Решение о лайнере: Тридцать лет сопоставления пластика с ядом

Вы когда-нибудь видели, что кислый газ делает с углеродистой сталью?? У меня есть. Это некрасиво. Сталь не ржавеет так, как на воздухе.. Он трескается. Изнутри наружу. Маленькие линии, которые вы не можете увидеть до того дня, пока они не выйдут наружу, и все очень быстро не прекратится..

Я начал заниматься этим бизнесом в 1994, только что закончил металлургический институт, работаю на производителе труб в Огайо. Моя первая неделя на работе, они заставили меня увидеть провал. Двенадцатидюймовая линия из углеродистой стали, транспортировка попутной воды из сланцевой скважины. Три года на службе. Дно трубы выглядело как губка. Дыры повсюду. Оператор потерял четверть миллиона долларов из-за простоя.

Вот когда я узнал: сталь прочная, но сталь глупа. Он не знает, как защитить себя. Вы должны защитить его.

Вот что делают лайнеры. Они — иммунная система вашей трубки..

---

Проблема: Что ты на самом деле качаешь?

Прежде чем выбрать лайнер, тебе нужно ответить на один вопрос. Не то, что указано в спецификации. Что на самом деле в трубе?

Я работал на Ближнем Востоке, 2008. Клиент сказал “кислый газ, 2% СЕРОВОДОРОД, сухой.” Мы рекомендуем ПТФЭ. Установлено тридцать километров. Шесть месяцев спустя, неудачи. Многие из них.

Оказывается, было не сухо. Вода конденсировалась в нижних местах. H2S растворился в этой воде.. Изготовлена ​​серная кислота. Не сильный, но достаточно сильный. И ПТФЭ? Это было прекрасно. Но опорное кольцо не было загерметизировано должным образом.. Кислота попала за лайнер. Разъели сталь снаружи внутри, если это имеет смысл. Лайнер был идеален. Труба была мусором.

В этом вся суть лайнеров. Они работают только в том случае, если все остальное тоже работает..

Таблица 1: Распространенные агрессивные среды и их механизмы

Химия имеет значение. Температура имеет значение. Давление имеет значение. Скорость потока имеет значение. Все имеет значение.

---

Семья Лайнер: Кто есть кто в мире пластика

Позвольте представить вам игроков. Я работал со всеми из них. Понравилось немного. Ненавидел других. Узнал у всех.

ПТФЭ: Старый король

Политетрафторэтилен. Тефлон для большинства людей. Дедушка высокопроизводительных пластмасс.

Чем он хорош: Почти все. Химически инертен примерно до 260°C.. Ничего к нему не прилипает. Коэффициент трения настолько низок, что его едва ли можно измерить..

Чем он плох: Цена. Холодное течение. Проникновение.

формула 1: Скорость проникновения (Первый закон Фика)

$Jзнак\; равно-D\times \frac{DC}{DX}$

Jзнак равно−D×DXDC​

где:

• $J$

  J = Поток проникновения

• $D$

  D = Коэффициент диффузии

• $DC\mathrm{/}DX$

  DC/DX = Градиент концентрации

ПТФЭ имеет относительно высокий D для небольших молекул.. водород, водяной пар, легкие газы. Они проходят насквозь. Не быстро, но достаточно быстро.

Я видел это на линии хлорирования в Техасе.. Стальная труба с футеровкой из ПТФЭ, десять лет, работает нормально. Затем они изменили процесс. Более высокое давление. Внезапно, хлор проникал через вкладыш, атакуя сталь позади него. Лайнер выглядел идеально. Труба провалилась снаружи.

Мы исправили это, провентилировав кольцевое пространство.. Просверлены небольшие отверстия в стали для выхода проникшего газа.. После этого работало нормально.

Таблица 2: Характеристики ПТФЭ по средам

ПФА: Обновление

Перфторалкокси. Думайте об этом как о более молодом ПТФЭ., более гибкий кузен. Такая же химическая стойкость. Улучшенные механические свойства.

Что отличается: PFA можно перерабатывать в расплаве.. Это означает лучшие сварные швы, более гладкие поверхности, меньшая пористость. Он также кратковременно выдерживает более высокие температуры., хотя постоянный рейтинг аналогичен.

Улов: Это стоит дороже. Около 20-30% больше, чем ПТФЭ. Иногда оно того стоит, иногда нет.

Я использовал PFA на работе в Северном море.. Газ высокого давления, конденсат, немного H2S, немного воды. Клиент хотел как лучше. вкладыши из ПФА, вентилируемое кольцевое пространство, мониторинг портов. Стоит целое состояние. Но эта линия работает пятнадцать лет без проблем.. Иногда вы получаете то, за что платите.

ПП: Рабочая лошадка

полипропилен. Дешевый. Жизнерадостный. Работает во многих местах.

