REPARO EM TUBULAÇÕES DE AÇO CARBONO UTILIZANDO … · de fibra de carbono, muito eficientes, não tendo ocorrido rompimento, mesmo com a mais elevada pressão e o tempo mais longo,

REPARO EM TUBULAÇÕES DE AÇO CARBONO

UTILIZANDO COMPÓSITO DE FIBRA DE CARBONO

Carlos Felipe Chaia Cury

Rio de Janeiro

2016

CARLOS FELIPE CHAIA CURY

Mestrado Profissional

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais -

PPCTM

Matrícula MP 01-05/1.2013



Trabalho de Dissertação de Mestrado, apresentado

ao Curso de Pós-Graduação em Ciência e

Tecnologia de Materiais do Centro Universitário

Estadual da Zona Oeste (UEZO), como parte dos

requisitos para a obtenção do grau de Mestre, sob a

orientação do Prof.° Dr. Carlos Alberto Martins

Ferreira e co-orientação do Prof.º Dr. Alisson Clay

Rios da Silva.

Rio de Janeiro

Março, 2016



Elaborado por Carlos Felipe Chaia Cury

Aluno do curso de Mestrado Profissional do Programa de Pós-Graduação em Ciência e

Tecnologia de Materiais da UEZO

Este trabalho de Mestrado foi analisado e aprovado com

Grau:

Rio de Janeiro, _______ de ___________________ 2016

_________________________________________

Prof.° Dr. Carlos Alberto Martins Ferreira

_________________________________________

Prof.° Dr. Alisson Clay Rios da Silva

_________________________________________

Prof.º Dr. Isaías Quaresma Masetti

_________________________________________

Prof. º Dr. Mauro Carlos Lopes Souza

Rio de Janeiro

Março de 2016

Resumo

No reparo de uma tubulação de aço carbono, muitos fatores influenciam na qualidade e

velocidade. Em ambientes inóspitos e impróprios para o reparo a quente, como um solda

elétrica, não é incomum, principalmente a bordo de navios/embarcações, que dependem,

totalmente, do manuseio de combustíveis, lubrificantes e outros fluidos, através de

sistemas de tubulações de diversos materiais, inclusive aço carbono e possuem, em seus

compartimentos, muitas vezes, na presença de resíduos de materiais inflamáveis. Nesse

caso, é necessário o desmonte da tubulação, para reparo fora do navio, em situações mais

favoráveis. Mas, muitas vezes, esse reparo só pode ser executado no local, dentro do navio.

Assim, o uso de um material como um compósito de fibra de carbono, substitui uma solda,

com muita eficiência. No presente trabalho, para se testar um reparo feito dessa maneira,

numa tubulação, foram utilizados 8 corpos de prova com tubos de aço carbono ASTM

SAE 1020. As peças de teste foram construídas com um tubo de 90 mm de diâmetro

externo, 8 mm de parede (espessura) e 170 mm de comprimento. Esses 8 tubos foram

flangeados e fixados numa linha para teste. No centro desses carretéis foram feitas furações

com 4,0 mm de diâmetro, simulando um rompimento por fratura, na parede dos tubos.

Esses furos foram reparados com uma camada de compósito de fibra de carbono, para

substituir uma solda elétrica. Em seguida, circulou-se água na linha, com aplicação de

pressões hidrostáticas de 5, 50, 100 e 173 Bar, com tempos de 15 min e 2 horas, em cada

uma, para se testar a eficiência desses reparos. Os resultados mostraram ser esses reparos,

de fibra de carbono, muito eficientes, não tendo ocorrido rompimento, mesmo com a mais

elevada pressão e o tempo mais longo, tornando muito viável sua utilização, em situações

de emergência.

Palavras Chave: Compósito; Fibra de Carbono; Reparo Usando Compósitos; Reparo em

Tubulações; Embarcações e Navios.

Abstract

In the repair of a carbon steel pipe, many factors influence the quality and speed. In harsh

environments and unsuitable for the hot fix, as a welding, is not uncommon, especially on

ships / vessels, which depend completely, the handling of fuel, lubricants and other fluids,

through various piping systems materials, including carbon steel and feature in their

magazines, often in the presence of residues of flammable materials. In this case, it is

necessary to disassemble the pipe to repair off the ship in more favorable situations. But

often, this repair can only be performed on site within the vessel. Thus, the use of a

material such as a carbon fiber composite, replaces a weld very efficiently. In this study, to

test a repair done this way, a pipe, were used 8 specimens with carbon steel pipe ASTM

SAE 1020. The test pieces were built with a tube of 90 mm outside diameter, 8 mm wall

(thickness) and 170 mm in length. These pipes 8 are flanged and fixed to a line test. In the

center of these reels have been made holes with 4.0 mm in diameter, simulating a fracture

breaking on the wall of the tubes. These holes were repaired with a carbon fiber composite

layer, to replace an electric welding. Then, water was circulated in the line, applying

hydrostatic pressures of 5, 50, 100 and 173 bar, with times of 15 min and 2 hours each, to

test the effectiveness of those repairs. The results showed that these repairs, carbon fiber,

very efficient, and no breakage occurred even with the higher pressure and the longer time,

making it very feasible to use in emergency situations.

