Análise de Linhas Flexíveis Sob o Efeito de Cargas Térmicas [Rio de Janeiro] 2006
XII, 153 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Civil, 2006)
Dissertação – Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE
1. Linhas Flexíveis 2. Cargas Térmicas 3. Elementos Finitos
A minha mãe, Maria José. Ao meu marido, George.
Ao meu orientador, professor Gilberto Bruno Ellwanger, pela amizade, presteza e incentivo, não apenas na orientação desta dissertação, mas ao longo dos três anos de convívio desde a graduação.
Ao professor José Renato Mendes de Sousa pela amizade, pelo exemplo profissional e pelas valiosas orientações e ensinamentos tanto no decorrer desta dissertação, quanto ao longo dos três anos de trabalho no LACEO.
Ao engenheiro George Carneiro Campello, CENPES/PETROBRAS, pela presteza e pela grande contribuição na elaboração do modelo térmico.
Ao professor Marcos Lopes Dias, IMA-UFRJ, pelas preciosas informações sobre polímeros.
A todos do LACEO, em especial ao engenheiro Fernando Jorge Mendes de Sousa pela amizade e pelas orientações na utilização do ANFLEX.
Aos engenheiros e amigos do curso de formação de Terminais e Dutos da TRANSPETRO pelo apoio e pelo fundamental incentivo na reta final deste trabalho. Em especial, ao engenheiro Anderson Pacheco, pelo auxílio na utilização do SOLIDWORKS, aos engenheiros Luciano Amaury dos Santos e Gerson Bridi pelos esclarecimentos na área de Transferência de Calor e ao engenheiro Ikaro dos Reis Riva pelas contribuições na utilização do ANFLEX.
Ao CNPq pelo suporte financeiro.
A minha mãe, Maria José, pelo amor incondicional, pelas orações, pelos valiosos conselhos, pelo constante incentivo, por nunca ter medido esforços para me dar a melhor educação possível e por ter me ensinado a nunca desistir dos meus objetivos. A você todo o meu amor e toda a minha gratidão, sempre.
profissional.
Ao meu marido, George, pelo grande amor, pela compreensão, pelas orações e por sempre estar ao meu lado me apoiando e me incentivando. Agradeço ainda pelo precioso auxílio na execução dos gráficos e figuras e pelos valiosos conselhos para a conclusão desta dissertação. A você todo o meu amor e a minha admiração.
Aos meus irmãos, Marcos, Barbara e Brian, por todo o amor e apoio.
Aos meus familiares e amigos por todo apoio e incentivo para a conclusão deste trabalho.
A Deus que, como sempre, me fortaleceu e me motivou nos momentos mais difíceis dessa jornada, me capacitando para chegar até aqui. Não há palavras capazes de expressar minha gratidão a Ele por este momento. “Porque dEle, e por meio dEle, e
para Ele são todas as coisas. A Ele, pois, a glória eternamente. Amém!”(Romanos
para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ANÁLISE DE LINHAS FLEXÍVEIS SOB O EFEITO O DE CARGAS TÉRMICAS
Renata Nunes Ramos dos Santos
Dezembro/2006
Orientador: Gilberto Bruno Ellwanger
Programa: Engenharia Civil
Linhas flexíveis são estruturas compostas por diversas camadas estruturais de materiais metálicos e poliméricos utilizadas para o transporte de diversos fluidos da indústria de petróleo, especialmente da produção de óleo no mar (offshore). Como a temperatura dos fluidos transportados é elevada e a temperatura da água do mar em grandes profundidades é baixa, surgem gradientes de temperatura na direção radial da linha. Esse carregamento térmico modifica as propriedades das camadas poliméricas e, conseqüentemente, altera as propriedades mecânicas e o comportamento estrutural de toda a linha flexível.
O objetivo deste trabalho é desenvolver uma metodologia para avaliar o efeito das cargas térmicas na resposta estrutural de linhas flexíveis empregando modelos baseados no método dos elementos finitos. Um procedimento analítico é proposto para determinar a temperatura através das camadas da linha flexível, assim como a temperatura do fluido ao longo desta linha. Esta distribuição de temperaturas através das camadas da linha será também determinada por meio de um modelo térmico baseado no método dos elementos finitos.
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
ANALYSIS OF FLEXIBLE PIPES UNDER THERMAL LOADS EFFECT
Renata Nunes Ramos dos Santos
December/2006
Advisor: Gilberto Bruno Ellwanger
Department: Civil Engineering
Flexible pipes are structures made up of steel and polymeric structural layers that are used to transport several fluids of the oil industry, mainly in offshore oil production. As the temperature of the transported fluids is usually high and the temperature of deep sea water is low, thermal gradients arise along the pipe radial direction. Such thermal loading modifies the properties of the polymeric layers, which consequently alters the mechanical properties and structural behavior of the entire flexible pipe.
The purpose of this work is to develop a methodology to evaluate the effect of thermal loads on the structural response of flexible pipes, using finite element models. An analytical procedure is proposed, for determining the temperature throughout the layers of the flexible pipe, as well as the fluid temperature along this pipe. This distribution of temperatures throughout the pipe layers will also be determined using a thermal finite element model.
CAPÍTULO I INTRODUÇÃO
I.1. ASPECTOS GERAIS ... 1
I.2. MOTIVAÇÃO E OBJETIVO ... 2
I.2.1. Garantia de escoamento ... 3
I.2.2. Garantia da integridade estrutural ... 8
I.3. DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS ... 10
CAPÍTULO II DESCRIÇÃO DE UMA LINHA FLEXÍVEL II.1. INTRODUÇÃO ... 11
II.2. LINHA FLEXÍVEL DE CAMADAS NÃO-ADERENTES ... 12
II.3. CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS CAMADAS DE UMA LINHA FLEXÍVEL DE CAMADAS NÃO-ADERENTES ... 13
II.3.1. Camadas metálicas ... 13
II.3.1.1 Carcaça intertravada ... 13
II.3.1.2 Armadura de pressão ... 15
II.3.1.3 Camada de reforço à pressão... 17
II.3.1.4 Armaduras de tração ... 17
II.3.2. Camadas poliméricas ... 19
II.3.2.1 Introdução ... 19
II.3.2.4. Características dos polímeros utilizados em linhas flexíveis de
camadas não-aderentes ... 30
II.3.2.5 Principais camadas poliméricas de linhas flexíveis ... 32
II.4. MATERIAIS UTILIZADOS PARA O ISOLAMENTO TÉRMICO DE DUTOS ... 37
II.4.1. Dutos terrestres ... 37
II.4.2. Dutos submarinos ... 38
II.5. TIPOS DE LINHAS FLEXÍVEIS DE CAMADAS NÃO-ADERENTES ... 41
II.5.1. Configurações típicas de linhas flexíveis ... 41
II.5.2. Novas Concepções para linhas flexíveis ... 42
CAPÍTULO III PRINCÍPIOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR III.1. INTRODUÇÃO ... 44
III.2. MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 44
III.2.1. Condução ... 44
III.2.2. Convecção ... 46
III.2.3. Radiação ... 49
III.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM SÓLIDOS COM GEOMETRIA CILÍNDRICA ... 50
III.3.1. Transferência de calor por condução em sólidos com geometria cilíndrica ... 50
III.3.2. Transferência de calor por convecção em sólidos com geometria cilíndrica ... 53
III.4. TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM TUBOS MULTICAMADAS ... 53
III.4.1. Balanço de energia ... 55
III.4.2. Cálculo dos coeficientes de transferência de calor por convecção ... 58
III.4.2.1 Cálculo do número de Nusselt para escoamento interno ... 59
III.4.2.2 Cálculo do número de Nusselt para escoamento externo ... 61
III.4.3. Determinação da transferência total de calor, da temperatura de saída e da distribuição de temperaturas ao longo das camadas da tubulação 64 CAPÍTULO IV ANÁLISE TÉRMICA DE LINHAS FLEXÍVEIS IV.1. INTRODUÇÃO ... 66
IV.2. O PROBLEMA TÉRMICO ... 66
IV.3. PROGRAMA TRANSCAL ... 70
IV.3.1. Trecho Horizontal ... 70
IV.3.2. Trecho vertical ... 73
IV.4. APLICAÇÃO ... 75
IV.4.1. Análise do número de elementos a ser utilizado no trecho vertical do riser ... 78
IV.4.2. Análise da transferência de calor no escoamento interno ... 80
IV.4.3. Análise da transferência de calor no escoamento externo ... 85
IV.4.4. Análise da transferência de calor – escoamentos interno e externo .... 89
IV.4.5 Análise dos efeitos da transferência de calor em função de variação nas características da linha flexível e dos fluidos interno e externo ... 91
IV.5.1. Aplicação ... 98
IV.5.1.1. Modelagem tridimensional da linha flexível ... 100
IV.5.1.2. Dificuldades encontradas na modelagem tridimensional da linha flexível ... 101
IV.5.1.3. Características gerais do modelo ... 111
IV.5.1.3.1. Malha de elementos finitos ... 111
IV.5.1.3.2. Elementos utilizados ... 112
IV.5.1.3.3. Solução ... 114
CAPÍTULO V ANÁLISE ESTRUTURAL DE LINHAS FLEXÍVEIS SOB O EFEITO DE CARGAS TÉRMICAS V.1. INTRODUÇÃO ... 118
V.2. ANÁLISE GLOBAL E ANÁLISE LOCAL ... 118
V.3. DETERMINAÇÃO DA RESPOSTA ESTRUTURAL ... 121
V.4. MODELO ESTRUTURAL PARA ANÁLISE LOCAL ... 122
V.5. APLICAÇÃO ... 123
V.5.1 Análise térmica ... 123
V.5.2. Análise estrutural ... 131
V.5.2.1. Cálculo do módulo de Young das camadas poliméricas ... 131
V.5.2.2. Análise local para o cálculo das rigidezes em função da temperatura ... 135 V.5.2.3. Análise global para a determinação dos esforços ... 137
V.5.2.4.2. Análise de flexão ... 140
V.5.2.5. Determinação dos esforços, tensões e deformações – Novo caso de carregamento...
