: Um novo roving directo, compatível com epóxi, desenvolvido com o objetivo de suprir a demanda do setor por um reforço de alto desempenho e com processamento de classe mundial Um divisor de águas em inovação de produtos de fibra de vidro, que deve apoiar o crescimento das aplicações referentes aos processos químicos e de óleo/gás De Mark Greenwood, Colaborador de Pesquisa, e Wisdom Dzotsi, Gerente de Produtos Global, Reforços Type 30, Owens Corning O uso de materiais compósitos em ambientes corrosivos e perigosos é tão antigo quanto o próprio setor industrial de compósitos. Entretanto, após várias décadas de penetração limitada, os especialistas em indústria começaram a prever índices anuais de crescimento dos compósitos 12% mais altos nos setores de processos químicos e de óleo e gás, se comparados à média geral da indústria, de 5%. O crescimento dessa área de compósitos, cujas vendas anuais já é estimada em mais de US$ 1,5 bilhões, será impulsionado por três fatores: Alta nos preços de óleo e gás, devido ao aumento da atividade e da lucratividade do setor Custos altos do aço e de outros materiais tradicionais, criando oportunidades para a substituição de materiais Aumento na confiabilidade do desempenho dos compósitos por parte das agências reguladoras e dos engenheiros Muitas das grandes empresas de renome agora podem apresentar exemplos de peças em compósitos que têm demonstradas vidas úteis de até 30 anos com um nível de desempenho totalmente satisfatório. Mais recentemente, essas empresas demonstraram a capacidade de produzir estruturas grandes e complexas com o uso de tecnologias inovadoras de enrolamento filamentar. Porém, os padrões de desempenho para tubos para óleo e gás tem continuado a evoluir de forma significativa até o ponto em que os fabricantes de tubulações agora têm que enfrentar o desafio de redesenhar suas tubulações e, assim, atender aos novos padrões estabelecidos pelos usuários finais. A natureza competitiva deste negócio em relação a preços também demonstra que o desempenho não é o único fator que determina o sucesso de um produto. Os fabricantes devem fornecer sempre qualidade, produtividade e produtos consistentes. Para atender a esta necessidade do setor, o novo roving directo Type 30 da Owens Corning compatível com epóxi para enrolamento filamentar oferece ao fabricante a oportunidade de traduzir em benefícios reais um desempenho aprimorado em termos de resistência do tubo a pressão hidrostática, fadiga e processamento.
O foi desenvolvido especificamente para ser processado com baixo nível de atrito e baixa formação de penugem, fornecendo, ao mesmo tempo, um desempenho mecânico melhor do que outros produtos semelhantes disponíveis atualmente. No processo de enrolamento filamentar, as características de um reforço que permitem aos fabricantes melhorar sua eficiência de produção são: alimentação simples e homogênea de fibra de vidro da prateleira até ao mandril Tensão uniforme para manter uma composição homogênea do tubo Baixo nível de penugem para diminuir o trabalho de limpeza na prateleira e no trajeto da fibra Molhagem rápida da fibra para permitir alcançar os níveis de produtividade desejados Aprimorar essas características de produção significa obter maior eficiência no processo, rapidez na produção, estética no produto, menor geração de refugos e menos retrabalho. As características de um reforço para enrolamento filamentar com capacidade de melhorar o desempenho do laminado manufaturado são de proporcionar ao tubo: uma maior resistência a pressão hidrostática um melhor desempenho nos testes de regressão cíclica Ao aprimorar essas características de desempenho mecânico, obtém-se um desempenho avançado e/ou custos diretos de manufatura mais baixos. Os dados abaixo demonstram as melhorias oferecidas pelo SE 2350 e como ele atende às demandas de desempenho citadas. Processamento: O atrito criado na passagem da fibra pelos pontos de contato pode ser medido pela força de resistência oferecida pela fibra ao ser puxada da prateleira até ao mandril. Um baixo atrito da fibra permite menos quebras e em geral reduz a necessidade de ajustes no processo, uma vez este definido para conseguir as características desejadas no tubo. Os dados abaixo foram obtidos em um teste de resistência a fricção conduzido pela Owens Corning para medir este atributo do sistema de reforço. O SE 2350 obtive entre os menores índices de tensão resultante do atrito. 2
