Uszkodzenia węży pneumatycznych – z czego wynikają?

W większości przypadków awaria przewodu powoduje przestój sprzętu, którego wąż jest częścią, co prowadzi do kosztownych strat produkcyjnych, a także rozległych wysiłków inżynieryjnych w celu znalezienia i skorygowania przyczyny awarii. Biorąc pod uwagę stawkę, o jaką toczy się gra, ważne jest, aby zadawać właściwe pytania dotyczące otoczenia maszyny podczas początkowego procesu projektowania. Zrozumienie zarówno oczywistych, jak i mniej oczywistych warunków, na które narażone będą węże, umożliwi dokonanie właściwego wyboru polimeru - poliuretanu (PU), poliamidu (PA), polietylenu (PE) i innych.

Prezentujemy kilka typowych przyczyn awarii węży - wiele z nich można łatwo przeoczyć podczas procesu projektowania. Należą do nich:

• hydroliza - ogólnie rzecz biorąc, ważne jest, aby upewnić się, że używane przewody zawierają dodatki odporne na promieniowanie UV lub hydrolizę. Oprócz promieni UV, naturalnymi i sztucznymi źródłami wody i wilgoci są inne potencjalne przyczyny szkód środowiskowych dla przewodów. Ogólnie rzecz biorąc, węże PU są podatne na reakcje hydrolizy, które powodują degradację przewodów, podczas gdy przewody PU na bazie eteru oferują większą stabilność hydrolityczną, szczególnie w wilgotnym środowisku. Ogólnie rzecz biorąc, ważne jest, aby upewnić się, że używane węże zawierają dodatki zwiększające odporność na hydrolizę, w zależności od potrzeb.

• degradacja spowodowana promieniowaniem UV - promieniowanie o wysokiej energii, czy to ultrafioletowe, rentgenowskie czy gamma, spowoduje rozszczepienie makrocząsteczek węża i doprowadzi do jej zniszczenia. Na przykład, użytkowanie przewodów maszyny znajdującej się w pobliżu okien, może narazić rurkę (wąż) na szkodliwe działanie promieni UV pochodzących ze światła słonecznego. Promieniowanie wysokoenergetyczne, promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie lub gamma, spowoduje rozszczepienie makrocząsteczek przewodu i doprowadzić do ich zniszczenia. Takie niedopatrzenie jest całkowicie przypadkowe, ale może mieć długotrwały wpływ nie tylko na żywotność węża, ale także uszkodzenie urządzenia. Energia UV wzbudza fotony w tworzywach sztucznych, co powoduje powstawanie wolnych rodników. W obecności tlenu te wolne rodniki tworzą wodoronadtlenki tlenu, które naruszają łańcuch szkieletowy i osłabiają strukturę - proces ten nazywany jest fotoutlenianiem. Fotoutlenianie może również powodować zmianę koloru na powierzchni rurki. Niektóre polimery, takie jak politetrafluoroetylen (PTFE), mają doskonałą naturalną odporność na promieniowanie UV. Dodanie pewnych stabilizatorów, absorberów lub blokerów do tworzywa sztucznego jest skutecznym sposobem zapobiegania degradacji UV. Na przykład, dodanie sadzy lub grafitu, może zapewnić wystarczającą ochronę w zastosowaniach zewnętrznych.

• źródła ciepła i skoków ciśnienia - ciepło może pochodzić z różnych źródeł, z których niektóre mogą być bardziej oczywiste niż inne. Na przykład, być może trzeba poprowadzić przewody rurowe obok elementów generujących temperaturę np. silniki, piece, grzałki. Dodajmy do tego ciepły dzień, a wynikowa wysoka temperatura może przekroczyć to, do czego przewody zostały początkowo zaprojektowane. Innym powszechnym, choć być może mniej oczywistym źródłem ciepła jest zwykłe tarcie. Na przykład, jeśli rurki ocierają się o komponenty w maszynie o dużej liczbie cykli ciepło tarcia może narastać i z czasem spowodować uszkodzenie rurki. Podobnie jak temperatura, ciśnienie jest zmienną, która wymaga uwzględnienia warunków, które mogą wykraczać poza normalny zakres przewodu. Na przykład, być może projektowana maszyna zawiera regulator, który redukuje ciśnienie wlotowe 13,8 bar do akceptowalnego ciśnienia roboczego 6 bar. Jeśli regulator ulegnie awarii, nagle cały system - w tym przewody - doświadczy szkodliwego skoku ciśnienia. W takim przypadku, przewody PA, zwane również zwane nylonowymi, są idealne do standardowych zastosowań ze zwiększonym ciśnieniem i zakresem temperatur.