141
CAPÍTULO VI
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
VI.1. CONCLUSÕES ... 145
VI.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 147
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO
I.1. ASPECTOS GERAIS
O ano de 2006 é, sem dúvida, um ano histórico para a produção de petróleo brasileira. No mês de abril deste ano, com o início da operação da plataforma P-50 da PETROBRAS, no campo de Albacora Leste, na Bacia de Campos, foi alcançada a auto-suficiência na produção de petróleo. Somada à produção da P-50, a produção média de petróleo do país alcançará 1,910 milhões de barris de petróleo por dia ao final do ano 2006, ao passo que o consumo nacional médio será, neste mesmo período, de cerca de 1,85 milhões de barris por dia.
Esta produção maior que o consumo não significa que o Brasil irá parar definitivamente de importar petróleo, pois a maioria das refinarias em atividade no país ainda não está preparada para produzir todos os derivados necessários ao consumo interno, devido à densidade do petróleo nacional ser, em média, alta e estas refinarias terem sido projetadas para o processamento de petróleos de menor densidade. Contudo, a auto-suficiência coloca o Brasil em uma situação privilegiada, retirando-o da condição de altamente dependente do petróleo importado, como antes, e tornando-o menos vulnerável às oscilações do mercado internacional.
Esta conquista deve-se, principalmente, à explotação (produção economicamente viável) de campos em águas profundas. As reservas nacionais provadas de petróleo ultrapassam 11 bilhões de barris, sendo que 92,5% do total dessas reservas se localizam no mar. Com relação ao gás natural, a situação é similar. Do total das reservas provadas nacionais, que ultrapassa os 300 bilhões de metros cúbicos, mais de 76,5% se concentra no mar (ANP, 2006).
Essa necessidade de explotação em profundidades cada vez maiores tem motivado a indústria petrolífera a desenvolver tecnologias mais avançadas para vencer os desafios impostos pelas grandes profundidades.
I.2. MOTIVAÇÃO E OBJETIVO
Dentre os desafios gerados pela explotação em águas cada vez mais profundas estão os problemas relacionados às altas pressões e às altas temperaturas (em inglês, High
Pressure and High Temperatures – HPHT) (Tabela I.1). À medida que se avança para
profundidades maiores, encontram-se temperaturas e pressões cada vez maiores (em média, há o aumento de 1ºC para cada 30m de profundidade), especialmente nos campos de gás, o que dificulta a garantia da integridade estrutural das linhas utilizadas para a condução dos fluidos produzidos.
Tabela I.1 – Limites de temperaturas (2H Offshore, 2003).
Descrição das temperaturas Temperatura (ºC)
Temperaturas típicas de produção 40 - 80
Temperaturas altas 80 -100
Temperaturas muito altas Acima de 100
Atualmente, em palestras sobre o tema, tem-se falado em valores limites da ordem de 10000 psi para a pressão e 350ºF (176,67ºC) para a temperatura. Pressões e temperaturas acima desses valores já se enquadrariam na descrição HPHT. Neste trabalho serão abordados os aspectos relativos às altas temperaturas.
Outro problema também relacionado às grandes profundidades e à temperatura é a perda de calor ao longo do escoamento do fluido na linha, pois, no caso de produção em águas profundas, o fluido produzido sai do poço a uma temperatura elevada, bastante superior a da água do mar, sendo conduzido desde o poço até o sistema flutuante de produção por meio de dutos submersos. Surge, então, um importante gradiente de temperatura na direção radial da linha e o fluido passa a perder calor para o meio externo, o que, conseqüentemente, causa a diminuição de sua temperatura. Essa redução de temperatura pode gerar problemas no escoamento deste fluido.
Caso ocorra parada de produção, a temperatura do fluido em repouso no tubo tenderá a igualar-se à temperatura do meio externo com o decorrer do tempo, atingindo
temperaturas ainda mais baixas do que aquelas atingidas ao longo do escoamento e dificultando ainda mais a garantia do escoamento.
A garantia de escoamento e a garantia da integridade estrutural dos dutos submarinos são abordadas nos itens a seguir.
I.2.1. Garantia de escoamento
A redução da temperatura do fluido produzido pode gerar diversos problemas, como, por exemplo, a deposição de parafinas, a formação de hidratos em poço, equipamentos, linhas estáticas ou flowlines (dutos assentados no fundo do mar que conduzem óleo e/ou gás ou, ainda, servem para injetar água no poço produtor) e linhas dinâmicas ou risers (dutos que ligam as linhas estáticas ao sistema flutuante de produção), o aumento da viscosidade do fluido escoado e a formação de emulsões (JIAN, 2000, JIAN, 2003).
A parafina é uma substância que ocorre naturalmente na maioria dos óleos crus e dependendo de suas características pode ser problemática. Sua formação está associada à existência de condições que são comuns em dutos submarinos: baixa temperatura, alta pressão e presença de água e gás natural.
A parafina formada se deposita nas paredes da linha e tende a reter água, areia e petróleo formando depósitos de consistência, dureza e densidade variáveis, obstruindo a seção do duto (Figura I.1) e gerando diversos prejuízos.
Figura I.1 – Deposição de parafina nas paredes de um duto.
Os hidratos são sólidos cristalizados, de aparência semelhante ao gelo, formados por moléculas de gás natural, gás sulfídrico ou dióxido de carbono em contato com a água. A ocorrência em linhas de produção está sempre associada ao aumento da pressão e à redução da temperatura (Figura I.2) e pode causar a obstrução parcial ou total de um duto submarino (Figura I.3).
Figura I.3 – Obstrução de linha por formação de hidrato.
A água é um componente presente naturalmente na maioria das produções de óleo e gás. Portanto, a menos que a água seja completamente removida, a possibilidade de formação de hidratos estará sempre presente.
Além disso, com o aumento das profundidades de produção, as condições de temperatura e pressão passaram a favorecer o aparecimento tanto dos hidratos quanto das parafinas, o que envolve um grande risco econômico e ambiental, justificando o investimento em técnicas de prevenção.
A redução da temperatura ao longo do escoamento em um duto também provoca o aumento da viscosidade do fluido escoado, o que pode dificultar o fluxo exigindo maior potência de bombeio ou causando a diminuição da vazão.
Outro problema relacionado à redução da temperatura é a eficácia do processo de separação de emulsões. Uma emulsão óleo em água é formada por minúsculos glóbulos de óleo distribuídos na água. Para condicionar o óleo a fim de enviá-lo para uma refinaria ou um terminal ou para exportação, a água contida na emulsão deve ser removida até um baixo nível residual, que possui valores específicos para cada um desses casos. A eficácia do processo de separação, contudo, é influenciada pela temperatura. Portanto, a produção em águas profundas a baixas temperaturas combinada à perda de calor ao longo do escoamento pode causar problemas neste aspecto.
