Experiencias con resinas Epoxi Vinilester en sistemas de tuberías químicamente resistentes

16as JORNADAS DE MATERIALES COMPUESTOS / PLÁSTICOS REFORZADOS Barcelona, 15 y 16 de octubre de 2002 Organizadas por: CENTRO ESPAÑOL DE PLÁSTICOS Con la colaboración de: * DEPARTAMENT D’INDÚSTRIA, COMERÇ I TURISME DE LA GENERALITAT DE CATALUNYA * GPRMC * EUROPEAN COMPOSITES INDUSTRY ASSOCIATION Autores: Michael Jaeger, DOW Deutschland GmbH & Co. Rea Hentrich, Buna SOW Leuna Olefinverbund GmbH Ham Benson, The DOW Chemical Company Bernd Schawanewilms, DOW Deutschland GmbH & Co. Fernando Hurtado, Quimidroga, S. A. (traducción y adaptación) DOW CHEMICAL COMPANY

Durantes 35 años, las Resinas Epoxy Viniléster han sido usadas con éxito en la fabricación de tuberías y equipos químicamente resistentes. La experiencia obtenida durante estos años está documentada en numerosas publicaciones y ha proporcionado muchos estándar de diseño en todo el mundo. La presente conferencia revela algunos aspectos de la tecnología FRP que la experiencia ha demostrado ser la “clave del éxito”. Se discute la base de las especificaciones FRP, así como los estados críticos de la fabricación, diseño, instalación y defectos típicos encontrados en la práctica. Se discute la inspección del FRP, con una mirada a los métodos no destructivos (NDT) y recientes progresos hechos con la radiografía. Se presentan varios casos históricos con énfasis en la inspección y asesoramiento del tiempo de vida residual .

+ DOW Deutschland GmbH & Co. OHG., Rheinmuenster Technical Center, Technical Service and Development

++ Buna SOW Leuna Olefinverbund GmbH, Schkopau, Maintenance Technical Service, FRP Specialist

+++ The Dow Chemical Company, Plaquemine, Design + Maintenance Engineering, FRP Specialist

++++ DOW Deutschland GmbH & Co. OHG, Stade, Design + Maintenance Engineering, FRP Specialist

+++++ Traducido y adaptado por F. Hurtado / QUIMIDROGA S.A

Los equipos realizados con Resinas Epoxy Viniléster han sido utilizados con éxito durante los últimos 35 años para contener productos altamente corrosivos. Estas estructuras composite representan una tecnología relativamente joven, cuando se comparan con los materiales tradicionales como el acero o las aleaciones. Por ello es muy importante entender los beneficios y limitaciones del FRP. Una selección cuidadosa del material, junto con un diseño apropiado, una especificación completa, una fabricación perfecta (state-of-the-art), una instalación profesional, y por último, un buen programa de inspección de arriba a abajo, permite al usuario recoger el beneficio completo de estos materiales únicos.

¿Qué es una ”larga vida en servicio” 1?

• En algunos procesos, una larga vida puede ser tan corta como 2-4 años. Esto puede ser bastante razonable para algunos procesos en condiciones muy severas. Por ejemplo, The Dow Chemical Company (DOW) tiene una chimenea en FRP que trabaja en condiciones tan severas, que sólo dura 2-4 años. En estas condiciones, el FRP está considerado como un material de construcción efectivo, comparado con otras alternativas tales como el metal.

• En otros casos, la vida de un proceso (y por consiguiente la vida del equipo), puede ser de 10-20 años (procesos y/o cambios tecnológicos pueden hacer que el equipo FRP se quede obsoleto). Un equipo obsoleto puede ser reformado y vuelto a poner en servicio.

• En otros procesos una larga vida en servicio puede ser de 25 años y más. Así pues, el concepto de larga vida es relativo. Lo realmente importante es el coste efectivo de un material comparado con soluciones alternativas, teniendo en cuenta su ciclo de vida completo. Cuáles son los elementos del “proceso de calidad”

La vida de servicio puede estar influenciada por muchos

parámetros. Los principales son:

• Selección del material

• Diseño y especificación

• Fabricación

• Inspección / métodos de Ensayo No Destructivos

• Instalación

Y cuando el equipo está en operación:

• Control del proceso

• Supervisión / Determinación de la vida residual

• Mantenimiento

• Reparación

Cuando se decide el material de construcción para una pieza crítica de un equipo, se deben evaluar cuidadosamente al menos 6 criterios esenciales: • Resistencia química: ¿Está el material química o físicamente degradado por el entorno? Hay algún riesgo de fatiga medioambiental? ¿Se conocen y están evaluadas todas las impurezas? ¿Hay cambios previsibles en el proceso que podrían influenciar la composición del fluido (por ejemplo, una bajada de la temperatura de servicio puede causar un fallo2)? ¿Se necesita una protección frente a la corrosión externa? • Comportamiento térmico: ¿Puede resistir el material las altas temperaturas de operación? ¿Hay riesgo de colapso térmico? ¿Qué ocurre con la conductividad térmica? ¿Y el ciclo térmico? ¿Y el coeficiente de expansión térmica? • Presión: ¿Cómo se comporta el material bajo presión positiva o negativa? ¿Puede el ambiente corrosivo degradar la estructura más rápidamente con un aumento de presión? ¿Hay riesgo de fallo catastrófico, o puede el material fallar/perder “suavemente” para eliminar el exceso de presión? • Propiedades de resistencia bajo carga: ¿Es el material suficientemente fuerte para soportar pesadas cargas externas adicionales? • Adaptabilidad del material al espacio disponible: ¿El diseño de la pieza puede ser adaptado al espacio disponible en la planta existente? ¿Puede eventualmente ser fabricada in situ? • Coste: Instalación, servicio, mantenimiento, reparación y eliminación, es el coste total de la vida del equipo. El FRP químicamente resistente puede a menudo ofrecer ventajas respecto a los metales en muchos de los apartados anteriores. El departamento de servicio técnico del productor de resina debería ser consultado para discutir cualquier entorno crítico o cualquier respuesta que no esté contestada por la literatura publicada sobre el producto.

Una vez elegido el FRP como material idóneo para la

construcción del equipo, y en el momento en que el diseño se ha completado de acuerdo con los estándares más relevantes, el comprador del equipo debe recopilar una detallada especificación para la fabricación, control e instalación. Junto con el diseño se debería incluir idealmente el tipo de resina, las características de la barrera química y la estructura, el sistema de curado, la técnica de fabricación permitida para todas las partes incluyendo accesorios como bridas, etc., condiciones de post-curado si se requiere, el diseño del ensamblaje, selección/posición/envergadura de los soportes, requisitos y garantías de calidad. Ver referencias 4 y 9 para más detalles. La inspección del FRP debe llevarse a cabo antes de aplicar cualquier topcoat de color.

La instalación profesional del FRP es clave para minimizar la probabilidad de fallo de la tubería. Por consiguiente sólo el personal cualificado debe ser autorizado para llevar a cabo la instalación. En publicaciones como la indicada en la referencia3 o como la del Fiberglass Pipe Institute (FPI)4 se pueden hallar más detalles.

Recientes estudios sobre fallos prematuros de las tuberías subrayan la necesidad de un trabajo de calidad para evitar costosas reparaciones o reposiciones12.

Este apartado es básico, con lo cual es importante abordar cuidadosamente cada paso. ¿Cuándo se debe hacer la inspección? Generalmente hay 6 momentos en los que los equipos de FRP deben ser inspeccionados: 1. Durante su fabricación 2. Cuando la fabricación finaliza 3. Al recibir el equipo en la planta 4. Cuando el equipo, una vez finalizado, es instalado y está listo para ser utilizado 5. Después de un período de uso específico 6. Cuando se cambia el servicio ¿Qué se debe inspeccionar? Para cada paso anterior, uno o varios aspectos de la siguiente lista deben ser aplicados: • Material- y cualificación del proceso conforme a los estándares nacionales • Laminación- y certificados de cualificación de los trabajadores como soldadores de plástico • Control de material (antes de iniciar la fabricación) • Inspección visual: preparación de las uniones, preparación de la inserción de bridas, cilindros en FRP, construcción del sobrelaminado/uniones laminadas, construcción específica del laminado, errores de la laminación/defectos del laminado • Evaluación NDT: dureza BarcolTM, prueba de fugas, medición manual del espesor de la pared, rayos X y Ultrasonidos. • Control de las dimensiones totales y de la construcción: diseño general, boquillas y su orientación, insertos, soportes , superficie de las bridas, calidad de los taladros, dimensiones del sobrelaminado. • Control de material con propiedades certificadas: propiedades mecánicas, construcción de los cortes, estireno residual, contenido fibra/resina. • Control de la documentación • Test de presión • Recubrimiento de los componentes de acero

Los 5 defectos más comunes del laminado están descritos e ilustrados en este capítulo. Pueden ser detectados por inspección visual, usando una lupa, una linterna, un palillo o una pequeña navaja. Se puede requerir un endoscopio para la inspección interna de las tuberías de pequeño diámetro.

