SE2350: Un nuovo prodotto roving diretto compatibile con resine
epossidiche sviluppato per rispondere alle richieste dell'industria di un
rinforzo ad alte prestazioni associato ad una lavorazione di classe
mondiale
Un passo importante nell'innovazione dei prodotti in fibra di vetro per
favorire lo sviluppo di applicazioni finali nei settori del petrolio/gas e dei
processi chimici
Mark Greenwood, Research Associate e Wisdom Dzotsi, Global Product Manager
Type 30® Reinforcements, Owens Corning
L'impiego di materiali compositi in ambienti corrosivi e pericolosi risale quasi agli inizi
dell’ industria stessa dei materiali compositi. Dopo parecchi decenni di limitata
penetrazione, gli esperti dell'industria prevedono per i materiali compositi usati nei settori
petrolio/gas e processi chimici tassi di sviluppo annuale fino al 12%, a confronto con una
media del 5% per l'industria nel suo complesso. Lo sviluppo del settore, con vendite
stimate di oltre 1,5 miliardi di dollari l'anno, sarà stimolato da tre fattori:
• Elevati prezzi del petrolio/gas derivanti da crescenti attività e profitti nel settore
• Elevato costo dell'acciaio e di altri materiali tradizionali, con conseguenti
opportunità per i materiali sostitutivi
• Crescente fiducia nelle prestazioni dei compositi da parte degli enti normativi e
degli ingegneri.
Molte delle grandi società sono in grado di presentare esempi di parti in materiali
compositi rimaste in funzione fino a 30 anni senza presentare problemi. In tempi più
recenti queste società hanno dimostrato la loro capacità di produrre grandi strutture
complesse ricorrendo a tecnologie innovative di avvolgimento.
Tuttavia gli standard prestazionali dei tubi nel settore petrolio/gas hanno continuato a
crescere in modo significativo, fino al punto che attualmente i produttori devono
confrontarsi col problema di riprogettare i tubi per soddisfare i nuovi standard fissati
dagli utilizzatori finali. La natura competitiva del settore in relazione al prezzo significa
che le sole prestazioni non sono più sufficienti per il successo. I produttori devono offrire
in permanenza qualità, costanza e produttività.
Per rispondere a queste richieste dell'industria, il nuovo roving diretto da avvolgimento
compatibile con resine epossidiche Owens Corning Type 30® offre al produttore la
possibilità di trasformare in valore concreto le migliori prestazioni di comportamento a
rottura, a fatica e nella lavorazione.
SE2350 è stato sviluppato specificamente per essere lavorato con bassa tensione e
generazione di filamenti rotti e per fornire prestazioni meccaniche superiori a quelle di
altri prodotti attualmente disponibili.
Nel processo di avvolgimento, le caratteristiche del rinforzo che consentono ai produttori
di migliorare l'efficienza della loro produzione sono:
• La facilità e costanza di alimentazione del vetro dalla rastrelliera al mandrino
•
•
La costanza nella tensione per mantenere uniforme la composizione del tubo
Una limitata generazione di filamenti rotti, per ridurre al minimo la necessità di
pulizia della rastrelliera e lungo il precorso del roving
• Il rapido wet-out del roving per favorire la velocità di produzione
Il miglioramento di queste caratteristiche di lavorazione consente di migliorare il
rendimento del processo, la velocità di produzione, l'estetica del prodotto, riducendo gli
scarti e la necessità di rilavorazione.
Le caratteristiche di un rinforzo destinato a migliorare le prestazioni del laminato sono:
• Maggiore resistenza a rottura
• Migliori prestazioni nella regressione ciclica a pressione
Il miglioramento di queste caratteristiche meccaniche consente migliori prestazioni e/o
minori costi diretti di produzione.
I seguenti dati dimostrano i miglioramenti offerti dal SE 2350 e la sua risposta a queste
richieste di prestazioni.
Lavorazione:
La resistenza causata dallo scorrimento del roving sui punti di contatto determina il tiro
presentato nel movimento dalla rastrelliera al mandrino. Una tensione inferiore e costante
durante la lavorazione comporta minori rotture e tipicamente riduce la necessità di
regolazioni dopo la prima messa a punto per ottenere le caratteristiche di prodotto
desiderate. I seguenti dati sono stati ottenuti in un test di scorrimento sviluppato da
Owens Corning per misurare le proprietà del roving.