A garantia do escoamento, portanto, refere-se ao desenvolvimento e à utilização de tecnologias para a minimização dos problemas relacionados à redução da temperatura dos fluidos produzidos. Dentre algumas das tecnologias que têm sido desenvolvidas estão o sistema pipe-in-pipe, o aquecimento elétrico dos dutos submarinos e os materiais utilizados para o isolamento térmico destes dutos.
O sistema pipe-in-pipe (Figura I.4) consiste na inserção do duto de produção no interior de outro de maior diâmetro com a adição de um material isolante no espaço anular entre eles. O tubo externo tem a função de combater as pressões hidrostáticas e evitar o contato da água salgada com o isolamento, preservando assim suas propriedades térmicas. Esta técnica vem sendo aplicada em diversos campos de petróleo ao redor do mundo.
Figura I.4 – Pipe-in-pipe isolado.
Entretanto, visando à melhoria do isolamento térmico no sistema pipe-in-pipe, técnicas de aquecimento elétrico de dutos têm sido desenvolvidas e utilizadas (Figura I.5). Estas técnicas têm se mostrado como um eficiente complemento ao isolamento passivo, reduzindo as perdas de calor do fluido para o ambiente externo. JIAN et al. (2002), JIAN et
al. (2003), CERQUEIRA et al. (2004) e MOURA (2005) tratam do aquecimento elétrico de
Figura I.5 – Pipe-in-pipe aquecido eletricamente.
A Figura I.6 ilustra, para o caso de parada de produção, a queda de temperatura em um duto isolado pelo sistema pipe-in-pipe e outro com o mesmo sistema de isolamento complementado com o aquecimento elétrico. O aquecimento elétrico estende o tempo de resfriamento no interior do duto, retardando o equilíbrio de temperatura entre este e o ambiente externo.
Figura I.6 – Queda de temperatura: desempenho do pipe-in-pipe e do pipe-in-pipe aquecido eletricamente (MOURA, 2005).
Entre os materiais utilizados para o isolamento térmico estão o poliuretano (PU), o epóxi, o polipropileno (PP) e o policloreto de vinila (PVC). Novas tecnologias de fabricação e aplicação também têm sido desenvolvidas para a melhoria das propriedades desses materiais de forma que possam isolar o duto das baixas temperaturas do fundo oceânico, reduzindo assim a perda de calor entre o fluido produzido e a água do mar.
A necessidade e o tipo de isolamento térmico a ser utilizado, contudo, depende de se conhecer as propriedades e as características do fluido produzido e da água do mar, a distância de escoamento entre o poço e o sistema flutuante de produção e as características da linha a ser utilizada para este escoamento.
I.2.2. Garantia da integridade estrutural
Dentro do contexto de explotação em grandes profundidades, as linhas flexíveis têm desempenhado um papel fundamental. Devido a vantagens tais como grande flexibilidade, pré-fabricação, capacidade de armazenamento de grandes comprimentos em carretéis, custos de instalação e transporte mais baixos e possibilidade de uso em unidades de produção altamente complacentes, a PETROBRAS emprega linhas flexíveis desde o começo da explotação da Bacia de Campos, tanto em linhas de produção e exportação de petróleo e gás quanto em linhas de injeção de água ou gás.
A linha flexível (Figura I.7) é uma estrutura composta por diversas camadas estruturais de materiais metálicos e poliméricos que, trabalhando em conjunto, provêm resistência e estanqueidade à linha, mantendo a flexibilidade necessária para conduzir diversos fluidos da indústria de petróleo e gás, principalmente, na produção de óleo no mar (offshore).
Figura I.7 – Linha flexível.
Conforme já mencionado, a diferença entre a elevada temperatura com que o óleo é produzido e a temperatura da água do mar gera um importante gradiente térmico na direção radial da linha flexível.
Esse carregamento térmico modifica as propriedades das camadas poliméricas e, deste modo, acaba por alterar as propriedades mecânicas de toda a linha flexível, modificando, assim, o seu comportamento estrutural.
O objetivo desta dissertação, portanto, é desenvolver uma metodologia para avaliar a influência das cargas térmicas na resposta estrutural de linhas flexíveis. Para esta análise estrutural, que incluirá tanto a análise global quanto a análise local, serão utilizados modelos baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF).
É também objetivo desta dissertação, levando em consideração os fatores descritos para a garantia do escoamento, propor um procedimento analítico para a determinação da temperatura do fluido produzido ao longo de sua trajetória de escoamento, desde o poço até a plataforma de produção, e das temperaturas nas camadas de uma linha flexível devidas a um gradiente de temperatura em sua direção radial. Este procedimento foi implementado em um programa desenvolvido em linguagem FORTRAN®.
Além do cálculo analítico, as temperaturas nas camadas de uma linha flexível devidas a um gradiente térmico em sua direção radial também serão calculadas por meio de um modelo térmico tridimensional baseado no método dos elementos finitos.
I.3. DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS
No Capítulo II, a estrutura interna típica de uma linha flexível de camadas não-aderentes é descrita. Alguns aspectos sobre as propriedades térmicas dos polímeros, a variação de suas propriedades mecânicas em função da temperatura e sobre os materiais utilizados para o isolamento térmico de dutos também são abordados.
No Capítulo III, são apresentados os principais conceitos de transferência de calor, sendo enfatizado o processo de transferência de calor em um tubo multicamada.
No Capítulo IV, são descritos os procedimentos de solução analítica do programa desenvolvido e a análise térmica é realizada tanto via formulação analítica quanto pelo Método dos Elementos Finitos (MEF).
No Capítulo V, a influência das cargas térmicas no comportamento estrutural de linhas flexíveis é avaliada.
No Capítulo VI, são apresentadas as principais conclusões desse trabalho, bem como sugestões para trabalhos futuros.
DESCRIÇÃO DE UMA LINHA FLEXÍVEL
II.1. INTRODUÇÃO
As linhas flexíveis são estruturas tubulares que apresentam como principais características baixa rigidez à flexão e elevada rigidez axial, o que se deve ao fato da seção transversal desta estrutura ser constituída pela combinação de camadas de armaduras helicoidais e camadas poliméricas. O trabalho em conjunto destas camadas provê resistência e estanqueidade às linhas, além de possibilitar à estrutura atingir raios de curvatura muito inferiores aos obtidos por tubos de aço com a mesma capacidade de pressão.
A estrutura interna de uma linha flexível varia de fabricante para fabricante e depende do tipo de aplicação à que ela se destina, sendo, portanto, difícil a sua generalização. Contudo, elas podem ser divididas em dois grupos: linhas de camadas aderentes (“bonded”) e linhas de camadas não-aderentes (“unbonded” ou “nonbonded”).
As linhas flexíveis de camadas aderentes são constituídas por camadas de tecido, elastômero e aço coladas por um processo de vulcanização. Os espaços entre as armaduras de uma mesma camada são preenchidos pelo elastômero, o qual é submetido a elevadas tensões cisalhantes, provocando o enrijecimento das armaduras, principalmente das armaduras de tração.
As primeiras linhas flexíveis fabricadas eram de estrutura aderente, sendo projetadas principalmente para a pressão interna de explosão. Segundo os dados de falha recolhidos por Dawans e Jarrin (SOUZA, 2002), as linhas de camadas aderentes mostraram-se inadequadas para evitar falha no caso de despressurização rápida devido à sua alta absorção de óleo e gás sob pressão e temperatura. Sendo assim, de acordo com os autores, a estrutura não-aderente é mais apropriada para condições de serviço mais severas.
As linhas de camadas aderentes são muito pouco utilizadas em projetos offshore. Por isso, neste estudo, serão analisadas apenas as linhas flexíveis de camadas não-aderentes.
II.2. LINHA FLEXÍVEL DE CAMADAS NÃO-ADERENTES
A linha flexível de camadas não-aderentes é constituída por camadas independentes, que são justapostas ou extrusadas umas sobre as outras, podendo deslizar livremente umas em relação às outras. Seu bom funcionamento é garantido pela pressão de contato entre essas camadas, que faz com que haja interação entre elas, possibilitando que esta estrutura resista à grande variedade de carregamentos a que é submetida ao longo de sua vida útil. As principais camadas que formam uma linha flexível de camadas não-aderentes são mostradas na Figura II.1.
Figura II.1 – Estrutura típica de linha flexível de camadas não-aderentes.
