Blog Frans Vos: Materiaalselectie als verzoener van belangen
Het was een hele discussie met de klant. Moest bij de materiaalselectie ook rekening worden gehouden met mogelijke corrosierisico’s of werd de opdracht beperkt tot de slijtageproblematiek, volgens de klant zijn eigenlijke en ook enige zorg?
De concrete situatie betreft een apparaat voor het lamineren van papier, waarbij de op het papier aan te brengen kunststoffolie richting de zich afwikkelende papierrol wordt geleid door middel van een geleidingsgoot en een daarin roterende as die de kunststoffolie voortdrijft. De standtijd van de goot bleek daarbij redelijk kort te zijn. De oorzaak: een overmatige slijtage van het gereedschapsstaal waaruit de geleidingsgoot was vervaardigd. De klant had inmiddels al met een oppervlakteharding getracht het tij te keren, maar dat leidde slechts in beperkte en onvoldoende mate tot soelaas. En zo had de klant zich dan tot Materials Consult gewend met de vraag of we konden overgaan tot een materiaalselectie voor de geleidingsgoot? Ja hoor, dat kan.
Voor een zo optimaal mogelijke materiaalselectie moet er rekening worden gehouden met alle factoren die invloed hebben op het gedrag van het materiaal onder de gebruikscondities ‘en in de omgevingen’ waarin het materiaal zal functioneren. Dat laatste zinsgedeelte tussen aanhalingstekens is één van mijn stokpaardjes. Sommigen zouden kunnen opwerpen dat de omgeving van functioneren deel uitmaakt van de gebruikscondities. Taalkundig hebben ze mogelijk gelijk, maar ik ben een man van de ingenieurspraktijk. Mijn ervaring heeft me geleerd dat vele mensen die het woord ‘gebruikscondities’ horen de betekenis ervan al snel beperken tot de krachten die op de component werken, de temperatuur, de druk en veelal ook de aard en samenstelling van de substanties waarmee de component ogenschijnlijk in contact komt ‘in nominale condities’. Opnieuw een zinsgedeelte tussen aanhalingstekens!
In nominale condities gaat het echter niet alleen over krachten, temperaturen, drukken en de ogenschijnlijk con tacte rende substanties op zich. De woorden ‘ogen schijn lijk’ en ‘contacterende’ verdienen daarbij uw extra aandacht. Zo zijn vele oliën op zich niet corroderend, maar van zodra er zelfs maar een beperkte hoeveelheid water bij komt, kan het corrosierisico sterk stijgen. ‘Ogenschijnlijk’ mag het dan al een niet-corrosieve olie betreffen, maar als er in die olie nominaal ook wat water vervat zit of kan zitten, is er sprake van een potentieel corrosierisico en dient dit mee te worden beschouwd in de materiaalselectie. En bent u zeker dat de component enkel ‘contact’ maakt met die olie? In stromende toestand kan dat misschien zo zijn, maar als er geen stroming is, zal in vele situaties het water zich afscheiden van de olie; staat de component dan ook nog enkel in contact met de olie of (ook) met het water? Dat zijn immers twee verschillende situaties die beiden moeten worden beschouwd in een materiaal selectie. Misschien is er dan ook sprake van een overgangsregime van de ene situatie naar de andere? Nog iets om te beschouwen. Deze contactscenario’s kunnen effectief nominaal zijn, bijvoorbeeld bij batchprocessen waar stroming en stilstand elkaar afwisselen.
Bron: Istock
Uiteraard is stilstand ook een typevoorbeeld van niet-nomi nale condities als het nominale proces een continue stroming impliceert. Het is een typevoorbeeld van ‘transiënten’, waartoe onder andere ook het starten en stoppen van installaties kunnen worden gerekend, het (al dan niet op voorhand gekend) doorschieten van de temperatuur, (al dan niet voorziene) concentratiewijzigingen van chemicaliën enz. Een klassieker daarbij is ook het optreden van condensatie, in het bijzonder wat betreft installaties die nominaal op hogere temperaturen functioneren. Bij een daling van de temperatuur kan dan, afhankelijk van de luchtvochtigheid (ook aanwezig in isolatie!) condensvorming op wanden en andere componenten ontstaan, met het mogelijk ontstaan of herinitiatie van corrosie tot gevolg. Onderhoud is een ander voorbeeld van een niet-nominale, dus transiënte toestand die tot soms onverwachte corrosie en/of slijtage kan leiden.
