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
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
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 B31.4.
2.2 – 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
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
o
terceira roseta foi instalada a 90 do centro do defeito. A figura 3 mostra os locais de
instalação das rosetas.
N
E
C
E
C
o
90
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
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
Limite de
escoamento
Limite de
resistência
[MPa]
[MPa]
Alongamento
(%)
Espessura
do reforço
[mm]
[mm]
Pressão
máxima nos
testes
[bar]
T3086A
Externo, sem
reparo
14,6
4,4
504
627
37
----
Rompeu a
1
148,6
T2746D
Externo,
Strongback
14,5
4,9
481
605
35
23,5 a 25,0
237,9
T4363E
Interno, sem
reparo
14,8
5,5
521
617
33
----
Rompeu a
160.9 2
T3993D
Interno,
Strongback
14,4
4,8
449
583
41
22 a 23
Rompeu a
3
235,4
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
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;
o
90C – posição a 90 , direção circunferencial;
o
90L – posição a 90 , 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
140
120
Pressão [bar]
100
80
CC
60
CL
90C
90L
40
20
0
-1000
1000
3000
5000
7000
9000
11000
13000
15000
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 160.9 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.
160
140
Pressão [bar]
120
100
CC
80
CL
90C
60
90L
40
20
0
-1000
3000
7000
11000
15000
19000
Deformação [µm/m]
23000
27000
31000
35000
Figura 7 - Resultados do teste do tubo T4363E, com defeito interno e sem reforço.
7
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
contratado àCOPPE/UFRJ pela Gerência de Tecnologia em Petroquímica do CENPES.
Tabela 2 – Propriedades mecânicas dos materiais de reforço - resistência.
Fornecedor C.P.
Nº
Módulo de
elasticidade
longitudinal
26851
2
29689
médio
[MPa]
E 1 [MPa]
1
E1
Módulo de
elasticidade
transv ersal
E2 [MPa]
E2
médio
[MPa]
12544
Strongback
28270
11707
12126
Tabela 3 - Propriedades mecânicas dos materiais de reforço – rigidez.
Fornecedor C.P.
Fração fm média Resistência
S1
Deformação
em
à tração
longitudinal
Nº massa de
(%)
longitudinal média
máxima
resina fm
[MPa]
S 1 [MPa]
εε 1 (%)
(%)
1
321,3
22,6
(%)
1,21
343,3
S 2 [MPa]
S2
média
[MPa
150,4
Deformação
longitudinal
máxima
εε 2 (%)
εε 2
médio
(%)
1,83
1,99
1,24
365,3
2
Resistência à
tração
média transversal
149,6
22,7
Strongback
εε1
1,27
148,7
2,15
22,7
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
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.
160
140
120
Pressão [bar]
100
SB ext
80
CC
CRC
60
NC
90C
40
20
0
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000 6000 7000
Deformação [µm/m]
8000
9000 10000 11000 12000 13000
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
160
140
Pressão [bar]
120
100
SB int
80
CC exp
CRC exp
60
NC
40
90C
20
0
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000 11000 12000
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 2001.
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4 - REFERÊNCIAS
1 – American Society of Mechanical Engineers. Pipeline Transportation Systems for Liquid
Hydrocarbons and Other Liquids, ASME Code for Pressure Piping, B31.4, 1998.
2 – Benjamin, A.C., Vieira, R.D., Freire J.L.F. e Castro, J.T.P. Modified Equation for the
th
Assessment of Long Corrosion Defects. Anais da 20 International Conference on Offshore
Mechanics and Arctic Engineering, Rio de Janeiro, 2001.
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