Предел температуры: 80-90° C. Вот и все. Выше этого, оно становится мягким. Выше 100°С, это бесполезно.

Химическая устойчивость: Подходит для кислот и щелочей при умеренных температурах.. Не подходит для сильных окислителей.. Плохо для углеводородов — они разбухают.

формула 2: Коэффициент набухания

$S\mathrm{\%}знак\; равно\frac{V_{S\mathrm{Вт}\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_0"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}LLEН}-V_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_1"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}РяGяНAL}}{V_{\mathrm{<span\; class="tr\_"\; id="tr\_2"\; data-source="1"\; data-orig="o">o</span>}РяGяНAL}}\times 100$

S%знак равноVилияGзатемL​VSВтoя будуEН​−VилияGзатемL​​×100

Если S% > 10%, у тебя проблема. Лайнер расширяется, пряжки, блокирует твою трубу.

Я видел это на трубопроводе пластовой воды в Перми.. ПП вкладыш, 80°С вода, некоторый перенос масла. Через два года, вкладыш распух 15%. Это было похоже на змею, проглотившую козу. Удары повсюду. Поток уменьшился вдвое. Пришлось заменить всю линию на PE..

PE: Дешевое свидание

полиэтилен. Даже дешевле, чем ПП.. Используется для воды, сточные воды, мягкие химикаты.

Предел температуры: 60°C для ПЭВП. 80°C для PEX (сшитый). Выше этого, Нет.

Химическая устойчивость: Подходит для кислот и оснований при низкой температуре.. Совсем не подходит для углеводородов. Они превратят HDPE в гель.

Преимущество: Цена. и прочность. PE практически невозможно сломать. Вы можете победить это, брось это, перетащить его через канаву, и это все равно будет работать.

Я использовал полиэтилен для линии хвостохранилищ в Канаде.. 40° C, мягкая кислота, много твердых веществ. Полиэтиленовый лайнер просуществовал двенадцать лет.. Заменил на то же самое. Иногда дешево – это разумно.

резина: Старая школа

Натуральный каучук, неопрен, бутил, ЭПДМ, нитрил. Разные резины для разных задач.

Какая резина подходит: Устойчивость к истиранию. Гибкость. Уплотнение. Демпфирование.

Какая резина не подходит: высокая температура. Сильные кислоты. Органика.

Таблица 3: Выбор резинового вкладыша

Я выбрал бутилкаучук для линии по производству фосфорной кислоты во Флориде.. 80° C, 40% кислота, некоторые твердые вещества. Резина прослужила восемь лет.. Когда мы это вытащили, вкладыш все еще был гибким. Сталь позади него была идеальна. Это победа.

Эпоксидные покрытия: Тонкий вариант

Не совсем лайнер. Скорее густая краска. 0.5толщиной от мм до 2 мм, обычно.

Где это работает: мягкие химикаты, низкая температура, нет истирания. Подумайте о питьевой воде, мягкие сточные воды, атмосферное воздействие.

Где это терпит неудачу: высокая температура, Сильные кислоты, сгибание, истирание, пустой.

формула 3: Срок службы покрытия (Мое практическое правило)

$Lзнак\; равно\frac{Т}{К\times C\times Т}$

Lзнак равноК×C×ТТ​

где:

• $L$

  L = Продолжительность жизни в годах

• $Т$

  Т = Толщина покрытия (мм)

• $К$

  К = Константа (0.1 для эпоксидной смолы)

• $C$

  C = Коэффициент химической концентрации

• $Т$

  Т = Температурный коэффициент

Для эпоксидной смолы толщиной 1 мм. 10% H2SO4 при 40°C:

$Lзнак\; равно1\mathrm{/}(0.1\times 2\times 1.5)знак\; равно3.3$

Lзнак равно1/(0.1×2×1.5)знак равно3.3 лет. Не здорово.

Я видел, как эпоксидное покрытие вышло из строя за шесть месяцев на предприятии по производству соляной кислоты.. В спецификации сказано, что он должен прослужить пять лет.. Кто-то забыл сказать кислоте.

---

Матрица выбора: Что куда идет

Спустя тридцать лет, вот моя шпаргалка. Этого нет ни в одном учебнике. Это просто то, что работает.

Таблица 4: Выбор вкладыша по сервису

Вот что касается этой таблицы: это отправная точка, не конечная точка. Каждая работа отличается. Каждая жидкость индивидуальна. Каждый температурный цикл индивидуален.

---

Режимы отказа: Как умирают лайнеры

Я видел, как лайнеры терпели неудачу в большем количестве случаев, чем я могу сосчитать.. Вот лучшие хиты.

Проникновение

Газ проходит через лайнер, атакует сталь сзади. Лайнер выглядит идеально. Труба - мусор.