Os principais fabricantes de linhas flexíveis de camadas não-aderentes são a COFLEXIP (França), a NKT (Dinamarca) e a WELLSTREAM (EUA). Devido à modularidade desse tipo de estrutura, é possível que os fabricantes produzam linhas com camadas específicas para atender às necessidades de cada comprador.
Sendo assim, é muito difícil generalizar a estrutura interna desta linha flexível, pois a utilização ou não de determinada camada dependerá do tipo de aplicação à que a linha se destina. Entretanto, apesar de haver uma grande variedade de tipos de estruturas, as camadas disponíveis para a construção da linha possuem pequena variação de fabricante para fabricante. A seguir, serão apresentadas as características das principais camadas que podem constituir uma linha flexível de camadas não-aderentes.
II.3. CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS CAMADAS DE UMA LINHA FLEXÍVEL DE CAMADAS NÃO-ADERENTES
II.3.1. Camadas metálicas
II.3.1.1 Carcaça intertravada
A carcaça intertravada é, geralmente, a camada mais interna de uma linha flexível (Figura II.1). É constituída de aço e devido à sua forma construtiva, na qual uma ou duas fitas de aço são intertravadas com pequeno passo e com folgas no intertravamento (Figura II.2), esta camada possui alta flexibilidade.
A geometria da carcaça confere grande resistência a cargas radiais concentradas ou distribuídas, devido ao elevado ângulo de assentamento do(s) arame(s) que a constitui(em) (próximo a 90º). A rigidez axial desta camada, contudo, é baixíssima, o que faz com que ela não seja própria para resistir a carregamentos longitudinais (axiais). Por ser construída sobre um mandril, a carcaça intertravada garante boa precisão com relação ao diâmetro interno e, conseqüentemente, possui pequena ovalização.
As folgas no intertravamento devem ter um valor mínimo de modo a impedir o travamento da carcaça e uma folga máxima para evitar a extrusão da camada plástica interna nos interstícios dessa camada. Esses valores mínimo e máximo das folgas devem ser garantidos pelo fabricante.
Figura II.2 – Geometria básica da carcaça intertravada (SOUSA, 2005)
A carcaça intertravada possui as seguintes funções:
• Prevenir o colapso da linha flexível devido a uma queda da pressão interna na estrutura (linhas que transportam gases).
• Fornecer resistência à abrasão causada por partículas existentes nos fluidos conduzidos ou pela passagem de ferramentas por dentro da linha flexível.
• Prevenir o colapso da linha flexível devido à atuação de cargas radiais distribuídas, como pressão externa e squeeze, e de cargas radiais concentradas, como o crushing.
O aço utilizado na fabricação da carcaça intertravada deve possuir boa resistência à corrosão por hidrocarbonetos e por água. De acordo com a API RP 17B (1998), os seguintes aços podem ser utilizados para sua construção:
• Aços carbono.
• Aços inoxidáveis ferríticos (AISI 409 e AISI 430).
• Aços inoxidáveis austeníticos (AISIs 304, 304L, 316, 316L). • Aços inoxidáveis Duplex (UNS S31803).
• Aços-liga com alto teor de níquel (N08825).
A seleção do aço para a fabricação da carcaça deve ser baseada na composição do fluido interno (presença de hidrocarbonetos, agentes corrosivos, gases, partículas sólidas, entre outros) e nos carregamentos que essa camada deverá resistir. Conforme a
agressividade do fluido interno aumenta, o aço mais adequado para a carcaça intertravada passa gradativamente do aço carbono para o aço-liga com alto teor de níquel (API RP 17B, 1998). Os aços mais comumente utilizados para a construção da carcaça são os aços inoxidáveis austeníticos 304L e o 316L, que podem ainda passar por modificações para melhorar sua resistência à corrosão. A API SP 17J (1997) sugere diversos testes para verificar a escolha do aço utilizado para a carcaça.
As principais características de alguns tipos de aço relacionados na API RP 17B (1998) podem ser vistas na Tabela II.1
Tabela II.1 – Propriedades dos aços para a carcaça intertravada (SOUSA, 2005).
Ruptura
Tipo de aço Tensão de
escoamento Tensão Deformação
AISI 304 310MPa 620MPa 30,0%
AISI 304L 310MPa 620MPa 30,0%
AISI 316 310MPa 620MPa 40,0%
AISI 316L 310MPa 620MPa 30,0%
AISI 409 205MPa 380MPa 20,0%
AISI 430 205MPa 450MPa 22,0%
UNS S31803 450MPa 620MPa 25,0%
Maiores detalhes sobre as propriedades destes aços, especialmente do aço AISI 304, podem ser encontradas em SOUSA (2005).
II.3.1.2 Armadura de pressão
A armadura de pressão é uma camada opcional de reforço à pressão constituída por um ou dois arames de aço enrolados em espiral de pequeno passo.
Por estar assentada com ângulo próximo a 90º, esta camada possui pequena rigidez axial e à flexão.
A principal função da armadura de pressão é resistir aos esforços radiais provenientes do carregamento de pressão interna, à pressão externa que atua sobre a linha e
a cargas mecânicas radiais. Assim, a armadura de pressão auxilia a diminuir os esforços sobre a carcaça intertravada.
A seção transversal desta camada pode ter diferentes geometrias, conforme mostra a Figura II.3. Contudo, o perfil mais utilizado em sua construção é o perfil Z, daí a denominação espiral ou camada zeta.
Figura II.3 – Perfis para a armadura de pressão: (a) perfil Z, (b) perfil C, (c) perfil T (grampo ligando os perfis) e (d) perfil T (API RP 17B, 1998).
Assim como na carcaça, as folgas existentes devem ser controladas para evitar o travamento da camada e limitar a extrusão das camadas plásticas adjacentes.
Na fabricação da armadura de pressão, o aço tipicamente utilizado é o aço carbono. O teor de carbono (baixo, médio ou alto) no aço vai depender das condições de serviço às quais a camada será exposta. Para casos em que há a necessidade de elevada resistência mecânica, deve-se utilizar aços com alto teor de carbono, caso as condições de serviço permitam. Entretanto, para condições de serviço mais agressivas, devem ser utilizados aços com baixo ou médio teor de carbono, pois o aumento do teor de carbono no aço aumenta a sua resistência mecânica, mas diminui sua resistência à corrosão. Os aços com baixo teor de carbono são os mais utilizados para a fabricação da armadura de pressão e algumas de suas propriedades são mostradas na Tabela II.2
Tabela II.2 – Propriedades dos aços carbono para armadura de pressão (BERGE et al., 1992, SOUSA, 2005).
Especificação Grau Acabamento Tensão de
ruptura
Deformação de ruptura
AFNOR FM 15 trefilado a frio 780MPa -
AFNOR FM 35 trefilado a frio 850MPa 6,0%
Existem ainda outros critérios para a escolha do material para a fabricação da armadura de pressão tais como a soldabilidade, maleabilidade e composição química do aço (além do teor de aço, devem ser verificados os teores de manganês, fósforo, cobre, enxofre e silício). Estes critérios podem ser encontrados na API RP 17B (1998) ou na API SP 17J (1997).
Quando necessário, pode ser utilizada uma camada de reforço sobre a armadura de pressão para aumentar a capacidade de resistência à pressão da linha flexível.
II.3.1.3 Camada de reforço à pressão
A camada de reforço à pressão é uma camada opcional também formada por um ou mais arames enrolados em espiral de pequeno passo.
Sua principal função é fornecer resistência adicional à linha flexível aos carregamentos de pressão interna e externa. Deste modo, reduz-se a carga atuante na armadura de pressão e na carcaça intertravada. Esta camada, portanto, é empregada em linhas flexíveis que irão operar em elevadas profundidades e/ou submetidas à grande pressão interna.
Os perfis utilizados na fabricação da camada de reforço à pressão são, em geral, retangulares e de materiais semelhantes à armadura de pressão.
II.3.1.4 Armaduras de tração
As armaduras de tração (Figuras II.1 e II.4) são compostas por um número par de camadas, geralmente duas, enroladas helicoidalmente em sentidos opostos. Essas camadas são formadas por vários arames de seção transversal retangular, conformados sobre uma
camada que lhes serve de suporte. A camada de armadura mais interna é denominada armadura interna de tração e a mais externa, armadura externa de tração.
Figura II.4 – Assentamento da armadura de tração na linha flexível (SOUSA, 2005) As armaduras de tração têm como função resistir às cargas axiais e à pressão interna. Além disso, conferem rigidez à torção à linha flexível. O ângulo de assentamento relativamente baixo, entre 20º e 55º, não compromete a alta flexibilidade que caracteriza a linha, pois os arames podem se deslocar quando a linha é flexionada.
O ângulo de assentamento dessas camadas determina o balanço entre a rigidez axial e radial da estrutura. Para linhas flexíveis submetidas a solicitação não muito severas, este ângulo de assentamento é da ordem de 55º, que é o ângulo da resultante das forças axiais e radiais a que a estrutura está submetida quando pressurizada. Este ângulo, conhecido como ângulo neutro ou de equilíbrio, nos casos de linhas de alta pressão (linhas com armadura de pressão), pode variar entre 20º e 35º. O ângulo de assentamento pode ainda sofrer variações devido à natureza estática ou dinâmica do serviço, à presença de camadas de reforço à pressão, entre outros.
O espaçamento entre os arames de uma mesma camada deve ser controlado, assim como na carcaça intertravada e na armadura de pressão, de modo a evitar o contato lateral entre eles e limitar a extrusão das camadas plásticas vizinhas.
O aço utilizado para a fabricação das armaduras de tração é o aço carbono. O teor de carbono, assim como nas armaduras de pressão, irá depender das condições de serviço às quais os arames estarão expostos. No entanto, dadas as elevadas tensões que surgem nos arames devidas aos carregamentos aplicados na linha flexível, normalmente utiliza-se aço com elevado teor de carbono. As propriedades de alguns desses aços são apresentadas na Tabela II.3.
Tabela II.3 – Propriedades dos aços carbono para armadura de tração (BERGE et al., 1992, SOUSA, 2005).
Especificação Grau Acabamento Tensão de
ruptura
Deformação de ruptura
AFNOR FM 60 trefilado a frio 1373MPa -
AFNOR FM 72 trefilado a frio 1500MPa 1,0%
II.3.2. Camadas poliméricas
II.3.2.1 Introdução
Polímeros são moléculas relativamente grandes, de pesos moleculares da ordem de 10³ a 106, em cuja estrutura se encontram repetidas unidades químicas simples. Estas unidades químicas simples são denominadas de “meros” e, por isso, as moléculas formadas por repetidos “meros” são chamadas de polímeros (do grego, muitas partes) (MANO, 1999).
Admitindo seu significado literal, qualquer molécula com algumas partes pode ser chamada de polímero. Contudo, essa expressão é geralmente aceita como significando uma molécula muito maior, de tamanho tal que as propriedades associadas às moléculas de cadeia longa tenham se tornado evidentes. As propriedades especiais de moléculas muito grandes não começam a surgir a um peso molecular definido. Entretanto, em geral, a partir de 1000-1500, essas propriedades começam a aparecer e se tornam evidentes à medida que
esse número aumenta. Alguns polímeros têm pesos moleculares até mesmo da ordem de milhões, porém a maioria dos polímeros que tem propriedades físicas úteis, do ponto de vista técnico, tem pesos moleculares da ordem de dezenas ou centenas de milhar (MANO, 1999).
Os monômeros são compostos químicos que reagem para formar polímeros. Quando há mais de um tipo de mero na composição do polímero, este é denominado de copolímero e os monômeros que lhe dão origem são denominados comonômeros. Já quando o polímero tem apenas um tipo de mero, ele é denominado homopolímero, em contraposição à expressão copolímero (MANO, 1999).
Para fins de engenharia, é importante classificar os polímeros segundo sua solubilidade ou fusibilidade e seu comportamento mecânico (SOUSA, 2005). Quanto à fusibilidade, os polímeros se dividem em (MANO, 1996):
• Termoplásticos: plásticos que podem ser reversivelmente aquecidos e resfriados, passando respectivamente de massas fundidas a sólidos. Eles podem ser processados por métodos tradicionais, tais como laminação, injeção e extrusão. • Termorrígidos: plásticos que fundem quando aquecidos, porém nesse estado
sofrem reação química que causa a formação de ligações cruzadas intermoleculares, resultando em uma estrutura reticulada, infusível e insolúvel.
De acordo com seu comportamento mecânico, os polímeros são divididos em três grandes grupos (MANO, 1999):
• Borrachas ou elastômeros: materiais macromoleculares que exibem elasticidade em longa faixa à temperatura ambiente
• Plásticos: materiais macromoleculares que, apesar de sólidos à temperatura ambiente em seu estado final, em algum estágio de seu processamento, tornam-se fluidos e possíveis de tornam-serem moldados, por ação isolada ou conjunta de calor e pressão.
• Fibras: macromoléculas lineares, orientadas linearmente, que apresentam estreita faixa de extensibilidade parcialmente reversível (como os plásticos). Possuem elevadas propriedades mecânicas e resistem a variações de temperatura entre –50ºC e 150ºC, sem alteração substancial destas propriedades mecânicas.
Algumas fibras, como a fibra de aramida, por exemplo, são infusíveis. Possuem pequena seção transversal, elevada razão entre o comprimento e as dimensões laterais e alta flexibilidade.
II.3.2.2 Propriedades térmicas
As propriedades térmicas nos polímeros podem ser observadas quando há transferência de calor, ou seja, quando o calor é fornecido ou removido do material. Essas propriedades são definidas a seguir (MANO, 1996):
Calor específico
É a quantidade de energia térmica necessária para elevar de 1ºC a unidade de massa do material. Os metais apresentam valores de calor específico muito baixos (menor que 0,1 cal/g .ºC), enquanto os plásticos apresentam valores entre 0,2 e 0,5 cal/g .ºC. Apenas a título de comparação será informado o calor específico da água que é de 1 cal/g .ºC, bastante superior, portanto, ao dos metais e dos plásticos.
Condutividade térmica
A condutividade térmica mede a quantidade de calor transferido, na unidade de tempo, por unidade de área, através de uma camada de espessura unitária, sendo a diferença de temperatura entre as faces de 1ºC. A condutividade térmica expressa a característica do material ser bom ou mau condutor de calor. Os polímeros são tipicamente maus condutores de calor, ao contrário dos metais.
Expansão térmica
É a propriedade que mede o volume adicional necessário para acomodar os átomos e moléculas por estarem vibrando mais rapidamente e com maior amplitude, devido ao aquecimento. A expansão térmica é avaliada pelo coeficiente de dilatação térmica linear,
que é o alongamento relativo da peça por unidade de comprimento, sendo expresso em ºC-1. O coeficiente de dilatação térmica dos polímeros pode atingir até 2,3.10-4/ºC, destacando-se a borracha de silicone, cujo coeficiente chega ao dobro desse valor, enquanto o aço possui coeficiente de dilatação térmica aproximadamente igual a 1,1.10-5/ºC, valor, portanto, bastante inferior ao dos polímeros.
Temperatura de distorção ao calor
É a temperatura a partir da qual o escoamento viscoso do polímero é mais acentuado. Apesar de ser uma medida empírica, é muito importante, pois permite avaliar a adequação, ou não, do material para o artefato desejado. Tecnicamente, é designada pela sigla HDT (Heat Distortion Temperature). Quanto mais alta for essa temperatura, maior será a resistência à deformação pelo calor. Nos termoplásticos, a temperatura de distorção ao calor é, via de regra, inferior a 100ºC. Já nos termorrígidos, não ocorre distorção por aquecimento.
Temperatura de transição vítrea e temperatura de fusão cristalina
Antes de se definir os significados de temperatura de transição vítrea e temperatura de fusão cristalina, é necessário conhecer os conceitos de polímeros amorfos e cristalinos.
Os polímeros podem existir em estado amorfo, caracterizado por um arranjo desordenado das moléculas, ou em estado cristalino, estado em que há uma ordenação tridimensional. A cristalinidade pode ser conceituada como um arranjo ordenado e uma repetição de estruturas atômicas ou moleculares. Muitos dos polímeros têm algum grau de cristalinidade, mas raramente é totalmente cristalino.
O grau de cristalinidade do polímero depende da estrutura da cadeia polimérica, do peso molecular e, até determinado ponto, do tratamento físico a que foi submetido o polímero. Quanto maior for a cristalinidade, maiores serão a densidade, a rigidez e as resistências mecânica, térmica e a solventes. As regiões não-cristalinas do polímero contribuem para a elasticidade, a maciez e a flexibilidade, de modo que um balanço
adequado dessas características possibilita uma larga faixa de aplicações práticas dos produtos poliméricos.
Quando aquecidos, os polímeros fundem, apresentando-se em geral como uma massa irregular, com as cadeias macromoleculares emaranhadas em maior ou menor grau. Quando essa massa é deixada em repouso (ou seja, é deixada resfriando sem interferência de forças externas), dependendo da velocidade de resfriamento, as cadeias assumem as conformações mais favoráveis, formando regiões de estrutura ordenada, cristalina, descontínua, geralmente lamelar, interligadas por segmentos dessas cadeias. Invertendo o processo, ao elevar-se progressivamente a temperatura da massa polimérica resfriada, passa-se primeiro por uma transição, chamada de transição vítrea, à temperatura Tg
(temperatura de transição vítrea). A transição vítrea está associada à região amorfa dos polímeros. A partir da Tg, as regiões amorfas readquirem progressivamente a sua
mobilidade (pois abaixo dessa temperatura, desaparece a mobilidade das cadeias macromoleculares e o material se torna mais rígido). Todas as borrachas têm Tg abaixo de
da temperatura ambiente; nos polímeros de uso geral, Tg não ultrapassa 110ºC.
Prosseguindo com o aquecimento, passa-se por uma transição denominada fusão
cristalina à temperatura Tm (temperatura de fusão cristalina). A temperatura de fusão
cristalina, Tm, é aquela em que as regiões ordenadas dos polímeros se desagregam e se
fundem. Essa temperatura envolve mudança de estado e está associada às regiões cristalinas. Acima dessa temperatura, o polímero estará no estado “líquido” viscoso. Nos termoplásticos, a temperatura máxima de fusão é inferior a 300ºC, já os plásticos termorrígidos não apresentam fusão. Os metais, de um modo geral, têm temperaturas de fusão muito altas; no ferro, por exemplo, é da ordem de 1500ºC.
O conhecimento das temperaturas Tg e Tm é de extrema importância para o objetivo
deste estudo, pois, em geral, há uma significativa mudança das propriedades mecânicas dos polímeros nesses valores de temperaturas. Uma das propriedades mecânicas importantes para as análises que serão realizadas nesta dissertação é o módulo de elasticidade longitudinal (E) dos polímeros. A variação do módulo de elasticidade com a temperatura pode ser obtida através de ensaio estático e também através da análise dinâmico-mecânica (DMA) ou análise termodinâmico-mecânica (DMTA). Com esta última análise, obtém-se um módulo de elasticidade dinâmico, conforme será mostrado no próximo item. No ensaio
estático, é possível obter E em função da temperatura realizando cada ensaio em uma temperatura diferente. Para tal, é necessária a utilização de câmara de aquecimento para a realização da amostra. Este estudo é demorado, pois requer, pelo menos, cinco ensaios para cada temperatura e o próprio controle da temperatura. A obtenção da variação de E em função da temperatura através de ensaio estático pode durar até todo um dia, já com a DMTA, pode-se fazer todo o estudo em aproximadamente uma hora.
II.3.2.3 Análise dinâmico-mecânica (DMA) ou análise termodinâmico-mecânica (DMTA)
A análise dinâmico-mecânica (DMA, do inglês Dynamic Mechanical Analysis) ou análise termodinâmica-mecânica (DMTA, do inglês Dynamic Mechanical Thermal
Analysis) consiste, de modo geral, em se aplicar uma tensão ou deformação mecânica
oscilatória, normalmente senoidal, de baixa amplitude a um sólido ou líquido viscoso, medindo-se a deformação sofrida por este ou a tensão resultante, respectivamente sob a variação de freqüência ou temperatura (CASSU & FELISBERTI, 2005). Deste modo, é possível avaliar a variação do módulo de elasticidade de um polímero em função da temperatura.
Dependendo da resposta ao estímulo mecânico, o material pode ser classificado como elástico ou viscoso. Materiais poliméricos apresentam comportamento mecânico intermediário ao elástico e ao viscoso, sendo denominados viscoelásticos. A contribuição elástica e viscosa para o comportamento mecânico do polímero depende da temperatura e da escala de tempo do experimento.
A análise dinâmico-mecânica permite a separação da contribuição elástica e viscosa em materiais viscoelásticos, em função tanto da temperatura quanto do tempo.
Supondo que uma amostra é submetida a uma tensão senoidal dada pela Equação II.1 (CASSU & FELISBERTI, 2005):
) t sen( ) t ( σ ω σ = 0 (II.1)
(II.2) ) t sen( ) t ( ε ω δ ε = 0 + onde 0
σ = amplitude da tensão aplicada.
0
ε = amplitude da deformação aplicada.
ω = freqüência angular da tensão oscilatória à qual a amostra é submetida.
t = tempo.
δ = ângulo de defasagem entre a tensão e a deformação máxima.
Reescrevendo a Equação II.2, obtém-se:
(II.3) ) t cos( sen cos ) t sen( ) t ( ε ω δ ε δ ω ε = 0 + 0
No caso de materiais perfeitamente elásticos, a tensão aplicada e a deformação gerada na amostra estão em fase e, deste modo, o ângulo de defasagem, δ , será igual a zero. Logo, a Equação II.3 se reduz a:
(II.4) ) t sen( ) t ( ε ω ε = 0
e, portanto, a tensão aplicada e a deformação variam em função do sen(ω . t)
Materiais completamente viscosos apresentarão ângulo máximo de defasagem entre a tensão aplicada e a deformação gerada igual a 90º e, portanto, a Equação II.3 se reduzirá a: (II.5) ) t cos( ) t ( ε ω ε = 0
que representa a deformação completamente fora de fase em relação à tensão aplicada, variando em função de cos(ω quando amostra é submetida a uma tensão senoidal, que é o t) caso de uma amostra contendo apenas a componente viscosa. Um material que responde desta forma é classificado como viscoso.
Como os polímeros são materiais viscoelásticos, o valor de δ estará entre 0º e 90º, descrevendo o comportamento intermediário ao elástico e ao viscoso.
Tomando-se as Equações II.1 e II.2, define-se o módulo de armazenamento, E’ ou G’ como sendo a razão entre a amplitude da componente de tensão em fase com a deformação pela amplitude da deformação:
δ δ ε σ / )cos E*cos ( ' E = 0 0 = (II.6) (II.7) δ δ ε σ / )cos G*cos ( ' G = 0 0 =
sendo E’ o módulo de elasticidade obtido em experimentos nos quais a amostra é submetida a estímulos unidirecionais (tração e compressão) e G’ o módulo de cisalhamento elástico, obtido quando um tensão cisalhante é aplicada à amostra. Sendo assim, pode-se dizer que o módulo de armazenamento E’ é um módulo elástico obtido de um experimento dinâmico que separa a componente elástica da viscosa e que ele difere do módulo de elasticidade E, por este ser obtido através de ensaio estático, onde não se pode obter a componente viscosa. Para fins práticos, a diferença entre E’ e E é pequena, dentro da mesma ordem de grandeza. Assim, quando não for possível a obtenção da variação de E com a temperatura, pode-se utilizar a variação de E’ em função da temperatura, já que esta pode ser mais facilmente obtida através da DMTA.
A razão entre a amplitude da componente de tensão fora de fase em relação à deformação pela amplitude da deformação é definida como o módulo de perda, E” ou G”:
(II.8) (II.9) δ δ ε σ / )sen E*sen ( " E = 0 0 = δ δ ε σ / )sen G*sen ( " G = 0 0 =
Os módulos dinâmicos de elasticidade, E*, e de cisalhamento, G*, podem ser expressos em notação de números complexos em suas componentes:
(II.10) (II.11) " iE ' E * E = + " iG ' G * G = +
Dividindo-se a Equação II.8 pela Equação II.6, obtém-se:
(II.12) δ δ δ tan cos * E sen * E ' E " E = =
onde tan é denominada fator de perda ou “damping”. Essa mesma relação é válida para δ
os parâmetros obtidos em ensaio de cisalhamento, G*, G’ e G”.
O “damping” expressa a capacidade de um material converter energia mecânica. Sólidos que possuem apenas a componente elástica possuem tan igual a zero. Exemplos δ
de materiais que apresentam praticamente apenas a componente elástica são os metais. Polímeros, por outro lado, apresentam valores de δ da ordem de alguns graus. Em certas faixas de temperatura, por exemplo, na região de transição vítrea, δ aproxima-se de 30º. A variação de E’, E” e tanδ com a temperatura são alguns dos resultados possíveis
de serem obtidos em uma análise dinâmico-mecânica com a amostra submetida a tensões normais. Na Figura II.5 são apresentados, apenas a título de ilustração já que esse polímero não é um material utilizado em linhas flexíveis, os gráficos desses resultados em função da temperatura para o poli(tereftalato de etileno) (PET).
