Performance of a corroded pipeline repair composed of cemented
metallic multilayers
Análisis del desempeño de un reparo para ductos corroídos utilizando
multicamadas metálicas pegadas
Marco Antonio Pérez Rosas
José Luiz de França Freire
Ronaldo Domingues Vieira
Joanes Silva Dias
Julio Cesar Galvão Grion
Leonardo Ori Lima
Nelson Fernandes Soares Júnior
Resumo
Um novo método para o reparo de dutos com perda de espessura externa está sendo desenvolvido na PUC-Rio. O reparo consiste na utilização de camadas metálicas coladas ao duto com adesivo epóxi, o qual tem a vantagem de ser facilmente aplicável, prescinde de soldagem, e apresenta módulo elasticidade alto, o que permite uma redução na deformação total presente na região do defeito. Neste trabalho, comprova-se a eficácia da nova técnica de reparo usando multicamadas metálicas coladas, mostrando que com um dimensionamento correto, a região reparada consegue suportar pressões supe-riores às suportadas por um duto sem defeito.
palavras-chave: reparo duto perda de espessura corrosão teste hidrostático extensometria elementos finitos
Abstract
A new method for the repair of pipelines with external surface metal loss is being developed at PUC-Rio. The repair consists of the use of metallic layers cemented to the pipe with epoxy adhesive, which offers the advantage of being easy to apply, does not require welding, and presents a high elasticity module, what allows a reduction in the total strain present in the failure region. With this paper, it is evidenced the effectiveness of the new repair technique using cemented metallic multilayers, showing that, with the proper sizing, the repaired region can bear pressures above those supported by a flawless pipe.
Resumen
Un nuevo método para reparar ductos con perdida de espesura externa está siendo implementado en la PUC-Rio. El reparo consiste en utilizar de camadas metálicas pegadas al ducto con un adesivo epóxico, el cual tiene la ventaja de ser facilmente aplicáble, sin tener que utilizar soldadura, y presenta un alto módulo de elasticidad, esto permite reduzir la deformación total que se presente en la región del defecto. En este trabajo, se comprueva la eficácia de la nueva técnica de reparo usando multicamadas metálicas pegadas, mostrando que con un dimensionamiento correcto, la región reparada consigue soportar presiones superiores a las que soporta un ducto sin defecto.
palabras clave: reparo ducto perdida de espesura corrosión prueba hidrostático extensiometria elementos finitos
Introdução
Devido à crescente necessidade de aumentar a disponi-bilidade de uso imediato de dutos que sofreram danos por perda de espessura ou impacto de objetos estranhos, o uso de reparos tem tido cada vez mais importância. Neste traba-lho, um novo método para o reparo de dutos com perda de espessura externa foi analisado. O reparo consiste na utili-zação de camadas metálicas coladas ao duto com adesivo epóxi. Existem vários tipos de reparos, mas o proposto aqui tem a vantagem de ser facilmente aplicável, prescinde de soldagem e apresenta módulo elasticidade alto, o que permi-te uma redução na deformação total presenpermi-te na região do defeito. O novo método de reparo tem como objetivo de-volver a integridade estrutural do duto de uma forma sim-ples e econômica. Na abordagem experimental realizada no presente trabalho, foram testados sete espécimes tubulares: dois sem defeito e cinco com defeitos usinados para simu-lar a perda de espessura, destes, quatro foram reparados com diferentes números de camadas. Os espécimes foram devidamente instrumentados para a obtenção de dados de pressões, variações volumétricas e deformações ocorridas em pontos localizados nos espécimes tubulares. O duto re-parado com quatro camadas de aço de baixo carbono supor-tou a pressão de ruptura de um duto sem defeito, rompen-do-se em seções afastadas daquelas reparadas. Os dutos reparados com uma, duas e três camadas de aço de baixo carbono romperam-se na região do defeito.
Os resultados experimentais obtidos comprovaram a efi-ciência da nova técnica de reparo proposta e foram satisfato-riamente previstos pelos modelos numéricos e analíticos.
Abordagem experimental
Foram testados sete espécimes tubulares, quatro dos quais foram reparados utilizando-se multicamadas metálicas coladas. Nestes, foram usinados defeitos para simular a per-da de espessura. Vale dizer que em todos os espécimes repa-rados o defeito tem a mesma geometria, mas são mudados o número de camadas usadas nos reparos.