Keywords: Composite; Carbon fiber; Repair Using Composites; Repair pipes; Boats and

Ships.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... V

LISTA DE TABELAS ................................................................................................... VII

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................8

2. OBJETIVO GERAL E ESPECIFICOS ........................................................................ 10

3. REVISÃO BIBIOGRAFICA ....................................................................................... 11

3.1. MATRIZ ........................................................................................................... 12

3.2. REFORÇO OU FASE DISPERSA .................................................................... 15

3.3. COMPÓSITOS ESTRUTURAIS ...................................................................... 16

3.4. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE COMOPÓSITO, HAND LAY-UP ............ 18

3.5. RESINA EPÓXI ................................................................................................ 19

3.6. MC DUR 1209 .................................................................................................. 19

3.7. MC DUR CF SHEETS ...................................................................................... 20

4. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 21

4.1 MATERAIS ....................................................................................................... 21

4.2 MÉTODOS ........................................................................................................ 22

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................. 32

6. CONCLUSÃO ............................................................................................................. 38

7. TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................... 39

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................... 40

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Colocação dos compósitos entre os materiais.......................................................12

Figura 2. Tipos de matrizes..................................................................................................13

Figura 3. Matriz polimérica..................................................................................................13

Figura 4. Tipos de reforços...................................................................................................15

Figura 5. Fibra de carbono contínua e orientada..................................................................16

Figura 6. Fibra de vidro descontínua e aleatória..................................................................16

Figura 7. Compósito laminado Glare-5................................................................................17

Figura 8. Painel sanduíche.................................................................................................. ..17

Figura 9. Tipos de colmeias de painéis sanduíches..............................................................18

Figura 10. Processo hand Lay-up.........................................................................................18

Figura 11. Carretel de aço carbono......................................................................................22

Figura 12. Fibra de carbono.................................................................................................22

Figura 13. Resina (Comp. A à esquerda) e catalisador (Comp. B à direita)........................22

Figura 14. Medidas do carretel.............................................................................................23

Figura 15. Furo de 4 mm no centro da parte tubular do carretel..........................................23

Figura 16. Carretéis após a execução dos reparos................................................................25

Figura 17. Detalhe dos carretéis após a execução dos reparos.............................................25

Figura 18. Detalhe de um carretel após a execução do reparo.............................................25

Figura 19. Aplicação de 5 bar durante 15 minutos...............................................................26

Figura 20. Aplicação de 5 bar durante 2 horas.....................................................................27

Figura 21. Aplicação de 50 bar durante 15 minutos.............................................................27

Figura 22. Aplicação de 50 bar durante 2 horas...................................................................27

Figura 23. Aplicação de 100 bar durante 15 minutos ..........................................................28

Figura 24. Aplicação de 100 bar durante 2 horas.................................................................28

Figura 25. Aplicação de 173 bar durante 15 minutos...........................................................29

Figura 26. Aplicação de 173 bar durante 2 horas.................................................................29

Figura 27. Corte dos carretéis...............................................................................................30

Figura 28. Continuação do corte dos carretéis.....................................................................30

Figura 29. Etapa do corte dos carretéis................................................................................30

Figura 30. Finalização do corte dos carretéis.......................................................................30

Figura 31. Quadrados terminados........................................................................................31

Figura 32. Região central do furo. 5 bar durante 15 minutos...............................................32

Figura 33. Região fora do furo. 5 bar durante 15 minutos...................................................32

Figura 34. Região central do furo. 5 bar durante 2 horas.....................................................33

Figura 35. Região fora do furo. 5 bar durante 2 horas.........................................................33

Figura 36. Região central do furo. 50 bar durante 15 minutos.............................................33

Figura 37. Região fora do furo. 50 bar durante 15 minutos.................................................33

Figura 38. Região central do furo. 50 bar durante 2 horas...................................................34

Figura 39. Região fora do furo. 50 bar durante 2 horas.......................................................34

Figura 40. Região central do furo. 100 bar durante 15 minutos...........................................34

