4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 – ENSAIOS MECÂNICOS
4.1.1 – Ensaios de tração
Os gráficos gerados pelos ensaios de tração dos três corpos de prova de cada amostra podem ser vistos nas Figuras 23 a 26.
4.1.1.1 – Amostra controle
A amostra controle apresentou uma média de 13,60 MPa de tensão de ruptura, 147,59 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 2,19%, como pode ser visto na Tabela 4.
Figura 23 – Gráfico do ensaio de tração da amostra controle.
42 Tabela 4 – Valores do ensaio de tração da amostra controle.
Corpo de prova Tensão de ruptura
(MPa) Alongamento (%) Módulo de Elasticidade (MPa) CP-C-01 13,37 2,5 147,38 CP-C-02 14,8 1,8 161,34 CP-C-03 12,61 2,3 134,59 Média 13,60 2,19 147,59 Desvio padrão 1,11 0,36 13,64 Fonte: autor, 2019. 4.1.1.2 – Amostra do poço RP-0147
A amostra do poço RP-0147 apresentou uma média de 14,65 MPa de tensão de ruptura, 182,83 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 0,57%, como pode ser visto na Tabela 5.
Figura 24 – Gráfico do ensaio de tração da amostra do poço RP-0147.
43 Tabela 5 – Valores do ensaio de tração da amostra do poço RP-0147.
Corpo de prova Tensão de ruptura
(MPa) Alongamento (%) Módulo de Elasticidade (MPa) CP-RP-01 15,16 0,58 171,36 CP-RP-02 14,55 0,5 178,93 CP-RP-03 14,25 0,6 198,20 Média 14,65 0,57 182,83 Desvio padrão 0,47 0,07 13,84 Fonte: autor, 2019. 4.1.1.3 – Amostra do poço FP-0091
A amostra do poço FP-0091 apresentou uma média de 17,38 MPa de tensão de ruptura, 198,79 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 0,59%, como pode ser visto na Tabela 6.
Figura 25 – Gráfico do ensaio de tração da amostra do poço FP-0091.
44 Tabela 6 – Valores do ensaio de tração da amostra do poço FP-0091.
Corpo de prova Tensão de ruptura (MPa) Alongamento (%) Módulo de Elasticidade (MPa) CP-FP-01 16,90 0,68 205,24 CP-FP-02 17,39 0,7 194,38 CP-FP-03 17,85 0,4 196,74 Média 17,38 0,59 198,79 Desvio padrão 0,47 0,17 5,71 Fonte: autor, 2019. 4.1.1.4 – Amostra do poço PL-0288
A amostra do poço PL-0288 apresentou uma média de 20,05 MPa de tensão de ruptura, 231,16 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 0,60%, como pode ser visto na Tabela 7.
Figura 26 – Gráfico do ensaio de tração da amostra do poço PL-0288.
45 Tabela 7 – Valores do ensaio de tração da amostra do poço PL-0288.
Corpo de prova Tensão de ruptura
(MPa) Alongamento (%) Módulo de Elasticidade (MPa) CP-PL-01 19,60 0,96 216,08 CP-PL-02 20,68 0,44 248,36 CP-PL-03 19,86 0,40 230,11 Média 20,05 0,60 231,16 Desvio padrão 0,56 0,31 16,19 Fonte: autor, 2019.
O valor da PMOA pela Equação 4 da norma ASME B31G (condição de contorno de um tubo pressurizado) foi calculado utilizando o menor valor (mais conservador) da tensão de ruptura, ou seja, da amostra controle. O diâmetro da tubulação é 3 polegadas (76 mm) e a espessura média dos corpos de prova da amostra controle é de 15 mm. O resultado foi uma PMOA de 3,86 MPa (560 psi), ou seja, cerca de 2,2 vezes maior que a pressão de operação de linhas de produção, que é de 1,72 MPa (250 psi). Outro detalhe importante é que o teste de ruptura instantânea dos tubos durante o desenvolvimento do material foi de cerca de 50 MPa (7251 psi), valor bem acima do calculado [12].
𝑃𝑀𝑂𝐴 =
1,44∗13,6∗0,0150,076
= 3,86 𝑀𝑃𝑎
(8)4.1.2 – Simulação de elementos finitos
A simulação por elementos finitos mostrou que o modelo do corpo de prova rotaciona e flexiona em diferentes eixos quando submetido a um carregamento uniaxial (comportamento mecânico diferente de um material isotrópico como o aço). Isso se deve pela natureza complexa e do comportamento ortotrópico desse material compósito, onde cada camada tem uma rigidez diferente (pois são materiais diferentes), e a resultante disso é um estado de tensões multiaxial, como pode ser visto no modelo da Figura 27.
46 Figura 27 – Deformação flexoaxial do corpo de prova.
Fonte: autor, 2019.
4.1.3 – Discussões
Houve variações na tensão de ruptura das amostras, tendo a amostra controle apresentado o menor valor dentre elas. No alongamento, houve uma discrepância maior também na amostra controle, que apresentou valor cerca de três vezes maior que a média das amostras dos poços e, consequentemente, um menor módulo de elasticidade. Foi visto que a amostra controle possui camada interna com espessura que varia até 3 mm em relação às espessuras das camadas internas dos poços (Figura 29) e isso reflete nas propriedades.
Essa alteração pode ser explicada pela diferença de lote entre as amostras, pois os tubos foram fabricados em períodos distintos e os compósitos são materiais que exigem um controle de qualidade complexo e são de difícil padronização de propriedades mecânicas devido à sua anisotropia [16].
Uma outra possibilidade é que, por se tratar de um compósito com matriz polimérica, houve um adensamento (ou estiramento) das cadeias poliméricas gerado pela compressão radial devido à pressão de operação que a tubulação está sujeita (com expansão limitada, pois o solo restringe a deformação na região externa do tubo). Com os anos de trabalho, isso pode ter reduzido a espessura das camadas e aumentado a resistência mecânica das amostras em operação se comparado com a amostra controle nova. Os polímeros podem sofrer esse fenômeno mesmo em casos de solicitações mecânicas causada por cargas de tração [37]. Na compressão também pode ocorrer evento similar, onde o polímero sofre um processo de estiramento, tornando-se mais rígido no início do carregamento. A Figura 28 mostra esse comportamento em um gráfico com três regiões bem definidas: a região de deformação elástica,
47 que se recupera com a remoção da carga, o platô, onde ocorre o aumento da carga compressiva, onde os vazios começam a se comprimir e ser reduzidos (aumento de deformação sem aumento de tensão) e a última etapa de densificação, onde a tensão aumenta rapidamente (sem qualquer incremento significativo na deformação) e a matriz polimérica começa a ser comprimida, o que causa o rápido aumento da resistência da amostra [38].
Figura 28 – Comportamento mecânico na compressão [38].
Outro detalhe importante é que, pela simulação por elementos finitos, foi possível concluir que o material se comporta mecanicamente de forma complexa e o ensaio de tração padrão não é a técnica ideal para determinar as propriedades mecânicas desse material. Apesar dessas limitações, é possível afirmar que o material está seguro para trabalhar com a pressão máxima de operação de uma linha de produção de petróleo terrestre que é de 1,72 MPa (250 psi).
Figura 29 – Diferença de espessura das amostras.
48 4.2 – MICROSCOPIAS
4.2.1 – Microscopia Óptica
A seguir será possível ver as micrografias das interfaces por microscópio óptico da seção transversal das amostras.
4.2.1.1 – Amostra controle
A Figura 30, da amostra controle, mostra que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem micro vazios. Já na Figura 31, é possível ver um espaçamento na interface entre a camada externa e intermediária, evidenciando uma baixa interação entre as mesmas.
Figura 30– Micrografias ópticas da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra controle.
49 Figura 31– Micrografias ópticas da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra controle.
Fonte: autor, 2019.
4.2.1.2 – Amostra do poço RP-0147
Na Figura 32 é possível ver que a interface entre a camada interna e intermediária da amostra do poço RP-0147 apresenta boa interação, sem micro vazios, algo que também se repete na interface da camada externa e intermediária, conforme Figura 33.
50 Figura 32– Micrografias ópticas da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço
RP-0147.
Fonte: autor, 2019.
Figura 33– Micrografias ópticas da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço RP-0147.
51 4.2.1.3 – Amostra do poço FP-0091
Na Figura 34 (amostra do poço FP-0091) é possível ver que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem micro vazios. Já na Figura 35, é possível ver espaçamento e baixa interação na interface da camada externa e intermediária, que também apresenta fissuras na interface da região intermediária. Nas interfaces normalmente ocorre uma maior concentração de tensão, sendo locais mais favoráveis à nucleação de defeitos, como fissuras ou trincas, devido à característica energética da superfície dessa região [39]. Essas fissuras podem ter surgido devido ao trabalho da tubulação que está sujeita a pressão interna do fluido, compressão e restrições do solo devido a esforços de dilatação causados por variações de temperatura.
Figura 34– Micrografias ópticas da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço FP-0091.
52 Figura 35– Micrografias ópticas da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra do poço
FP-0091.
Fonte: autor, 2019.
4.2.1.4 – Amostra do poço PL-0288
Na Figura 36 (amostra do poço PL-0288) é possível ver que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem micro vazios ou espaçamentos. Já na Figura 37, é possível ver espaçamento e baixa interação na interface da camada externa e intermediária, que também apresenta fissuras na interface da região intermediária, como na amostra do poço PL-0091. Como citado anteriormente, nas interfaces ocorre uma maior concentração de tensão, sendo locais mais favoráveis à nucleação de defeitos, que devem ter nucleado devido a esforços das condições operacionais da tubulação [39].
53 Figura 36– Micrografias ópticas da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço
PL-0288.
Fonte: autor, 2019.
Figura 37– Micrografias ópticas da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra do poço PL-0288.
54
4.2.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura
4.2.2.1 – Amostra controle
Abaixo é possível ver as micrografias das interfaces por microscópio eletrônico de varredura da seção transversal das amostras. A Figura 38, da amostra controle, mostra que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, mas é possível ver micro vazios em alguns pontos. Já na Figura 39, é possível ver que o espaçamento entre a camada externa e intermediária é bem significativo, evidenciando uma baixa interação entre as mesmas. Com um aumento ainda maior, é possível ver que em alguns pontos da camada intermediária há insuficiente cobertura de resina de poliéster nos reforços de fibras de vidro, que se apresentam expostas, provavelmente defeito de fabricação (Figura 40).
Figura 38– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra controle.
55 Figura 39– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra controle.
Fonte: autor, 2019.
Figura 40– Micrografias (MEV) da camada intermediária da amostra controle com as fibras de vidro expostas e sem resina.
56 4.2.2.2 – Amostra do poço RP-0147
A Figura 41, da amostra do poço RP-0147, mostra que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem presença de descolamento ou micro vazios. Assim como visto no microscópio óptico, essa boa interação também ocorre na interface entre a camada externa e intermediária (Figura 42), mas apresenta regiões com fibra de vidro exposta, que também apareceram na amostra controle, que podem ser melhores vistos na Figura 43.
Figura 41– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço RP-0147.
57 Figura 42– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra do poço
RP-0147.
Fonte: autor, 2019.
Figura 43– Micrografias (MEV) da camada intermediária da amostra do poço RP-0147 com as fibras de vidro expostas e sem resina.
58 4.2.2.3 – Amostra do poço FP-0091
A Figura 44, da amostra do poço FP-0091, mostra que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem presença de descolamento ou micro vazios. Assim como visto no microscópio óptico, na interface entre a camada externa e intermediária (Figura 45) há espaçamento, o que mostra baixa interação entre elas. Essa amostra também apresenta pontos com fibra de vidro exposta (provavelmente defeito de fabricação), o que pode ser melhor visto na Figura 46.
Figura 44– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço FP-0091.
59 Figura 45– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra do poço
FP-0091.
Fonte: autor, 2019.
Figura 46– Micrografias (MEV) da camada intermediária da amostra do poço FP-0091 com as fibras de vidro expostas e sem resina.
60 4.2.2.4 – Amostra do poço PL-0288
A Figura 47, da amostra do poço PL-0288, mostra que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem presença de descolamento ou micro vazios, mas com presença significativa de fibra exposta na camada intermediária. Assim como visto no microscópio óptico, na interface entre a camada externa e intermediária (Figura 48) há espaçamento, o que mostra baixa interação entre elas, além de fissuras na interface da camada intermediária. A Figura 49 mostra, com maiores detalhes, pontos com fibra de vidro exposta na camada intermediária, devido a resina de poliéster insuficiente.
Figura 47– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra do poço PL-0288.
61 Figura 48– Micrografias (MEV) da interface entre as camadas externa e intermediária da amostra do poço
PL-0288.
62 Figura 49– Micrografias (MEV) da camada intermediária da amostra do poço PL-0288 com as fibras de vidro
expostas e sem resina.
Fonte: autor, 2019.
4.2.3 – Discussões
As interfaces entre as camadas interna e intermediária das amostras apresentam boa interação, mas isso não ocorre nas interfaces entre as camadas intermediária e externa, que apresentam descolamento. A amostra RP-0147 foi a única que obteve boa interação nessa interface, o que evidencia que é um problema que pode ser melhorado na fabricação.
Foram encontradas fissuras nas regiões da interface entre as camadas intermediária e externa, que devem ter nucleado devido ao esforço da tubulação que está sujeita a pressão interna, compressão do solo e dilatação. Uma melhoria para reduzir o descolamento dessa interface pode evitar a nucleação dessas fissuras, pois interfaces são regiões preferenciais a nucleação de defeitos [16].
Também foi visto uma cobertura insuficiente de resina de poliéster na camada intermediária, expondo as fibras de vidro. Esse problema pode prejudicar as propriedades mecânicas (distribuição de carga ineficiente entre o reforço e a matriz) e também pode favorecer o surgimento de defeitos (é algo que também pode ser melhorado na fabricação dos tubos) [20].
63 4.3 – ANÁLISES TÉRMICAS
Abaixo são apresentados os resultados das análises térmicas realizadas em cada uma das camadas de cada amostra (individualmente), representadas na forma de curvas TGA (com a curva da derivada) e curvas DSC.
4.3.1 – Amostra controle
Na Figuras 50 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada interna da amostra controle, onde foram identificados quatro eventos. O primeiro evento, com perda de massa de 0,6233%, que ocorre entre as temperaturas de 50ºC e 225ºC, aproximadamente, é referente à saída de água livre. O segundo e terceiro evento, entre as temperaturas 225ºC e 325ºC e 325ºC e 450ºC, correspondem, provavelmente, à degradação da resina em dois momentos distintos, representados pelos dois primeiros picos de liberação de energia observado na análise de DSC (Figura 51). O quarto evento, na faixa de temperaturas de 450ºC à 600ºC, corresponde à degradação das fibras de vidro que compõe esta camada. Efeito este, também observado na análise de DSC com o pico de liberação de energia a 532ºC. Os picos da curva derivada mostram que o segundo, terceiro e quarto evento ocorrem em intensidades máximas, aproximadamente, nas temperaturas 282ºC, 375ºC e 536ºC.
Figura 50– Curva TGA e derivada da camada interna da amostra controle.
64 Figura 51– Curva DSC da camada interna da amostra controle.
Fonte: autor, 2019.
Na Figura 52 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada intermediária da amostra controle, onde são identificados basicamente três eventos, sendo o segundo o mais significativo. O primeiro evento com perda de massa de 2,322% que ocorre entre as temperaturas de 50ºC e 240ºC, aproximadamente, é referente à saída da água livre. O segundo e o terceiro evento ocorrem nas faixas de temperaturas de 240ºC a 440ºC e de 440ºC a 525ºC, respectivamente, correspondem à deterioração da resina e das fibras de vidro que compõem esta camada. Os picos da curva derivada mostram que o segundo e terceiro evento ocorrem em intensidade máxima, aproximadamente, nas temperaturas 363ºC e 492ºC. Esses eventos são confirmados na análise de DSC (Figura 53), onde são observados dois eventos de liberação de energia, um com amplitude máxima em 391,48ºC, correspondente ao segundo evento, e outro em 500,15ºC, referente ao terceiro evento de perda de massa.
65 Figura 52– Curva TGA e derivada da camada intermediária da amostra controle.
Fonte: autor, 2019.
Figura 53– Curva DSC da camada intermediária da amostra controle.
66 Na Figura 54 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada externa, onde observamos uma perda de massa significativa entre as temperaturas de 200ºC a 360ºC, resultado da deterioração do poliuretano, com intensidade máxima ocorrendo, aproximadamente, na temperatura de 350ºC (curva derivada). Estes eventos também são confirmados pela análise de DSC (Figura 55), na qual se apresentou um pico exotérmico na temperatura de 353,53ºC.
Figura 54– Curva TGA e derivada da camada externa da amostra controle.
Fonte: autor, 2019.
Figura 55– Curva DSC da camada externa da amostra controle.
67
4.3.2 – Amostra do poço RP-0147
Na Figura 56 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada interna da amostra do poço RP-0147, onde foram identificados quatro eventos. O primeiro evento com perda de massa de 0,5639%, que ocorre entre as temperaturas de 50ºC e 210ºC, aproximadamente, é referente à saída água livre. O segundo e terceiro evento, entre as temperaturas 210ºC e 325ºC e 325ºC e 450ºC, correspondem, provavelmente, à deterioração da resina em dois momentos distintos. É possível ver os picos da curva derivada, onde os eventos ocorrem com maior intensidade nas temperaturas aproximadas de 288ºC, 374ºC e 529ºC. Os eventos também são representados pelos dois primeiros picos de liberação de energia observado na análise de DSC (Figura 57). O quarto evento, na faixa de temperaturas de 450ºC à 600ºC, corresponde à deterioração das fibras de vidro que compõe esta camada. Efeito este, também observado na análise de DSC com o pico de liberação de energia a 525,66ºC.
Figura 56– Curva TGA e derivada da camada interna da amostra do poço RP-0147.
68 Figura 57– Curva DSC da camada interna da amostra do poço RP-0147.
Fonte: autor, 2019.
Na Figura 58 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada intermediária da amostra do poço RP-0147, onde são identificados basicamente três eventos, sendo o segundo o mais significativo. O primeiro evento, com perda de massa de 1,016%, que ocorre entre as temperaturas de 50ºC e 210ºC, aproximadamente, é referente à saída da água livre. O segundo e o terceiro evento que ocorrem nas faixas de temperaturas de 210ºC a 445ºC e de 445ºC a 560ºC, respectivamente, correspondem à deterioração da resina e das fibras de vidro que compõem esta camada. É possível ver os picos da curva derivada onde os eventos ocorrem com maior intensidade nas temperaturas aproximadas de 359ºC e 512ºC. Esses eventos são confirmados na análise de DSC (Figura 59), onde são observados dois eventos de liberação de energia, um com amplitude máxima em 384,16ºC, correspondente ao segundo evento e outro a 511,99ºC, referente ao terceiro evento de perda de massa.
69 Figura 58– Curva TGA e derivada da camada intermediária da amostra do poço RP-0147.
Fonte: autor, 2019.
Figura 59– Curva DSC da camada intermediária da amostra do poço RP-0147.
70 Na Figura 60 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada externa da amostra do poço RP-0147, onde observamos uma perda de massa significativa entre as temperaturas de 220ºC a 360ºC, aproximadamente, que é resultado da deterioração do poliuretano, com pico da derivada indicando intensidade maior do evento na temperatura de 349ºC. Este evento foi confirmado pela análise de DSC (Figura 61), na qual se apresentou um pico exotérmico na temperatura de 353,75 ºC.
Figura 60– Curva TGA e derivada da camada externa da amostra do poço RP-0147.
Fonte: autor, 2019.
Figura 61– Curva DSC da camada externa da amostra do poço RP-0147.
71
4.3.3 – Amostra do poço FP-0091
Na Figura 62 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada interna da amostra do poço FP-0091, onde foram identificados quatro eventos. O primeiro evento, com perda de massa de 0,3508%, que ocorre entre as temperaturas de 50ºC e 225ºC, aproximadamente, é referente à saída de água livre. O segundo e terceiro evento, entre as temperaturas 225ºC e 325ºC e 325ºC e 450ºC, correspondem, provavelmente, à deterioração da resina em dois momentos distintos, representados pelos dois primeiros picos de liberação de energia observado na análise de DSC (Figura 63). O quarto evento, na faixa de temperaturas de 450ºC à 600ºC, corresponde à deterioração das fibras de vidro que compõe esta camada. Efeito este, também observado na análise de DSC com o pico de liberação de energia a 523,62ºC. Os picos da curva TGA derivada mostram que o segundo, terceiro e quarto evento ocorrem em intensidade máxima aproximadamente nas temperaturas 287ºC, 392ºC e 527ºC.
Figura 62– Curva TGA e derivada da camada interna da amostra do poço FP-0091.
72 Figura 63– Curva DSC da camada interna da amostra do poço FP-0091.
Fonte: autor, 2019.
Na Figura 64 é apresentado o resultado da análise termogravimétrica da camada intermediária da amostra do poço FP-0091, onde são identificados basicamente três eventos, sendo o segundo o mais significativo. O primeiro evento, com perda de massa de 0,6852%, que ocorre entre as temperaturas de 50ºC e 225ºC, aproximadamente, é referente à saída da água livre. O segundo e o terceiro evento, que ocorrem nas faixas de temperaturas de 225ºC a 445ºC