzione. Ed essere abbastanza umile da ammettere quando hai torto.

Quel tubo del gas acido in Alberta? Quello con il problema della flangia? L'abbiamo risolto. Ma ci penso ancora. Mi chiedo ancora cos'altro mi sono perso.

Questo è il lavoro. Non si finisce mai di imparare. Non smetti mai di preoccuparti. Diventi semplicemente più bravo a sapere di cosa preoccuparti.