Figura 41. Região fora do furo. 100 bar durante 15 minutos...............................................34

Figura 42. Região central do furo. 100 bar durante 2 horas.................................................35

Figura 43. Região fora do furo. 100 bar durante 2 horas.....................................................35

Figura 44. Região central do furo. 173 bar durante 15 minutos...........................................35

Figura 45. Região fora do furo. 173 bar durante 15 minutos...............................................35

Figura 46. Região central do furo. 173 bar durante 2 horas.................................................36

Figura 47. Região fora do furo. 173 bar durante 2 horas.....................................................36

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Aplicações industriais dos materiais compósitos.................................................11

Tabela 2. Propriedades Vs. Requisitos esperados................................................................14

Tabela 3. Representação das pressões hidrostáticas e tempos utilizados nos testes............26

Tabela 4. Resumo das variáveis utilizadas...........................................................................37

8

1. INTRODUÇÃO

É sabido que em toda a existência da espécie humana, materiais de diversos tamanhos,

formas e pesos foram desenvolvidos e utilizados para a facilitação de tarefas rotineiras.

Tamanha era a importância destes materiais que subdividiram as eras conhecidas (do

Ferro, do Bronze, do Outro etc.) de acordo com os que eram mais utilizados em cada

momento. E esse melhoramento do material fez com que o progresso das civilizações

alcançasse patamares mais elevados ao longo do tempo. Tem-se referências de que a fiação

foi uma das invenções mais importantes de uma era, pois possibilitou o desenvolvimento

de vestimentas cada vez mais adaptadas aos diversos climas frios, logo permitindo ao

homem, pré-histórico, dominar novos territórios e expandir sua existência pela Terra.

Com o passar dos anos, o desenvolvimento de materiais utilizando outros tipos de

materiais, foi crescendo (mesmo sem haver uma pesquisa voltada para a questão dos

materiais compósitos, que não eram conhecidos com esse nome ainda). Um exemplo é a

sociedade egípcia que usavam materiais compósitos de fibras naturais como o papiro para

fazer barcos, velas e cordas desde o ano 4000 a.C. .

Ao longo dos anos, os materiais compósitos passaram por diversos estudos e pesquisas

a fim de torná-los cada vez melhores e mais adaptados às novas tecnologias. Nas décadas

de 80 e 90, focou-se na indústria aeroespacial, civil e militar. A motivação era a crescente

preocupação em tornar as aeronaves cada vez mais leves e seguras, a fim de garantir a

integridade física dos ocupantes, obter uma maior rentabilidade na questão da

leveza/consumo de combustível e nos métodos de fabricação.

Diante da vasta utilização que os materiais compósitos possuem, e a cada dia surgem

novas concepções, este trabalho analisou o comportamento de um reparo feito com a

utilização de compósito (resina epóxi e fibra de carbono). Consistiu em verificar a

eficiência da substituição de um reparo convencional utilizando solda elétrica a base de

eletrodos, por exemplo, pela aplicação de compósitos em tubulações de aço carbono, que

são utilizadas em navios/embarcações com a finalidade de transportar os fluídos

necessários para suas operações. A fim de simular estas tubulações, foram utilizados

9

carretéis de aço carbono SAE 1020 com um furo de 4 mm no centro longitudinal do tubo

que os compõem. Pressões hidrostáticas internas foram utilizadas para repetirem as

situações de trabalho que essas tubulações são submetidas.

Mediante as respostas favoráveis dos reparos, após as aplicações dessas pressões

hidrostáticas, considerou-se eficiente a forma de reparo proposta.

10

2. OBJETIVO GERAL E ESPECIFICOS

O presente trabalho teve por objetivo geral avaliar a utilização do compósito de

epóxi/fibra de carbono no reparo de tubulações de aço carbono (SAE 1020) utilizadas em

diversos sistemas a bordo de navios/embarcações.

Os objetivos específicos deste trabalho consistiram em:

Descrever o método de reparo utilizado.

Avaliar a eficiência do reparo através de teste de pressão hidrostática.

Avaliar através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), o comportamento

das fibras de carbono após a aplicação das pressões e variações dos tempos

(Garantir que não ouve erupção e nem princípio de erupção/fratura).

Definir o método de reparo ideal para a otimização dos reparos a bordo de

navios/embarcações.

11

3. REVISÃO BIBIOGRAFICA

É certo que cada vez mais, a fabricação de compósitos constitui um procedimento que

pretende atingir valores ótimos de parâmetros como a forma, massa, força, durabilidade,

rigidez, custos etc. Estudos recentes mostram a utilização dos compósitos nos setores

industriais, conforme demonstrado na tabela 1.

