DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS

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1 DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS FEIPLAR NOVEMBRO 2014

2 ATIVIDADES DO IBCOM SOLUÇÕES PARA PROBLEMAS PRÁTICOS ESTA APRESENTAÇÃO NÃO TRATA DESSAS SOLUÇÕES INOVAÇÕES NO ESTUDO DA DURABILIDADE CONTRIBUIÇÕES QUE DEVEM TER FORTE IMPACTO FUTURO ESTA APRESENTAÇÃO DISCUTE ESSAS INOVAÇÕES

3 AS IDEIAS CLÁSSICAS AS FIBRAS DE VIDRO SÃO PROTEGIDAS PELA RESINA E NÃO AFETAM A DURABILIDADE O AMBIENTE ATACA APENAS A RESINA. O ATAQUE À RESINA REDUZ PROGRESSIVAMENTE A RESISTÊNCIA DOS COMPÓSITOS. A DURABILIDADE É DETERMINADA EM FUNÇÃO DA RETENÇÃO DE RESISTÊNCIA ESSAS IDEIAS SÃO ÓBVIAS E PARECEM INABALÁVEIS... MAS ESTÃO ERRADAS. ESTA APRESENTAÇÃO MOSTRA COMO AVALIAR A DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS

4 PRIMEIRO PASSO: DEFINIR DURABILIDADE OS COMPÓSITOS TÊM DUAS VIDAS INDEPENDENTES E DISTINTAS: VIDA ESTRUTURAL RUPTURA EXUDAÇÃO VIDA FUNCIONAL É A DURABILIDADE DA BARREIRA DE CORROSÃO A VIDA FUNCIONAL TERMINA QUANDO OS PRODUTOS QUIMICOS ATRAVESSAM A BARREIRA DE CORROSÃO E ATACAM AS LÂMINAS ESTRUTURAIS

5 SEGUNDO PASSO. DEFINIR OS AMBIENTES OS AMBIENTES SÃO DIVIDIDOS EM DOIS A ÁGUA, QUE PENETRA NOS LAMINADOS E ATACA AS FIBRAS OS PRODUTOS QUÍMICOS, QUE NÃO PENETRAM NOS LAMINADOS E ATACAM APENAS A BARREIRA DE CORROSÃO.. OS PRODUTOS QUÍMICOS DETERMINAM A VIDA FUNCIONAL A ÁGUA DETERMINA A VIDA ESTRUTURAL

6 ESSA É A IDÉIA FUNDAMENTAL DUAS VIDAS VIDA ESTRUTURAL VIDA FUNCIONAL DOIS AMBIENTES ÁGUA PRODUTOS QUÍMICOS VAMOS AGORA TRATAR DA DURABILIDADE

7 AS 7 INOVAÇÕES 1 UMBRAL DE INFILTRAÇÃO 2 UMBRAL DE EXUDAÇÃO 3 CÁLCULO PARA INFILTRAÇÃO 4 CÁLCULO PARA EXUDAÇÃO 5 CÁLCULO PARA VIDA FUNCIONAL 6 CÁLCULO PARA RUPTURA A EQUAÇÃO UNIFICADA 7 EXPLICAÇÃO E SOLUÇÃO PARA A FALHA ANÔMALA

8 UMBRAL DE INFILTRAÇÃO

9 FORÇA N É PEQUENA NENHUMA TRINCA

10 NENHUM DESCOLAMENTO NENHUMA TRINCA

11 AUMENTANDO A FORÇA N APARECEM AS PRIMEIRAS TRINCAS

12 AS PRIMEIRAS TRINCAS UMBRAL DE INFILTRAÇÃO

13 UMBRAL DE INFILTRAÇÃO O UMBRAL DE INFILTRAÇÃO É O ALONGAMENTO QUE INICIA O DESCOLAMENTO FIBRAS RESINA ELE É INDICADO POR: INICIO DE EMISSÕES ACÚSTICAS INÍCIO DE PERDA DE TRANSLUCIDEZ INÍCIO DE PERDA DE PROPORCIONALIDADE O UMBRAL DE INFILTAÇÃO MUDA O MODO DE PENETRAÇÃO DIFUSÃO (MUITO LENTO) INFILTRAÇÃO (RÁPIDO) EM AMBIENTES AGRESSIVOS OS COMPÓSITOS DEVEM TRABALHAR ABAIXO DO UMBRAL DE INFILTRAÇÃO

