REPARO DE TUBULAÇÕES METÁLICAS COM VAZAMENTO DE ÓLEO
POR MEIO DE MATERIAIS COMPÓSITOS
Valber Azevedo Perrut, vperrut@petrobras.com.br1
Luiz Daniel Montenegro Lana, luiz.lana@petrobras.com.br2
Ana Lúcia Fampa Seabra D’Almeida, anafampa@petrobras.com.br3
Heraldo da Costa Mattos, heraldo@mec.uff.br4
João M. Laredo dos Reis, jreis@id.uff.br5
George Silva, george.silva@tecnofink.com6
1,2,3Centro de Pesquisas da Petrobras, Av. Horácio de Macedo 950 – Cidade Universitária, Rio de Janeiro-RJ 4,5Universidade Federal Fluminense, Rua Passo da Pátria 156 Bl E Sl 216, Niterói-RJ
6
Tecnofink, Rua Santa Lúcia 40, Belo Horizonte-MG
Resumo: O uso de materiais compósitos utilizados como reparo estrutural de tubulações metálicas tem sido
amplamente utilizado na indústria do petróleo. Inicialmente, este material foi aplicado em reparo de tubulações com perda de espessura. Atualmente uma nova metodologia de reparo de tubulações que apresentam vazamento através de furos tem sido desenvolvida. Este trabalho teve como objetivo avaliar uma resina de cura rápida a fim de promover a estanqueidade do vazamento de óleo, como também investigar a laminação da tubulação metálica com manta de material compósito de forma a restaurar a integridade estrutural da tubulação. Para qualificação do novo sistema de reparo foram realizados 12 testes hidrostáticos de acordo com os preceitos das normas ISO 24817(2006) e ASME PCC-2 (2006). Os testes indicaram que é possível reparar tubulações com vazamentos de óleo em furos de até 25mm de diâmetro.
Palavras-chave: compósito, reparo, vazamento
1. INTRODUÇÃO
O uso de materiais compósitos aplicados como reparo de tubulações metálicas tem sido amplamente utilizados na indústria do petróleo. Duel et al. (2008), mostra que reparos de material compósito são, em média, 24% mais econômicos que um reparo de dupla calha soldada e 73% mais econômicos que a substituição da seção danificada. As fibras freqüentemente utilizadas em compostos para reparos são: fibra de vidro, fibra de carbono e fibra de aramida. A matriz polimérica juntamente com as fibras formam o material compósito que pode ser de poliéster, vinil-ester e epóxi, sendo que esta última é a mais utilizada. Chris Alexander (2006) mostra que o laminado de material compósito atua de forma estrutural, uma vez que as tensões circunferenciais do tubo metálico são transferidas para o material compósito por meio do cisalhamento da interface colada entre o compósito e o metal.
Este trabalho teve como objetivo avaliar um material compósito utilizado no reparo de tubulações metálicas furadas com vazamento de óleo. Este produto é um material compósito constituído de fibra de vidro impregnado com resina de poliuretano hidroativada e resina epóxi utilizada para estanqueidade do vazamento de óleo.
O reparo de tubos com material compósito consiste em envolver o tubo com mantas de material polimérico reforçados por fibras orientadas com objetivo de restabelecer a integridade estrutural da tubulação com defeito. Inicialmente foram realizados testes de caracterização das propriedades mecânicas. Em seguida, tubos furados e com vazamento foram reparados com material compósito e resina epóxi. Posteriormente, espécimes tubulares foram submetidos a testes de ruptura e hidrostáticos de médio prazo durante um período de 1000 horas. Os ensaios foram baseados nas normas ISO 24817 (2006) e ASME PCC2 (2006). Este tipo de reparo está inserido nas normas internacionais ASME B 31.4 (2012) para oleodutos e ASME B 31.8 (2012) para gasodutos e também em normas nacionais da Petrobras N-2737 (2012) para oleodutos e gasodutos terrestres e N-2727 (2013) para submarinos.
2. METODOLOGIA DE TRABALHO
A metodologia de projeto de reparo de tubos com defeitos transpassantes por meio de mantas de materiais compósitos é baseada no critério de falha por delaminação entre o compósito e o substrato tubular metálico e o cálculo da propriedade que define este critério, denominada “taxa de liberação de energia”, representada pela letra grega gama
VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
necessária para causar a falha do reparo por descolamento.