Si è riscontrato che SE 2350 presenta uno dei valori più bassi di attrito tra i prodotti
testati.
OC 2
Comp 4
Comp 6
Comp 1
OC 4
OC 1
OC 3
SE2350
Comp 7
Comp 5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Comp 2
Tension (kg)
11 Point Frictional Tension
Product
11 Point Frictional Tension = Tensione di attrito su 11 punti
Tension (kg) = Tensione (kg)
Product = Prodotto
Note:
1. Il valore di tensione più basso è il migliore
2. OC1, 2 e 3 erano prodotti sperimentali.
2
Durante il test di scorrimento, è stata anche misurata la generazione di filamenti rotti. La
quantità di filamenti rotti che si formano durante lo scorrimento del roving su una serie di
punti di contatto rappresenta una misura dei danni subiti dal prodotto nel suo movimento
dalla rastrelliera al bagno di impregnazione o al mandrino. Una maggiore formazione di
filamenti rotti produce tipicamente: rotture, formazione di accumuli sui punti di contatto,
deposito degli stessi nel bagno di impregnazione, maggiore rugosità superficiale del
prodotto finito e potenzialmente minore resistenza del tubo. Si è riscontrato che SE 2350
produce una bassa formazione di polveri rispetto ad altri prodotti sottoposti al test.
Comp 4
Comp 1
OC 2
Comp 2
OC 4
Comp 5
Comp 6
OC 3
Comp 7
80
60
40
20
0
OC 1
180
160
140
120
100
SE2350
Fuzz (mg/kg)
11 Point Fuzz Measurements
Product
11 Point Fuzz Measurements = Misure di polveri su 11 punti
Fuzz (mg/kg) = Polveri (mg/kg)
Product = Prodotto
Note:
1. Il test su 11 punti è relativamente severo (I valori di polveri più bassi sono i migliori).
2. OC1, 2, 3 e 4 erano prodotti sperimentali.
Per apprezzare il valore di queste caratteristiche per un produttore di tubi per
avvolgimento, si consideri il seguente scenario per una tipica famiglia di tubi a pressione
prodotti su un impianto a 4 linee:
• Tipico tempo passivo a causa di arresti della lavorazione: 10%
• Tipica rilavorazione per difetti superficiali: 1 tubo su 5 per 10 minuti
• Limite di velocità del rinforzo causato da formazione di polverio in caso di
aumento del tiro: 175 piedi/minuto
• Tipico tempo di lavorazione di un tubo con un processo a due mandrini: 22 minuti
• Tipica frequenza di rottamazione a causa di rotture: 2 tubi/giorno
• L'impianto opera per 24 ore/giorno, 6 giorni/settimana
La conversione all’utilizzo di OC SE 2350 consentirebbe di migliorare la produttività di
un processo a quattro linee esistente per competere con un processo a 5 linee con roving
standard.
3
Ciò equivarrebbe a non acquistare un nuovo impianto di avvolgimento con il costo
stimato di 375.000 dollari da aggiungere ai 4 attualmente in produzione.
Supponendo che SE 2350 riduca il numero di arresti di linea del 50%, questo
consentirebbe di operare il processo a 225 piedi/minuto. Supponendo ancora che SE 2350
elimini la rottamazione dovuta a rotture e riduca del 50% la rilavorazione – i risparmi
potenziali per un impianto sarebbero:
• 35% per riduzione dei costi di rilavorazione
• 41% per incrementi di produttività derivanti da 565 tubi aggiuntivi per settimana
• Eliminazione della necessità di acquistare un nuovo avvolgitore per aumentare la
capacità
Il miglioramento delle caratteristiche di lavorazione del rinforzo rappresenta un
parametro molto importante per il produttore.
Caratteristiche meccaniche:
L'evidenza del miglioramento delle caratteristiche può derivare da diverse fonti: risultato
dei test di regressione a pressione, caratteristiche di resistenza a trazione, a rottura e allo
scorrimento intra-laminare.
Il parametro più significativo per evidenziare il miglioramento delle caratteristiche
meccaniche a lungo termine del tubo è il test di regressione a pressione.
Questo viene considerato fondamentale per la progettazione di tutti i tubi a pressione.
Sebbene il protocollo di test sia laborioso e difficile, esso è essenziale.