Uiteraard is stilstand ook een typevoorbeeld van niet-nomi nale condities als het nominale proces een continue stroming impliceert. Het is een typevoorbeeld van ‘transiënten’, waartoe onder andere ook het starten en stoppen van installaties kunnen worden gerekend, het (al dan niet op voorhand gekend) doorschieten van de temperatuur, (al dan niet voorziene) concentratiewijzigingen van chemicaliën enz. Een klassieker daarbij is ook het optreden van condensatie, in het bijzonder wat betreft installaties die nominaal op hogere temperaturen functioneren. Bij een daling van de temperatuur kan dan, afhankelijk van de luchtvochtigheid (ook aanwezig in isolatie!) condensvorming op wanden en andere componenten ontstaan, met het mogelijk ontstaan of herinitiatie van corrosie tot gevolg. Onderhoud is een ander voorbeeld van een niet-nominale, dus transiënte toestand die tot soms onverwachte corrosie en/of slijtage kan leiden.
Bron: Istock Hunterbliss
Condensatie en onderhoud zijn slechts twee voorbeelden van hoe meerdere niet-nominale ‘omgevingen’ het materiaal gedrag van componenten in installaties/apparaten beïnvloeden, samen met de nominale omgeving(en) waaraan ze worden onderworpen. Het is niet omdat de geleidingsgoot in nominale condities ogenschijnlijk enkel in contact lijkt te staan met de kunststoffolie dat er tijdens gebruik geen condensatie in de goot kan optreden; dit type apparaten wordt immers in diverse omstandigheden van temperatuur en vochtigheidsgraad gebruikt. Het is niet omdat de geleidingsgoot in nominale condities enkel in contact zou staan met de kunststoffolie dat de goot tijdens stilstand omwille van zich opstapelend (condens)vocht toch aan corrosie kan worden blootgesteld.
En dan hebben we het nog niet over een beruchte samen werkende vennootschap gehad die er niet voor terugdeinst om het het leven van ontwerpteams (met materiaalselectie als een integraal deel van het ontwerpproces!), fabrikanten, gebruikers, inspectie- en onderhoudsdiensten nog wat zuurder te maken. Corrosie en slijtage zijn niet noodzakelijk los van elkaar optredende degradatiefenomenen. In heel wat gevallen gaan zij elkaars werking versterken, met een versnelde degradatie tot gevolg.
Ik heb er in vorige edities van het ALURVS-magazine al regelmatig een boekje over open gedaan: Systeemdenken is de sleutel tot een gedegen begrip van corrosie- en slijtage fenomenen, net zoals SYSTEEMDENKEN voor het team dat een materiaalselectie uitvoert een conditio sine qua non is om tot de meest optimale materiaalkeuze te komen. Het kostte me wat overtuigingskracht, maar uiteindelijk heeft de klant ingezien dat de zoektocht naar een geschikter materiaal en/of een geschiktere materiaalbehandeling voor zijn geleidingsgoot overwegingen met betrekking tot slijtage- ‘en’ corrosierisico’s moet omvatten. Dat die zoektocht overwegingen met betrekking tot nominale ‘en’ niet-nominale werkingscondities moet omvatten. Dat die zoektocht het beschouwen van alle gebruiksomstandigheden met inbegrip van alle ‘werkelijke’ met de geleidingsgoot in contact komende omgevingen moet omvatten. Leve de aanhalingstekens! Leve het gegeven dat een gedegen materiaalselectie al die gebruikscondities zo goed mogelijk met elkaar moet verzoenen om een zo optimaal mogelijk materiaal voor de component, een zo lang mogelijke levensduur en een tevreden gebruiker te bekomen.