O estudo concentrou-se na realização de ensaios experimentais em corpos de provas planos para identificação das propriedades mecânicas e em espécimes tubulares com furos e vazamento de óleo para os testes de ruptura e hidrostáticos.
O ensaio para determinação da taxa de liberação de energia, γ, requer a confecção de reparos em pelo menos 9 tubos contendo furos com diâmetros de 10, 15 e 25mm, preparando-se 3 tubos para cada diâmetro de furo. Para a realização dos ensaios de média duração (1000 horas), foram confeccionados 3 tubos contendo furo de 25mm de diâmetro. As tubulações utilizadas são de aço carbono API 5L Gr B com diâmetro nominal de 6” e 600mm de comprimento axial.
Os tubos furados e com vazamento de óleo foram inicialmente reparados através da estanqueidade promovida pela resina epóxi e em seguida os corpos de prova foram reforçados com as mantas de material compósito. Após o reparo, os espécimes foram submetidos à pressão interna por meio de água. A pressão de falha desse sistema de reparo permite determinar a tenacidade na interface medida pela taxa de liberação da energia.
Luiz C.M. Meniconi et al (2009) mostra que a preparação de superfície influencia na taxa de liberação de energia e no comportamento a longo prazo obtendo valores mais elevados quando se utiliza jateamento em relação ao lixamento manual.
2.1. Procedimento de Reparo
O procedimento de reparo utilizado no processo de qualificação constituiu-se das etapas de preparação de superfície com uma máquina portátil; promoção da estanqueidade do vazamento de óleo com resina epóxi; aplicação de adesivo regularizador de superfície e laminação do material compósito. Os materiais utilizados para os reparos podem ser visualizados na Fig. 1.
Figura 1. Materiais utilizados para o reparo de tubos metálicos com furo com vazamento de óleo.
2.1.1. Preparação de Superfície
O procedimento de preparação de superfície inicia-se por meio do lixamento da região ao redor do furo realizado com a máquina manual elétrica ou pneumática. A preparação de superfície deverá ser realizada sobre o óleo, caso o vazamento não possa ser interrompido, conforme mostrado na Fig. 2. Limaverd et al (2008) mostra que a preparação de superfície é de fundamental importância na obtenção de boas propriedades de adesão entre aço e resina epóxi.
Máquina preparadora de superfície Resina epóxi Adesivo regularizador de superfície Material compósito embalado a vácuo
VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
Figura 2. Preparação de superfície sobre a superfície metálica com vazamento de óleo.
2.1.2. Estanqueidade por meio da Colagem de Resina Epóxi
A estanqueidade do vazamento de óleo é realizada por meio da colagem de uma resina constituída de dois componentes: base epóxi e endurecedor de cura rápido. Inicia-se a mistura sobre uma superfície plana de maneira que ocorra uma distribuição de camada fina para que as bolhas de ar sejam eliminadas e a exotermia da reação de cura não reduza muito o tempo de manuseio. A mistura deve ser realizada de forma a se obter homogeneidade entre os componentes. Para não ultrapassar o tempo de aplicação deve-se evitar a mistura de grandes volumes e incorporar o maior volume ao menor. A região com vazamento deve receber o polímero no menor tempo possível.
Como forma de simular as condições de campo, a tubulação metálica encontrava-se com vazamento de óleo. A Figura 3 ilustra o procedimento de colagem da resina epóxi para estancar o vazamento de óleo. A Figura 3(a) mostra o tubo com vazamento de óleo e o início da aplicação do adesivo. A Figura 3(b) apresenta a segunda etapa da aplicação do adesivo no qual é exercido uma leve pressão sobre a região do furo. A Figura 3(c) mostra a região do dano após a aplicação do adesivo.
(a) (b) (c)
Figura 3. Procedimento de colagem da resina epóxi. (a) Início da aplicação do adesivo na região do
vazamento de óleo. (b)Leve pressão no adesivo sobre a região do vazamento de óleo. (c) Aspecto do adesivo após
o vazamento de óleo ser estancado.