14 ALONGAMENTO ADMISSÍVEL PARA INFILTRAÇÃO O UMBRAL DE INFILTRAÇÃO FOI MEDIDO PARA RESINA DK411. PARA DK411 O UMBRAL DE INFILTRAÇÃO É 0,5%. ARBITRANDO CS = 1,5 O ALONGAMENTO ADMISSÍVEL PARA RESINA DK411 EM AMBIENTES AGRESSIVOS É (ALONGAMENTO ADMISSÍVEL) = 0,5%/1,5 = 0,33% O ALONGAMENTO ADMISSÍVEL É ARBITRADO EM NORMAS. FINALMENTE TEMOS UM MÉTODO OBJETIVO PARA MEDIR O ALONGAMENTO ADMISSÍVEL

15 AS TRINCAS CRESCEM COM O AUMENTO DA FORÇA N

16 CAMINHO PARA A PASSAGEM DA ÁGUA

17 AS TRINCAS AUMENTAM COM O AUMENTO DA SOLICITAÇÃO

18 UMBRAL DE EXUDAÇÃO NO UMBRAL DE EXUDAÇÃO AS TRINCAS AGLUTINAM E FORMAM PASSAGEM PARA A ÁGUA O UMBRAL DE EXUDAÇÃO É USADO PARA PRODUTOS QUE NÃO ATACAM A RESINA (ÁGUA, ESGOTO URBANO, PETRÓLEO) PARA PRODUTOS QUÍMICOS É USADO O UMBRAL DE INFILTRAÇÃO QUANTO MAIORES AS TRINCAS, MAIS RÁPIDA É A EXUDAÇÃO O TEMPO PARA EXUDAÇÃO É O TEMPO QUE A ÁGUA LEVA PARA ATRAVESSAR A PAREDE DO TUBO O UMBRAL DE EXUDAÇÃO É MEDIDO NO PONTO EM QUE OCORRE 5% DE PERDA DE MÓDULO OU DE TRANSLUCIDEZ.

19 AS RESINAS VINILÉSTER SÃO MELHORES

20 AS RESINAS VINILÉSTER SÃO MELHORES

21 ALONGAMENTO ADMISSÍVEL PARA EXUDAÇÃO ALONGAMENTO ADMISSÍVEL COM CS = 1,8 Alongamento da resina 3,00% 5,0% Umbral de exudação 0,80% 1,00% Alongamento admissível CS = 1,8 0,44% 0,56% ESTES ALONGAMENTOS VALEM PARA PRODUTOS NÃO AGRESSIVOS (ÁGUA, PETRÓLEO, ESGOTO URBANO)

22 ALONGAMENTOS ADMISSÍVEIS Alongamento da resina Alongamento admissível Infiltração Exudação 2,0%?????? 3,0%??? 0,44% 5,0% 0,33% 0,56%

23 VIDA FUNCIONAL

24 VIDA FUNCIONAL PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO

25 VIDA FUNCIONAL O MODELO PARA PREVER A VIDA FUNCIONAL CALCULA A PROFUNDIDADE DA PENETRAÇÃO EM FUNÇÃO DO TEMPO, DA TEMPERATURA, DO ALONGAMENTO E DA CONCENTRAÇÃO DO PRODUTO AGRESSIVO A EQUAÇÃO É APRESENTADA NO SLIDE SEGUINTE

26 VIDA FUNCIONAL A EQUAÇÃO Δe: Profundidade penetrada c: Concentração t: Tempo T: Temperatura ε: Alongamento A, B, C, D e E são os parâmetros de corrosão

27 Vida funcional a equação Na prática os equipamentos trabalham abaixo do umbral de infiltração Portanto, E = 0. A equação nesse caso é log( e) A B log( c) C log( t) D T

28 EQUAÇÃO UNIFICADA

29 A EQUAÇÃO UNIFICADA TRADICIONALMENTE OS COMPÓSITOS SÃO ANALISADOS PARA CARGAS ESTÁTICAS OU PARA CARGAS CÍCLICAS ATUANDO ISOLADAMENTE AS CARGAS ESTÁTICAS CAUSAM FALHA POR STRAIN CORROSION AS CARGAS CÍCLICAS CAUSAM FALHA POR FADIGA O EFEITO DAS CARGAS ESTÁTICAS E CÍCLICAS ATUANDO SIMULTÂNEAMENTE NÃO É LEVADO EM CONTA

