UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISCurso de Graduao em Engenharia Mecnica

Anlise do comportamento mecnico de tubos de PVC reparados com compsitos submetidos presso hidrosttica

Autor: Diego Thadeu Lopes da Cruz Orientador: Antnio Ferreira vila

Novembro de 2010

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISCurso de Graduao em Engenharia Mecnica

ANLISE DO COMPORTAMENTO MECNICO DE TUBOS DE PVC REPARADOS COM COMPSITOS SUBMETIDOS PRESSO HIDROSTTICA

Diego Thadeu Lopes da Cruz

Este Trabalho de graduao foi aprovado em 29/11/2010 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros: Prof. Antnio Ferreira vila / DEMEC Eng. Jos de vila Junior / PPGMEC T.O. Maria Gabriela Reis Carvalho / PPGMEC Eng. Almir Silva Neto / PPGMEC

Belo Horizonte 2010i

s duas mulheres mais importantes em minha formao pessoal: Dona Myriam e Tia Preta.

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AGRADECIMENTOS Agradeo a todos os envolvidos nessa longa jornada entre eles: Professor Antnio Ferreira vila pela oportunidade, pacincia e preocupao com a realizao deste trabalho. Tambm agradeo aos colegas de laboratrio pelo incentivo e momentos de descontrao: der Cesar Dias, Almir Silva Neto, Jos de vila Junior e Maria Gabriela Reis Carvalho. E por ltimo e no menos importante: minha bicicleta por fornecer transporte limpo e saudvel sem manuteno corretiva durante todo o semestre.

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But ain't about how hard you hit... It's about how hard you can get hit, and keep moving forward... how much you can take, and keep moving forward. Thats how winning is done Rocky Balboa

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RESUMO inquestionvel a importncia do transporte de fluidos na sociedade. Problemas com tubulaes industriais e prediais podem causar desde simples problemas como a falta de gua em uma residncia at a interrupo do funcionamento de toda uma planta industrial. So variados os tipos de danos que acometem as tubulaes industriais. Tais danos podem ocorrer devido a fatores como corroso, eroso e amassamento, o que implica em gastos com a manuteno das tubulaes e tambm com custos indiretos tais como, parada de produo. Um tipo de reparo que permita a realizao da manuteno sem a interrupo do fluxo de fluido prolongando a vida da tubulao , portanto, de grande interesse em grandes plantas industriais de operao ininterrupta. Neste contexto, em trechos retos de tubulao os materiais compsitos se mostram como uma grande alternativa ao processo convencional de manuteno, j que os reparos podem ser executados sem a interrupo do escoamento, em grandes extenses e tambm podem ser realizados em campo sem grandes dificuldades. Vrios estudos foram realizados nessa rea e mostraram que os reparos feitos com materiais compsitos conseguem restabelecer a rigidez das tubulaes, que a propriedade mais afetada com a perda de material. Este trabalho consiste na anlise experimental do comportamento de tubos, reparados com materiais compsitos submetidos a presses hidrostticas. Esses tubos sero testados em duas configuraes: desbastado e reparado. Os reparos utilizados sero compsitos com reforo de fibra de vidro e fibra de vidro com carbono ambos com matriz em epxi. A anlise dos resultados mostrou um aumento nas presses mximas obtidas, diminuio das deformaes e aumento da rigidez dos corpos de prova reparados.

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1-Fases de um material compsito. .................................................................... 4 FIGURA 3.2-Classificao dos compsitos. ......................................................................... 5 FIGURA 3.3-Nveis de anlise de um compsito. ................................................................ 7 FIGURA 3.4-Direes principais para material compsito. ................................................. 8 FIGURA 3.5-Diagrama de corpo livre da tubulao sujeita presso interna. .................. 12 FIGURA 3.6-Braadeira com enchimento elastomrico. .................................................... 14 FIGURA 3.7-Braadeira com selo cnico. .......................................................................... 15 FIGURA 3.8-Reparo hermtico para flanges. ..................................................................... 15 FIGURA 3.9-Reparo de tubo por meio da substituio do trecho danificado. ................... 16 FIGURA 3.10-Reparo com luva metlica preenchida com epxi. ...................................... 17 FIGURA 4.1-Especificaes da linha predial industrial TIGRE. ....................................... 18 FIGURA 4.2-Corpo de prova aps processo usinagem. ..................................................... 19 FIGURA 4.3-Corpo de prova finalizado. ............................................................................ 21 FIGURA 4.4-Bancada montada para realizao dos ensaios. ............................................. 22 FIGURA 4.5-Corpo de prova posicionado na bancada de ensaios. .................................... 23 FIGURA 5.1-Avaliao das presses .................................................................................. 24 FIGURA 5.2-CP00 aps ensaio........................................................................................... 24 FIGURA 5.3-Detalhe ruptura CP00. ................................................................................... 25 FIGURA 5.4-CP01 aps ensaio........................................................................................... 25 FIGURA 5.5-CP02 aps ensaio........................................................................................... 26 FIGURA 5.6-Vazamento na luva de reduo. ..................................................................... 27 FIGURA 5.7-Avaliao das deformaes. .......................................................................... 27 FIGURA 5.8-Avaliao da rigidez. ..................................................................................... 28