Как это исправить: Вентиляция кольцевого пространства. Просверлить отверстия в стали. Пусть газ выйдет. Следить за давлением в вентиляционной системе. Если вы видите давление, у тебя есть проникновение. Если вы видите жидкость, у тебя утечка.

формула 4: Требования к вентиляции затрубного пространства

$A_{VEНТ}знак\; равно\frac{\mathrm{Вопрос}\times L}{P\times V}$

AVEНТ​знак равноP×VВопрос×L​

где:

• $A_{VEНТ}$

  AVEНТ​ = Требуется площадь вентиляции

• $\mathrm{Вопрос}$

  Вопрос = Скорость проникновения

• $L$

  L = Длина трубы

• $P$

  P = Допустимое противодавление

• $V$

  V = Скорость газа

Я спроектировал вентиляционную систему для линии высокосернистого газа в Альберте.. 20 километры, 12-дюйм, Стальная труба с футеровкой из ПТФЭ. Мы рассчитали скорость проникновения, соответствующие размеры вентиляционных отверстий. Двадцать лет спустя, все еще работаю.

Крах

Вакуум в футерованной стальной трубе. Лайнер засасывается внутрь. Блокирует поток.

формула 5: Критическое давление обрушения

$P_Cзнак\; равно\frac{2E}{1-{н}^2}\times {\left(\frac{Т}{D}\right)}^3$

PC​знак равно1−н22E​×(DТ​)3

где:

• $P_C$

  PC​ = Давление разрушения

• $E$

  E = Модуль упругости

• $н$

  н = коэффициент Пуассона

• $Т$

  Т = толщина гильзы

• $D$

  D = Диаметр вкладыша

Тонкие вкладыши легко разрушаются. Толстые вкладыши разрушаются сильнее.

Я видел это на линии впрыска кислоты в Луизиане.. Насосы внезапно отключаются. Вакуумная формовка. Полипропиленовый вкладыш рухнул, как банка из-под газировки, на которую наступили.. Замена стоит целое состояние.

Как это исправить: Используйте более толстые вкладыши. Установить вакуумные выключатели. Спроектируйте систему так, чтобы этого не произошло.

Тепловое расширение

Труба становится горячей. Сталь расширяется. Лайнер расширяется больше. Пряжки на подкладке.

формула 6: Разница в тепловом расширении

$\mathrm{д}Lзнак\; равно({а}_{LяНEР}-{а}_{SТEEL})\times L\times \mathrm{д}Т$

дLзнак равно(аLвявляется​−аSТдаL​)×L×дТ

ПТФЭ расширяется примерно в десять раз больше, чем сталь.. Нагрейте его до 100°C, а 10-метровый участок вырастает на 15 мм больше, чем стальной. Куда уходит эта дополнительная длина?? Он сгибается.

Как это исправить: Приклейте вкладыш. Или спроектируйте петли расширения. Или работать в узком температурном диапазоне.

Химическая атака

Неправильный лайнер для работы. Он растворяется, набухает, трещины, или смягчает.

Таблица 5: Предупреждения о химической совместимости

Я один раз указал ПП для бензольной линии. Большая ошибка. Бензол при 50°C набухал ПП как губка.. Пришлось заменить на ПТФЭ.. Стоит мне клиента.

---

Тематические исследования: Реальные вакансии, Реальные уроки

Позвольте мне рассказать вам о трех работах. Каждый из них научил меня чему-то.

Случай 1: Линия кислого газа, которая чуть не убила нас

Расположение: Западная Альберта, 2010
Услуга: натуральный газ, 5% СЕРОВОДОРОД, 2% СО2, След воды
температура: 40-60° C
Давление: 1200 пси
длина: 15 км
Диаметр: 10-дюйм

Выбор: Футеровка из ПТФЭ, 3Толщина мм, вентилируемое кольцевое пространство.

Что пошло правильно: ПТФЭ отлично справился с H2S.. Нет коррозии. Никаких проблем с проникновением. Вентиляционные отверстия никогда не показывали давление.

Что пошло не так: Во время отключения, линия быстро остыла. ПТФЭ сжался сильнее, чем сталь.. На фланцах, вкладыш отодвинут от уплотняющей поверхности. Когда они возобновили работу, газ попал за гильзу у фланца. Под давлением кольцевое пространство. Выдул вентиляционное отверстие.

Исправление: Мы изменили конструкцию фланцевых соединений. Добавлен фиксирующий механизм, который удерживает вкладыш на месте независимо от температуры.. За дополнительную плату, но это сработало.

Что я узнал: Температурные циклы важнее, чем постоянная температура. Всегда проектируйте на худший случай.