Os tubos dos espécimes tubulares foram cortados com comprimentos de 600mm de uma única vara, esta vara, com comprimento total de 6m, espessura nominal de 2mm e 3'’ de diâmetro. A usinagem dos defeitos foi feita mediante a opera-ção de fresagem com uma profundidade máxima nominal igual a 1,4mm, deixando nos defeitos espessuras de parede rema-nescentes iguais a 0,6mm (70% de profundidade). A fresagem for feita a 180° da solda longitudinal de fechamento do tubo.
Com a instrumentação dos espécimes ensaiados e a determinação experimental de variáveis, tais como defor-mações, pressões e variações volumétricas, pôde-se com-parar resultados e se tentar otimizar o método de reparo. Para isto, foi indispensável a caracterização dos materiais
Figura 5 – Espécimes testados. Figure 5 – Tested specimens. Figura 4 – Sistema de pressão. a) bomba de êmbolo; b) espécime pressurizado. Figure 4 – Pressure system. a) piston pump; b) pressurized specimen. Figura 4 – Sistema de presión. a) bomba de êmbolo; b) cuerpo de prueba presurizado. Figura 3 – Etapas da colagem. Figure 3 – Bonding steps. Figura 3 – Etapas de pegado. Figura 2 – Distribuição das camadas metálicas. Figure 2 – Distribution of the metallic layers. Figura 2 – Distribución de las camadas metálicas. Figura 1 – Instrumentação no defeito. Figure 1 – Instrumentation in the defect.
utilizados. Esta caracterização é feita mediante ensaios de tração de corpos de prova retirados dos tubos e das chapas de reforço.
Na figura 1, é apresentada a instrumentação do defeito com dois extensômetros elétricos posicionados nas dire-ções circunferencial e longitudinal.
Figura 1 – Instrumentación del defecto.
Para determinar a melhor distribuição, que podem ter as camadas metálicas, estas foram coladas com uma extremi-dade escalonada e outra com finalização abrupta. Os compri-mentos médios das camadas foram feitos iguais a 4L (fig. 2).
O corte da chapa para obtenção das lâminas de reparo é feito levando-se em consideração seu sentido de laminação para que este coincida com o sentido circunferencial do duto. As lâminas foram lixadas para garantir a eliminação de óxidos ou outras impurezas antes de serem calandradas (fig. 3).
Utilizou-se o adesivo formado pela mistura de Araldite® AV 138 com o Endurecedor HV 998, com uma relação de 100/40 partes por peso, como recomendado pelo fabricante. O tempo de manuseio do adesivo foi de 30 minutos a 24°C, tempo duran-te o qual foi depositado o adesivo em ambas superfícies das partes a serem coladas. Estas foram pressionadas entre si por meio de braçadeiras (fig. 3) por um tempo de cinco horas por camada. Este tempo serve para a cura parcial do adesivo e só então se podem retirar as braçadeiras e se procede a colagem da camada seguinte. O tempo de cura para que o adesivo alcance sua maior resistência é de 24 horas a 24°C, sendo que este tempo decresce na medida em que aumenta a temperatura.
Os testes experimentais foram feitos no Laboratório de Fotomecânica e Comportamento Mecânico dos Materiais da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) que possui uma instalação para testar dutos sob pressão inter-na (fig. 4). Os espécimes testados são mostrados inter-na figura 5.
Figura 5 – Cuerpos de prueba experimentados.
Figura 6 – Análise das deformações circunferências na região do defeito. Figure 6 – Analysis of the circunferential strain in the region of the defect. Figura 6 – Análisis de las deformaciones circunferenciales en la región con el defecto.
A seguir, são apresentados os resultados obtidos durante os testes. Deve-se notar que as deformações medidas pelos extensômetros elétricos não alcançam valores muito grandes de deformação (20.000 a 40.000μm/m) já que os extensômetros usados não são próprios para grandes deformações.