Tabela 1: Aplicações industriais dos materiais compósitos (GOSS, 2010).

Indústria Exemplos Vantagens

Automotiva e Transportes Carroceria, chassis,

componentes do motor etc.

Elevada Firmeza, boa

superfície, baixo peso

(maior eficiência energética)

Civil Peças estruturais, tanques,

banheiras, móveis etc.

Elevada resistência

mecânica e baixo peso

Esportes e Lazer

Raquetes de tênis, tocos de

golfe, estruturas de

bicicletas, carros de corrida

etc.

Flexibilidade de design,

redução nas vibrações

Mecânica e Química Tubulações, tanques, vasos

de pressão etc.

Resistência mecânica

Resistência à corrosão

Aeroespacial Portas, partes da fuselagem,

cauda, flap etc.

Redução de peso da ordem

de 20 a 35%; estabilidade

dimensional e térmica

Elétrica

Circuitos impressos,

isolantes, componentes de

bateria etc.

Propriedades específicas

Energia eólica Pás dos rotores etc. Baixo peso e excelentes

propriedades mecânicas

Marinha Mastros, velas, deques,

cascos etc.

Redução do peso representa

possibilidade de maiores

velocidades e acelerações

12

Um material compósito pode ser definido como a junção de, pelo menos, dois outros

materiais não solúveis que proporcionem um produto final com características melhores

que os materiais iniciais individualmente. Ou seja, o compósito tem como objetivo ser um

material que alia as melhores características mecânicas, elétricas, térmicas etc, de seus

constituintes, aperfeiçoando-as. Em geral, o compósito consegue uma leveza sem

prejudicar suas propriedades (CALLISTER, 2012).

Basicamente, o compósito é formado por duas fases, separadas claramente. São estas a

matriz, ou fase contínua (que pode ser metálica, cerâmica, polimérica ou de carbono) e o

reforço, ou fase dispersa (que pode ser de partículas ou fibras), conforme figura 1.

(MOREIRA, 2008/2009).

Figura 1. Colocação dos compósitos entre os materiais.

Fonte:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a0/Classoficacao_de_

materiais_pt.svg/2000px-Classoficacao_de_materiais_pt.svg.png

3.1 MATRIZ

A matriz é responsável por:

Propiciar as ligações entre as partículas ou fibras que formam a fase dispersa

(reforço).

Distribuir a carga recebida pelo material às fibras ou partículas.

13

Proteger as fibras contra danos superficiais decorrentes de abrasão mecânica ou

de reações químicas com o ambiente e ainda esforços transversais e

compressivos.

Separar uma fibra da outra e, em virtude de sua baixa dureza e plasticidades

relativas, previne a propagação de trincas frágeis de uma fibra para outra, o que

poderia resultar em uma falha grandiosa (CALLISTER, 2012).

A figura 2 representa um esquema da divisão dos tipos de matrizes.

Figura 2. Tipos de matrizes.

Fonte: Arquivo pessoal.

As matrizes cerâmicas apresentam elevada dureza, baixa resistência à tração, impacto

mecânico e ao choque térmico. Em geral os compósitos cerâmicos são leves, rígidos e

resistentes. Nas matrizes metálicas, as ligas metálicas leves (à base de alumínio, magnésio

ou titânio) são mais utilizadas. A figura 3 mostra as duas formas que a matriz polimérica

pode se apresentar.

Figura 3. Matriz polimérica.

Fonte: Arquivo pessoal.

MATRIZ POLIMÉRICA

TERMOPLÁSTICA ELASTOMÉRICA

14

A matriz elastomérica caracteriza-se por possuir partículas com superfície

funcionalizada para se ligarem às cadeias de elastômeros ( Ligações cruzadas).

A matriz termoplástica possui polímeros amorfos ou cristalinos, estes últimos

apresentando propriedades mais interessantes para o uso como matriz em compósitos

avançados. Absorvem menos umidade e consequentemente mantém suas propriedades

consideravelmente inalteradas em temperaturas mais elevadas e apresentam maior

resistência interlaminar e ao impacto (MOREIRA, 2008/2009).

Na tabela 2, apresentam-se os principais requisitos do material da matriz:

Tabela 2: Propriedades Vs. Requisitos esperados (MOREIRA 2008/2009).

