Guía de buenas prácticas para equipos de materiales plásticos: un complemento necesario en el marco del reglamento APQ

El desarrollo de los materiales plásticos comenzó a mediados del siglo XX, lo que los convierte en materiales muy “jóvenes” frente a otros materiales de uso habitual en el mundo industrial, como el acero o el hormigón, con casi dos siglos de historia a sus espaldas. Por este motivo el grado de conocimiento de los materiales plásticos por parte de los actores implicados en su uso es, por lo general, muy inferior al conocimiento de esos otros materiales tradicionales. Este inferior grado de conocimiento, sumado a las importantes diferencias de comportamiento entre los plásticos y los materiales de uso tradicional en la industria, pueden dificultar notablemente su buen diseño, uso y mantenimiento, lo que no solo supone un coste económico superior para el usuario, sino que puede incrementar el riesgo de accidentes durante su vida útil.

A la vista de estas cuestiones, desde la Comisión Técnica de Almacenamiento de Productos Químicos de Bequinor se plantea la necesidad de disponer de un documento técnico de referencia sobre el uso de materiales plásticos, especialmente para el almacenamiento de productos corrosivos dado su especial riesgo en caso de accidente. Con este objetivo nace la guía de buenas prácticas para equipos de tuberías de PRFV y laminado dual, como un documento que sirva de soporte técnico para todos los actores implicados en el diseño, uso y mantenimiento de este tipo de equipamiento, que no tengan un conocimiento profundo de estos materiales. Esta guía recoge las cuestiones que se detallan a continuación, teniendo en cuenta el estado del arte actual en esta materia.

Diseño de equipos de PRFV y laminado dual

El diseño de equipos de PRFV (plástico reforzado con fibra de vidrio) y laminado dual (liner interior de termoplástico reforzado con PRFV) debe realizarse teniendo en cuenta los mismos parámetros que se considerarían para un material metálico, pero teniendo en cuenta las particularidades de estos materiales. A continuación  se detallan las cuestiones principales que se deben considerar y que se recogen en la guía de buenas prácticas:

Selección de las materias primas:

La selección de las materias primas es el punto de partida para cualquier diseño con materiales plásticos, y debe basarse en dos parámetros básicos:

• La resistencia a la temperatura de la resina y del liner de termoplástico cuando se aplican laminados duales, para evitar que sufran daños a la temperatura de servicio prevista.

• La resistencia frente al ataque químico de los fluidos contenidos en el equipo, tanto de la resina como de la fibra de vidrio. En caso de emplearse un liner de termoplástico, obviamente su resistencia en este sentido será un parámetro fundamental de diseño.

Para poder realizar una correcta selección de las materias primas que se usarán en este tipo de equipos será por tanto necesario conocer los distintos tipos de resinas, fibras de vidrio y termoplásticos disponibles en el mercado, así como las propiedades, usos habituales y límites de utilización de cada uno de ellos. 

Propiedades mecánicas de los materiales:

Una vez seleccionadas las materias primas para la fabricación de los equipos, será necesario establecer las propiedades mecánicas de los materiales, lo que permitirá calcular adecuadamente el espesor mínimo requerido para cada una de sus partes. Dado que el PRFV es un material composite y, por lo tanto, heterogéneo, sus propiedades no son uniformes ni constantes y varían notablemente en función de tres parámetros:

• Tipo de resina empleado para la fabricación: La resina se utiliza como una matriz que aglutina las fibras de vidrio de refuerzo del material, pero es un material relativamente frágil si se compara con dichas fibras de refuerzo. La resistencia del composite será adecuada mientras no se produzcan fisuras o roturas en la matriz de resina, por lo que el límite de rotura de dicha resina es un parámetro fundamental en el cálculo de este tipo de equipos. Existen diferencias importantes en el límite de rotura entre los distintos tipos de resina, por lo que la selección de la resina es fundamental para el cálculo de las propiedades mecánicas.
• Tipo de fibras de refuerzo empleado para la fabricación: Las fibras de refuerzo están disponibles en múltiples formatos y presentaciones, teniendo cada una de ellas una resistencia característica que puede, además, dar lugar a propiedades ortótropas en función de la orientación de dichas fibras. Por lo tanto, la cantidad y tipo de fibras de refuerzo empleadas, así como el orden en el que se apliquen, determinarán las propiedades mecánicas que se obtendrán para cada tipo de laminado.
• Procedimiento de fabricación empleado: Existen múltiples procedimientos de fabricación disponibles para el PRFV, pero cada uno permite el uso de un tipo de fibras de refuerzo concretas. Además, hay algunos procedimientos que solo son aplicables para un cierto tipo de geometría (la fabricación mediante enrollamiento filamentario solo es válida para geometrías cilíndricas, por ejemplo). Por lo tanto, la secuencia y tipo de fibras de vidrio que se prevé utilizar deben tener en cuenta el procedimiento de fabricación que se va a emplear para fabricar los equipos.

Códigos de diseño:

El Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos (APQ) indica que los equipos deben ser diseñados mediante las normas aplicables según la reglamentación vigente o, en caso de no existir dichas normas aplicables, mediante códigos de diseño de reconocido prestigio. Los códigos de reconocido prestigio para equipos y tuberías de materiales metálicos son ampliamente conocidos en el mundo de la ingeniería, por lo que su aplicación no plantea especiales problemas. Sin embargo, los códigos de diseño, tanto para equipos como para tuberías de PRFV, son, por lo general, grandes desconocidos entre las ingenierías, lo que dificulta notablemente la selección de un código de diseño adecuado -y en muchas ocasiones actualizado- para cada proyecto.

La guía de buenas prácticas recoge un listado de los códigos de diseño actualmente vigentes en esta materia, tanto para equipos como para tuberías de PRFV, comentando además brevemente las ventajas y desventajas de cada uno de ellos, con el objetivo de que las ingenierías o usuarios puedan seleccionar el más conveniente para la aplicación prevista.

Uso y mantenimiento de equipos de PRFV y laminado dual

El comportamiento durante su vida útil del PRFV y los termoplásticos es muy distinto al de los tradicionales materiales metálicos usados en la industria. Por este motivo el establecimiento de la vida útil del equipo, así como los planes de mantenimiento e inspección de este tipo de equipos, se deben preparar con un enfoque muy distinto al que se aplica para materiales metálicos. Las bases para establecer estos elementos, imprescindibles para el buen uso y mantenimiento de los equipos, son las siguientes:

Mecanismos de degradación del PRFV y los termoplásticos:

Los mecanismos de degradación que afectan a los materiales metálicos (pérdida de espesor por corrosión fundamentalmente y otros como la corrosión bajo tensión) no son aplicables para los materiales plásticos. Los mecanismos de degradación más habituales en estos materiales suelen ir asociados a la difusión del fluido a través de la red cristalina de la matriz de resina, degradación de dicha resina, ataque químico a las fibras de vidrio, absorción de fluido por parte del material y, en el caso de los termoplásticos, también puede darse la fisuración bajo tensión, especialmente en las soldaduras entre las distintas partes.

El conocimiento de estos mecanismos es esencial para poder establecer la vida útil prevista para el equipo, que estará estrechamente relacionada con la naturaleza de las materias primas empleadas para la fabricación y su resistencia frente al fluido, así como al espesor de la capa interior anticorrosión. Dado que el espesor y la naturaleza de la capa interior anticorrosión del equipo deben establecerse en la fase de diseño del equipo, será por tanto necesario conocer estos mecanismos de degradación y su velocidad de progresión en dicha fase, más aún para equipos dentro del ámbito de aplicación de la ITC-MIE APQ 06 del Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos, en los que se exige al fabricante establecer la vida útil prevista para los equipos.

Técnicas de inspección para equipos de PRFV y laminado dual:

Al igual que sucede con cualquier otro tipo de equipo metálico, el mantenimiento de los equipos y tuberías de materiales plásticos debe realizarse conforme a los resultados obtenidos durante su inspección. La muy distinta naturaleza de estos materiales frente a los metales, unida a la también muy distinta naturaleza de los mecanismos de degradación a los que se ven sometidos, hace que las técnicas de inspección para los equipos metálicos no sean válidas para los equipos de materiales plásticos.