• DRC 001 e 002 - dutos sem defeito: as pressões de ruptura foram de 17,7 e 16,2MPa nos espécimes DRC 001 e 002 respectivamente. A pressão de plastificação foi de 16MPa nos dois espécimes; • DRC 007: Duto com defeito e sem reparo: o
espéci-me rompeu-se com 5,45MPa de pressão interna. O defeito atinge uma tensão equivalente para o escoa-mento na pressão de 3,3MPa, para uma deformação circunferencial total de ordem de 0,5% ou 5x10^3; • DRC 003 - duto com uma camada de reparo: o es-pécime rompe-se na região do defeito com 8,7MPa de pressão interna. O defeito plastifica-se a 5,6MPa e a parede externa do reparo plastifica-se a 7,2MPa; • DCR 004 - duto com duas camadas de reparo: o espé-cime rompe-se na região do defeito com 13,2MPa de pressão interna. O defeito plastifica-se a 7,3MPa e a parede externa do reparo plastifica-se com 9,8MPa; • DCR 005 - duto com três camadas de reparo: o
es-pécime rompe- se na região do defeito com 18,3MPa de pressão. O defeito, o reparo e a parte sem defeito plastificam-se com 9,9; 13,9 e 16,5MPa de pressão, respectivamente;
• DCR 006 - duto com quatro camadas de reparo: o espécime rompe-se na região fora do reparo com 18,6MPa de pressão interna. As pressões de plastificação do defeito, reparo e região sem defei-to são de 12,4; 17,8 e 16,5MPa, respectivamente. Na figura 6 é feita uma comparação entre as deforma-ções circunferenciais presentes no defeito para os es-pécimes reparados.
Na figura 7 é mostrada a comparação entre os compor-tamentos das deformações circunferenciais que ocorrem nas superfícies externas dos reparos.
O gráfico volume injetado versus pressão para os espé-cimes 003 a 007 são mostrados na figura 8.
Figura 7 – Comparação das deformações circunferenciais na parede externa dos reparos.
Figure 7 – Comparison of the circunferential strain in the outer wall of the repairs.
Figura 7 – Comparación de las deformaciones circunferenciales en la pared externa de los reparos.
Comparação dos resultados
Os resultados obtidos dos espécimes DRC 006 e DRC 005 foram comparados com resultados de uma modela-gem analítica e com resultados numéricos (Rosas, 2006).
Nas tabelas 1 e 2 são apresentadas as pressões que originam o escoamento e a ruptura no espécime. O erro máximo é de 9,4% nas pressões que originam a ruptura e o escoamento do defeito nos espécimes testados.
Figura 9 – Comparação experimental-teórica, numérica e analítica mediante o gráfico tensão versus pressão no defeito para o espécime de quatro camadas. Figure 9 – Experimental-theoretical, numerical and analytical comparison by means of stress graph versus pressure in the defect for the four-layered specimen. Figura 9 – Comparación experimental-teórica, numérica y analítica mediante el gráfico tensión versus presión em el defecto para el cuerpo de prueba de cuatro camadas. Tabela 1 – Comparações de pressão no duto de quatro camadas. Table 1 – Pressure comparisons in the four-layered pipe. Tabela 1 – Comparaciones de la presión en el tubo de cuatro camadas. Figura 8 – Gráfico de volume injetado de água no espécime versus pressão. Figure 8 – Volume of water injected in the specimen versus pressure Figura 8 – Figura del volumen inyectado de água en el cuerpo de prueba versus la presión.
Duto de quatro camadas no reparo: faz-se a comparação analítica, numérica e experimental (tabela 1).
2D bilinear 3D multilinear Pressão de escoamento 12,3 12,7 13,8 12,4 Pressão de ruptura no reparo 21,7 22,8 - - Pressão de ruptura fora do reparo - - 19 18,6 Pressão (MPa) Modelagem analítica Modelagem numérica Experimental
Duto de três camadas no reparo: faz-se a comparação analítica, numérica e experimental (tabela 2).
P res s ão (M P a)
M odelagem analít ic a
M odelagem
num éric a E x perim ental P res s ão de es c oam ento 10,1 10, 6 11 P res s ão de rupt ura 17,9 17, 2 18, 3 Tabela 2 – Comparações de pressão no duto de três camadas. Table 2 – Pressure comparisons in the three-layered pipe. Tabela 2 – Comparaciones de la presión en el tubo de tres camadas.
Nas figuras 9 e 10 pode ser vista a semelhança no comporta-mento dos modelos, coincidindo nos pontos importantes como as tensões equivalentes de escoamento e de ruptura. O ponto máxi-mo que alcança a curva do máxi-modelo numérico 3D (fig. 3) representa a tensão no defeito no momento em que algum ponto fora do reparo atinge seu limite à ruptura e o programa numérico (elemen-tos fini(elemen-tos) deixa de admitir maiores pressões. Desta forma, o mo-delo numérico indica que a falha acontece fora do reparo, como mostra o espécime tubular testado. No uso dos modelos 2D (ana-lítico e numérico), o calculo só é feito na região reparada.
Figura 10 – Comparação experimental-teórica, numérica e analítica mediante o gráfico tensão versus pressão no defeito para o espécime de três camadas. Figure 10 – Experimental-theoretical, numerical and analytical comparison by means of stress graph versus pressure in the fault for the three-layered specimen. Figura 10 – Comparación experimental-teórica, numérica y analítica mediante el gráfico tensión versus presión em el defecto para el cuerpo de prueba de tres camadas.