Il seguente grafico mostra le prestazioni di regressione ciclica relative di una serie di tubi
prodotti con lo stesso processo usando la stessa resina e lo stesso programma di
polimerizzazione con una gamma di materiali di rinforzo. Il numero di cicli a un
determinato livello di sollecitazione fornisce un mezzo per confrontare le prestazioni. Il
seguente grafico evidenzia che il SE 2350 fornisce prestazioni superiori rispetto agli altri
materiali testati. Un raddoppio del numero di cicli a una determinata sollecitazione del
tubo corrisponde a un miglioramento in HDB di circa 2,8%. In altre parole, per
migliorare il livello HDB del 10%, il numero di cicli a una determinata sollecitazione
deve migliorare di un fattore di circa 3,55 volte. SE 2350 ha dimostrato un
miglioramento dei cicli a una determinata sollecitazione di un fattore tra 2,3 e 4,5 rispetto
ai comuni rinforzi usati nei tubi in resina epossidica prodotti mediante avvolgimento nelle
stesse condizioni. Nei test presso clienti, il SE 2350 ha dimostrato un miglioramento
nella pressione di rottura del 17% rispetto agli altri prodotti testati.
4
Cycles at Average Stress
Cyclic Fatigue Performance
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
SE2350
(75%)
SE2350
(68%)
OC 1
(74%)
OC 1
(70%)
Comp 1
(70%)
Comp 2
(70%)
Product
Cyclic Fatigue Performance = Prestazioni a fatica ciclica
Cycles at Average Stress = Cicli a sollecitazione media
Product = Prodotto
Note:
OC1 è un prodotto sperimentale.
5
Si consideri un secondo scenario, con lo stesso produttore che abbia ideato il proprio
progetto dei tubi basandosi su un valore HDB e una pressione di rottura che soddisfino
entrambi i criteri API 15 LR. L'impiego del SE 2350 offre al cliente l'opportunità di
ridurre potenzialmente lo spessore di parete di circa il 10%, pur continuando a mantenere
la pressione di rottura precedente. I risparmi diretti di materiale derivanti da questo
cambiamento non peggiorerebbero le prestazioni dei tubi, e darebbero un significativo
vantaggio competitivo al produttore. Ciò detto, il produttore dovrebbe confermare
mediante test che gli standard prestazionali sono soddisfatti.
Sommario:
Durante lo sviluppo del nuovo prodotto SE 2350, Owens Corning ha preparato oltre 9
tonnellate di materiale sperimentale, almeno 2500 piedi (830 metri) di tubo, condotto
oltre 600 test di regressione ciclica a pressione, e testato oltre 4000 provini di trazione -ottenendo un rinforzo che presenta il migliore pacchetto di prestazioni e di caratteristiche
di lavorazione rispetto a qualunque altro prodotto per avvolgimento attualmente sul
mercato compatibile con resine epossidiche. Caratteristiche e vantaggi di SE 2350 sono
stati dimostrati attraverso test di confronto con prodotti standard:
♦ Le proprietà di scorrimento del prodotto consentono alle fibre di scorrere facilmente
attraverso il processo di rastrellatura sotto tensione relativamente bassa, e
conferiscono costanza e uniformità al processo.
♦ Le caratteristiche migliorate di impregnazione offrono un potenziale di miglioramento
produttivo del 40% circa.
♦ La caratteristica di bassa formazione di polveri consente uno svolgimento più pulito
del processo, con meno rotture, una superficie esterna del tubo più liscia e una
significativa riduzione del tempo passivo.
6
♦ Le migliori caratteristiche di resistenza a trazione, a rottura e a fatica ciclica
forniscono migliori caratteristiche dei tubi e/o minori costi per il produttore.
Il SE 2350 è un rivoluzionario roving diretto Type 30® progettato per applicazioni basate
su resine epossidiche nei settori del petrolio/gas, dei processi chimici e in applicazioni
critiche di avvolgimento, quali quelle aerospaziali e i serbatoi CNG. In posizione di
leader nell'industria dei materiali compositi, Owens Corning ha realizzato prodotti
innovativi utilizzati globalmente in applicazioni diverse. SE 2350 è un altro esempio di
come la società sia capace di fornire soluzioni superiori dal punto di vista tecnologico,
che consentono a Owens Corning di agire come partner collaborativo ed aiutare i clienti a
crescere e prosperare.
7