30 A EQUAÇÃO UNIFICADA A EQUAÇÃO UNIFICADA COMBINA CARGAS ESTÁTICAS E CARGAS CÍCLICAS PRIMEIRO VAMOS VER AS CARGAS ESTÁTICAS DEPOIS VAMOS VER AS CARGAS CÍCLICAS FINALMENTE VAMOS COMBINAR AS DUAS CARGAS NA EQUAÇÃO UNIFICADA

31 A EQUAÇÃO UNIFICADA RUPTURA POR CARGAS ESTÁTICAS A RUPTURA POR STRAIN CORROSION REQUER DUAS CONDIÇÕES ATUAÇÃO DE CARGAS ESTÁTICAS ATAQUE ÀS FIBRAS DE VIDRO A ÁGUA É O ÚNICO PRODUTO CAPAZ DE PENETRAR NOS LAMINADOS E ATACAR AS FIBRAS. A ÁGUA NÃO ATACA A RESINA. ELA ATACA AS FIBRAS OS PRODUTOS QUÍMICOS ATACAM A RESINA E AS FIBRAS, MAS NÃO PENETRAM NOS LAMINADOS PORTANTO: A RUPTURA NÃO É CAUSADA PELOS PRODUTOS QUÍMICOS A RUPTURA É CAUSADA PELA ÁGUA.

32 CARGAS ESTÁTICAS ISOLADAS O TEMPO DE FALHA PARA CARGA ESTÁTICA FOI MEDIDO POR MARK GREENWOOD

33 CARGA ESTÁTICA ISOLADA log log % 0,400 0,077 loghours % 0,347 0,130 loghours

34 CARGAS CÍCLICAS ISOLADAS R min max max min

35 CARGAS CÍCLICAS ISOLADAS AS FALHAS CAUSADAS POR FADIGA FORAM ESTUDADAS POR MANDELL E GUANGXU WEI A RETA DE REGRESSÃO PARA RUPTURA SOB CARGAS CÍCLICAS ISOLADAS É

36 RESUMO AS EQUAÇÕES ABAIXO CALCULAM FALHAS POR RUPTURA ESSAS EQUAÇÕES SÃO ACEITAS SEM QUESTIONAMENTO. ELAS VALEM PARA CARGAS ATUANDO ISOLADAMENTE E SE AS CARGAS ATUAREM SIMULTANEAMENTE?

37 A EQUAÇÃO UNIFICADA ESTA É A EQUAÇÃO UNIFICADA. ELA CALCULA A DURABILIDADE DOS COMPÓSITOS SOB A AÇÃO SIMULTÂNEA DE CARGAS ESTÁTICAS E DE CARGAS CÍCLICAS 1, SC C S G C S G c G s S S SF S SF S SF

38 PAUSA PARA CAFÉ

39 EXEMPLOS NUMÉRICOS VIDA FUNCIONAL Estimar o tempo até a troca da barreira de corrosão de um equipamento em contato com 50% de ácido fictícico nas temperaturas de 27C e 80C. Os parâmetros de corrosão são: A= 0.219; B = ; C = ; D = ; E = 0.00 A espessura inicial da barreira de corrosão é 2,5 mm. A troca será feita quando a espessura residual da barreira de corrosão atingir 1,0 mm.

40 Aplicando a equação Espessura inicial: 2,5 mm Penetração admitida: Δe = 2,5 1,0 = 1,5 mm Concentração: c = 0,50 Temperatura: 80ºC / 27ºC log( 1,5) log( 1,5) 133,760 0,219 0,206log( 0,5) 0,321log() t t 650 meses ou 27 anos 133,760 0,219 0,206log(0,5) 0,321log( t) t 400 meses ou 16 anos

41 Determinar a espessura da barreira de corrosão para vida funcional de 25 anos em tanque operando com solução 50% de ácido fictícico a 90C. Os parâmetros de corrosão são conhecidos A = - 0,219 B = 0,206 C = 0,321 D = 133,76 E = 0,000

42 Concentração: c = 0,50 Vida funcional: t = 25 anos = 300 meses Temperatura: T = K log( e) 0,219 0,206log(0,5) 0,321log(2512) e 7, 6mm 133, Espessura da barreira 7,6 1,0 8, 6mm

