Oil Swelling
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Swelling
Los elastómeros vulcanizados tienen dos propiedades que los distinguen de la mayoría de los otros sólidos típicos: pueden absorber grandes cantidades de solvente sin disolverse y pueden sufrir grandes deformaciones con las tensiones correspondientes. Debido a la exposición a diferentes productos químicos, las propiedades de los elastómeros sufren cambios. Uno de los efectos más comunes es el hinchamiento físico debido a la presencia de la estructura de malla reticulada. Dependiendo del elastómero base y del líquido de hinchamiento, el grado de hinchamiento varía de insignificante o leve a grados de hinchamiento bastante grandes en unos cientos por ciento. Un hinchamiento del 100 % significa un aumento del peso de la muestra de caucho del 100 %. Los fluidos de expansión interactúan con los ingredientes químicos contenidos en los elastómeros y, por lo tanto, afectan las propiedades mecánicas o de procesamiento del elastómero. El hinchamiento de los elastómeros se puede utilizar para un simple aumento de volumen o para efectos funcionales como la autocuración. Los elastómeros exhiben un cambio dinámico en volumen y espesor cuando se exponen a un medio expansivo: agua, aceite o ácidos/bases.
Hinchamiento de los elastómeros
El hinchamiento de los elastómeros es generalmente indeseable. Sin embargo, dado que los elastómeros pueden hincharse de forma controlada en diversos grados en fluidos selectivos, este efecto también puede utilizarse en algunas aplicaciones industriales; por ejemplo, como sellos hinchables que se emplean con éxito para mejorar la recuperación de petróleo a través de un cierre de fluidos relativamente económico, pero a largo plazo y efectivo, perforación bajo balance, pantallas de arena, sellos sin cemento, aislamiento zonal, etc. Un empacador es un sello mecánico que se usa en el fondo del pozo de petróleo para bloquear el flujo de fluidos a través del espacio anular entre la tubería de perforación y la pared del pozo. El empacador consiste en una serie de tubos rodeados por el elemento de sellado del empaque: un componente de goma que se expande mecánicamente para bloquear el espacio anular y permitir que los fluidos fluyan solo a través del tubo cerrado. Los empacadores se clasifican según su función, configuración y método de ajuste. Algunos empacadores mecánicos están diseñados para recuperarse del pozo y reacondicionarse para múltiples usos.
Los sellos hinchables se pueden dividir en 3 tipos:
- Hinchamiento de agua: capaz de hincharse en vapor de agua, donde el tiempo de inflado y el volumen dependen de la temperatura
- y salinidad del agua; la tasa de hinchamiento es más rápida a temperaturas más altas y salinidades más bajas;
- Hinchamiento de aceite: el hinchamiento ocurre con un proceso de absorción de la difusión de condensado y gas; el tiempo y el volumen de hinchamiento están regulados por la temperatura y la composición de los hidrocarburos; la velocidad de hinchamiento es más rápida a temperaturas más altas y en hidrocarburos más ligeros;
- Hinchamiento híbrido: combinaciones de elastómeros capaces de hincharse en soluciones hidrocarbonadas o a base de agua.
Los elastómeros que se hinchan con agua funcionan según el principio de un gradiente de difusión, un proceso que fomenta el movimiento de las moléculas de agua a través de un gradiente, donde existe una diferencia de salinidad a cada lado del gradiente. Los elastómeros de hinchamiento de petróleo funcionan según el principio de absorción y disolución. La velocidad de hinchamiento y los aumentos de volumen están directamente relacionados con la composición y características del aceite. La gravedad específica del aceite juega un papel importante, pero otras cualidades del aceite también pueden afectar el comportamiento de expansión. El sello de goma se enrolla en el tubo con el peso, el grado y la conexión especificados por la construcción del orificio. La longitud del sello está determinada por la presión diferencial requerida, la temperatura del pozo y la aplicación. Los anillos extremos de metal sólido están unidos al tubo base y guían el elastómero a la posición correcta en el pozo. Crucial para la función de los anillos de los extremos es que ayudan a concentrar las fuerzas de sellado generadas por el hinchamiento del elastómero. Los anillos de los extremos soportan el elastómero, lo que da como resultado un sello anular hidráulico. Los empacadores inflables pueden tener valores de presión de hasta 68,95 MPa (10 000 psi). Los sellos hinchables se utilizan con éxito debido a su facilidad de diseño y fabricación, la simplificación de la carrera en los pozos, el espaciamiento y el ajuste, especialmente cuando se requiere una gran cantidad de sellos, la capacidad de adaptarse a superficies irregulares de pozos abiertos y los bajos costos en comparación con los mecánicos convencionales.