Como ejemplo de lo anterior cabe destacar que los equipos metálicos sufren por lo general una corrosión asociada a la pérdida de espesor, por lo que la medida del espesor de pared es una muy buena técnica de inspección en estos casos. Sin embargo, los equipos de materiales plásticos rara vez sufren pérdidas de espesor durante su vida útil, por lo que este tipo de medición no resulta útil para evaluar su estado.

Al igual que ocurre con las técnicas de inspección para materiales metálicos, se puede hacer una subdivisión entre ensayos destructivos no destructivos para las técnicas de inspección de materiales plásticos. Entre los ensayos no destructivos aplicables destacan los siguientes:

• Inspección visual.
• Medición de espesores mediante ultrasonidos (aunque con un objetivo muy distinto al que se pretende cuando se aplica en metales).
• Medición de dureza Barcol.
• Ensayos de emisión acústica.
• Control diélectrico (spark test) – Solamente para soldaduras de termoplástico.
• Extracción y análisis de muestras del equipo o testigos de corrosión.

 Entre los ensayos destructivos cabe destacar los siguientes:

• Pérdida por calcinación de muestras de laminado.
• Ensayos mecánicos de resistencia sobre probetas de laminado.
• Medición del estireno residual.
• Medición de la temperatura de transición vítrea mediante DSC (differential scanning calorimetry).
• Identificación de resinas mediante espectrometría de masas.

El conocimiento, tanto de los posibles mecanismos de corrosión como de las técnicas de inspección que pueden proporcionar información fiable sobre el estado de los equipos a lo largo de su vida útil, es fundamental para poder establecer un programa de inspección y mantenimiento adecuado en cada caso.

 Homologación de laminadores y soldadores

En el ámbito de los equipos metálicos es muy frecuente exigir que los soldadores que ejecutan los trabajos de fabricación o reparación estén debidamente homologados conforme al procedimiento de soldadura correspondiente. Sin embargo, existe un alto grado de desconocimiento en este mismo campo en lo que se refiere a los equipos de materiales plásticos.

Al igual que ocurre con los operarios implicados en trabajos sobre equipos metálicos, existen normas de referencia que permiten la homologación tanto de los laminadores que fabrican los elementos de PRFV como de los soldadores que ejecutan las uniones entre piezas de termoplástico. Por lo tanto, una buena práctica para garantizar la correcta ejecución de los trabajos sobre este tipo de equipos sería exigir que los operarios que los ejecuten estén debidamente homologados por un organismo independiente. La guía de buenas prácticas incluye un listado de normas de referencia conforme a las que es posible realizar la homologación de estos operarios para cada tipo de material.

Conclusiones

La guía de buenas prácticas para equipos y tuberías de PRFV y laminado dual pretende ser un soporte técnico actualizado que permita los siguientes objetivos:

• Conocer las materias primas disponibles para la fabricación de este tipo de equipos, así como sus aplicaciones habituales y límites de uso, lo que permite una correcta selección de los materiales para cada equipo.
• Conocer los parámetros que afectan a las propiedades mecánicas de los laminados, tales como el tipo de resina y fibras de refuerzo empleadas, así como las implicaciones que el procedimiento de fabricación tiene sobre dichas propiedades.
• Conocer los mecanismos de degradación que sufren los materiales plásticos, que son de muy distinta naturaleza a los que sufren los metales, para poder establecer correctamente la vida útil y el programa de mantenimiento de cada equipo.
• Conocer las técnicas de inspección aplicables para los materiales plásticos, que son muy distintas de las aplicables para los metales, lo que permitirá establecer un programa de inspección adecuado a lo largo de la vida útil de cada equipo.
• Conocer las normas de referencia aplicables para la homologación tanto de los laminadores de PRFV como de los soldadores de materiales termoplásticos.

 Estos conocimientos deben servir como base a todos los actores implicados que no sean especialistas en este campo, para ejecutar correctamente el diseño, la fabricación, el uso y el mantenimiento de los equipos de materiales plásticos.