REPARAÇÃO DE DEFEITOS INTERNOS E EXTERNOS EM DUTOS ATRAVÉS DE MANGAS EXTERNAS DE MATERIAIS COMPOSTOS FORNECIDAS PELA STRONGBACK

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1 REPARAÇÃO DE DEFEITOS INTERNOS E EXTERNOS EM DUTOS ATRAVÉS DE MANGAS EXTERNAS DE MATERIAIS COMPOSTOS FORNECIDAS PELA STRONGBACK Autor Luiz Cláudio de Marco Meniconi (PETROBRAS/CENPES/PDEP/TMEC) Participantes José Luiz F. Freire Ronaldo D. Vieira Jorge Luiz C. Diniz (DEM, PUC/RJ) Junho/2002 1

2 1 - INTRODUÇÃO Este relatório apresenta os resultados do projeto contratado à PUC/RJ, com recursos da rodada 1999 do fundo setorial FINEP/CTPETRO, sobre o desempenho de sistemas de reparo de dutos por meio de materiais compostos. O projeto se concentrou na análise do comportamento mecânico dos reparos. Os aspectos de caracterização dos materiais e inspeção dos dutos metálicos, sob os reparos, foram objeto de projeto que correu em paralelo, contratado à COPPE/UFRJ pela Gerência de Tecnologia em Petroquímica do CENPES. O presente relatório apresenta os resultados relativos aos reforços aplicados pela fornecedora STRONGBACK. 2 RESULTADOS DO PROJETO DA PUC/RJ 2.1 APLICAÇÃO DOS REPAROS A experiência anterior da PUC/RJ na análise experimental de defeitos longos em dutos metálicos norteou a definição dos corpos de prova a serem ensaiados. Procurou-se também alcançar os limites superiores de aplicabilidade dos reparos, pela usinagem de defeitos sabidamente severos nos tubos. Os defeitos simulavam grandes perdas de espessura por corrosão, em áreas extensas. Ainda que muito severos, os defeitos introduzidos são passíveis de reparo pela letra da norma ASME B31.4 [1]. Espécimes tubulares em aço API 5L grau X60, com diâmetro externo de 527 mm (20 3/4 ), espessura nominal de 14,3 mm (0,562 ) e 3 m de comprimento foram confeccionados, reparados e testados. Um dispositivo foi projetado e fabricado para possibilitar a fresagem do defeito mantendo sua espessura constante. A geometria dos rebaixos simula defeitos por corrosão com 500 mm de comprimento, 95 mm de largura e profundidade de 0,7 da espessura nominal, como mostra a figura 1. O fechamento dos tubos foi feito com tampos planos soldados. Figura 1 Geometria dos espécimes tubulares e dos reparos em composto. O fornecedor aplicou seu próprio reparo, segundo suas técnicas específicas de laminação de plástico reforçado por fibra de vidro. Em geral, o comprimento dos reparos excedeu as extremidades dos defeitos em mais de 100 mm, como mostra a figura 1. As espessuras finais das mangas de material composto variaram de 22,0 a 25,0 mm. 2

3 Os espécimes foram posicionados no campo, sob condições simuladas de operação, para a aplicação dos reparos. O local de aplicação, mostrado na figura 2, foi a faixa do ORBEL II, próximo às instalações de Campos Elíseos do DTSE, que forneceu toda a logística necessária. A simulação de campo foi parte importante do processo, pois a qualidade final dos reparos é função direta do processo de aplicação. Este por sua vez é muito afetado pelas condições ambientes de clima, de limpeza da vala e de acesso ao duto. Figura 2 Aplicação dos reparos em operação de campo simulada. Antes da aplicação dos reparos os espécimes tubulares foram pressurizados com 5,5 MPa. A aplicação dos reparos no duto pressurizado constitui a situação mais provável de ocorrer num caso real, visto ser esse um dos maiores atrativos dos reparos a frio. Constitui também um teste mais severo, pois o reparo é tão mais efetivo quanto menor a pressão de aplicação, dado que o material composto tem rigidez muito menor que a do aço. A pressão adotada é a máxima que um duto com defeito, material e geometria similares poderia operar segundo a norma ASME B ENSAIOS REALIZADOS Após a aplicação dos reparos e depois de transcorridos os tempos de cura, os espécimes foram despressurizados e transportados para o laboratório, para término da instrumentação e execução do programa de testes hidrostáticos. Seis rosetas extensométricas tipo TML YFRA-5, para grandes deformações, foram instaladas com adesivo cianoacrilático. Três rosetas foram instaladas na superfície do tubo 3