Conclusões
Neste trabalho, comprova-se a eficácia da nova técnica de reparo usando multicamadas metálicas coladas para dutos com perda externa de espessura. Foi mostrado que com um dimensionamento correto, a região reparada con-segue suportar pressões superiores às suportadas por um duto sem defeito.
A técnica ainda permite limitar as deformações que se apresentam na região do defeito, mesmo quando se traba-lha no regime elástico, devido ao alto módulo de elasticida-de das camadas metálicas que elasticida-devolvem a integridaelasticida-de es-trutural do duto danificado.
Às vantagens apresentadas do novo método somam-se, ainda, uma segura e fácil aplicação pela não necessida-de necessida-de soldagem e seu menor custo quando comparada aos materiais compósitos atualmente utilizados.
Avanços e mais detalhes desta nova técnica de reparo encontram-se publicados nas referencias a continuação apresentadas, e novos experimentos estão sendo feitos como parte da tese de doutorado do mesmo autor.
Referências Bibliográficas
ROSAS, M. A. P. Análise de dutos com perda de espessura reparados com multicamadas metálicas coladas. Rio de Janeiro, 2006, 159 p. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Pontifície Universidade Católica, PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2006.
Bibliografia
ROSAS, M. A. P.; VIEIRA, R. D.; FREIRE, J. L. F. Measuring the remaining strength factor of a steel-adhesive-repair system. In: ASME INTERNATIONAL PIPELINE CONFERENCE, 6., 2006, Calgary, Alberta, Canada. Proceedings of the... New York: American Society of Mechanical Engineers, 2006. v. 1. p. 831-843. IPC2006-10533.
ROSAS, M. A. P.; VIEIRA, R. D.; FREIRE, J. L. F. Use of small-scale pipeline specimens to test a steel-adhesive repair system. Experimental Techniques, Malden, v. 31, n. 6, Nov./Dec. 2007, p. 64-72.
Autores
Marco Antonio Pérez Rosas formou-se em Engenha-ria Mecânica pela Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa (UNSA) no Peru em 2002. Obteve Mestrado em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), em 2005, na área de Mecânica Apli-cada. Também pela PUC-Rio está cursando Doutorado em Engenharia Mecânica, com término previsto para 2009, na área de Mecânica Aplicada orientada ao estudo da integrida-de estrutural integrida-de dutos. É o vencedor do Prêmio Petrobras integrida-de Tecnologia 2004 na área de transporte de petróleo e deriva-dos com o trabalho: “Análise do desempenho de um reparo em duto corroído utilizando multicamadas metálicas coladas”.
Marco Antonio Pérez Rosas
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio)Departamento de Mecânica Aplicada Aluno de doutorado
e-mail: marcop@aluno.puc-rio.br
Ronaldo Domingues Vieira possui curso técnico em Mecânica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (Cefet-RJ) em 1973. Graduou-se em Engenharia Mecânica pela Universidade Gama Filho em 1978 e Mestrado em Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Ja-neiro (PUC-Rio) em 1981. Professor convidado na FH-Muni-que em 1989. Tem experiência na área de Engenharia Me-cânica, com ênfase em Análise de Tensões, atuando princi-palmente nos seguintes temas: Engenharia Mecânica, Aná-lise de Tensões, Integridade Estrutural e AnáAná-lise de Falha.
Ronaldo Domingues Vieira
Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (Cefet) Departamento de Ensino Superior Departamento de Engenharia Mecânica e-mail: rdvieira@puc-rio.brJosé Luiz de França Freire graduou-se em Engenha-ria Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) em 1972. Concluiu Mestrado em Enge-nharia Mecânica pela mesma universidade em 1975 e Douto-rado em Engenharia Mecânica pelo Iowa State University of Science & Technology, USA em 1979. Atualmente, é profes-sor da PUC-Rio. É membro da Comissão de Inspeção de Equi-pamentos do Instituto Brasileiro do Petróleo, Gás e Biocombustíveis e da Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas. É Past-President da Society for Experi-mental Mechanics, Connecticut, EUA. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica com ênfase em Mecânica dos Sóli-dos, atuando principalmente nos seguintes temas: Análise Experimental de Tensões e Integridade Estrutural.
José Luiz de França Freire
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio)Departamento de Engenharia Mecânica e-mail: jlfreire@puc-rio.br