Tensão de Fricção de 11 Pontos 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Comp 2 Comp 5 Comp 7 OC 3 OC 4 Comp 1 Comp 6 Comp 4 OC 2 Tensão (kg) Produto Notas: 1. Quanto menor for a tensão, melhor 2. OC1, 2 e 3 foram produtos experimentais. Durante o teste de resistência a fricção, a geração de penugens foi medida. A quantidade de penugens gerada na passagem da fibra sobre uma série de pontos de contato mede os danos causados ao produto de reforço durante sua passagem da prateleira até ao banho de molhagem ou até ao mandril. A alta geração de penugens em geral causa: quebras, acúmulo de refugos nos pontos de contato, maior quantidade de filamentos partidos no banho de molhagem, superfícies externas mais ásperas no tubo e potencial diminuição na resistência do tubo. O SE 2350 apresentou baixa geração de penugens, comparado aos outros produtos de reforço testados. Medições de Penugem em 11 Pontos 180 160 140 120 Penugem (mg/kg) 100 80 60 40 20 0 Comp 7 OC 3 Comp 6 Comp 5 OC 4 Comp 2 OC 2 Comp 1 Comp 4 Produto Notas: 1. O teste de 11 pontos é um teste relativamente rígido (quanto menores forem os valores de penugem, melhor). 2. OC1, 2, 3 e 4 foram produtos experimentais. 3
Para avaliar as vantagens dessas características para um fabricante de tubulações de enrolamento filamentar, deve se levar em consideração o cenário a seguir, de uma gama tipíca de tubos de pressão em uma fábrica de quatro linhas: Período ocioso típico causado pelas paralisações no processamento: 10% Índice normal de superfícies a ser retrabalhadas: uma em cinco tubulações por 10 minutos para cada tubo Limite de velocidade de processamento do reforço como resultado de geração de penugem, se puxado com mais rapidez: 53 metros/minuto Índice normal de manufatura de uma tubulação com processo de dois mandris: 22 minutos Índice normal de refugos provenientes de problemas de quebras: duas tubulações/dia A fábrica opera 24 horas/dia, 6 dias/semana Uma conversão para o roving OC SE 2350 tem o potencial de aumentar a produtividade de uma fábrica de quatro linhas ao ponto que esta poderia competir com uma fábrica possuindo um processo de cinco linhas que usa produtos de fibra de vidro padrão. O gerente da fábrica agora tem a opção de não adquirir um processo adicional de enrolamento, por um preço estimado de US$ 375 mil, para somar à sua produção atual, que já conta com quatro deles. Partindo do princípio de que o SE 2350 reduz o número de paralisações em 50%, o processo poderá ser executado a 69 metros/minuto. Pressupondo também que o SE 2350 elimina os refugos gerados pelas quebras e diminue em 50% a necessidade de retrabalhos, a economia potencial de uma fábrica será de: 35% em redução de custos de retarbalho 41% na melhoria da produtividade, resultando em mais 565 tubulações por semana A eliminação da necessidade de uma nova máquina de enrolamento caso se queira aumentar a capacidade O aumento na capacidade de processamento é um parâmetro muito importante para o fabricante. Desempenho mecânico: A melhoria no desempenho é comprovada por varios dados: resultados dos testes de regressão de pressão cíclica, resistência a tração, resistência a pressão hidrostática de ruptura, e resistência interlaminar ao cisalhamento. O parâmetro de medida mais importante para fornecer evidências de avanço no desempenho mecânico a longo prazo da tubulação é o teste de regressão de pressão cíclica. Ele é considerado a base para o projeto para todas as tubulações submetidas a pressões internas. Mesmo sendo trabalhoso e difícil, este protocolo de teste é essencial. O gráfico abaixo mostra o desempenho relativo para uma série de tubulações submetidos a pressão interna cíclica. Os tubos foram produzidos usando-se o mesmo processo, com a mesma resina e programação de cura, e com uma gama de materiais de reforço. O número de ciclos, com nível de tensão específico, possibilita a comparação do desempenho. O gráfico abaixo ilustra o desempenho superior do SE 2350 em relação aos outros materiais 4
testados. Um número de ciclos duas vezes maior de uma determinada tubulação demonstra uma melhoria de aproximadamente 2,8% em HDB. Em outras palavras, para melhorar o nível de HDB em 10%, o número de ciclos para uma pressão específica deve ser obtido aproximadamente 3,55 vezes maior. O produto SE 2350 demonstra para uma determinada pressão um aumento no número de ciclos por um fator de 2,3 a 4,5 em relação aos reforços atualmente usados em tubulações de epóxi com filamentos enrolados, nestas mesmas condições. Durante os testes no cliente, o SE 2350 demonstrou uma melhoria na pressão hidrostática de ruptura de 17% em relação aos outros produtos de reforço. Desempenho de Fadiga Cíclico Ciclos com tensão média 350 300 250 200 150 100 500 0 (75%) (68%) (74%) (70%) Comp 1 (70%) Comp 2 (70%) Produto Notas: OC1 é um produto experimental. Considere um segundo cenário, do mesmo fabricante que definiu o design da tubulação com base em HDB e na pressão de ruptura, ambos atendendo aos critérios da API 15 LR. O uso do SE 2350 oferece ao cliente uma oportunidade de reduzir potencialmente a espessura da parede em aproximadamente 10%, mantendo a mesma classe de pressão. A economia direta de material resultante desta mudança não afetará de maneira adversa o desempenho da tubulação, o que oferece uma vantagem ao fabricante da tubulação em relação à concorrência. Isto dito, o fabricante deve verificar, por meio de testes, se os padrões de desempenho são atendidos. 5
Resumo: Durante o desenvolvimento do novo produto SE 2350, a Owens Corning produziu cerca de 9 toneladas de material de amostra e pelos menos 762 metros de tubulação, conduziu cerca de 600 testes de regressão de pressão cíclica e testou mais de 4.000 corpos de prova a tração o que resultou em um produto de reforço que oferece a melhor solução de desempenho e processamento versus qualquer produto de enrolamento filamentar compatível com epóxi disponível no mercado hoje em dia. As características e vantagens do produto SE 2350 demonstradas nesses testes em comparação com os outros produtos: As propriedades de baixo atrito do produto permitem que as fibras se movam através do processo de forma fácil e com relativa baixa tensão, oferecendo ao processo homogeneidade e uniformidade. As características superiores de molhagem pode se traduzir num potencial de aproximadamente 40% em aumento de produtividade. A característica de baixa formação de penugens permite que o processo flua com menos refugos e quebras, o que produz tubulações com superfície externa mais lisa e gera uma redução significativa nos períodos de máquina parada. As melhorias na pressão de ruptura e no desempenho de fadiga cíclica resultam em tubos de maior performance e/ou permitem custos mais baixos para o fabricante. O SE 2350 é um reforço de fibra de vidro Type 30 revolucionário, um roving directo projetado para uso em enrolamento filamentar e ideal para aplicações com epóxi na área de óleo/gás e processos químicos e para aplicações de enrolamento filamentar complexas, como tanques Aerospace e CNG. A Owens Corning é líder no setor de compósitos e já contribuiu com produtos inovadores, usados em diversas aplicações em todo o mundo. O SE 2350 é outro exemplo de como a Owens Corning fornece soluções com tecnologia superior, formando parcerias participativas e ajudando os clientes a crescer e prosperar. 6