Propriedades Requisitos esperados

Propriedades Mecânicas

Resistência à tração elevada

Ductilidade baixa

Resistência ao corte

Tenacidade

Resistência ao impacto

Propriedades Térmicas

Resistência a temperaturas extremas

Coeficiente de dilatação térmica

próximo ao da fibra

Baixa condutividade térmica

Propriedades Químicas

Boa adesão às fibras

Resistência à degradação em

ambientes quimicamente agressivos

Baixa absorção de umidade

Outras Propriedades Baixo custo

Solidificação ou cura rápidas

15

3.2 REFORÇO OU FASE DISPERSA

Esta fase é responsável por dar ao material compósito a maior parte do seu mecanismo

de reforço e/ou resistência. Pode apresentar-se em partículas grandes, interação partícula-

matriz a nível macro, e por dispersão, interações partícula-matriz a nível atômico ou

molecular (CALLISTER, 2012).

As fibras, ainda, podem apresentar algumas orientações, tais como:

Contínuas e alinhadas: Melhor resistência quando a carga é aplicada no sentido das

fibras.

Descontínuas e alinhadas: Mesma propriedade que as contínuas e alinhadas, porém

com um pouco menos de eficiência.

Descontínuas e aleatórias: Suas características mecânicas são isotrópicas, ou seja,

independe da direção de aplicação da carga.

A figura 4 apresenta os tipos de reforços divididos em partículas e fibras.

Figura 4. Tipos de reforços.

Fonte: https://lucianaduarte.files.wordpress.com/2012/01/compositos1.jpg

16

Os compósitos reforçados com fibras são, tecnologicamente, mais importantes, pois

proporcionam alta resistência e/ou rigidez em relação ao peso. O comprimento da fibra tem

ligação direta com estes parâmetros, quanto maior o comprimento da fibra melhor, pois

terá um limite de resistência à tração, por exemplo, maior (CALLISTER, 2012).

A figura 5 representa um exemplo de manta de fibra de carbono unidirecional orientada

e a figura 6 um exemplo de manta de fibra de vidro descontínua e aleatória.

Figura 5. Fibra de carbono contínua e

orientada.

Fonte:http://www.aviacao.org/especiais/

materiais-compositos/3/

Figura 6. Fibra de vidro descontínua e

aleatória.

Fonte:http://www.compofibras.com.br/w

p-content/uploads/fibras.jpg

3.3 COMPÓSITOS ESTRUTURAIS

Existem os compósitos formados por outros compósitos, ou seja, o material final é

formado por outros materiais compósitos dispostos de forma a propiciar melhorias na

resistência. As fibras são os reforços mais utilizados (CALLISTER, 2012), sendo a fibra

contínua e alinhada a mais resistente quando a carga é aplicada no sentido das fibras. Uma

forma de se conseguir resistência em mais de uma direção é utilizando o compósito

laminado, por exemplo. Exemplos são compensados de madeira, plásticos reforçados etc.

Os painéis-sanduíche são projetados para serem vigas ou painéis de baixo peso, com

rigidez e resistência relativamente elevadas. Um painel-sanduíche consiste em duas

http://www.aviacao.org/especiais/materiais-compositos/3/


17

lâminas externas que são separadas e unidas por adesivo a um núcleo mais espesso. Podem

ser: Espumas poliméricas, madeiras ou colmeias (CALLISTER, 2012).

Figura 7. Compósito laminado Glare-5.

Fonte: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo11064/a04v14n2/a04fig05.gif

Figura 8. Painel sanduíche.

Fonte: http://docplayer.com.br/docs-images/24/4303724/images/37-0.png

18

Figura 9. Tipos de colmeias de painéis sanduíches.

Fonte: http://portaldamadeira.blogspot.com.br/2010_04_01_archive.html

3.4 PROCESSO DE PRODUÇÃO DE COMPÓSITO, HAND LAY-UP

O intuito do processo de reparo defendido por este trabalho é facilitar e tornar possível

reparar uma tubulação de aço carbono em qualquer lugar que ela se encontre. Por tanto, foi

utilizado o processo hand lay-up, onde é preciso apenas de um aplicador manual (pincel ou

brocha), a matriz polimérica (resina epóxi+adesivo em estado líquido), o reforço (manta de

fibra de carbono), a tubulação a ser reparada e o aplicador (homem). Este processo consiste

em realizar toda a fabricação do compósito de forma manual, ou seja não depende de

máquinas, espaços grandes ou qualquer outra coisa que não um profissional qualificado. A

matriz polimérica e o reforço são unidos no local do reparo utilizando um aplicador

manual, conforme é demonstrado na figura 10.

Figura 10. Processo Hand Lay-Up.

19

3.5 RESINA EPÓXI

Resinas epóxi são compostos caracterizados pela presença do grupo cíclico éster (grupo

epóxi) na estrutura química. Os monômeros formam uma estrutura tridimensional

entrecruzada depois que a cura da resina ocorre. Na cura da resina, praticamente não há

emissão de voláteis e um baixo grau de contração é observado, em comparação com outras

resinas, como a fenólica ou a poliéster (GOSS, 2010).