Los 5 defectos necesitan reparación. ASTM D 2563 puede ser consultado para la clasificación de defectos visuales.

a) Burbujas, vacíos (Aire atrapado dentro y entre los

pliegues; vacíos esféricos no interconectados)

Causas: Vaivén del agitador durante el mezclado.

Superficie pobre o sucia. Burbujas de aire no

eliminadas con el rodillo durante la fabricación.

b) Delaminación (Separación de capas, detectable

visualmente o golpeando con una moneda)

Causas: Baja saturación de la fibra de vidrio.

Superficie sucia. Excesivo contenido en fibra de vidrio.

No eliminar el inhibidor de aire antes de laminar una

nueva capa.

c) Blisters (Ampollas) (De forma redonda, a veces

elevaciones claramente definidas de la superficie de

laminado semejando ampollas)

Causas: Curado demasiado rápido. Humedad en la

resina, la carga o la fibra de vidrio.

d) Fracturas por impacto (Separación del material por

medio de grietas y visible en la superficie)

Causas: Impacto, refuerzo insuficiente o excesiva

concentración de resina en un área determinada.

e) Agrietamiento (Trama de finas grietas en o bajo la

superficie)

Causas: Área aislada rica en resina. Impacto mecánico.

Servicio intermitente causando diferencias de

temperatura, ciclos de seco/mojado y contracción de la resina.

Debajo se observan 2 ejemplos muy comunes de defectos de tuberías en FRP:

Fotografía 1: Delaminación de una unión en una tubería

Fotografía 2: Tubería agrietada, soporte inadecuado

Dureza Barcol, Test de Acetona, Ensayo de Ultrasonidos (US), Radiografía (Rayos X) y Termografía se usan para detectar defectos de laminado o de curado de la resina en tuberías y conductos.

La Dureza Barcol se utiliza para evaluar el grado de curado de la resina. Se deben realizar 12 lecturas en el interior y el exterior del FRP, y mejor en un corte que no en la barrera química (CR) ya finalizada. Las lecturas mayor y menor se desprecian y las 10 restantes sirven para hacer una media aritmética. Los puntos críticos son las uniones secundarias, tales como bridas o conexiones internas. Es importante conocer la relación del desarrollo del curado de la resina tomando cualquier lectura obtenida dentro de la primera semana de fabricación: Una sola puede dar el 50% del mínimo de Dureza Barcol (especificada por el suministrador de la resina) después de 24 horas, y aún conseguir el 110% o más después de un período de 3 a 7 días. La experiencia muestra que en la mayoría de los casos, la mínima Dureza Barcol se alcanza después de 1-3 días de curado a temperatura ambiente. El equipo no debería ser puesto en servicio en tanto no se haya alcanzado la mínima Dureza Barcol.

El Test de Acetona debe ser utilizado de la siguiente forma: se coloca un algodón impregnado de acetona en el laminado durante 30 segundos y posteriormente se retira. La superficie se puede considerar que está satisfactoriamente curada si el laminado no resulta pegajoso al tacto. Este test sólo es significativo si está hecho en la barrera química. No es aplicable para una superficie externa, que no está protegida de la inhibición del aire.

El Ensayo de Ultrasonidos permite la detección de falta de adhesivo de unión, de delaminación o vacíos y de desviaciones en el espesor de la pared7.

Vacíos y zonas de falta de adherencia pueden ser detectados usando métodos estándares de US a resoluciones de 10mm y a profundidades de más de 10mm. En áreas de pobre adhesión, ej. uniones enfrentadas (“kissing bonds”) este método no es aplicable. Las delaminaciones se pueden detectar con una resolución similar a la de los vacíos.