• ukryte interakcje chemiczne - kwasy i zasady mogą wywoływać reakcje chemiczne w polimerze węża, powodując rozszczepienie jego struktury molekularnej i pęknięcia promieniowe. Aby uniknąć tego strukturalnego odkształcenia, ważne jest, aby wybrać polimer, który może wytrzymać narażenie chemiczne - takie jak PFA, PVDF, PTFE, które są odporne nawet na najbardziej agresywne kwasy i ługi. Być może najbardziej oczywistą branżą, w której występują interakcje chemiczne, jest przemysł spożywczy i napojów, które zazwyczaj wykorzystują sprzęt, który musi wytrzymać mycie i inne żrące chemikalia czyszczące. Niestety, nie każdy scenariusz jest tak oczywisty. Na przykład, w pobliżu narzędzia do obróbki skrawaniem, które tnie metal, ważne jest, aby wziąć pod uwagę fakt, że część chłodziwa może osadzać się na wężach. W takim przypadku substancje chemiczne zawarte w chłodziwie mogą reagować z materiałem przewodów, prowadząc do ich przedwczesnego uszkodzenia. Ponadto, standardowe węże poliuretanowe pozostawione w bezpośrednim kontakcie z przewodami elektrycznymi lub kablami czujników w ciemnym, wilgotnym środowisku, mogą ulec uszkodzeniu chemicznemu przez kwas fosforowy, który znajduje się w środkach zmniejszających palność na bazie fosforu. Podczas tej interakcji, estry fosforu dyfundują z przewodów lub kabli, tworząc następnie kwas fosforowy na powierzchni węża. Reakcja ta często zachodzi w kanałach kablowych, gdzie przewody PU mają bezpośredni kontakt z przewodami i kablami.

• uszkodzenia mikrobiologiczne i pęknięcia naprężeniowe - poza przemysłem spożywczym i napojów, wielu projektantów maszyn może nie myśleć o niebezpieczeństwach związanych z drobnoustrojami gromadzącymi się na powierzchni węży. Jednak mikroorganizmy i biofilmy, takie jak bakterie i grzyby, mogą pośrednio uszkadzać przewody, zwłaszcza węże PU. W przewodach rurowych składniki polimeru stanowią źródło węgla lub azotu dla procesu metabolicznego. Ostatecznie powodując awarię w postaci uszkodzeń chemicznych lub pęknięć naprężeniowych. Pęknięcia naprężeniowe mogą również wystąpić z powodu obecności polarnych substancji organicznych, w tym alkoholi, estrów i ketonów. Wynikają z tego naprężenia wewnętrzne, a substancje zmniejszają siły międzycząsteczkowe polimeru z powodu dyfuzji wewnątrz przewodu. Sprawy stają się jeszcze bardziej skomplikowane, jeśli kontakt węża z medium, który początkowo spowodował pęknięcia naprężeniowe, nagle ustaje, a następnie medium dyfunduje z polimeru, co utrudnia ustalenie pierwotnej przyczyny tego uszkodzenia.

• dynamiczne sytuacje i uszkodzenia mechaniczne - chociaż większość uszkodzeń przewodów rurowych jest wynikiem wpływu środowiska, należy wziąć pod uwagę możliwe źródła uszkodzeń mechanicznych. Na przykład, częstym błędem inżynieryjnym jest zakładanie, że wąż poradzi sobie z ostrzejszymi zakrętami niż jest w stanie, zwłaszcza w ograniczonych obszarach. Jeśli jednak promień gięcia węża zostanie zmniejszony, nawet w statycznym, wówczas przewód może łatwo się załamać, osłabić i ulec uszkodzeniu - zwłaszcza jeśli jest również pod ciśnieniem. Z punktu widzenia projektowania, ważne jest, aby nie zakładać, że wąż poradzi sobie z zakrętami bez względu na to, jak małe - ponieważ może to spowodować załamanie lub skrócenie rurki. W innych przypadkach, gdy maszyna zacznie pracować cyklicznie, wężyk może zaczepić się lub ocierać o inny element lub powierzchnię. W takich dynamicznych sytuacjach należy rozważyć zastosowanie przewodów, które są bardziej odporne na ścieranie, takie jak węże PE. Do mechanicznych uszkodzeń zaliczymy procesy tarcia czy zagniatanie. Każdy typ przewodu pneumatycznego ma swoje mocne i słabe strony, które muszą być zrównoważone z warunkami środowiskowymi i mechanicznymi przewodu. Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak wybrać odpowiedni przewód do danego zastosowania.

Charakterystyka zastosowań i użytych materiałów w wężach pneumatycznych

Równowaga

Każdy typ przewodu pneumatycznego ma swoje mocne i słabe strony. Muszą one być zrównoważone z warunkami pracy tj. środowiskowymi i/lub mechanicznymi przewodu. Należy pamiętać, że nie wszystkie z tych warunków będą oczywiste - co jest niezwykle ważne, aby zadać sobie właściwe pytania podczas początkowego procesu projektowania urządzenia. Uwzględnienie wszystkich aspektów środowiska pracy węża umożliwi wybór odpowiedniego polimeru i skuteczne uniknięcie uszkodzeń przewodów, przestojów i niepotrzebnych kosztów.

Źródło: Festo