Figura II.5 – Curvas de DMA para o poli(tereftalato de etileno) (PET) amorfo (∆) e semicristalinos (o): a) módulo de armazenamento (E’) x temperatura, a) módulo de perda
(E”) x temperatura e c) tan δ x temperatura (CASSU & FELISBERTI, 2005).
A análise dos gráficos resultantes da DMA permite algumas conclusões. Na região de transição vítrea, o comportamento mecânico de polímeros amorfos varia de um comportamento típico de material rígido para o de um material elastomérico, o que pode ser verificado pela queda abrupta do módulo de armazenamento E’. A faixa de temperatura na qual este processo ocorre depende de vários fatores, tais como a composição, a flexibilidade das cadeias, a massa molar do polímero, o grau de cristalinidade, entre outros.
Comparando as curvas de E’ mostradas na Figura II.5, percebe-se que a curva correspondente ao PET amorfo apresenta um queda brusca no valor do módulo de armazenamento na região de transição vítrea (110 a 140ºC), enquanto a curva correspondente ao PET semicristalino tem uma queda de apenas uma ordem de grandeza na região de transição vítrea, seguido de uma queda mais abrupta próxima a 200ºC, o que se deve ao início da fusão do material.
Além da redução do módulo de armazenamento, a região de transição vítrea é caracterizada pelos máximos das curvas de E” e tan δ em função da temperatura. Como apenas a variação do módulo de armazenamento em função da temperatura é significativo para o objetivo desta dissertação, não serão abordados os comportamentos das curvas de E” e tan δ em função da temperatura. Maiores informações a respeito destas curvas podem ser encontradas em (CASSU & FELISBERTI, 2005).
A Figura II.6 apresenta o gráfico de E’ em função da temperatura para o polímero HDPE (polietileno de alta densidade), um dos polímeros recomendados pela API RP 17B para serem utilizados na camada plástica interna, na camada antidesgate e na camada plástica externa de linhas flexíveis. Apenas o gráfico com a indicação 100/0 é referente ao HDPE isolado, já que os outros referem-se às proporções da mistura do HDPE com o HOCP (oligo(ciclopentadieno) hidrogenado). Apesar destes gráficos mostrarem que a adição de HOCP influencia as propriedades do HDPE em função da temperatura, não faz parte do escopo desta dissertação avaliar o comportamento das misturas, mas sim do HDPE isolado, apenas. Maiores detalhes sobre o comportamento das misturas HDPE/HOCP podem ser encontradas em MENDES (1994).
Figura II.6 – Variação do módulo de armazenamento E’ em Sistemas HDPE/HOCP no intervalo -150ºC a 150ºC (MENDES, 1994).
Na Tabela II.4 são mostradas as temperaturas Tg e Tm dos polímeros HDPE, PVDF
alguns dos polímeros recomendados pela API RP 17B para a fabricação das camadas poliméricas de linhas flexíveis.
Tabela II.4 – Tg e Tm dos polímeros HDPE, PVDF, PA 11 e PA 12.
HDPE PVDF PA 11 PA 12
Tg -125 a -100 ºC -40 ºC -70 ºC 140ºC
Tm 130 a 135ºC 160 a 200ºC 175 a 191ºC 167,5 a 184ºC
As temperaturas Tg e Tm da PA 11 e da PA 12 foram obtidas em MATWEB (2006).
Já os valores dessas temperaturas para os polímeros HDPE e PVDF podem ser encontradas em (MANO, 1996).
A temperatura de operação das linhas flexíveis varia de 4ºC a valores em torno de 120ºC. Sendo assim, de acordo com a Figura II.6 e com a Tabela II.4, o intervalo de temperatura correspondente à operação das linhas flexíveis encontra-se justamente no trecho de temperatura acima da Tg e abaixo da Tm, trecho este onde a variação de E com
temperatura é aproximadamente linear. Portanto, a consideração de uma aproximação linear para a variação de E com a temperatura dos polímeros HDPE, PVDF e PA-11 não resultaria em grandes erros. No caso da PA-12, como a Tg deste polímero é maior que a temperatura
de operação das linhas, o valor de E se mantém praticamente constante no intervalo de temperatura correspondente à operação das linhas.
No item a seguir, serão comentadas algumas características dos polímeros utilizados em linhas flexíveis e a influência da temperatura nestas características será analisada.
II.3.2.4 Características dos polímeros utilizados em linhas flexíveis de camadas não-aderentes
As camadas poliméricas utilizadas em linhas flexíveis têm como funções: servir como elemento de vedação, manter os arames das armaduras na posição correta, servir como camada antidesgaste e como isolantes térmicos. Assim, os polímeros utilizados nessas camadas devem atender aos seguintes requerimentos (BERGE et al., 1992):
• Características mecânicas (tensão e deformação de ruptura e módulo de Young) adequadas.
• Boa resistência à fadiga.
• Baixa permeabilidade e absorção. • Baixa dilatação
• Resistência química em relação aos fluidos interno e externo. • Boa resistência à formação de vesículas.
• Boa resistência ao desgaste e à abrasão.
• Boa resistência à deformação lenta e à relaxação.
Durante a vida útil da linha flexível, as camadas poliméricas são expostas a elevadas pressões, combinações de carregamentos de tração e flexão, temperaturas variando, tipicamente, entre 4ºC e 120ºC, além da ação abrasiva dos fluidos interno e externo. Logo, além dos requerimentos supracitados, essas camadas também devem ser capazes de resistir a essas ações.
Conforme mostrado anteriormente, as propriedades dos polímeros são função da temperatura a que estes são submetidos. Como exemplo, a variação de algumas propriedades mecânicas do PVDF com a temperatura são apresentadas na Tabela II.5.
Tabela II.5 – Variação das propriedades mecânicas do PVDF com a temperatura (STEVENSON & CAMPION, 1995).
Módulo de Young Tensão de
escoamento Deformação de escoamento Tensão de ruptura Deformação de ruptura 23ºC 110ºC 23ºC 110ºC 23ºC 110ºC 23ºC 110ºC 23ºC 110ºC
785MPa 190MPa 36MPa 11MPa 22% 28% 23MPa 25MPa 63% 420%
As propriedades mecânicas dos polímeros, além de variarem com a temperatura, variam também com a pressão à que são sujeitas. Além disso, estas propriedades são também altamente não-lineares e, por isso, de difícil caracterização.
Outras propriedades, como a permeabilidade e a absorção também são sensíveis à variação de temperatura e/ou pressão. Nenhum material polimérico forma uma barreira
completa às moléculas de gás ou vapor devido às distâncias intermoleculares relativamente grandes do material e ao movimento térmico das cadeias moleculares (BERGE et al., 1992). Contudo, altas temperaturas e pressões, podem aumentar as taxas de permeabilidade e também as de absorção de alguns termoplásticos, o que pode comprometer a resistência mecânica e a eficiência desses materiais. A deformação lenta e a relaxação também variam com a temperatura. Em geral, o aumento da temperatura implica o aumento da deformação lenta e da relaxação (STEVENSON & CAMPION, 1995).
O envelhecimento do material polimérico é outro aspecto afetado pela temperatura e pela pressão a que o material é submetido. O processo de envelhecimento pode ser significativamente acelerado quando o polímero é exposto ao fluido conduzido no interior da linha flexível e/ou ao fluido externo, a elevadas temperaturas e pressões, além de outras ações externas. O processo de envelhecimento é caracterizado por mudanças nas propriedades mecânicas dos polímeros como, por exemplo, redução em sua resistência e ductilidade, devido à retirada de elementos plastificantes (API RP 17B, 1998).
Conclui-se, portanto, que a seleção dos polímeros a serem utilizados nas camadas de uma linha flexível é uma tarefa bastante complexa, devido à variação das propriedades desses materiais com a temperatura e a pressão às quais a linha é submetida. Outra consideração importante é que essas propriedades variam também ao longo do tempo. As API RP 17B (1998) e API SP 17J (1997) apresentam uma série de recomendações e sugerem testes para a caracterizar e viabilizar a aplicação dos materiais poliméricos em linhas flexíveis.
