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.
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.
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..
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 D897-95.
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.
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
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. 1600 PROPRIEDADES MECÂNICAS 1400 1200 1000 800 600 400 200 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
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.
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, 20 895-99 (2001). 2. Nicholson C. M., Patrick A. J., BP Uses Clock Spring System to Repair Crude Oil Pipe Line, Pipe Line & Gas Industry, 75-79 (March) 2001. 3. True W. R., Composite Wrap Approved for U.S. Gas-Pipeline Repairs, Oil & Gas Journal, 9 67-71 (Oct) 1995.