REPARO DE DUTOS DANIFICADOS UTILIZANDO MATERIAIS COMPÓSITOS

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1 REPARO DE DUTOS DANIFICADOS UTILIZANDO MATERIAIS COMPÓSITOS Lizabeth Grace Castellares CENPES/PETROBRÁS Trabalho apresentado na 6 Conferência Sobre Tecnologia de Equipamentos, Salvador, agosto, 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do autor.

2 SINOPSE Compósitos reforçados com fibra de vidro (CRFV) comerciais e produzido em laboratório, foram caracterizados e avaliados em função de suas propriedades mecânicas, antes e após em petróleo. Tal avaliação foi baseada em dados físico-químicos e físico-mecânicos. Diferentes técnicas de inspeção foram também avaliadas em termos de eficiência na inspeção de dutos já revestidos ( reparados ) com os materiais compósitos. Os resultados experimentais mostraram que, nas condições de ensaio estabelecidas, o compósito preparado em laboratório apresentou maior tenacidade e suas propriedades de tração não foram significativamente alteradas após no petróleo. O material CRFV-3 foi o compósito comercial mais rígido e suas propriedades mecânicas foram as mais alteradas após imersão no fluido. Dentre as técnicas de inspeção de falhas de dutos reparados existentes, a análise de raios-x foi a que apresentou melhor resolução na detecção dos defeitos internos.

3 1- INTRODUÇÃO Polímeros reforçados com fibra são compósitos constituídos por uma matriz, que é uma resina termorrígida, e um reforço estrutural, geralmente fibra de vidro. Esses compósitos apresentam elevada resistência química e excelente desempenho térmico e mecânico (1-3). Tais propriedades fazem com que estes materiais encontrem uma série de aplicações na indústria de petróleo, especialmente como reparo estrutural de dutos danificados por processos corrosivos e/ou acidentes de campo. O uso de CRFV em reparo de dutos traz, como principais benefícios, o aumento da vida útil e a diminuição dos custos de manutenção. É sabido que a técnica de reparo através do uso de materiais compósitos está estabelecida mundialmente para dutos contendo falhas internas, onde a corrosão continua se propagando, e o reparo tornase uma alternativa provisória, isto é, de duração programada, à espera da substituição definitiva do duto reparado. Comercialmente, existem vários tipos de CRFV, e suas composições variam em função do tipo de resina base (primer), sistema de cura, cargas minerais presentes (fillers) e método de preparação do compósito (impregnação dos tecidos de fibra de vidro com a resina). Dessa forma, diferentes comportamentos físico-químicos e físico-mecânicos podem ser encontrados. O objetivo do presente trabalho foi avaliar o desempenho mecânico de diferentes compósitos (três comerciais e um preparado em laboratório), além de analisar a eficiência de três tipos de técnicas de inspeção, capazes de detectar falhas na parede interna dos dutos já reparados com os materiais compósitos. Essas técnicas foram baseadas em ensaios não-destrutivos (END). 2- MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Foram avaliados quatro tipos de CRFV (um preparado em laboratório CRFV1 e três encontrados no mercado CRFV2, CRFV3 e CRFV4). A Tabela 1 mostra, resumidamente, as características de cada material compósito analisado e os métodos usados para a sua preparação..

4 Tabela 1: Características dos compósitos analisados CRFV SISTEMA PROCESSO DE PREPARAÇÃO Método Hand lay-up - Preparação da superfície metálica -Resina tipo epóxi - Fibra de vidro - Aplicação de camadas de resina e de tecidos de fibra de vidro (tipo sanduíche) CRFV1 até alcançar a espessura desejada - Aplicação de camada de resina para proteção e acabamento superficial do compósito CRFV2 -Resina tipo epóxi (resina base - primer) - Resina base + cargas (filler) - Agente de cura -Fibra de vidro (tecido e manta) -Resina poliéster isoftálica Método Hand lay-up - Preparação da superfície metálica - Aplicação de uma camada de primer e cura - Aplicação de uma camada de filler e cura - Aplicação de camadas intercaladas de resina, tecido, resina, manta e resina até alcançar espessura desejada - Aplicação de uma resina de acabamento após cura da última camada de resina CRFV3 CRFV4 - Compósito (formato espiral) - Fita adesiva de dupla face (stard-pad) - Resina base + cargas (filler) -Ativador do adesivo - Ativador do filler -Tecido de fibra de vidro impregnado em resina líquida -Resina tipo epóxi + cargas (filler) -Agente de cura do filler Processo de pultrusão - Preparação da superfície metálica - Colocação do stard-pad (adesivo) sobre o duto - Mistura do filler e ativador sobre defeitos na superfície do duto - Aplicação do compósito sobre o duto - Aplicação do adesivo sobre o compósito - Repetição do procedimento até término dos rolos de compósito - Aplicação de uma resina de acabamento - Preparação da superfície metálica - Aplicação do filler e agente de cura sobre a superfície - Imersão do compósito em água e aplicação sobre o duto - Adição de água durante a aplicação do material Caracterização A identificação do tipo de resina usada nos compósitos foi através de análise de infra-vermelho (FTIR), em equipamento FTIR Sistema 2000, da Perkim Elmer. As propriedades de tração dos CRFVs foram determinadas em equipamento Instron, modelo 4202, de acordo com a norma ASTM D

5 As análises avaliadas para a inspeção das falhas dos dutos reparados foram: Termografia: Câmara termográfica, modelo Prism SP,da Flir Systems Ultra-som: USIP-12 e ECOGRAPH 1080 Raios-X: Equipamento FEDREX Para simular o efeito de possíveis danos internos que possam ocorrer no duto foram confeccionados furos de diferentes diâmetros e profundidades nas placas de aço usadas como padrões. O compósito na forma de reparo foi aplicado sobre a superfície das placas de aço de modo a simular, o mais próximo da realidade, o duto de petróleo com defeitos internos de corrosão. Ensaio de O estudo da influência do contato entre o material compósito e o petróleo foi baseado em resultados obtidos a partir de ensaios acelerados, em equipamentos adequados. A Figura 1 mostra os reatores usados e os corpos de prova devidamente dispostos no seu interior para serem submetidos aos ensaios de em petróleo. Figura 1: Reatores usados no teste de em petróleo. 3- RESULTADOS E DISCUSSÕES Avaliação dos testes de inspeção Os ensaios de termografia e ultra-som usados na inspeção de falhas mostraram, de um modo geral, que não são eficientes no dimensionamento dessas falhas presentes nos dutos. A análise de raios-x apresentou os melhores resultados para a avaliação dos defeitos internos nos dutos sendo, por isso, considerada a de maior potencial para essa aplicação. De acordo com as radiografias obtidas (Figuras 2-4) pode-se observar que é possível identificar falhas internas dos dutos através da técnica em questão, e que a espessura do reparo influencia nas radiografias. Isso devido à variação da densidade ótica dos filmes e nível de cinza das imagens digitais.

6 Figura 2: Radiografia do corpo de prova com espessura do reparo de 3 mm e diâmetro de furo de 10 mm Figura 3: Radiografia do corpo de prova com espessura do reparo de 7,5 mm e diâmetro de furo de 10 mm Figura 4: Radiografia do corpo de prova com espessura do reparo de 15 mm e diâmetro de furo de 10 mm