Los principales elastómeros sintéticos utilizados comercialmente se indican a continuación:
Resistente al aceite
- Cloropreno CR
- Caucho de nitrilo NBR
- Etileno – elastómeros de acrilato AEM
- Elastómeros de poliacrilato ACM
- Caucho sintético (CSM)
- Polietileno clorosulfonado (CSPE)
- Elastómeros de poliuretano PU
- Caucho de silicona SiR
- Elastómeros de fluorocarbono
No resistente al aceite
- Cauchos de etileno – propileno (EPM, EPDM)
- Caucho natural NR
- Caucho de butilo BR
- Estireno – caucho butadieno SBR
- Cauchos de polibutadieno PB
- Gomas de poliisopreno IR
Cambio de volumen
En la mayoría de los casos, el hinchamiento se produce a medida que se adsorbe el líquido. La velocidad de difusión del líquido en una pieza de prueba de caucho y también su tamaño determinarán el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio. Después de esto, la tasa de absorción de líquido disminuye. Cuanto menor sea la viscosidad del líquido, mayor será la velocidad de difusión. Cuando una goma se sumerge en un contacto con un fluido, su superficie puede ser atacada químicamente. Inicialmente esto es insignificante o incluso nulo en el caso de cauchos químicamente inertes. El hinchamiento tiene lugar dependiendo de las características de solubilidad del caucho y el fluido. Con la hinchazón, el caucho se tensa y, sin embargo, la cantidad de propiedades físicas cambian. El contacto prolongado con fluidos conduce a la lixiviación o extracción de ciertas sustancias químicas, especialmente antioxidantes, lo que tiene una influencia significativa en la vida útil del sello. El principal cambio observado después de la inmersión de una goma en un fluido durante un período específico es el cambio de volumen. Los diversos tipos de cauchos varían sustancialmente en su permeabilidad a los fluidos. Esta es una propiedad intrínseca, que solo puede modificarse marginalmente mediante la composición. Cuanto más alta es la temperatura, mayor es la hinchazón. Si no se produce ningún cambio químico, el fenómeno es reversible como, por ejemplo, un caucho de silicona, que puede hincharse y contraerse repetidamente con lubricantes de éster calientes y fríos. La alta tasa de difusión en el caucho de silicona permite que esto ocurra en un ciclo de tiempo corto de (24 h). Prácticamente, el caucho en un sello está bajo tensión casi todo el tiempo, por lo que el acceso del fluido está restringido por su alojamiento en una carcasa o ranura. Además de esto, el volumen del surco puede restringir el hinchamiento a niveles por debajo de su máximo teórico. Si la tasa de difusión es baja, la absorción de fluidos no aumentará inmediatamente el volumen del sello. Si la velocidad de difusión es alta, y el hinchamiento de equilibrio depende mucho de la temperatura, puede producirse una contracción durante la etapa de descenso del ciclo de temperatura normal en la mayoría de los equipos. Durante la inmersión en caliente de un caucho de silicona, el cambio de volumen aumenta con la temperatura. En esta etapa, la degradación es inevitable. Un sello de caucho de silicona generalmente variará su volumen con cambios de temperatura a corto plazo, mientras que un sello de caucho de fluorocarbono aumentará constantemente su volumen a largo plazo. La contracción de un sello de goma, por evaporación, también es importante en la función del sello.
Hinchamiento bajo tensión
El volumen de líquido absorbido por un vulcanizado de caucho se altera por la aplicación de una tensión, aumentando por estiramiento y disminuyendo por compresión. Este último es más relevante en aplicaciones de sellado. Una carcasa solo puede acomodar un cierto grado de hinchazón antes de que se llene en exceso, lo que provoca la extrusión y daños potenciales al sello. La práctica para lidiar con esto varía, aunque un aumento de volumen del 15% suele ser inaceptable. La contracción del caucho puede ocurrir bajo ciertas circunstancias, debido a la extracción de un ingrediente del caucho por parte del líquido. Esto es inaceptable a niveles superiores al 1 ó 2 %. Si bien la resistencia a la tracción o el alargamiento a la rotura no afectan necesariamente el rendimiento del sello, se pueden usar para seguir los cambios que tienen lugar a medida que aumenta la temperatura en presencia de fluido. Sin embargo, los cambios de dureza debidos al hinchamiento son de importancia práctica. Si se produce demasiado ablandamiento, el sello puede ceder bajo presión. Por otro lado, si se produce un endurecimiento excesivo, es posible que el sello no absorba el movimiento.