43 Falhas por ruptura Vamos agora aplicar a equação unificada e estudar as falhas por ruptura Para isso vamos usar a equação unificada 1, SC C S G C S G c G s S S SF S SF S SF

44 Os parâmetros da equação unificada Parâmetro Valor Fonte Gs 0,077 0,130 Gc 0,088 0,089 Mark Greenwood (vidro sem boro) Mark Greenwood (vidro E) Guangxu Wei (ensaio em lâminas) John Mandell (ensaio em laminados) Gsc V. tabela Depende de N e de R Ss Calculado Determinado pela reta de regressão para carga estática. Sc Calculado Determinado pela reta de regressão para carga cíclica.

45 Exemplos numéricos carga estática isolada

46 Exemplo numérico carga cíclica isolada

47 Vidro isento de boro EXEMPLO NUMÉRICO EQUAÇÃO UNIFICADA CS = 2,2

48 EXEMPLO NUMÉRICO EQUAÇÃO UNIFICADA VIDRO E CS = 0,85

49 ESXUDAÇÃO

50 FALHA POR ESXUDAÇÃO AS NORMAS API, AWWA, ISO E OUTRAS USAM O HDB PARA DIMENSIONAR TUBOS CONTRA EXUDAÇÃO NOSSA POSIÇÃO É CONTRA O HDB. O UMBRAL DE EXUDAÇÃO DEVE SUBSTITUIR O HDB VAMOS DISCUTIR ESSES CONCEITOS

51 MEDINDO O HDB ASTM D 2992

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53 O ENSAIO ASTM D 2992 NÃO VALE ABAIXO DO UMBRAL DE ESXUDAÇÃO

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55 EXEMPLOS NUMERICOS ESXUDAÇÃO A FALHA POR EXUDAÇÃO NÃO É UM PROBLEMA DE DURABILIDADE. ABAIXO DO UMBRAL OS TUBOS NUNCA VAZAM

56 FALHA ANÔMALA

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58 FALHA ANÔMALA

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60 SANITATION PIPES ANOMALOUS BLISTERS ANOMALOUS BLISTERS ARE FILLED WITH PRESSURIZED WATER

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64 SOLUÇÕES VIDA FUNCIONAL MANTER ALONGAMENTO ABAIXO DO UMBRAL DE INFILTRAÇÃO VIDA ESTRUTURAL POR RUPTURA NÃO HÁ SOLUÇÃO FALHA POR EXUDAÇÃO IMPERMEABILIZAR O TUBO FALHA ANÔMALA IMPERMEABILIZAR O TUBO

65 TUBOS IMPERMEÁVEIS

66 TUBOS IMPERMEÁVEIS PRINCIPAL BENEFÍCIO PERMITE O USO DE COMPÓSITO EM TUBULAÇÕES PARA SOLVENTES, GASES E ETANOL OUTROS BENEFÍCIOS USA RESINAS DE BAIXO CUSTO ELIMINA EXUDAÇÃO CAUSADA POR DEFEITOS DE FABRICAÇÃO TRINCAS NO LINER E DELAMINAÇÕES NO NÚCLEO DEIXAM DE SER CAUSA DE PREOCUPAÇÃO ELIMINA A BARREIRA DE EXUDAÇÃO ELIMINA CAROS ENSAIOS DE CONTROLE ELIMINA A FALHA ANÔMALA FACILITA O MANUSEIO DOS TUBOS

67 APLICAÇÕES PARA TUBOS IMPERMEÁVEIS TUBULAÇÕES PARA ETANOL TUBULAÇÕES PARA GASES EFLUENTES INDUSTRIAIS CONTENDO SOLVENTES TANQUES DE ARMAZENAGEM PARA SOLVENTES E TAMBÉM... TUBULAÇÕES PARA ÁGUA OU ESGOTO URBANO TUBULAÇÕES PARA ÓLEO E GAS

68 FINALIZANDO ESSAS INOVAÇÕES NÃO SÃO TRIVIAIS ELAS SOFREM OPOSIÇÃO INTENSA E PASSIONAL ELAS SERÃO ACEITAS NO FUTURO ELAS SÃO O FUTURO DOS COMPÓSITOS

69 OBRIGADO

70 COPIA DESTA APRESENTAÇÃO E OUTRAS PODERÃO SER OBTIDAS POR DOWN LOAD NO SITE: