INVESTIGAÇÃO DA POTENCIALIDADE DAS FIBRAS DE ARAMIDA UTILIZADAS EM CABOS UMBILICAIS EM TERMOS DE PROPRIEDADE MECÂNICA AO LONGO
DO TEMPO NA PRESENÇA DE ÁGUA DO MAR À TEMPERATURA DE 80°C
1-Msc Michelli S. M. de barros ; 2-Maria Olívia B. Almeida ; 2-Msc Thamise S. V. Vilela E
2-Msc Rafael Nunes Torres
1-Prysmian Cabos e Sistemas Ltda, Vitoria ES,
michelli.barros@prysmiangroup.com
2- Prysmian Cabos e Sistemas Ltda
RESUMO
O estudo investigou o comportamento mecânico das fibras de aramidas na presença de água do mar ao longo do tempo em temperatura elevada. A fibra de aramida é o principal reforço das mangueiras termoplásticas de alta pressão, que são utilizadas em cabos umbilicais, por isso a necessidade de verificar a influência da água do mar sobre o material. O objetivo é verificar a potencialidade de utilização dessas fibras em termos de resistência mecânica em condições operacionais padrão. As fibras foram imersas em água do mar sintética e expostas a temperatura mencionada por um período de tempo.Os dados de propriedades mecânicas obtidos ao longo do tempo sob temperatura de 80°C e condições de salinidade indicaram que não houve variação significativa, garantindo assim resistência satisfatória das fibras de aramidas nas mangueiras durante a operação nos cabos umbilicais, que são projetados para terem uma vida útil de 25 anos, podendo superar esse valor.
Palavras-chaves: Cabos Umbilicais, Fibra de Aramida e Resistência Mecânica INTRODUÇÃO
A fibra de aramida se destaca por sua resistência a altas temperaturas, seu elevado módulo de elasticidade e sua grande resistência a tração e ao corte . Por causa dessas características,a mesma é utilizada em situações de solicitação bastante intensa como, por exemplo ,no revestimento de aeronaves ,coletes a prova d agua e em cabos umbilicais[1,2].
Os umbilicais submarinos fazem parte do sistema de controle de poço e são um conjunto de mangueiras, cabos elétricos ou ópticos que ligam a unidade de produção (plataformas ) ao manifold. De forma geral são responsáveis por transportar a potência
hidráulica para acionamento das válvulas da Arvore de Natal ( ANM ), a potência elétrica para a aquisição de dados e os produtos químicos para a otimização do escoamento. O cabo umbilical tem uma configuração diferente para cada aplicação. A mangueira hidráulica ( Fig 01 ) possui de três a quatro camadas: a mais interna de um polimero termoplástico, a(s) intermediária(s) de fibra trançada e a mais externa de Poliuretano[3].
Fig 01 – Mangueira Hidráulica de Cabo Umbilical
A resistência e módulo do reforço de fibra de materiais disponíveis para a construção Mangueira termoplástica têm aumentado consideravelmente ao longo dos últimos 15-20 anos, e hoje em dia a fibra de aramida é comumente usado pela maioria
dos fabricantes de mangueira umbilical[4] .
A degradação dos materiais poliméricos se dão de duas formas física e química. O envelhecimento químico ocorre,principalmente,devido á oxidação que ,aliada a
outros fatores como temperatura e tempo de exposição provoca alterações
irreverssíveis na estrutura molecular do material[5]
Fatores de temperatura ocasionam mudanças nos materiais poliméricos .A distribuição de temperatura do mar é de acordo com a profundidade,devido a isso , é preciso conhecer as propriedades mecânicas dos materiais que constituem as camadas do dutos. Para as camadas metálicas pode se utilizar dados do fabricante, e para as camadas poliméricas , as informações necessárias serão retiradas dos resultados provenientes de ensaios de tração realizados onde foram variadas as temperaturas dos materiais[6].
MATERIAIS E REAGENTES
Aparelhagem
Máquina de tração universal, Instron , com os requisitos mínimos conforme ASTM D885-07, Instron 5569
Garras pneumáticas específicas para ensaios de fibras Estufa Marconis
Reagente
Água do mar sintética conforme ASTM D 1141;
Procedimento experimental
A bobina de fibra foi acondicionada em uma atmosfera padrão: 21 ± 1°C, 65 ± 2% humidade relativa, por pelo menos 24h antes do início do teste
Temperatura do ensaio foi estabelecido em 80°C,
Líquidos de imersão: Água do mar sintética conforme ASTM D 1141,
O pH do líquido de imersão foi ajustado conforme as condições de serviço. Os ensaios forão realizados em pH 8,0 ,
O critério de estabilização e parada dos ensaios ocorreu quando o intervalo de confiança das últimas 3 medidas apresentaram no mínimo uma interseção com o intervalo de confiança de todos os dados ( réplicas) dos últimos 3 pontos, Após imersão, a cada 7 dias o líquido é substituído e o pH é ajustado para 8,0
caso necessário. ,
A cada 7 dias 5 corpos de prova foram retirados para avaliação mecânica, Velocidade do Ensaio 125mm/min
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Devido à sua aplicação os materiais termoplásticos utilizados em dutos são frequentemente obrigados a estarem em contato com produtos químicos, combustíveis, soluções ácidas, lubrificantes e às vezes seus vapores ou gases. Sob ação de agentes químicos, a parede do material termoplástico pode ser o local de vários fenômenos concomitantes como a absorção, extração e reações químicas ou físicas, geralmente
envolvendo uma mudança significativa em suas propriedades. Fatores internos e externos como temperatura, pressão, espessura da parede e tempo podem afetar e acelerar este processo.
O ensaio foi realizado para verificar a variação das propriedades mecânicas do fio de aramida , após os corpos de prova permanecerem imersos por 56 (cinquenta e seis) dias a 80°C em pH 8,0 . A cada 7 dias foram feitas retiradas para realizadão de testes de tração, para avaliar as propriedades mecâncias e para substituição do líquido de imersão e controle do pH.
O critério de avaliação adotado foi baseado na normas ISO 4433-1; ISO 4433-2.
Resistência satisfatória - Quando o material pode ser usado em contato contínuo com o agente químico nas condições testadas, sem apresentar variações significativas em suas propriedades e não afetando a vida útil do material;
Resistência Limitada - Quando o material em contato com agente químico apresenta uma variação limitada em suas propriedades. Quando em contato contínuo com o agente químico nas condições testadas a vida útil do material poderá ser afetada. Quando o uso é intermitente e o tempo de exposição é curto o material não sofrerá perda de suas propriedades ou afetar a sua vida útil.
Resistência não satisfatória - O material é seriamente atacado pelo agente químico e não deve ser usado sob as condições testadas em ambas as forma, continua ou intermitentemente. Essa interação pode causar redução significativa na vida útil do material.
Para classificação do material as principais propriedades avaliadas para foram as propriedade mecânicas (tensão na ruptura , alongamento na ruptura).
A Tabela 1 apresenta os critério básicos adotados para avaliação das propriedades mecânicas.
Tabela 1 – Critérios básicos adotados para avaliação das propriedades. Propriedades Classificação Resistência Satisfatória (S) Resistência Limitada (L) Resistência não satisfatória (NS) Carga na Ruptura Variação ≤ 20% 20% < variação ≤ 54% Variação > 54% Alongamento na Ruptura Variação ≤ 20% 20% < variação ≤ 54% Variação > 54%
Abaixo, Figura 2, encontra-se o gráfico de acompanhamento dos resultados de carga na ruptura com os intervalos de confiança obtidos a partir de ensaios de tração realizados durante os 56 dias de imersão em água do mar sintética em 80ºC pH 8,0.
Figura 02 – Acompanhamento da Carga Máxima na ruptura da fibra de aramida na presença de água do mar ao longo do tempo.
Para verificar a variação da propriedade do material (carga na ruptura), tornou-se como referência o valor encontrado do material antes da imersão em água do mar (no gráfico, Figura 02, representado pela abscissa igual a zero). O valor inicial de referência da carga na ruptura é 1470,23 N. O ensaio foi finalizado quando as últimas
três medidas teve no mínimo uma interseção com o intervalo de confiança de todos os dados (réplicas) dos últimos 3 pontos. A variação média dos últimos 3 pontos na carga na ruptura encontrada foi 2,80 % de redução de propriedade.
Na Figura 03 são encontrados os resultados de alongamento na ruptura e suas respectivas variações obtidos nos ensaios de tração realizados durante os 70 dias de imersão em água do mar sintética a 80ºC pH 8,0.
Figura 03 – Acompanhamento do alongamento na ruptura da fibra de aramida na presença de água do mar ao longo do tempo.
Os testes poderiam ter sido terminados com 42 dias devido ao critério de estabilização usado ,porém aos 49 dias o valor de alongamento ficou abaixo do intervalo de confiança e os ensaios continuaram por 70 dias.
Para verificar a variação da propriedade do material (alongamento na ruptura), tornou-se como referência o valor encontrado do material antes da imersão em água do mar (no gráfico,Figura 3, representado pela abscissa igual a zero). O valor inicial de referência do alongamento na ruptura é 3,45 %. A variação média encontrada no alongamento na ruptura durante o teste de compatibilidade em água do mar nos últimos três pontos foram 4,6 % .
CONCLUSÃO
A fibra de aramida apresentou pouca variação nas propriedades mecânicas analisadas, especialmente no decorrer de longo período de tempo sob temperatura elevada.
Essas variações possibilitaram à indústria a oportunidade de utilizar apenas o que é necessário em suas aplicações, trazendo economia a seus desenvolvimentos e produtos. Ou seja, cada uma dessas variações apresentam maiores ou menores desempenhos em determinadas propriedades, assim podem ser utilizadas a medida da necessidade de suas aplicações.
A fibra de aramida mostrou estabilização após um período curto de tempo. A avaliação da aceitação da resistência final será definida no projeto de cada cabo umbilical onde este material seja considerado para utilização, através da realização das análises previstas no fluxo de projeto .Os resultados obtidos após imersão na água do mar 80°C não apresentaram variações significativas em relação aos valores originais. A fibra de Aramida apresentou resistência satisfatória com água do mar sintética nas condições ensaiadas.
Referências Bibliográficas
[1] Bernardi, S. T. ; Silva F., L. C. P. , Perspectivas de Utilização da Fibra de
Aramida kevlar em Estruturas de Concreto. In: VI Simpósio EPUSP sobre Estruturas
de Concreto, 2006, São Paulo. VI Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto, 2006.
[2] Denículi, F. D., Determinação de Propriedades Termoelásticas de Compósitos
particulados de Matriz de Metal Utilizando um Modelo Micromecânico, Dissertação
de Mestrado, Escola de Engenharia da UFMG/DEMEC, Belo Horizonte, MG, 1999; [3] D. Pereira, G. Estudo de Material Alternativo para Fabricação de Mangueiras
Hidráulicas de Umbilical Submarino ,Monografia, Graduação Engenharia de
Petróleo, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2013. [4] R.R. Jakeman, P.H. Knight. Development of a High Pressure Thermoplastic
[5]Morgan R. J. Aging of polymer Matrix Fibrous Composites. In: Lee SM , editor. International Encyclopedia of Composites, VCH Publishers, 1991
[6] DA SILVA, A.P. Análise da Influência da Temperatura na Rigidez à Flexão de
Linhas Flexíveis. Monografia, Graduação em Engenharia Naval e Oceânica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2006.
INVESTIGATE THE ARAMID FIBER USED UMBILICAL CABLE IN TERMS MECHANICS PROPERTY OVER TIME IN THE PRESENCE OF WATER SEA
TEMPERATURE OF 80 ° C
The study investigated the mechanical behavior of aramid fibers in the presence of sea water over time at elevated temperature. The aramid fiber is the main reinforcement of thermoplastic high pressure hoses that are used in umbilical, so the need to check the influence of the sea water on the material. The objective is to verify the potential use of such fibers in terms of mechanical strength at standard operating conditions. The fibers were immersed in synthetic seawater and exposed to temperatures mentioned for a period of time. The data obtained mechanical properties over time and under temperature of 80 ° C and salinity conditions showed no significant variation, ensuring resistance satisfactory of aramid fibers in the hoses during operation in umbilicals Cables, which are designed to have a useful life of 25 years and may exceed this value.