4 em duas regiões: uma roseta numa região nominal, para comparação com resultados analíticos simples e outras duas rosetas na superfície do defeito (uma no centro do mesmo e outra a 50 mm da parede transversal). Em seguida, os reparos em material composto foram aplicados. Três rosetas foram instaladas sobre a superfície do material de reparo. Duas rosetas foram instaladas imediatamente acima daquelas instaladas no tubo de aço. Uma terceira roseta foi instalada a 90 o do centro do defeito. A figura 3 mostra os locais de instalação das rosetas. N E C E C 90 o Tubo metálico Material composto Figura 3 Locais de instalação e identificação das rosetas. A pressão durante os testes foi medida com manômetros baseados em extensômetros. A pressão foi aplicada através de uma bomba Amsler. A taxa de elevação da pressão foi de 0,5 MPa/min. A seqüência de teste se inicia com um primeiro ensaio até 90% da pressão de projeto. Para os valores nominais das propriedades do aço e da geometria do tubo, a pressão de projeto do tubo íntegro é de 170 bar. Um segundo teste elevou a pressão até 1,38 vezes a pressão de projeto (235 bar) e esta foi mantida por 4 horas conforme recomenda a ASME B31.4. Após a despressurização, foi aplicada uma seqüência de dez ciclos de pressurização até a pressão de projeto. As propriedades mecânicas dos aços dos tubos foram medidas para aprimorar a análise dos testes. A tabela 1 mostra os valores relativos a cada espécime. As dimensões médias finais dos tubos e dos defeitos usinados também estão mostradas na tabela 1. A nomenclatura dos espécimes no projeto é exemplificada pelo primeiro espécime na tabela: T3086 é o número do tubo API 5L X60 original que foi cortado em 5 pedaços identificados de A a E, sendo ensaiado no presente caso o primeiro deles (letra A ). A tabela mostra que o defeito é externo e o tubo foi testado sem reparo, para constituir uma referência da efetividade dos reforços. 4

5 Tabela 1 Características dos espécimes tubulares e resultados dos ensaios. Espécime Tipo de defeito e fornecedor do reparo Espessura do tubo [mm] Espessura mínima do defeito [mm] Limite de escoamento [MPa] Limite de resistência [MPa] Alongamento (%) Espessura do reforço [mm] Pressão máxima nos testes [bar] T3086A Externo, sem reparo 14,6 4, Rompeu a 148,6 1 T2746D Externo, Strongback 14,5 4, ,5 a 25,0 237,9 T4363E Interno, sem reparo 14,8 5, Rompeu a T3993D Interno, Strongback 14,4 4, a 23 Rompeu a 235,4 3 Observações: 1 A título de comparação, a fórmula PB para determinação da pressão de falha de defeitos de corrosão longos [2] indica um valor de 143 bar, dados os valores específicos de escoamento do aço e de geometria do tubo e do defeito introduzido. 2 A fórmula PB indica uma pressão de falha de 171 bar, para o caso específico. 3 A ruptura se deu após um período de 33 minutos de manutenção da pressão no patamar de teste hidrostático. O tubo reparado T2746D sobreviveu a todos os testes, incluindo os dez ciclos até a pressão de projeto, sem modificação significativa nos valores máximos de deformação lidos pelos extensômetros. A figura 4 mostra alguns dos espécimes posicionados no local dos testes. Figura 4 Alguns espécimes tubulares posicionados no local de teste. 5

6 2.3 RESULTADOS DOS TUBOS NÃO REPARADOS A figura 5 mostra a instrumentação dos testes hidrostáticos nos laboratórios da PUC/RJ. Os tubos foram posicionados debaixo da placa de reação do laboratório de engenharia civil, por medida de segurança. Os sinais dos extensômetros eram plotados na tela de um computador e gravados. Os registros de uma câmara de vídeo também eram mostrados e gravados. As análises dos testes utilizaram as propriedades específicas de cada tubo, considerando-se os valores médios das propriedades dos materiais e dos parâmetros geométricos dos espécimes conforme listadas na tabela 1. Figura 5 Instrumentação dos testes hidrostáticos dos tubos. O teste hidrostático do tubo T3086A com defeito externo e sem reparo - mostrou uma pressão de ruptura de 148,6 bar (14,6 MPa). O gráfico na figura 6 mostra a evolução das deformações experimentais com a pressão de teste. As deformações foram tomadas na superfície externa do tubo. A nomenclatura dos pontos é como segue: CC centro do defeito, direção circunferencial; CL centro do defeito, direção longitudinal; 90C posição a 90 o, direção circunferencial; 90L posição a 90 o, direção longitudinal. Percebe-se claramente no gráfico da figura 6 o início do processo plástico no centro do defeito e o estabelecimento da estricção já ao final do ensaio. 6

7 Pressão [bar] CC CL 90C 90L Deformação [µm/m] Figura 6 - Resultados do teste do tubo T3086A, com defeito externo e sem reforço. Inúmeras tentativas de descrever os resultados dos ensaios por meio do Método dos Elementos Finitos não foram bem sucedidas e tiveram de ser abandonas. Por causa dessas tentativas é que se deu o atraso na divulgação dos resultados. O teste do tubo T4363E com defeito interno e sem reparo apresentou falha na pressão de bar. A figura 7 mostra os resultados experimentais. Neste caso apenas o patamar plástico foi observado, e não a inflexão nas deformações associada ao processo de estricção Pressão [bar] CC CL 90C 90L Deformação [µm/m] Figura 7 - Resultados do teste do tubo T4363E, com defeito interno e sem reforço. 7