Após o vazamento de óleo ser estancado, uma chapa metálica foi colada para aumentar a rigidez da região danificada. A dimensão da chapa de aço a ser colada deve ser de no mínimo quatro vezes o diâmetro do furo. Para a colagem, a chapa é levemente pressionada sobre a área danificada, conforme mostrado na Fig. 4. Depois do posicionamento da chapa no furo, adiciona-se mais resina de colagem em cima da chapa e em regiões adjacentes, como ilustrado na Fig. 5. Este procedimento é realizado para eliminação de cantos vivos que podem danificar o laminado. Deve-se friccionar o produto em todas as direções para que seja obtida uma boa ancoragem. H.S. da Costa-Mattos et al (2009) mostra que a rigidez também pode ser elevada por meio da introdução de dispositivo interno na região com furo.
Figura 4. Colagem da chapa metálica Figura 5. Aplicação de adesivo sobre a chapa metálica
Vazamento de óleo Máquina preparadora de superfície Furo ø 25mm
VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
Após colagem da chapa metálica na região do furo, outra resina com função de regularizar a superfície é aplicada em toda região onde será feito o processo de laminação do material compósito, como mostra a Fig. 6.
Figura 6. Aplicação da resina de regularização de superfície.
Em seguida, tem-se a laminação da manta de material compósito, como mostrado na Figura 7. Inicia-se este processo pela retirada do produto de sua embalagem a vácuo e subseqüente introdução do compósito em recipiente com água durante dez segundos, conforme mostram as Figuras 7(a) e 7(b). O produto deve ser enrolado em torno da tubulação no trecho escolhido para reforço estrutural o mais firme possível por meio do tracionamento do tecido, ilustrado na Figura 7(c). Aplica-se todo o rolo em sobrepasse de 50% da largura de uma volta para a outra. Ao final, coloca-se um filme de plástico para dar acabamento, podendo ser removido após a cura completa, conforme mostrado na Figura 7(d). Todo o procedimento de reparo, desde o início do vazamento, durou cerca de duas horas. Este tempo reduzido foi fundamental, pois reduz as perdas de produção e evita-se o derramamento de óleo.
(a) (b) (c) (d)
Figura 7. Procedimento de laminação do material compósito. (a) Material compósito embalado a vácuo. (b) Inserção do compósito em recipiente com água. (c) Laminação do tecido de compósito. (d) Instalação de filme
plástico.
3. DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
As propriedades mecânicas do material compósito foram obtidas por meio de corpos de prova retirados de placas planas laminadas, através do método ASTM D 3039 (2008), conforme prescrevem os documentos ISO 24817 (2006) e ASME PCC2 (2006). A tabela 1 apresenta os resultados dos ensaios de tração.
Tabela 1 – Propriedades mecâanicas do material compósito.
Propriedades do Material Compósito
Modulo de Elasticidade Circunferencial (GPa) 6,7 ± 0,46 Modulo de Elasticidade Axial (GPa) 3,35 ± 0,23
Módulo de Cisalhamento (GPa) 4,54 ± 0,46 Tensão de Ruptura (MPa) 99 ± 6,5 Deformação na ruptura (%) 1,9 ± 0,2 Coeficiente de Poisson 0,26 ± 0,1
VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
4. TAXA DE LIBERAÇÃO DE ENERGIA
A taxa de liberação de energia (γ), também denominada tenacidade à fratura, é definida como uma propriedade do sistema colado compósito/tubo que define a quantidade de energia necessária para causar a falha do reparo por descolamento. A determinação deste parâmetro é fundamental para o projeto do reparo.
A taxa de liberação de energia foi calculada de acordo com a metodologia das normas ISO 24817 (2006) e ASME PCC2 (2006). Para a determinação deste parâmetro foram utilizados 9 corpos de prova tubulares de material API 5L Gr B, de diâmetro nominal 6” e espessura de 11mm, nos quais foram usinados furos de 10, 15 e 25mm de diâmetro. Os espécimes foram reparados por mantas de materiais compósitos e submetidos à pressão interna até a falha, conforme procedimento descrito no item 2.1. A taxa de liberação de energia deve ser calculada de acordo com a Eq. (1), onde pi é
a pressão de ruptura em MPa para um determinado ensaio i. A(di) é função de tamanho do defeito e das propriedades do
reparo para um determinado ensaio i. A(di) pode ser determinado de acordo com a Eq. (2).