II.3.2.5 Principais camadas poliméricas de linhas flexíveis
Camada plástica interna
A camada plástica interna é uma camada colocada sobre a carcaça intertravada, geralmente extrusada sobre esta, e que tem como função manter a estanqueidade da linha flexível já que a carcaça possui folgas por onde o fluido transportado pode permear. Sendo assim, é necessário que a camada plástica interna possua boa resistência à abrasão, corrosão e ao ataque químico dos fluidos conduzidos no interior da linha.
Esta camada deve ter uma espessura suficientemente grande para que seja possível a transmissão dos esforços para as camadas metálicas adjacentes. Assim, a camada plástica interna atuará como uma ponte que ajuda a distribuir os esforços entre as camadas, auxiliando a linha flexível a trabalhar como uma estrutura integrada.
A espessura da camada plástica interna é importante também para a determinação de sua pressão de colapso. Quanto maior for a relação entre a dimensão das folgas da carcaça intertravada e da armadura de pressão e a espessura da camada polimérica, menor será a pressão de colapso desta camada (SOUSA, 2005), que pode ainda ser reduzida de acordo com a temperatura de operação da linha.
Devido às características necessárias do material para a fabricação desta camada, geralmente são utilizados termoplásticos extrusáveis, flexíveis, estabilizados no que se refere ao calor, opacos e resistentes ao impacto e ao desgaste (SOUSA, 2005). Portanto, o polímero geralmente utilizado nesta camada é a PA 11 (poliamida 11) ou, no caso de linhas sujeitas a solicitações menos severas, pode ser utilizado o HDPE. A API RP 17B recomenda também, além dos polímeros supracitados, a utilização do XLPE, do PVDF ou da PA 12 (poliamida 12). Na Tabela II.6 são apresentadas algumas das propriedades destes polímeros.
Tabela II.6 – Principais características de alguns polímeros utilizados na camda interna de linhas flexíveis de camadas não-aderentes (SOUSA, 2005).
Propriedades a 20ºC Polímero Massa específica Tensão de ruptura Deformação de ruptura Módulo de Young PA 11 1,06g/cm³ 28MPa 60% 380MPa
HDPE 0,95g/cm³ 16MPa 14% 585MPa
PVDF 1,77g/cm³ 23MPa 63% 785MPa
A Tabela II.7 especifica as temperaturas limites para os polímeros possíveis de serem utilizados na camada plástica interna em uma linha flexível baseados em uma vida útil de em serviço de 20 anos.
Tabela II.7 – Temperaturas limites para os polímeros possíveis de serem utilizados na camada plástica interna (API RP 17B, 1998)
Polímero Mínima temperatura de
exposição
Máxima temperatura para operação contínua
HDPE -50ºC 60ºC
XLPE -50ºC 90ºC
PA 11 -20ºC 100ºC
PVDF -20ºC 130ºC
Camadas antidesgaste
As camadas antidesgaste ou camadas plásticas intermediárias têm o objetivo de minimizar o desgaste das camadas metálicas por fricção entre elas. Esta fricção se dá pela possibilidade de, em linhas flexíveis de camadas não-aderentes, poder haver deslizamentos relativos entre as camadas metálicas.
Além de minimizar o desgaste das camadas metálicas, outra função das camadas antidesgaste é servir de barreira para o fluido externo, no caso de falha do plástico externo, evitando que este permeie por entre as camadas da linha, além também de evitar o vazamento do fluido interno, no caso de rompimento da camada plástica interna.
A espessura desta camada deve ser determinada de acordo com os mesmos critérios utilizados para a camada plástica interna, devendo considerar também o efeito da fricção entre as camadas metálicas.
Os polímeros utilizados para a confecção dessas camadas devem possuir as propriedades descritas no item II.3.2.4, com destaque para a boa resistência ao desgaste. Os polímeros sugeridos pela API RP 17B para a fabricação dessas camadas são: HDPE, XLPE, PA 11, PA 12 ou PVDF
Fita de reforço à compressão
A fita de reforço à compressão é uma camada polimérica constituída por fibras de aramida (kevlar®) e assentada sobre a armadura de tração externa, que tem como objetivo
aumentar a resistência e a rigidez à flexão da linha, prevenindo, assim, o fenômeno conhecido como birdcaging ou “gaiola de passarinho”.
O birdcaging é a instabilidade provocada pela expansão radial excessiva dos arames
das armaduras de tração, devido às cargas de compressão axial que atuam sobre as linhas flexíveis. Esse carregamento de compressão se torna ainda mais significativo quando a explotação de petróleo avança para águas mais profundas.
Camadas isolantes
O isolamento térmico é uma das ferramentas utilizadas para que haja a garantia de escoamento, aspecto fundamental no projeto de linhas flexíveis para águas profundas e ultraprofundas.
JIAN (2000) apresenta os objetivos do isolamento térmico: • Evitar a formação de hidratos.
• Evitar deposição de parafinas.
• Reduzir a viscosidade do fluido transportado para economizar potência de bombeio.
• Evitar a formação de emulsões.
A API SP 17J (1997) indica que o comprador deve especificar qualquer restrição ao desempenho da linha flexível quanto à perda ou retenção de calor. Os coeficientes globais de transferência de calor (Capítulo III) devem ser baseados no diâmetro interno nominal do tubo e deverão considerar qualquer efeito externo como, por exemplo, o cobrimento de solo para a linha enterrada. Os materiais utilizados nas camadas de isolamento térmico devem ser selecionados de modo que o coeficiente global de transferência de calor não atinja valores inferiores ao especificado para sua vida útil em serviço.
Os materiais indicados pela API RP 17B para serem utilizados na fabricação de camadas de isolamento térmico são o PP (polipropileno), o PVC (poli(cloreto de vinila)) e PU (poliuretano). A API RP 17J (1997) aponta que a condutividade térmica da camada deve ser documentada para as condições seca e molhada e para as temperaturas e pressões de projeto e de operação. A degradação do desempenho térmico durante a vida útil em
serviço resultante das ações da pressão, da temperatura e da água do mar deve ser analisada.
O projeto do sistema de isolamento térmico deve ser baseado na hipótese de que a barreira protetora externa tenha sido danificada expondo, portanto, o material isolante ao ar e/ou à água do mar.
A API SP 17J (1997) também indica que as seguintes temperaturas devem ser especificadas:
• Temperatura de operação ou perfil de temperaturas ao longo da vida útil de serviço.
• Temperatura mínima de projeto. • Temperatura máxima de projeto.
As temperaturas mínima e máxima de projeto são as temperaturas mínima e máxima às quais a linha flexível pode ser submetida durante sua vida útil de serviço.
No Capítulo III, uma metodologia para o cálculo do perfil de temperaturas ao longo das camadas de uma linha flexível será descrita.
Alguns aspectos sobre os materiais utilizados para o isolamento térmico de dutos terrestres e submarinos serão abordados no item II.4.
Camada plástica externa
A camada plástica externa é extrusada sobre a armadura externa de tração, ajudando, assim, a manter os arames das armaduras na posição correta, além de proteger a linha flexível contra corrosão, abrasão, danos externos (impacto de ferramentas e com o solo marinho, por exemplo) e auxiliar no isolamento térmico da linha.
Sendo assim, esta camada deve ter espessura suficiente para atender a esses requisitos e também minimizar a possibilidade de falha por extrusão da camada nos interstícios da armadura externa de tração.
A camada plástica externa deve ser fabricada com polímeros que possuam resistência de longo prazo à água salgada e que sejam suficientemente flexíveis para possibilitar o enrolamento em carretéis.
Para atender às características supracitadas, a API RP 17B (1998) indica a utilização dos polímeros HDPE, PA 11 ou PA 12 para a fabricação desta camada.
II.4. MATERIAIS UTILIZADOS PARA O ISOLAMENTO TÉRMICO DE DUTOS
Neste item serão abordadas as características de alguns materiais que podem ser utilizados para o isolamento térmico de dutos terrestres e submarinos.
II.4.1. Dutos terrestres
Para o isolamento térmico de dutos terrestres alguns materiais possíveis de serem utilizados são (KOEBSCH, 2006):
• Até 120°C: Poliuretano (PU) expandido sobre tubo revestido com FBE (Fusion Bonded Epoxy), em camisa de polietileno (PE) (Figura II.7).
• Acima de 120°C: Sistema composto de silicato de cálcio e espuma de Poliuretano.
Figura II.7 - PU expandido sobre tubo revestido com FBE, em camisa de PE (KOEBSCH, 2006).