7 Identificação das resinas dos compósitos analisados por FTIR A Tabela 2 mostra os tipos de resina usados em cada compósito analisado. Tabela 2: Resinas presentes nos compósitos por FTIR CRFV TIPO DE RESINA CRFV1 Resina éster vinílica epoxídica CRFV2 Resina epóxi convencional CRFV3 Polimetacrilato de metila CRFV4 Poliuretano No material CRFV1 identificou-se como resina base uma do tipo éster vinílica epoxídica, que é uma resina epóxi modificada para adquirir maior flexibilidade em relação à convencional. Tal resina é comumente utilizada no mercado atual, onde se requer resinas termorrígidas flexíveis. O compósito CRFV2 possui uma resina epóxi convencional, com características mais rígidas. O material CRFV3 possui como resina base uma do tipo poliéster (polimetacrilato de metila PMMA). O compósito CRFV4 apresenta um processo de aplicação (cura) muito peculiar, à base de água, o que levou a desconfiar de que se tratava de uma resina do tipo poliuretano. Isso foi confirmado na análise de FTIR. Propriedades de tração dos compósitos analisados A Figura 5 mostra o comportamento mecânico dos CRFVs, antes e após processo de em petróleo PROPRIEDADES MECÂNICAS Figura 5: 0 CRFV-1 CRFV-2 CRFV-3 CRFV-4 COMPÓSITO Tensão Máxima (MPa) - Antes Deformação Máxima/100 (%) - Antes do Módulo de Elasticidade (GPa) - Antes do Tensão Máxima (MPa) - Depois do Deformação Máxima/100 (%) - Depois do Módulo de Elasticidade (GPa) - Depois do

8 Figura 5: Propriedades de tração dos CRFVs antes e após em petróleo A Figura 5 mostra que o compósito CRFV1 trata-se de um material de maior flexibilidade. Isso corrobora os resultados obtidos por FTIR, onde foi identificada a presença de uma resina tipo éster vinílica epoxídica, que apresenta características flexíveis. Após a imersão em petróleo, foi verificado que as propriedades mecânicas do CRFV1 não foram afetadas significativamente, sendo observado apenas um pequeno decréscimo dos valores. O material CRFV2 mostrou ser um material rígido e sua rigidez sofreu decréscimo após sua imersão em petróleo. A característica rígida do compósito em questão devese à presença de uma resina epóxi convencional, como observado na análise de FTIR. O material CRFV3 foi o compósito comercial de maior rigidez e após foi observado um decréscimo significativo dessa propriedade. A elevada rigidez deve-se ao fato da resina base ser polimetacrilato de metila. O compósito CRFV4 apresentou uma menor rigidez em relação aos demais compósitos comerciais analisados (CRFV2 e CRFV3). Tal fato corrobora os resultados de FTIR obtidos, onde identificou-se o poliuretano como resina base deste material. O poliuretano do tipo poliéter, contém ligações químicas poliuretânicas, que conferem características elastoméricas ao produto final. Além disso, o grau de variação das propriedades de tração foi menor em relação aos outros materiais comerciais, após em petróleo. Pode-se também verificar que as propriedades de tração deste compósito é similar ao CRFV1, porém, com um nível de rigidez um pouco superior. 4- CONCLUSÕES - Comportamentos mecânicos diferenciados podem ser alcançados em função do tipo de resina base presente no material compósito; - O compósito CRFV1, confeccionado em laboratório, mostrou ser o mais flexível; enquanto que o material comercial CRFV3, à base de polimetacrilato de metila, apresentou elevada rigidez. Entretanto, esta propriedade foi significativamente afetada após sua imersão em petróleo; - O compósito CRFV4 apresentou menor rigidez em relação aos demais produtos comerciais. Isso se deve à presença de poliuretano como resina base; - Dentre as técnicas de inspeção analisadas, a análise de raios-x mostrou ser a mais eficiente na detecção de falhas presentes em dutos reparados.

9 5- REFERÊNCIAS 1. Silva A L. N., Teixeira S. C. S., Widal A. C. C., Mechanical Properties of Polymer Composites Based on Commercial Epoxy Vinyl Éster Resin and Glass Fiber, Polymer Testing, (2001). 2. Nicholson C. M., Patrick A. J., BP Uses Clock Spring System to Repair Crude Oil Pipe Line, Pipe Line & Gas Industry, (March) True W. R., Composite Wrap Approved for U.S. Gas-Pipeline Repairs, Oil & Gas Journal, (Oct) 1995.