2
)
(
=
i i id
A
p
γ
(1)
+
+
−
=
2 4 3 264
3
1
512
3
)
1
(
001
,
0
)
(
i i i i i ac id
Gt
d
d
t
E
d
A
π
ν
(2)Eac - módulo de elasticidade combinado à tração do material compósito (Ea.Ec)1/2 (MPa), sendo Ea o módulo de
elasticidade no sentido axial e Ec o módulo de elasticidade no sentido circunferencial.
G - módulo de elasticidade ao cisalhamento do material compósito (MPa),
ν é o coeficiente de poisson do material compósito,
di é o diâmetro de defeito (mm), ti é a espessura do reparo (mm).
O valor inferior de confiança da taxa de liberação de energia (γLCL) é calculado de acordo com a Eq. (3), onde σ é a
variância da medida da pressão dada pela Eq. 4. O termo tv é o valor do limite inferior do limite de confiança a 95%
numa distribuição t-student e n é o número de ensaios realizados.
2 2 1 2 1 1
)
(
1
)
(
)
(
−
=
∑
∑
∑
= = = n i i v n i i i n i i LCLd
A
t
d
A
p
d
A
σ
γ
(3)(
)
)
2
(
)
(
1 2−
−
=
∑
=n
d
A
p
n i mean i iγ
σ
(4) A Figura 8 apresenta o momento de falha em um dos ensaios. A ruptura deu-se como esperado, ou seja, com descolamento entre a luva de reforço e o tubo metálico, ocorrendo vazamento nas bordas da luva, sem rompimento das fibras.VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
Figura 8. Falha após teste de ruptura.
Na Tabela 2 estão apresentados os resultados dos testes de ruptura e os valores de tenacidade à fratura.
Tabela 2 – Resultados dos testes de ruptura e valores de tenacidade à fratura
Corpo de Prova Diâmetro do furo (mm) Espessura do reparo de compósito (mm) Pressão de falha (MPa) A(di) (J/m2) 1 10 7,2 28,3 1,12 640,7 2 10 6,7 28,8 1,11 678,6 3 10 5,7 25,8 1,07 578,5 4 15 6,4 16,5 0,81 414,9 5 15 6,4 11,8 0,81 212,2 6 15 8,7 12,6 0,88 205,5 7 25 6,4 21,4 0,48 1963,8 8 25 6,4 19,5 0,48 1630,5 9 25 7,9 16,6 0,55 907,5 γmean 565,5 C.V. 6,72 γLCL 278,5
O valor da taxa de liberação de energia com limite de confiança de 95% (γLCL) é 278,5 J/m2. Esse valor deve ser
utilizado para o dimensionamento de reparos em tubulações metálicas com vazamento de óleo. O valor médio da taxa de liberação de energia (γmean) é 565,5 J/m
2
.
Os resultados apresentados na Tabela 2 podem ser melhor visualizados quando comparados com as curvas de projeto e as curvas médias, conforme mostrado na Fig. 9. As curvas de projeto foram obtidas por meio da Eq. (1), na qual se utiliza a taxa de liberação de energia com limite de confiança inferior de 95% (γLCL,) e são considerados os
fatores de segurança relacionados à temperatura e ao tempo de projeto do reparo. As curvas médias foram obtidas levando-se em consideração os valores de taxa de liberação de energia médios obtidos experimentalmente.
Figura 9. Comparação entre a curva de projeto, curva média e valores experimentais Curva de Projeto e Média do Material Compósito
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 Diâmetro do defeito (mm) P re ss ão ( M P a) Curva de Projeto - LCL Dados Experimentais Curva Média
VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
Pode-se observar na Fig. 9 que o diâmetro do defeito exerce uma grande influência na pressão de projeto. À medida que o diâmetro do defeito aumenta, a pressão de projeto diminui sensivelmente. Para diâmetros de defeito pequenos têm-se pressões de projetos bastante elevadas.
Após os ensaios para determinação da taxa de liberação de energiaforam iniciados os testes de média duração (1000 horas) conforme prescreve o anexo E do documento ISO 24817 (2006). Para isto, foram utilizados três espécimes tubulares metálicos com furo de 25mm e reparados por material compósito com espessuras de 7,0; 7,0 e 7,1mm mantidos com pressão interna de 3 MPa. A pressão foi monitorada por meio de manômetros de pressão acoplados a entrada de pressão hidrostática, conforme mostra a Fig. 10. Os três tubos não apresentaram falha durante o período de 1000 horas.
Figura 10. Tubos pressurizados durante teste de 1000 horas.