Efecto de la temperatura
Es una práctica común realizar pruebas de inmersión a varias temperaturas hasta y por encima de los límites de estabilidad del fluido. En el caso de líquidos volátiles, estas pruebas se realizan a presiones elevadas. El efecto del oxígeno no debe pasarse por alto en las pruebas de laboratorio, particularmente cuando, en la aplicación real, se excluye el aire. La oxidación o ruptura térmica puede producir productos de descomposición que son más reactivos que el líquido original. Los cambios químicos pueden modificar sustancialmente el equilibrio físico simple caucho/fluido y esto se vuelve más marcado a medida que aumenta la temperatura y si se usan ésteres en lugar de hidrocarburos simples como fluidos. El ciclo de operación en servicio debe considerarse cuidadosamente al interpretar los resultados de laboratorio. Una sección gruesa de caucho, una tasa de difusión baja del líquido en el caucho y un ciclo corto de alta temperatura conducirán a un equilibrio mucho más bajo o a una hinchazón máxima y a un ataque químico más bajo que una sección de caucho delgada, una tasa de difusión alta y un ciclo continuo. funcionamiento a alta temperatura. También se deben considerar otros dos efectos:
1. Confinamiento del sello dentro de la carcasa
2. Diferencias entre el coeficiente de expansión térmica del caucho y el de la carcasa metálica
Las siliconas generalmente tienen valores más altos que otros cauchos. A medida que aumentan las temperaturas, también lo hará la deflexión o la tensión en el sello, pero aun así, se espera que su absorción de líquido sea menor cuando está en una carcasa, ya que queda expuesta una menor área de su superficie. En consecuencia, una caída de la temperatura dará como resultado una reducción del tamaño del sello en relación con la ranura, como es obvio cuando ocurren fugas. Cualquiera que sea el caso, independientemente de cualquier tensión impuesta sobre el caucho, debe recuperar su forma para sellar el espacio y evitar fugas. Si la temperatura y la presión se mantienen constantes y no se produce ninguna perturbación del contacto metal/sello, el sello seguirá funcionando durante un tiempo considerable.
Pruebas de hinchamiento
Se sabe que el hinchamiento de cauchos por fluidos es un proceso controlado por difusión y, hasta el hinchamiento de equilibrio, el volumen de líquido absorbido es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo que el caucho ha estado sumergido en el líquido. Para la mayoría de los líquidos, esta tasa también depende de su viscosidad, más que de su naturaleza química. Al hacer frente a la hinchazón, no existe un estándar universalmente aceptable para determinar la idoneidad de un sello de goma para una aplicación. La práctica general es sumergir una muestra de caucho vulcanizado en varios fluidos y registrar una variedad de parámetros, como el cambio en el peso, el volumen, el espesor y la dureza. Estos datos pueden ser criterios para la evaluación aproximada de la idoneidad de un sello. A veces, los usuarios de productos de caucho especifican sus propios requisitos de prueba en términos de aumento de peso o volumen en determinadas condiciones. La idoneidad de un caucho para su uso en contacto con un aceite o un producto químico se evalúa sumergiendo una muestra en un fluido y midiendo el aumento de peso o volumen resultante. Tales pruebas representan condiciones más severas que las que generalmente se encuentran en el servicio real, ya que pocos sellos comerciales se sumergen por más de 24 h e, incluso entonces, es probable que solo se produzca una inmersión parcial. En el uso real, solo una parte del área de la superficie del sello está expuesta al ataque de fluidos. Las pruebas han demostrado que las muestras de prueba totalmente sumergidas se hinchan de tres a seis veces más que las expuestas al fluido en una sola superficie. Por lo tanto, tiene sentido que un stock pueda funcionar bien en uso, aunque en las pruebas de inmersión total el aumento de volumen puede ser del 100% o más. Por otro lado, el hecho de que un compuesto resulte satisfactorio para una aplicación determinada no garantiza que el mismo compuesto resulte adecuado en diferentes condiciones. Al determinar si un sello fabricado con un caucho de neopreno determinado será satisfactorio para una aplicación determinada, los sellos deben probarse en las condiciones de servicio reales. Para los sellos de las aeronaves, la aprobación de las direcciones de aviación militar y civil correspondientes se otorga como 'aprobación de tipo'. Esto solo se proporciona después de la prueba del equipo de perforación en condiciones simuladas en las que incluso las fugas pequeñas no son aceptables.
Efecto de los rellenos
Cuando un polímero reticulado con diferente concentración de cargas reforzantes y no reforzantes se pone en contacto con un disolvente, la malla absorbe una cierta cantidad de líquido en una medida también determinada por la presencia de carga y por las interacciones polímero-carga. Una reducción de la adsorción puede ocurrir comúnmente con el aumento de la concentración de relleno, ya que cada partícula de relleno actúa como un obstáculo para la difusión del líquido. A medida que aumenta la concentración de relleno en la matriz de caucho, se crean más y más obstáculos para las moléculas de difusión y, por lo tanto, se reduce la cantidad de disolvente que penetra.