Graag maak ik dit alles nog wat meer concreet door u een illustratief overzicht te geven van het type gegevens dat we courant opvragen bij de start van een materiaalselectie. Steevast begin ik dat overzicht met de klant er aan te herinneren dat:
- Ik de betreffende gegevens nodig heb voor ‘zowel de nominale als alle niet-nominale’ condities, wat betreft dat laatste onderhoudsomstandigheden inbegrepen.
- We wat betreft kwantificeerbare parameters graag het minimum, de nominale en de maximale waarde van de betreffende parameter ontvangen.
- Een leiding, opslagvat enz. steeds twee zijden heeft: Een binnenkant en een buitenkant (nvdr: Bij een warmtewisselaar is dat een teloefening die ik u van harte kan aanbevelen).
- Er voor vele parameters en constructies sprake is van gra diënten en dat we graag ook concrete informatie krijgen over deze gradiënten. Zo is bijvoorbeeld het temperatuur verloop overheen de hoogte van een destillatie kolom zelden lineair en treden in een chemische reactor heel wat chemische gradiënten op. Waar beschikbaar kan deze informatie bijvoorbeeld ter beschikking worden gesteld op basis van CFD (Computational Fluid Dynamics) simulaties.
En welk type parameters vragen we dan concreet? Een niet-exhaustief voorbeeldlijstje:
- Een overzichtstekening en flowdiagram van het geheel van de installatie waarin de componenten zullen functioneren.
- Constructietekeningen van de in de materiaalselectie betrokken component(en).
- Constructietekeningen van het geheel van de installatie waarin de component(en) wordt (worden) ingebouwd.
- Indien (reeds) beschikbaar: Het volledige constructie dossier.
- Indien niet aanwezig in een constructiedossier: de positie, materiaalspecificaties en materiaalcertificaten van alle materialen waarmee de component in contact zal staan en of het daarbij geboute en/of gelaste verbindingen betreft?
- Aan welke mechanische belastingen [belastingsmodi (trek, afschuiving, plooi, torsie), -oriëntatie, -hoegrootte] de component zal worden onderworpen.
- Een algemene procesbeschrijving.
- Een beschrijving van de individuele processtappen waarin de component betrokken is.
- Temperaturen en drukken van alle media waarmee de component in contact zal en kan staan.
- De chemische samenstelling(svariaties) van al die media (Met inbegrip van stoffen en elementen die slechts in zeer beperkte mate aanwezig zijn, ook indien het ppms betreft. In de corrosiewereld zijn het soms de ppm-substanties die het al dan niet optreden van corrosie zullen bepalen.) Of het homogene of niet-homogene media betreft. Onder niet-homogeen worden bijvoorbeeld suspensies, colloïdale vloeistoffen, onverzadigde stoom enz. bedoelt. Als het niet-homogene media betreft, dienen eveneens de fysische karakteristieken van het mengsel te worden gegeven zoals aard en concentratie van de zwevende stoffen, grootteverdeling, granulometrie van de aanwezige vaste stoffen enz.
- Als het bijvoorbeeld de wand van een chemische reactor betreft: Een beschrijving van alle fysische omzettingen en chemische reacties die in de media in de reactor (kunnen) optreden, met daarbij vermelding van de posities waarop de respectieve omzettingen/reacties zich in de reactor voordoen.
- Het verwerkingsritme: wordt de component onderworpen aan een continu- of een batchproces? Als het een batch proces betreft, wat is dan de periodiciteit van de batches? Zijn de batches identiek in parametrisch gedrag of kunnen de parameters voor iedere batch verschillend zijn?
- Worden bepaalde voor de component relevante parameters periodiek en/of online gemonitord? Zo ja, worden de betreffende monitoringgegevens opgevraagd.