A estrutura mais comum de resinas epóxi é a diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA),

que representa aproximadamente 75% do volume de resinas epóxi comercializadas – que

corresponde de 4 a 6% do total de resinas termofixas nos países industrializados. Os

principais mercados consumidores dessas resinas são sistemas anticorrosão, revestimentos

de proteção, circuit boards, semicondutores encapsulados e compósitos de alto

desempenho para a industria automotiva, aeronáutica e náutica. Na industria aeroespacial,

os compósitos respondem por mais de 80% de todas as resinas termofixas utilizadas

(GOSS, 2010).

Esta vasta gama de aplicações deve-se às excelentes propriedades dos sistemas epóxi,

tais como as boas propriedades mecânicas com relação às resinas com que concorre no

mercado, a resistência química, resistência térmica (elevada temperatura de transição

vítrea), elevada aderência em um grande número de substratos e ampla possibilidade de

processamento. Apesar disto, para algumas aplicações o nível de susceptibilidade

apresentado pelas resinas epóxi com relação à propagação de trincas depois de um impacto

constitui ainda uma limitação tecnológica. (GOSS, 2010).

3.6 MC-DUR 1209

A MC-DUR 1209 foi a resina para laminação fornecida pela empresa MC-Bauchemie

para a realização dos reparos estudados neste trabalho. É uma resina à base de epóxi

bicomponente, sem solventes e com elevada resistência mecânica e de impregnação. Esta

resina é apresentada na forma de dois componentes, no qual o componente base é chamado

de A e o catalisador chamado de B. Ambos devem ser misturados em proporções pré-

20

definidas. Para os reparos executados neste trabalho, foi usada a proporção de 2:1, ou seja,

2 medidas do componente A para 1 medida do componente B e executada mistura manual.

Esta proporção foi escolhida baseada nas experiências acumuladas com outras resinas

utilizadas em reparos executados no Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro.

A estrutura química da MC-DUR 1209 não pode ser fornecida, o que não impediu ou

prejudicou a obtenção dos resultados relevantes para este trabalho.

3.7 MC DUR CF SHEETS

A MC DUR CF SHEETS foi a manta de fibra de carbono fornecida pela empresa MC-

Bauchemie para a realização dos reparos estudados neste trabalho. Consiste em uma manta

de fibra de carbono unidirecional, com elevada resistência à tração (4.900 MPa – manta

não impregnada), pequena seção transversal, baixa espessura (0,166 mm), de fácil

aplicação , baixo peso próprio (300 g/m²) e altamente eficiente.

21

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 MATERIAIS

Para a realização dos testes que compuseram este trabalho, foram utilizados os

seguintes materiais:

Carretéis, fabricados em aço carbono SAE 1020, com tubos de 8 mm de espessura,

170 mm de comprimento e dois flanges com 25 mm de espessura e diâmetro

externo de 200 mm (Conforme figura 11);

Fibra de carbono com 300 g/m² fornecida pela empresa MC-Bauchemie Brasil

(Conforme figura 12), num total de 0,7 m² (700.800 mm²), utilizando 0,0876 m²

(87.600 mm²) para o reparo de cada carretel;

Resina para laminação à base de epóxi bicomponente, MC-DUR 1209, fornecida

pela empresa MC-Bauchemie Brasil (Conforme figura 13), num total de 1,2 litros

do componente A e 0,6 litros do componente B. Utilizou-se, aproximadamente,

0,15 litros (150 ml) do componente A e 0,075 litros (75 ml) do componente B para

o reparo de cada carretel;

Lixa 100 MESH para aço carbono;

Pincél;

Tesoura;

Recipiente plástico, para a mistura da resina e do catalisador;

Manômetros de 0 a 10 bar (ASTA Ind. Bras. – Insp. 423516); 0 a 100 bar (ASTA

Ind. Bras. – Insp. 425713); e 0 a 400 bar (ASTA Ind. Bras. – Insp. 425556);

Válvula de esfera de aço inoxidável de 1/2”;

Bomba de alta pressão ( 0 a 375 bar) Haskel;

Furadeira industrial de coluna, com broca de 4 mm, para aço carbono;

Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) JEOL JSM-6490LV.

Tanto a manta de fibra de carbono como a resina foram fornecidos pela empresa MC-

Bauchemie Brasil, afim de fomentar a pesquisa e tornar possível os testes práticos.

22

Figura 11. Carretel de aço carbono.

Figura 12. Fibra de carbono.

Figura 13. Resina (Comp. A à esquerda)

e catalisador (Comp. B à direita).

4.2 MÉTODOS

Para a execução dos testes hidrostáticos se fez necessária a fabricação de carretéis de

aço carbono a fim de simularem trechos de redes encontrados a bordo de

navios/embarcações. Estes carretéis foram projetados com as medidas representadas na

figura 14:

23

Figura 14. Medidas do carretel.

Após a fabricação destes, foi feito um furo de 4 mm no centro de cada tubo para simular

uma fratura, conforme é demonstrado na figura 15, a seguir:

Figura 15. Furo de 4 mm no centro da parte tubular do carretel.

24

Para sanar o vazamento ocasionado pelo furo, foi feito o reparo utilizando a técnica

defendida neste trabalho. Seguindo a seguinte ordem:

1. Foram cortadas tiras da fibra de carbono com as medidas de 60x60 mm (tira 1);

350x100 mm (tira 2) e 350x140 mm (tira 3).

2. Os carretéis foram limpos, através de força mecânica, utilizando as lixas 100 para

aço carbono, até que apresentassem uma superfície limpa e brilhante. A lixa serviu,

também, como formadora de micro ranhuras para melhorar a aderência da resina à

base.

3. A resina (Comp. A) e o catalisador (Comp. B) foram misturados numa proporção

de 2:1, respectivamente. Foram preparadas soluções de 400 ml de resina + 200 ml

de catalisador.

4. A tira 1 foi posicionada sobre o furo e impregnada com a mistura de resina e

catalisador, com suas fibras orientadas na direção longitudinal do tubo;

5. A tira 2 foi posicionada acima da tira 1 e impregnada com a mistura de resina e

catalisador, também com suas fibras orientadas na direção longitudinal do tubo;

6. E por fim, a tira 3 foi posicionada sobre a da tira 2 e impregnada com a mistura de

resina e catalisador.

7. Foi dado um tempo de cura de 4 horas, em temperatura ambiente, em torno de 28º

C, sem a interferência de vento ou fonte de calor externa.

As figuras 16, 17 e 18 mostram como os carretéis ficaram após a execução dos reparos.

25

Figura 16. Carretéis após a execução dos reparos.

Figura 17. Detalhe dos carretéis após a

execução dos reparos.

Figura 18. Detalhe de um carretel após a

execução do reparo.

26

Após o tempo de secagem, os carretéis foram submetidos a testes hidrostáticos,

conforme o PROAM-244 303B (2015), com o intuito de simular situações reais de

operação das tubulações. As pressões e tempos utilizados estão representados na tabela 3, a

saber:

Tabela 3: Representação das pressões hidrostáticas e tempos utilizados nos testes.

Pressões hidrostáticas Tempos

5 bar 15 minutos

2 horas

50 bar 15 minutos

2 horas

100 bar 15 minutos

2 horas

173 bar 15 minutos

2 horas

Os testes utilizando pressões hidrostáticas seguiram as recomendações do procedimento

do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro, PROAM 244-303B (2015) e da NBR 5590

(Tubos de aço carbono com ou sem costura, pretos ou galvanizados, por imersão a quente, para

condução de fluídos) (1995), e seguiram a seguinte dinâmica:

1. Aplicação de 5 bar de pressão interna, com água em 2 carretéis, com

diferenças de tempo, um carretel durante 15 minutos e outro durante 2

horas, conforme figura 19 e figura 20, respectivamente.

Figura 19. Aplicação de 5 bar durante 15 minutos.

27

Figura 20. Aplicação de 5 bar durante 2 horas.


diferenças de tempo, um carretel durante 15 minutos e outro durante 2

horas, conforme figura 21 e figura 22, respectivamente.



28


diferenças de tempo, um carretel durante 15 minutos e outro carretel durante

2 horas, conforme figura 23 e figura 24, respectivamente.



29


diferenças de tempos, um carretel durante 15 minutos e outro carretel

durante 2 horas, conforme figura 25 e figura 26, respectivamente.



De acordo com a norma NBR 5590 (1995), que classifica os tipos de tubos, o tubo

utilizado para a confecção dos carretéis é classificado como preto (sem tratamento de

galvanização ou qualquer outro), normal, sem costura e de grau A. Com essa classificação,

um tubo novo deve passar por um teste hidrostático com pressão de 173 bar (2500 psi) para

aprovação. Foi considerada esta pressão de teste, pois quis se provar que, mesmo com o

reparo feito com o compósito, a tubulação suporta os mesmos testes que garantem a

30

qualidade de uma tubulação nova sem reparo. As pressões intermediárias de 5 bar, 50 bar e

100 bar, foram escolhidas para auxiliarem na montagem de uma escala crescente, até a

pressão final de teste, para aprovação pela NBR 5590 (1995).