5. CONCLUSÕES
O sistema de reparo realizado com o material compósito e o adesivo à base de resina epóxi mostrou-se eficiente para estancar vazamentos de óleo em tubulações da indústria petrolífera e restabelecer a integridade estrutural.
A introdução de chapa metálica mostrou-se efeciente para aumentar a rigidez na região do vazamento.
O tempo de realização de todo o procedimento de reparo (cerca de duas horas) é de fundamental importância, pois evitar-se-á perdas de produção e derramamento de óleo, garantindo a continuidade operacional.
6. REFERÊNCIAS
ASME PCC-2, 2006, “Repair of Pressure Equipment and Piping”.
ASME B31.4, 2012, “Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries” ASME B31.8, 2012, “Gas Transmission and Distribution Piping Systems”
ASTM D 3039, 2008 “Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials”
DUEL, J., WILSON, J., KESSLER, M., 2008, “Analysis of a Carbon Composite Overwrap Pipeline Repair System”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 85, pp. 782-788.
Chris Alexander and Bob Francini, 2006, “State of the art assessment of Composite Systems Repair Used to Repair Transmission Pipelines”, Proceedings of IPC2006 6th International Pipeline Conference, Calgary, Alberta, Canada. H.S. da Costa-Mattos a,*, J.M.L. Reis a, R.F. Sampaio a, V.A. Perrut, 2009, “An alternative methodology to repair localized corrosion damage in metallic pipelines with epoxy resins”, Materials and Design, Vol. 30, pp. 3581– 3591.
International Standars Organization ISO/TS 24817, 2006 “Petroleum, petrochemical and natural gas industries – Composite repairs for pipework – Qualification and design, installation, testing and inspection.
Limaverde, A. M ; Sampaio, E. M. ; Silva, A. H. M. F. T. ; Barcia, F. L., 2008, “Estudo Da Influência De Diferentes Tratamentos Superficiais na Resistência Mecânica de Juntas de Aço Carbono Coladas com Adesivo Epóxi.. In: 18 Cbecimat, Porto De Galinhas - Pe. Anais Do 18 Cbecimat.
Luiz C.M. Meniconi, Valber A. Perrut, 2009, “Composite Repairs Qualification According to ISO/TS 24817”, Rio Pipeline Conference
Petrobras N-2727, 2013, “Manutenção de Dutos Rígidos Submarinos” Petrobras N-2737, 2012, “Manutenção de Oleoduto e Gasoduto Terrestre”
7. RESPONSABILIDADE AUTORAL
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.
VERSÃO
PRELIMINAR.
OS
ANAIS
DEFINITIVOS
SERÃO
PUBLICADOS
APÓS
O
EVENTO.
REPAIR OF METALLIC PIPE WITH OIL LEAKING BY MEANS OF
COMPOSITE MATERIALS
Valber Azevedo Perrut, vperrut@petrobras.com.br1
Luiz Daniel Montenegro Lana, luiz.lana@petrobras.com.br2
Ana Lúcia Fampa Seabra D’Almeida, anafampa@petrobras.com.br3
Heraldo da costa Mattos, heraldo@mec.uff.br4
João M. Laredo dos Reis, jreis@id.uff.br5
George Silva, george.silva@tecnofink.com6
1,2,3Centro de Pesquisas da Petrobras, Av. Horácio de Macedo 950 – Cidade Universitária, Rio de Janeiro-RJ 4,5Universidade Federal Fluminense, Rua Passo da Pátria 156 Bl E Sl 216, Niterói-RJ
6
Tecnofink, Rua Santa Lúcia 40, Belo Horizonte-MG
Abstract. The use of composite materials as a structural repair in metallic pipes has been widely used in the petroleum industry. In the beginning, this kind of material was used to repair pipes with loss thickness. This work aims to evaluate the use of composite material to repair pipe with oil leaking. A new methodology was developed to repair this type of defect. An epoxy resin with fast cure was tested to stop the oil leaking. Then, layers of composite material were wrapped in the metallic pipe to restore the structural integrity. To qualify this new repair system, 12 tubular specimens were subjected to hydrostatic, which were done according to ISO 24817 (2006) and ASME PCC-2 (2006). The tests results indicated that is possible to repair leaking into holes up to 25 mm diameter.
Keywords: composite, repair, leaking