Случай 2: Кислотная линия, которая длилась два месяца

Расположение: Луизиана, 2015
Услуга: 30% Список совместимого оборудования, немного органики
температура: 70° C
Давление: 150 пси
длина: 500 метры
Диаметр: 6-дюйм

Выбор: ПП вкладыш, 4Толщина мм. Кто-то думал, что это сэкономит деньги.

Что пошло не так: Все. ПП не рассчитан на воздействие HCl при 70°C.. Мы сказали им. Они не слушали. Через два месяца, вкладыш был хрупким. Трещины повсюду. Кислота достигла стали. Проколы в шести местах.

Исправление: Заменить на ПТФЭ.. Стоимость в три раза выше, чем стоила бы первоначальная работа..

Что я узнал: Дешево дорого. Всегда.

Случай 3: Навозная линия, которая не умрет

Расположение: Невада, 2018
Услуга: Хвосты золотодобычи, 30% твердые вещества, PH 2-3
температура: 30-40° C
Давление: Атмосферный
длина: 3 км
Диаметр: 8-дюйм

Выбор: Натуральный каучук, 6Толщина мм.

Что пошло правильно: Резина поглощает истирание как чемпион.. Через пять лет, мы измерили потерю стены. Менее 1 мм. Сталь позади него была идеальна.

Что пошло не так: Ничего. Эта линия все еще работает.

Что я узнал: Иногда старые способы — лучшие способы. Резина существует всегда по определенной причине..

---

Новые вещи: Куда мы направляемся

Проводящие вкладыши

В пластиковых трубах накапливается статическое электричество.. Может вызвать искры. В огнеопасной эксплуатации, это плохо.

Новые вкладыши содержат углеродную сажу или другие проводящие наполнители.. Они рассеивают статику. Безопасен для углеводородов.

Двухслойные вкладыши

Два разных пластика, соэкструдированный. Внутренний слой химически устойчив.. Внешний слой приклеивается к стали.. Лучшее из обоих миров.

Я видел демонстрацию этого на выставке в прошлом году.. ПТФЭ внутренний, модифицированный полиэтилен снаружи. Прочность соединения в три раза выше стандартной. Интересные вещи.

Умные лайнеры

Оптоволоконные датчики, встроенные во вкладыш. Они измеряют температуру, напряжение, даже химическое присутствие. Мониторинг состояния лайнера в режиме реального времени.

Дорого сейчас. Будет стандартом через десять лет.

Таблица 6: Новые линейные технологии

---

Процесс принятия решения: Что я на самом деле делаю

Спустя тридцать лет, вот мой процесс. Это не сложно.

Шаг 1: Получите реальные данные

Не спецификация. Реальные данные. Что находится в футерованной стальной трубе? При какой температуре? При каком давлении? Как долго? Любые расстройства? Любые отключения? Любые циклы очистки?

Шаг 2: Устраните очевидные «нет»

Слишком высокая температура для ПП? Устранять. Присутствуют углеводороды? Устранить резину (кроме нитрила). Сильный окислитель? Устраните все, кроме PTFE/PFA..

Шаг 3: Список возможных вариантов

Обычно у вас есть два или три варианта.. ПТФЭ для сложных вещей. ПП для простых вещей. Резина для истирания.

Шаг 4: Рассмотрим систему

Какова длина трубы? Сколько фитингов? Сколько фланцев? Длинные участки труб отдают предпочтение более дешевым вкладышам. Множество фитингов способствуют более гибким вкладышам..

Шаг 5: Думайте о неудаче

Если этот лайнер выйдет из строя, Что происходит? Утечка через точечное отверстие? Катастрофический разрыв? Насколько плохи последствия? Плохие последствия оправдывают дорогие лайнеры.

Шаг 6: Позвонить

Затем вы выбираете. И надеюсь, что ты прав.

---

Таблица 7: Моя краткая справочная карта

✅ = Хорошо, ⚠️ = Внимание, ❌ = Нет

---

Что я говорю молодым инженерам

Однажды молодой инженер спросил меня:: “Как узнать, какой лайнер выбрать?”

Я сказал: “Вы не. Не совсем. Вы делаете лучшее предположение на основе имеющихся у вас данных.. Тогда ты смотришь на это как ястреб. А когда что-то терпит неудачу – а что-то всегда терпит неудачу – вы учитесь на этом.”

Он выглядел разочарованным. Хотел формулу, Я думаю. Дерево решений. Гарантированный ответ.

Нет ни одного.

просто есть опыт. И данные. И обращая внимание. И быть достаточно скромным, чтобы признать свою неправоту.

Эта линия кислого газа в Альберте? Тот, у которого проблема с фланцем? Мы это исправили. Но я все еще думаю об этом. Все еще интересно, что еще я пропустил.

Это работа. Ты никогда не перестаешь учиться. Ты никогда не перестанешь беспокоиться. Вы просто научитесь лучше понимать, о чем беспокоиться.