- Als de component uitwendig in contact staat met de buitenomgeving: Omgevingsparameters zoals temperatuur, vochtigheid, type klimaat (marine, industrieel, stedelijk, landelijk, …). Als de component tegelijk in contact staat met isolatiemateriaal wordt ook de technische fiche van de isolatie opgevraagd.
- Informatie met betrekking tot de onderhoudsprocedure: beschrijving, reinigingsmiddelen en hun technische fiche, periodiciteit enz.
- Als het (een component uit) een al bestaande installatie betreft: Inspectie- en schaderapporten. Die zijn veelal zeer behulpzaam om te ‘leren uit het verleden’.
- Enz.
© materials consult
U bent met stomheid geslagen na het lezen van dit lijstje? En dat is dan ook nog eens ‘niet-exhaustief’? Er is inderdaad heel wat informatie van belang om een zo optimaal mogelijke materiaalselectie te bekomen. ‘Zo optimaal mogelijk’ omvat daarbij het besef dat een materiaalselectie veelal ook ogen schijn lijk onverzoenbare vereisten met elkaar moet combi neren. Een hoge schokbestendigheid verzoenen met een hoge hardheid is niet altijd een sinecure. De aanwezigheid van een erosief medium verzoenen met een nultolerantie wat betreft slijtage lijkt een schier onmogelijke taak. Gezien de hoeveelheid te beschouwen informatie is het daarbij onvermijdelijk dat bepaalde gegevens meer zullen gaan (door)wegen dan andere, onder andere afhankelijk van de hoofdfuncties en daaraan gekoppelde eisen, bijkomende functies die hun eigen eisen kennen, afhankelijk van waar de klant de nadruk legt wat betreft functioneren, duurzaamheid, onderhoudsmogelijkheden enz.
Wat daarbij eveneens in het besef moet blijven, is dat het verzoenen van de verschillende grote en kleine eisen niet noodzakelijk betekent dat het proces van de materiaalselectie in één enkel materiaal moet resulteren. Samen met het systeemdenken moet ook het ‘composietdenken’ steeds als een automatische reflex aanwezig blijven. Zonder rubber banden op de stalen of aluminium velgen zouden onze auto- en fietswielen al snel diepe voren in asfalt- en grindwegen maken. Zonder velgen die onze rubberbanden mee in de gewenste ronde vorm houden, zouden we met auto of fiets nergens geraken. Enkel door het beste van – soms ver uit elkaar liggende – werelden te combineren, enkel door samen te werken wordt veelal het meest optimale resultaat gehaald.
Materiaalselectie is een verzoener van belangen!
Verzoening tussen belangen is ook onszelf en onze maat schap pij niet vreemd, misschien nu wel meer dan ooit. Als we onze maatschappij leefbaar willen houden, moeten dagelijks zaken die conflicterend lijken te zijn toch met elkaar worden verzoend. Als ze vrij hun gang zouden kunnen gaan, hebben de verschillende varianten van het coronavirus in hun samengebalde kracht het potentieel om de mensheid te vernietigen. Maar dan kennen al die mutanten de mens nog niet goed. Wij hebben onder andere vaccins waarvan de werking continu wordt geoptimaliseerd om onze eigen immuniteit te versterken en zodoende aan nieuwe coronavarianten het hoofd te bieden. Wij hebben de flexibiliteit van het riet om tijdelijk wat te buigen voor de coronastormen, maar breken zullen we niet. Wij hebben als mensen en mensheid een weerbaarheid die al vele, vele eeuwen allerhande plagen van de natuur overwint. Dat we dankzij onze weerbaarheid ooit de coronavirussen uit de wereld zullen doen verdwijnen, lijkt me eerlijk gezegd een utopie. Met de klassieke griepvirussen is dat ons en onze voorvaderen ook niet gelukt. Onze weerbaarheid bestaat er echter wel in dat we in menselijke solidariteit met al die virussen leren samenleven. Onze weerbaarheid bestaat erin om samenleven en samenleving ‘samen’ mogelijk te maken in goede en minder goede tijden.
Onze weerbaarheid is ons vermogen tot verzoening.