8 2.4 RESULTADOS DOS TUBOS REPARADOS Alguns ensaios mecânicos básicos foram efetuados em corpos de prova obtidos a partir de placas planas dos materiais de reforço. Foram efetuados apenas os ensaios necessários a uma caracterização mínima dos materiais. As tabelas 2 e 3 apresentam os resultados. A avaliação mais completa das propriedades faz parte do escopo do projeto contratadoàcoppe/ufrj pela Gerência de Tecnologia em Petroquímica do CENPES. Tabela 2 Propriedades mecânicas dos materiais de reforço - resistência. Fornecedor C.P. Strongback Nº Módulo de elasticidade longitudinal E 1 [MPa] E 1 médio [MPa] Módulo de elasticidade transv ersal E 2 [MPa] E 2 médio [MPa] Tabela 3 - Propriedades mecânicas dos materiais de reforço rigidez. Fornecedor C.P. Nº Fração em massa de resina f m (%) f m média (%) Resistência à tração longitudinal S 1 [MPa] S 1 média [MPa] Deformação longitudinal máxima e 1 (%) e 1 média (%) Resistência à tração transversal S 2 [MPa] S 2 média [MPa Deformação longitudinal máxima e 2 (%) e 2 médio (%) Strongback 1 22,6 2 22,7 22,7 321,3 1,21 150,4 1,83 149,6 343,3 1,24 365,3 1,27 148,7 2,15 1,99 As tabelas evidenciam a grande variação das propriedades mecânicas de uma mesma batelada de material composto, bem maior do que a variação verificada nos materiais metálicos. As frações mássicas foram obtidas de análises ponderais do processo de queima total das matrizes de resina, sem que as fibras se queimem, conforme método padronizado [3]. A análise da tabela 2 confirma o fato de que materiais compostos com reforço em fibra de vidro possuem limites de resistência à tração longitudinal de mesma ordem que os limites dos aços doces, ao passo que a tabela 3 indica que os módulos de elasticidade longitudinais são uma ordem de grandeza menores. Tal fato é de fundamental importância para a compreensão do comportamento mecânico e portanto para o projeto desses sistemas de reforço de tubos metálicos. 8

9 A figura 8 mostra as deformações circunferenciais resultantes do primeiro teste, até 90% da pressão de projeto (153 bar), para o tubo T2746D (com defeito externo e reparado). A nomenclatura adicional é: CRC superfície externa do reforço, justo acima do centro do defeito, direção circunferencial; NC deformação nominal do tubo metálico, longe do reparo, direção circunferencial. O extensômetro CC ficou posicionado na interface entre o tubo metálico e o reforço. O gráfico mostra que o reforço só começa efetivamente a absorver esforços após a plastificação do defeito no tubo metálico, dada a diferença de rigidez entre o aço e o material composto. A pequena diferença entre os valores de deformação nas posições NC e 90C ilustra a pequena contribuição do reforço no regime elástico Pressão [bar] SB ext CC CRC NC 90C Deformação [µm/m] Figura 8 Deformações circunferenciais até a pressão de 153 bar, tubo T2746D. A figura 9 mostra as deformações circunferenciais resultantes do teste até 90% da pressão de projeto (153 bar), para o tubo T4363A (com defeito interno e reparado). A diferença para o caso anterior é que neste caso a superfície externa do reforço está sujeita a compressão, dada a forma com que o defeito interno se deforma, infletindo para dentro do tubo. 9

10 Pressão [bar] SB int CC exp 60 CRC exp NC 40 90C Deformação [µm/m] Figura 9 Deformações circunferenciais até a pressão de 153 bar, tubo T3993D. A deformação indicada na posição lateral do reparo (90C) indicou problemas com o extensômetro naquela posição. 3 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Os testes mostraram que os reparos efetuados pela STRONGBACK foram efetivos em restaurar a resistência dos tubos até a pressão de teste hidrostático original de 138% da pressão de projeto de um tubo sem defeito. No entanto, o tubo com defeito interno (T3993D) rompeu após 33 minutos naquela pressão. O outro tubo reparado (T2746D, com defeito externo) sobreviveu a todos os testes. O tubo T2746D será agora testado até a ruptura para avaliação da sua resistência após um ano de aplicação do reparo, que se deu em maio de

11 4 - REFERÊNCIAS 1 American Society of Mechanical Engineers. Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids, ASME Code for Pressure Piping, B31.4, Benjamin, A.C., Vieira, R.D., Freire J.L.F. e Castro, J.T.P. Modified Equation for the Assessment of Long Corrosion Defects. Anais da 20 th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Rio de Janeiro,