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LISTA DE TABELAS Tabela III-1 Caractersticas das fibras. Adaptado de Daniel e Ishai (1994 p.28) .................. 6 Tabela III-2 Propriedades do PVC. Adaptado de Plsticos (2010) ..................................... 11 Tabela IV-1 Mdulo de elasticidade dos materiais ............................................................. 20 Tabela IV-2 Espessura e nmero de camadas dos laminados. ............................................ 20 Tabela IV-3 Massas de matriz, reforo. .............................................................................. 21 Tabela V-1 Comparativo entre os ensaios. .......................................................................... 29

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ASTM- American Society for Testing and Materials CP00- Corpo de prova sem reparo CP01- Corpo de prova com reparo em tecido hbrido/epxi CP02- Corpo de prova com reparo em tecido de fibra de vidro/epxi PVC- Poli cloreto de vinila

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SUMRIO 1. 2. INTRODUO ............................................................................................................. 1 OBJETIVOS................................................................................................................... 3 2.1 2.2 3. Geral ........................................................................................................................ 3 Especficos .............................................................................................................. 3

REVISO BIBLIOGRFICA ....................................................................................... 4 3.1 3.2 Compsitos ............................................................................................................. 4 Tubos .................................................................................................................... 11 Materiais empregados na fabricao de tubulaes ...................................... 11

3.2.1 3.3 3.4

Modelagem matemtica de tubulaes ................................................................. 12 Manuteno de tubos ............................................................................................ 13 Contexto dos danos em tubulaes ................................................................ 13 Tipos de reparos utilizados ............................................................................ 14

3.4.1 3.4.2 3.5 4.

Condies para utilizao de reparos com compsito .......................................... 17

METODOLOGIA ........................................................................................................ 18 4.1 Materiais e equipamentos ..................................................................................... 18 Tubos ............................................................................................................. 18 Reparo............................................................................................................ 19 Instrumentao............................................................................................... 21

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 5.

Procedimento Experimental .................................................................................. 22

RESULTADOS E DISCUSSO ................................................................................. 24 5.1 5.2 5.3 5.4 Presso .................................................................................................................. 24 Deformaes ......................................................................................................... 27 Rigidez .................................................................................................................. 28 Tabela comparativa ............................................................................................... 29

6.

CONCLUSES ............................................................................................................ 30 ix

7.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 31

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1. INTRODUO inquestionvel a importncia do transporte de fluidos na sociedade. Problemas com tubulaes industriais e prediais podem causar desde simples problemas como a falta de gua em uma casa at a interrupo do funcionamento de toda uma planta industrial. So variados os tipos de danos que acometem as tubulaes industriais. Tais danos podem ocorrer devido a fatores, como corroso, eroso e amassamento, o que implica em gastos com a manuteno das tubulaes e tambm com custos indiretos, pois a maioria dos processos de manuteno necessita da interrupo do fluxo para sua realizao. O processo mais utilizado para o reparo de tubulaes com danos extensos consiste na substituio do trecho danificado por outro, onde a conexo realizada por conectores. Para isso so realizados procedimentos de corte e solda, no caso de tubulaes metlicas e de roscagem e colagem em tubulaes polimricas. Estes processos necessitam da interrupo do fluxo do fluido, alm de maior tempo necessrio para sua realizao (FALUHELYI, 2006). Um tipo de reparo que permita a realizao da manuteno sem a interrupo do fluxo de fluido, prolongando a vida da tubulao sem a sua substituio, mesmo que parcial, , portanto, de grande interesse em grandes plantas industriais de operao ininterrupta, onde as paradas implicam em enormes prejuzos. Neste contexto, em trechos retos de tubulao os materiais compsitos se mostram como uma grande alternativa ao processo convencional de manuteno, j que os reparos podem ser executados sem a interrupo do escoamento, em grandes extenses, e tambm podem ser realizados em campo sem grandes dificuldades. Vrios estudos foram realizados nessa rea e mostraram que os reparos feitos com materiais compsitos conseguem restabelecer a rigidez das tubulaes, a qual o principal parmetro afetado com a perda de material (THOMAZI, 2006). Este trabalho consiste basicamente na anlise experimental do comportamento de tubos, reparados com materiais compsitos submetidos a presses hidrostticas. Esses tubos sero testados em duas configuraes: desbastado e reparado. Os reparos utilizados sero compsitos com reforo de fibra de vidro e fibra de vidro com carbono. A matriz ser constituda por epxi. 1

O captulo 2 deste trabalho destinou-se apresentao dos objetivos gerais e especficos do estudo. No captulo 3, foi descrita a reviso bibliogrfica, onde foram abordados os seguintes tpicos: compsitos, tubulaes, modelagem matemtica de tubos, manuteno de tubos e reparos de tubos com compsitos. No captulo 4, foi descrita a metodologia empregada para realizao dos ensaios, sendo abordados os seguintes tpicos: materiais e equipamentos, preparao dos tubos, preparao do reparo, instrumentao e procedimento experimental. J no captulo 5, foram apresentados os resultados do trabalho e, no captulo 6, tais resultados foram discutidos. As concluses do estudo esto dispostas no captulo 7, e, no captulo 8, esto contidas as referncias bibliogrficas utilizadas nesse trabalho.

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2. OBJETIVOS 2.1 Geral

Analisar o comportamento mecnico de tubos de poli cloreto de vinila (PVC) reparados com compsitos hbridos pela submisso destes presses hidrostticas internas. 2.2 Especficos

Dentre os objetivos especficos deste trabalho esto: (1) desenvolver diferentes compsitos para reparar tubulaes (2) avaliar o desempenho das tubulaes reparadas com materiais compsitos quando sujeitas a presses hidrostticas (3) comparar a presso de ruptura experimental, com valores obtidos por meio de clculos tericos (4) avaliar o mecanismo de falha dos reparos.

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3. REVISO BIBLIOGRFICA 3.1 Compsitos

Muitas das tecnologias modernas necessitam de materiais cujas combinaes de propriedades requeridas no so encontradas nos materiais convencionais, tais como, ligas metlicas, cermicos, polmeros. Estes materiais so necessrios em aplicaes especficas como na indstria aeroespacial, naval e materiais esportivos de alto desempenho. Nesse contexto, os materiais compsitos tem se mostrado como uma interessante alternativa (CARVALHO, 2009). Compsito um material constitudo, em escala macroscpica, por duas ou mais fases que, trabalhando em conjunto resultam em propriedades mais convenientes comparadas quelas de seus constituintes atuando de maneira individual (DANIEL e ISHAI, 1994; CALLISTER, 2007). Os materiais compsitos comumente so formados por uma matriz e um reforo. O reforo, em geral, possui elevadas resistncia e rigidez. A matriz, por outro lado, mais dctil e menos resistente, sendo responsvel por proteger e transmitir os esforos para o reforo. Algumas vezes, devido a interaes qumicas ou outros efeitos do processo, uma terceira fase chamada interface tambm se faz presente, como mostrado na Fig. 3.1. A interface possui papel importante no comportamento tenso deformao e no mecanismo de falha do material (DANIEL e ISHAI, 1994).

Matriz Reforo Interface

FIGURA 3.1-Fases de um material compsito. Adaptado de: DANIEL e ISHAI, 1994, p. 3 4

As propriedades dos compsitos so funo das propriedades de seus constituintes, quantidade de reforo e de matriz em relao massa total do compsito. Alm disso, tambm so influenciadas pela geometria, distribuio e orientao do reforo (CALLISTER, 2007). Os compsitos bifsicos so classificados em trs grupos que dependem do tipo, geometria e orientao do reforo utilizado como mostrado no diagrama contido na Fig. 3.2.

FIGURA 3.2-Classificao dos compsitos. Adaptado de: DANIEL e ISHAI, 1994, p.19.

Os compsitos de fibras contnuas, que so compsitos reforados por fibras longas, so os mais eficientes do ponto de vista de rigidez e resistncia (DANIEL e ISHAI, 1994).

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Existe uma grande variedade de fibras disponveis para uso como reforo e compsitos, como pode ser visto na Tab. III-1. As fibras de vidro so as mais utilizadas em compsitos de mdio desempenho, devido a sua elevada resistncia e baixo custo. Essas fibras, entretanto, tm seu uso limitado devido a sua baixa rigidez, baixa resistncia fadiga e rpida degradao quando expostas a condies higrotrmicas (DANIEL e ISHAI, 1994).

Fibra

Tabela III-1 Caractersticas das fibras. Vantagem Elevada resistncia Baixo custo

Vidro E, S

Kevlar Carbono Grafite Cermica

Alta resistncia trao Baixa densidade Elevada resistncia Elevada rigidez Elevada rigidez

Desvantagem Baixa rigidez Baixa vida submetida a carregamentos cclicos Sensvel altas temperaturas Baixa resistncia compresso Alta absoro de misturas Custo relativamente alto Alto custo Baixa resistncia

Elevada rigidez Baixa resistncia Resistente a altas Alto custo temperaturas Adaptado de: DANIEL e ISHAI, 1994, p.28.

Diferentes materiais, tais como polmeros, metais, cermica e carbono podem se utilizados como matrizes de compsitos fibrosos, sendo os polmeros os mais comumente aplicados (DANIEL e ISHAI, 1994). A matriz polimrica pode ser termofixa ou termoplstica. Os termoplsticos amolecem quando aquecidos at atingirem a temperatura de fuso. Suas propriedades, entretanto, permanecem inalteradas com o aquecimento, o que permite que esses polmeros sejam refundidos e reaproveitados (TELLES, 1999). Os polmeros termoplsticos mais utilizados so o polipropileno, cloridrato de polivinil, poliamida e poliuretano (CALLISTER, 2007). Os polmeros termofixos, por sua vez, formam ligaes covalentes aps seu preparo, no podendo ser remodelados depois do processo de cura. Os termofixos mais utilizados so os epxis, pois, apresentam boa resistncia, baixa viscosidade e boa aderncia as fibras (DANIEL e ISHAI, 1994). 6

Como descrito por Daniel e Ishai, (1994), os compsitos podem ser analisados mecanicamente de dois pontos de vista: da micromecnica e da macromecnica (Fig. 3.3).

FIGURA 3.3-Nveis de anlise de um compsito. Adaptado de: DANIEL e ISHAI, 1994, p.24.

A micromecnica importante no estudo de propriedades, como resistncia fratura e fadiga, que so extremamente influenciadas pelas condies locais. Esta abordagem tambm permite uma predio do comportamento mdio de uma lmina de material em funo das propriedades de seus constituintes e das condies locais (DANIEL e ISHAI, 1994). Para execuo dessa anlise deve ser introduzido um sistema de coordenadas prprio, onde o eixo principal orientado na direo das fibras e o outro eixo orientado na direo transversal s mesmas, como pode ser visto na Fig, 3.4.

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FIGURA 3.4-Direes principais para material compsito. LEVY NETO e PARDINI, 2006.

Uma lmina de compsito possui volume total (VT) de material dado por:VT Vm V f Vv

(3.1)

Onde: Vf = volume de fibra Vm = volume de matriz Vv = volume de vazios Ento em termos da frao volumtrica temos:vf Vf VT

(3.2)

vm

Vm VT

(3.3)

vv

Vv VT

(3.4)

Combinando as equaes (3.2), (3.3) e (3.4) com a equao (3.1) obtemos: 8

v m v f vv 1

(3.5)

Onde: vf = frao volumtrica de fibra vm =frao volumtrica de matriz vv = frao volumtrica de vazios Entretanto em um compsito de boa qualidade a frao volumtrica de vazios deve ser inferior a 1%, podendo ser desprezado, logo, chegamos a:vm v f 1

(3.6)

De posse das fraes volumtricas de fibra e resina possvel calcular as propriedades mecnicas da lamina de compsito nas direes principais, conforme as equaes que se seguem (JONES, 1975):Ec1 Em vm E f v f

(3.7) (3.8) (3.9) (3.10)

vf v 1 m Ec 2 E m E f

12 m vm f v f

21

12 Ec 2Ec1

vf v 1 m G12 Gm G f

(3.11)

Onde: Ec1= mdulo de elasticidade na direo principal Ec2= mdulo de elasticidade na direo transversal Ef = mdulo de elasticidade da fibra Em= mdulo de elasticidade da matriz f = coeficiente de Poisson da fibra m = coeficiente de Poisson da matriz 9

12= coeficiente de Poisson devido tenso atuando na direo v21= coeficiente de Poisson devido tenso atuando na direo 2 G12= mdulo de cisalhamento do plano 12 Gm= mdulo de cisalhamento da matriz Gf= mdulo de cisalhamento da fibra

Neste trabalho, sero utilizadas fibras confeccionadas em forma de tecidos balanceados, nos quais as fibras so orientadas com um ngulo de 90, com mesmo nmero de fibras em ambas as direes, o que proporciona as mesmas propriedades nas direes principais e permite as seguintes simplificaes (LEVY NETO, 1991): Ec1=Ec2 v21=v12 (3.12) (3.13)

Do ponto de vista da macromecnica, uma lmina unidirecional vista como um material anisotrpico quase homogneo, com propriedades prprias como rigidez e resistncia. O critrio de falha deve ser estipulado com base nas tenses mdias e na resistncia total da lmina sem fazer referncia a qualquer mecanismo de falha local. Esse tipo de aproximao recomendado no estudo do comportamento elstico e viscoelstico de compsitos laminados (DANIEL e ISHAI, 1994) No nvel do laminado, a anlise macromecnica aplicada na forma da teoria da laminao que trata o comportamento global da lmina como funo das propriedades da mesma e da seqncia de empilhamento. Por fim, no nvel do componente, mtodos como o de elementos finitos, em conjunto com a teoria de laminao, fornecem o comportamento global da estrutura, bem como o estado de tenses em cada lmina (DANIEL e ISHAI, 1994).

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3.2

Tubos

Tubos so condutos fechados de seo circular, destinados principalmente ao transporte de fluidos. Em sua grande maioria operam como condutos forados, ou seja, com a seo transversal totalmente ocupada por fluido (TELLES, 1999). Tubulao o nome dado a conjuntos de tubos, conexes, vlvulas e outros componentes. As tubulaes so necessrias porque geralmente o ponto de gerao ou armazenagem dos fluidos encontra-se distantes do seu ponto de utilizao. A importncia das tubulaes na indstria elevada, pois todos complexos industriais possuem suas redes de tubulaes de maior ou menor importncia, que em sua maioria so essenciais para o funcionamento das mesmas. O gasto com este tipo de componentes representa cerca de 20% a 25% do custo total da construo de uma planta industrial (TELLES, 1999). 3.2.1 Materiais empregados na fabricao de tubulaes Os materiais utilizados na fabricao de tubulaes so muito variados. A ASTM especifica mais de 500 tipos diferentes de materiais, que podem ser divididos em trs classes: materiais metlicos, no metlicos e metlicos com algum tipo de revestimento. A seleo do material para tubos depende de vrios parmetros como: presso e temperatura de trabalho, fluido conduzido, custo, grau de segurana envolvido e perda de carga (TELLES, 1999). Os plsticos tm se mostrado como uma interessante alternativa para os aos inoxidveis e materiais no ferrosos na fabricao de tubulaes, devido ao constante aumento nos preos metais e da evoluo contnua dos materiais polimricos. O PVC (poli cloreto de polivinil) o polmero mais utilizado industrialmente em virtude de sua boa resistncia a corroso, boas propriedades mecnicas e estabilidade em temperaturas na faixa de -40 a 65C (TELLES, 1999). Outras propriedades podem ser vistas na Tab. III-2.

Tabela III-2 Propriedades do PVC. PVC Mdulo de Elasticidade x108(psi) 3,5-6 Adaptado de: Plsticos (2010) 11 Tenso de ruptura trao x108(psi) 6000-7500

3.3

Modelagem matemtica de tubulaes

Uma primeira aproximao para as tenses em tubulaes devido presso hidrosttica pode ser conseguida por meio da formulao de vasos cilndricos. Quando a tubulao se encontra exposta a uma presso interna, fica submetida a esforos em todas as direes. Entretanto o problema pode ser analisado de maneira simples se possuir paredes finas. Um tubo considerado de parede fina quando a razo entre a espessura e o raio interno do vaso igual a 10 ou maior. Quando essa razo igual a 10 essa formulao fornece resultados com erros da ordem de 4% para a tenso mxima no vaso. Para razes maiores que 10 o erro tende a diminuir (HIBBELER, 2004). Satisfeita essa condio as tenses so tratadas de maneira simplificada considerando um estado plano de tenses. Devido uniformidade do carregamento, o vaso estar exposto a tenses no sentido circunferencial e longitudinal que podem ser obtidas por equilbrio de foras considerando os diagramas de corpo livre mostrados na figura 3.5.

FIGURA 3.5-Diagrama de corpo livre da tubulao sujeita presso interna. Fonte: Adaptado de: PROTUBO, 2009, p.2.

Com base nos diagramas de corpo livre so obtidas as equaes (3.14) e (3.15):

12

c

pr t

(3.14)

L Onde: p= presso manomtrica r= raio interno da tubulao t= espessura da tubulao

pr 2t

(3.15)

3.4

Manuteno de tubos

3.4.1 Contexto dos danos em tubulaes As tubulaes industriais podem sofrer basicamente trs tipos de alteraes em sua estrutura: perda de material na parede externa, perda de material na parede interna e vazamento (AEA, 2001). No caso de perda de material no exterior da tubulao, o fator determinante est ligado s condies do ambiente de operao a qual a tubulao est submetida. Nas tubulaes metlicas, podem ocorrer corroso e eroso. J os polmeros, sofrem um processo de degradao por raios ultravioletas, quando expostos a luz solar, o que os torna quebradios (TELLES, 1999). H ainda, na superfcie externa, uma situao de dano bastante comum, que a presena de uma pequena regio amassada na tubulao. Nos amassados com profundidades acima de 6% do dimetro necessria a execuo de um reparo, para evitar intervenes futuras (AEA, 2001). No caso de perda de material da parede interna, a degradao est diretamente relacionada com a interao entre o fluido transportado e o material da tubulao (AEA, 2001). Em materiais metlicos, a degradao pode ser causada por processos de corroso e eroso ou por uma combinao dos dois. J nos materiais polimricos, a degradao causada por dissoluo ou por reaes qumicas (TELLES, 1999). 13

O vazamento o pior tipo de dano, podendo ser causado por perda de material da parede interna ou externa do tubo ou por meio de um processo mecnico. Em caso de vazamento ser necessrio um componente ideal para o reparo, que deve considerar no somente a presso exigida, mas tambm outros fatores como a interao do fluido com o reparo (AEA, 2001). 3.4.2 Tipos de reparos utilizados A forma mais simples de reparo consiste numa braadeira metlica preenchida com material elastomrico, que pode ser aplicada em pequenos defeitos onde no h vazamento (Fig. 3.6).

Material elastomrico

FIGURA 3.6-Braadeira com enchimento elastomrico. Adaptado de: AEA, 2001, p. 9.

Quando h um vazamento puntual em uma seo do tubo, pode ser utilizada uma braadeira simples ou uma braadeira especial do tipo pino-furo (Fig. 3.7). Este tipo de reparo utiliza um pino que guia um selo cnico no furo do vazamento, sendo capaz de suportar presses de trabalho de at 13,8 MPa (AEA, 2001).

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FIGURA 3.7-Braadeira com selo cnico. Adaptado de: AEA, 2001, p.10.

No caso de vazamentos em flanges, o problema geralmente causado pela corroso ou desgaste das faces ou da rea da junta (AEA, 2001). Neste caso pode ser utilizado um reparo hermtico (Fig. 3.8)

FIGURA 3.8-Reparo hermtico para flanges. Adaptado de: AEA, 2001, p. 12.

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Em situaes onde a tubulao apresenta extensos danos ou degradao, luvas e braadeiras podem no ser efetivas. As braadeiras geralmente so disponveis em tamanho padro (dimetro e comprimento), o que pode inviabilizar sua utilizao, uma vez que o custo de produo de braadeiras com comprimento fora do padro pode ser muito elevado (AEA, 2001). Neste caso, a soluo mais econmica consiste na retirada do trecho danificado e substituio por um novo por meio de conectores do tipo luva (Fig 3.9).

FIGURA 3.9-Reparo de tubo por meio da substituio do trecho danificado. Adaptado de: AEA, 2001, p.14.

Alm das braadeiras e das substituies, tambm pode ser utilizada, para o reparo, uma luva metlica preenchida com resina epxi e vedada com resina de polister (Fig. 3.10). Esse tipo de reparo, entretanto, muito demorado, pois necessita de um processo de solda longitudinal da luva. Alm disso, o epxi leva cerca de 24 h para concluir seu processo de cura (AEA, 2001).

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FIGURA 3.10-Reparo com luva metlica preenchida com epxi. Adaptado de: AEA, 2001, p.17.

3.5

Condies para utilizao de reparos com compsito

Os reparos constitudos de materiais compsitos podem ser utilizados quando a tubulao apresentar corroso externa, sem vazamento. Neste caso, o reparo pode reconstituir a integridade estrutural do tubo. Se a superfcie for preparada de maneira adequada, a aplicao do compsito pode impedir degradaes futuras. Tambm podem ser utilizados em amassados, sulcos e desgastes nos suportes da tubulao onde a integridade estrutural precisa ser restaurada. Por ltimo, os reparos em compsito podem ser utilizados em casos de perda de material na parede interna do tubo devido corroso, eroso ou uma combinao de ambos, onde pode haver ou no vazamento (AEA, 2001).

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4. METODOLOGIA 4.1 Materiais e equipamentos

4.1.1 Tubos Para realizao dos ensaios foi adquirida a tubulao de 4 de dimetro para gua fria, da linha predial industrial TIGRE. As especificaes da tubulaa com dimenses em milmetros pode ser vista Fig. 4.1.

FIGURA 4.1-Especificaes da linha predial industrial TIGRE. Adaptado de TIGRE.

A barra de 6 metros foi segmentada em trs partes com 600 mm de comprimento cada. Estes pedaos foram faceados com o intuito de retirar rebarbas e de reduzir o comprimento para 571,6 mm. Aps o faceamento foi realizado um torneamento de desbaste para reduzir a espessura do corpo de prova na regio central em 2,5 mm. Ento foram abertas as roscas em cada extremidade por meio do uso de um cossinete de 4. Aps esses procedimentos, os tubos chegaram a configurao vista na figura 4.2.

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FIGURA 4.2-Corpo de prova aps processo usinagem.

Os tubos foram fechados nas extremidades por um conjunto composto de uma luva de reduo de 4/2 em srie com uma bucha de reduo de 2/3/4. Este conjunto foi conectado tubulao por meio de roscagem e colagem. Uma das entradas foi utilizada para alimentao do leo hidrulico e a outra para conexo do transdutor de presso. 4.1.2 Reparo Os reparos foram compostos por uma matriz de epxi nanomodificada e com reforo de fibra de vidro. A matriz epxi foi constituda da combinao da resina Remlam M a base de bisphenol A e de um endurecedor a base de amina HY956, ambos da Hunstman Inc. A razo dessa mistura consiste em 100 partes de resina para 20 de endurecedor. Os reforos utilizados foram um tecido de fibra de vidro bidirecional do fabricante Texiglass, modelo WR180, com gramatura de 180g/m e um tecido hbrido de fibra de vidro com carbono modelo CVQ 339 e gramatura de 340g/m. Devido configurao bidirecional, estes materiais possuem as mesmas propriedades nas direes principais. Para determinao da espessura do reparo foi adotada a metodologia usada por Maia, (2003), que consiste no uso da equao 4.1 para calcular a espessura do reparo.t reparo Etubo t desbaste E reparo

(4.1)

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Para obteno do mdulo de elasticidade dos materiais dos reparos em materiais compsitos, foram realizados ensaios de trao de acordo com a norma ASTM 3039D. Os valores obtidos podem ser vistos na Tab. IV-1.

Tabela IV-1 Mdulo de elasticidade dos materiaisMaterial Mdulo de elasticidade (MPa) Nmero de ensaios Nmero de camadas

Fibra de vidro Fibra de vidro/ carbono PVC*

6799

3

16

8364

3

8

3000

-

-

*Adaptado de: ALBUQUERQUE, 1990.

Com base nos dados da tabela IV-1 e da equao 4.1 a espessura ideal dos reparos foram calculadas e so apresentadas na tabela IV-2.

Tabela IV-2 Espessura e nmero de camadas dos laminados. Material Espessura do laminado Nmero de camadas (mm) Fibra de vidro Fibra de vidro/ carbono 1,09 0,90 6 2

Definido o nmero de camadas de reforo, as fibras foram cortadas e pesadas para calcular-se a quantidade de epxi necessria para os reparos tabela IV-3. Ento foram misturados a resina e o endurecedor e realizada a laminao manual dos reparos. 20

Tabela IV-3 Massas de matriz, reforo.Corpo de Tipo Massa de fibra (g) prova CP01 Vidro/Carbono 44,53 CP02 Vidro 74,19 Massa de resina (g) 37,10 33,31 Massa endurecedor (g) 7,42 6,65

Aps a laminao manual foi realizada a cura temperatura ambiente por 24 horas e posteriormente num forno 50C por mais um dia. Um corpo de prova finalizado pode ser visto na Fig. 4.3.

FIGURA 4.3-Corpo de prova finalizado.

4.1.3

Instrumentao

Para realizao dos ensaios, foi construda uma bancada de ao com 1,7 mm de espessura, devido as elevadas presses envolvidas nos ensaios. Esta bancada ser tampada com uma placa de madeira de 5 mm para proteo dos envolvidos durante o ensaio. 21

Foram utilizados extensmetros KYOWA do tipo KGF-10-120-C1-11, alimentados com 2,5 V de tenso. Estes foram posicionados na regio central dos corpos de prova nas direes circunferencial e longitudinal para obteno das deformaes nessas direes. Para monitoramento da presso, foi instalado um transdutor de presso da Mkcontrole com faixa de operao de 0-400 bar de presso, com alimentao de 24 V e sinal de sada de 4 a 20 mA . Para aquisio de dados, foi utilizado um equipamento da marca Lynx modelo ADS 2000 com 16 canais de monitoramento. Foi utilizada uma bomba hidrulica da marca Enerpac com potncia de hp, que opera na faixa de 0 700 bar. A conexo entre a bomba hidrulica e os corpos de prova foi realizada por meio de uma mangueira da marca Enerpac, de 3 metros de comprimento, dimetro de e que possui capacidade de operao de at 725 bar de presso. 4.2 Procedimento Experimental

Foram testados trs tipos de corpos de prova: sem reparo (CP00), reparo em fibra de vidro e carbono (CP01) e reparo em fibra de vidro (CP02). Para a realizao dos ensaios foi montada a bancada de ensaios com o instrumental necessrio, como visto na Fig. 4.4.

FIGURA 4.4-Bancada montada para realizao dos ensaios.

Aps a realizao da montagem e instrumentao do corpo de prova, foi realizado o enchimento do mesmo com o leo hidrulico pelo orifcio do transdutor de presso. Ento 22

o corpo de prova foi posicionado na bancada, engastado em uma extremidade e com liberdade radial na outra. Feito isso, foram realizadas as conexes eltricas e hidrulicas. Um corpo de prova montado e instrumentado pode ser visto na Fig. 4.5.

FIGURA 4.5-Corpo de prova posicionado na bancada de ensaios.

Aps a colocao da tampa de madeira, foram acertados os parmetros do sistema de aquisio de dados para iniciar o ensaio. O corpo de prova foi pressurizado at a ruptura para gravao dos sinais temporais de presso e deformao. O momento da ruptura foi determinado pela diminuio da presso do ensaio. Aps cada ensaio, foram desmontadas as conexes do corpo de prova e repetido o processo para todos os outros. Com base na tabela III-2, na equao 3.14 e de parmetros geomtricos dos corpos de prova, foram calculadas as presses de ruptura tericas da tubulao usinada e de uma tubulao ntegra. Tambm foram calculadas as inclinaes das curvas de presso por deformao circunferencial para avaliar o aumento de rigidez devido aos reparos.

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5. RESULTADOS E DISCUSSO 5.1 Presso

Na Fig. 5.1, so mostradas as presses mximas experimentais coletadas durante o ensaio e as presses tericas de ruptura calculadas, para os trs corpos de prova.

Avaliao das presses50 40 Presso (bar) 30 20 10 0 CP00 CP01 CP02 Presso mxima experimental Presso de ruptura terica

FIGURA 5.1-Avaliao das presses

A partir da anlise da Fig. 5.1 podemos verificar que a presso obtida experimentalmente na ruptura do CP00 foi bem prxima da predio terica, cerca de 4.3% de diferena. A Fig. 5.2 mostra a condio do CP00 aps o ensaio e a Fig.5.3 mostra o detalhe da fratura.

. FIGURA 5.2-CP00 aps ensaio. 24

FIGURA 5.3-Detalhe ruptura CP00.

Pela anlise da fratura (Fig. 5.3) podemos verificar um comeo de ruptura na longitudinal o que condizente com a teoria dos vasos de parede finas. Esta ruptura preferencial nesta direo devido tenso circunferencial ser duas vezes maior que a longitudinal. Tambm pode ser notado que a trinca propaga-se a cerca de 45 desse ponto de maneira simtrica que pode ser explicado pela presena da maior tenso de cisalhamento nessa direo. Ao observarmos a Fig 5.1 verificamos que a presso de ruptura obtida experimentalmente para o CP01 ultrapassou um pouco a predio terica cerca de 1.35% de diferena. Isto pode ser devido a uma possvel diferena entre a tenso de ruptura utilizada para os clculos tericos e a tenso real do PVC ensaiado. Entretanto o fato de obter-se uma presso prxima da estimada mostra a eficcia do reparo no restabelecimento da rigidez da tubulao. Na Fig. 5.4 mostrado o CP01 aps o ensaio.

