Previsão do tempo de vida de gaxetas fabricadas em borracha de acrilonitrilo butadieno (NBR) utilizadas em trocadores de calor

Abstract

Gaxetas utilizadas em trocadores de calor do tipo placas gaxetadas na indústria de óleo e gás em geral estão submetidas a condições agressivas, tais como temperatura, atmosfera oxidativa e/ou fluidos de natureza agressiva para materiais poliméricos, que promovem degradação destes. A partir disso, esse estudo tem como objetivo prever o tempo de vida de gaxetas utilizadas em trocadores de calor pelo monitoramento e extrapolação de CS (Compression set), dureza, módulo de indentação. O desenvolvimento desse estudo tem como base gaxetas de borracha nitrílica, com geometria da seção transversal complexa e irregular. Para isso, expuseram-se corpos de prova com geometria da gaxeta em escala real ao envelhecimento termo-oxidativo acelerado em ar e sob compressão. A avaliação da evolução das propriedades se deu a partir de segmentos com 70 mm de comprimento de gaxeta, os quais foram submetidos a diferentes temperaturas por até 180 dias. Ao longo do envelhecimento, qualificou-se a evolução das propriedades dureza, CS e perfil de oxidação não uniforme, oriundo dos efeitos de difusão de oxigênio limitada (DLO). Além disso, realizou-se o mesmo tipo de envelhecimento a 170 °C para seções contínuas circulares das gaxetas, nomeadas de bocais. O envelhecimento desses bocais objetivou a obtenção de um critério representativo para falha da gaxeta em operação, determinado pela falta de estanqueidade, assim como o limite de uma propriedade característica que induz a essa falha. Considerando a cinética das reações sob a evolução de CS das amostras, a técnica de superposição de tempo e temperatura (TTS) e o método de Williams-Landel-Ferry (WLF), previu-se que o tempo de vida útil para as gaxetas NBR parte de 720 dias a 79 dias em operação nas condições de 60 °C a 140 °C, respectivamente, com base no tempo necessário para atingir 78,6±1,6% de CS, que foi determinado como critério de falha característico. A 170 °C observou-se um comportamento fora da tendência estabelecia entre as demais temperaturas avaliadas, o qual foi melhor compreendido com base na evolução da dureza ao longo da seção transversal por meio de análises de módulo de indentação. Por esse motivo, previu-se os tempos de vida para temperaturas inferiores a 140 °C. A partir dessa metodologia e com esses resultados, pode-se obter uma melhor compreensão do comportamento das gaxetas em operação. Ainda nesse contexto, há possibilidade de utilizar essa metodologia como ferramenta de suporte na previsão e planejamento de manutenções em trocadores de calor, o que pode evitar a ocorrência de falhas durante sua operação.

Abstract: Gaskets used in gasket plate heat exchangers in the oil and gas industry generally are submitted to aggressive conditions, such as temperature, oxidative atmosphere and/or fluids of an aggressive environment for polymeric materials that promote degradation. Then, this study aims to predict the lifetime of gaskets used in heat exchangers by monitoring and extrapolating CS (Compression Set), hardness and indentation modulus profile. The development of this study is based on nitrile rubber gaskets with complex and irregular cross section area geometry. In this regard, specimens with real scale gasket geometry were exposed to thermo-oxidative aging in air and under compression. The evaluation of properties evolution was done concerning 70 mm in length specimens submitted to different temperatures for up to 180 days. During aging, the properties evolution was qualified by employing hardness, CS (Compression set) and non-uniform oxidation profile, resulting from limited oxygen diffusion (DLO). In addition, similar aging tests at 170 °C were realized with round-shaped gaskets, called port gaskets. The port gaskets aging aim to obtain a representative failure criterion for gasket operation, determined by lack of tightness and the limit of a property that induces this failure. Concerning the kinetics of the reactions related to the CS evolution of the samples, time-temperature superposition (TTS) technique and the Willians-Landel-Ferry (WLF) method, the resulting predicted service lifetime for NBR gaskets was 720 and 79 days for conditions ranging from 60 °C to 140 °C, respectively, regarding the time to reach 78.6±1.6% CS, which was determined as characteristic failure criteria. At 170 °C a non-expected behavior was observed concerning the trend stablished for the other temperatures, which was better understood employing indentation modulus profile analyses. For this reason, the lifetime was presented for temperatures below 140 °C. This methodology and these results can improve the knowledge about the gaskets behavior under operation. In this context, it is possible to use this methodology as a supporting instrument in the predicting and planning maintenance of heat exchangers, which can avoid failure events during their operation.