Variaciones del espesor de la pared del orden del 5-10% pueden también ser determinadas. El personal que lleve a cabo la inspección debe estar certificado con el nivel 2 NDT (como mínimo) en los Estados Unidos, como se describe en la SNT-TC-1A por la Sociedad Americana para NDT. Se usan métodos manuales y automáticos. El método manual A-scan es usado en la planta de Stade (Alemania) desde 1988 para medir espesores de los equipos en FRP. El sistema automático P-scan8 se utiliza desde 1992 para detectar defectos de fabricación y si es necesario mantener los equipos bajo control durante su servicio7.

La Radiografía es de gran utilidad para detectar variaciones de espesor en las paredes, inclusión de agua, formación de incrustaciones y vacíos, ej. falta de adhesivo en uniones pegadas. Áreas de pobre adhesión, ej. uniones enfrentadas (“kissing bonds”) no serán detectadas por este método. Las limitaciones de esta técnica son el coste y la necesidad de fotografiar muchas secciones para conseguir una imagen amplia de los defectos en una zona determinada. Nuevos equipos en tiempo real basados en sistemas de video pueden convertirlo en un método más atractivo.

La planta de Stade (Alemania) aplica este método junto con los ensayos de US. El método radiográfico ha sido puesto a punto en la planta de BSL (Alemania) para realizar mediciones de espesor y detecciones de defectos de laminado como se detalla en el siguiente apartado:

Fotografía 3: P-scan aplicado en tuberías FRP unidas con adhesivo8

Área de aplicación: La Defectoscopía Radiográfica puede ser usada para supervisar e inspeccionar la laminación de las uniones, especialmente las uniones en campo cuando se modifica, repara o construye una planta.

Para proyectos de reparación de tuberías, la Defectoscopía Radiográfica puede sustituir a los ensayos de presión legalmente requeridos.

La Defectoscopía Radiográfica permite verificar los

siguientes elementos de uniones de laminados:

- Excesivo aire atrapado (burbujas)

- Pobre alineamiento de los bordes

- Excesiva anchura de las hendiduras

- Determinación del ángulo de reducción

- Determinación de la extensión del recubrimiento

- Delaminaciones

- Falta de resina en hendiduras

El criterio de evaluación ha sido recopilado y documentado en una especificación (ver apéndice).

Este método puede ser utilizado para diámetros de hasta DN 300. Los ejemplos aparecen en las fotografías 4 y 5.

El espesor de la pared de las tuberías en FRP puede ser

determinado por radiografía. Para el defectoscopio radiográfico el diámetro máximo es DN 300. Las secciones de tubería a inspeccionar no deben contener líquido.

Algunos depósitos (ej. manteca clorada) pueden influenciar los resultados al no poder distinguirse la pared y el depósito. Este método se aplica en sistemas de tuberías con entornos que causen abrasión, erosión o cualquier otro fenómeno causante de la reducción del espesor de la tubería en toda su superficie. Mediante una inspección radiográfica regular de los sistemas de tuberías se puede seguir su evolución de una forma más comprensiva que los tests de Presión que requiere la ley.

La Termografía permite la detección del crecimiento de incrustaciones en tuberías, uniones con carencia de adhesivo y desviaciones en el espesor de paredes. El principio de la técnica se basa en las diferencias de la conductividad térmica, capturando a través de una cámara de IR diferencias en la temperatura superficial. El tiempo que ocupa la transferencia de calor al interior de la tubería resulta crucial.

Si este calor se suministra de manera demasiado lenta la conductividad térmica de los materiales permitiría repartir esta energía calorífica a través de todo el material (incluyendo defectos), reduciendo así la resolución del método. Esto provoca que este Método de Ensayo No Destructivo sea menos práctico para depósitos. DOW ha evaluado tanques con esta metodología entre 1977 y 1983. Sin embargo el incremento de temperatura no resultó lo suficientemente grande como para detectar cambios de espesor. También ha llegado a la conclusión, basándose en su experiencia, que las delaminaciones no se detectan de manera fiable con este método.

Fotografía 4: Uniones laminadas con pobre alineación de

los bordes, ángulo de reducción incorrecto, excesiva

anchura de hendiduras y delaminaciones del recubrimiento.

Fotografía 5: Unión laminada con pobre alineación de

bordes y delaminaciones en el recubrimiento.

Fotografía 6: Determinación del espesor de la pared de la tubería. Ninguna medición es posible en la sección con

presencia de líquido.