FIGURA 5.4-CP01 aps ensaio. 25

Ao observamos o corpo de prova aps o ensaio (Fig. 5.4), vemos que a ruptura ocorreu no PVC, no ocorrendo dano visvel ao reparo, o que indica que o mesmo cumpriu sua funo. Entretanto, a ausncia de dano no reparo tambm indica um super dimensionamento do mesmo. Isto pode ser explicado pelo baixo valor do mdulo de elasticidade utilizado nos clculos da espessura do reparo. Este valor inadequado pode ter sido obtido pela ausncia de extensmetro nos ensaios de trao. Este problema poderia ser eliminado por meio de um melhor dimensionamento do reparo, ou pela laminao alm da rea usinada, no caso da espessura mnima conseguida ser maior que a dimensionada. A ausncia de dano visvel no reparo impossibilita a anlise do modo de falha do reparo. Ao avaliar a presso mxima obtida para o CP02 vemos que a mesma foi cerca de 6.4% menor que o valor estimado. Entretanto como pode ser observado na Fig. 5.5 o corpo de prova no rompeu durante o ensaio devido a um vazamento na luva de reduo (Fig. 5.6). Este vazamento talvez possa ser explicado por falta de cola na regio. Mesmo sem a ruptura do PVC a proximidade da presso de ruptura estimada evidencia a capacidade do reparo em restabelecer a rigidez da tubulao.

FIGURA 5.5-CP02 aps ensaio

26

FIGURA 5.6-Vazamento na luva de reduo.

O reparo em fibra de vidro tambm no apresentou nenhum dano visvel, o que compromete a avaliao do modo de falha do reparo e nos leva a inferir que tambm foi super dimensionado pelos mesmos motivos anteriores. 5.2 Deformaes

Na Fig. 5.7 so mostradas as deformaes longitudinais e circunferenciais mximas obtidas durante os ensaios.

Avaliao das deformaes25000 Deformao (m/m) 20000 15000 10000 5000 0 CP00 CP01 CP02 Deformao mxima longitudinal Deformao mxima circunferencial

FIGURA 5.7-Avaliao das deformaes.

27

Ao observar a Fig. 5.7 verificamos a diminuio de cerca de 2,26 vezes na deformao circunferencial e 1,26 vezes na deformao longitudinal quando comparados os CPs 00 e 01. Entretanto, no possvel uma comparao entre as deformaes obtidas para os CPs 00 e 02, pois, o ensaio foi interrompido precocemente devido ao vazamento.

5.3

Rigidez

Na figura 5.8, so mostradas as inclinaes das curvas de presso por deformao circunferencial dos corpos de prova.

Inclinao da curva de deformao circunferencialMdulo de elasticidade (bar/m/m) 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 CP00 CP01 CP02

FIGURA 5.8-Avaliao da rigidez.

Ao observarmos a Fig. 5.8 verificamos um aumento na rigidez dos corpos de prova reparados quando comparados ao corpo de prova sem reparo. Quando comparamos os dois reparos observa-se que o reparo em tecido hbrido/epxi apresenta menor rigidez, mesmo apresentando o maior mdulo de elasticidade durante os ensaios de trao. Isto pode ser explicado pelo maior nmero de camadas do reparo em fibra de vidro epxi, que melhora a capacidade de acomodao dos danos internos. 28

5.4

Tabela comparativa

Os resultados dos ensaios podem ser resumidos na Tab. V-7.

Tabela V-4 Comparativo entre os ensaios. Presso de CP ruptura terica (bar) 00 01 46,51 02 43,51 2516 7776 0,0063 23,25 Presso de mxima experimental (bar) Deformao mxima longitudinal x10-6(m/m) Deformao mxima circunferencial x10-6(m/m) Inclinao da curva presso x deformao circunferencial

24,83 47,14

4453 3533

22090 9732

0,0021 0,0053

Ento, pela anlise realizada anteriormente, podemos afirmar que os dois reparos utilizados conseguiram restabelecer a integridade mecnica da tubulao sendo que o segundo reparo apresentou maior aumento da rigidez.

29

6.

CONCLUSES

Neste trabalho foi estudado o comportamento de tubulaes de PVC reparadas com materiais compsitos submetidas a presses hidrostticas. Os resultados mostraram que os reparos em material compsito so capazes de restabelecer a rigidez de tubulaes cuja espessura de parede foi reduzida por algum mecanismo de degradao. Embora tenham ocorrido alguns problemas durante os ensaios ambos os reparos estudados cumpriram sua funo. No foi possvel a avaliao do modo de falha dos reparos devido ausncia de dano nos mesmos aps os ensaios. Como sugesto para trabalhos futuros, fica o estudo de um melhor meio de dimensionamento para esses reparos e a anlise de reparos nanomodificados.

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7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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