Depois que todos os carretéis foram submetidos aos testes hidrostáticos, foram cortadas

as amostras na forma de retângulo, com aproximadamente 50x45 mm (medidas para

possibilitarem o acesso das amostras na câmara do MEV), em torno do furo de todos os

carretéis para serem feitas as análises das fibras de carbono no MEV (Microscópio

Eletrônico de Varredura). Conforme a figura 27, figura 28, figura 29, figura 30 e figura 31,

respectivamente. Para as análises no MEV foram usadas as aproximações de 500 micros e

1 mm.

Figura 27. Corte dos carretéis.

Figura 28. Continuação do corte dos

carretéis.

Figura 29. Etapa do corte dos carretéis.

Figura 30. Finalização do corte dos

carretéis.

31

Figura 31. Quadrados terminados.

Após o corte dos retângulos, constatou-se que a espessura do reparo ficou em,

aproximadamente, 3 mm. Considerando que a espessura da manta de fibra de carbono era

de 0,166 mm e foram colocadas 3 camadas de manta, o reparo consistiu em 0,498 mm de

manta de fibra de carbono e 2,502 mm de resina epóxi curada.

32

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Com o intuito de começar as análises dos resultados referentes às pressões hidrostáticas

internas, iniciou-se com a pressão de 5 bar durante 15 minutos. Esta pressão foi

considerada baixa. Era esperado que os carretéis submetidos a estas pressões respondessem

bem aos testes e assim foi constatado. Visualmente não houve nenhum tipo de fratura ou

inicio de tal. Assim como as micrografias representadas nas figuras 32 e 33, reportaram

regiões planas sem a incidência de estufamentos ou qualquer outro tipo de fratura.

Figura 32. Região central do furo. 5 bar

durante 15 minutos.

Figura 33. Região fora do furo. 5 bar

durante 15 minutos.

As figuras 34 e 35 demonstram as micrografias feitas nos quadrados referentes aos

testes hidrostáticos de 5 bar durante 2 horas. Constatou-se que mesmo elevando o tempo de

exposição do reparo à pressão de 5 bar, este, continuou respondendo dentro do esperado.

Novamente não foi encontrado início de estufamento e nenhum outro tipo de fratura na

região do furo.

33


durante 2 horas.


durante 2 hora.

Após os testes iniciais com baixa pressão, aumentou-se a pressão interna para 50 bar

que permaneceu durante 15 minutos. As figuras 36 e 37 , reportam situações favoráveis

com relação aos resultados esperados, ou seja, mesmo elevando a pressão nenhum tipo de

início de fratura foi verificado, garantindo que o reparo foi bem sucedido e suportou a

pressão.


durante 15 minutos.


durante 15 minutos.

As figuras 38 e 39 representam os testes realizados com 50 bar de pressão interna

durante 2 horas. A aparência lisa e uniforme da fibra na região do furo mostra que

nenhuma fratura se iniciou durante a aplicação da pressão, durante esse tempo.

34


durante 2 horas.


durante 2 horas.

Com o intuito de continuar a pesquisa a respeito da qualidade e eficácia do reparo

utilizando compósito de resina epóxi e fibra de carbono, aumentou-se a pressão para 100

bar durante 15 minutos. Mediante as figuras 40 e 41, nota-se que mesmo com a pressão

mais elevada, considerada alta, a região do furo se manteve intacta e dentro das

expectativas iniciais. O reparo se mostrou intacto, pois não surgiu inícios de fraturas.

Figura 40. Região central do furo. 100

bar durante 15 minutos.


durante 15 minutos

35

Aumentando o tempo para 2 horas e mantendo a pressão em 100 bar, o reparo

continuou suportando bem e se manteve intacto, conforme pode-se observar nas figuras 42

e 43.


bar durante 2 horas.


durante 2 horas.

De acordo com a NBR 5590 (1995), para um tubo com a classificação do tubo utilizado

para a fabricação dos carretéis, ser aprovado no teste hidrostático, deve-se aplicar 173 bar

de pressão. Nas figuras 44 e 45 mostra-se a superfície do reparo na área do furo de um

carretel testado sob a pressão de 173 bar durante 15 minutos.


bar durante 15 minutos.


durante 15 minutos.

36

Finalizou-se a etapa de testes hidrostáticos aplicando a pressão de 173 bar durante 2

horas em outro carretel. Conforme as análises visuais, não foi constatado nenhum

vazamento, e as análises nas micrografias representadas nas figuras 46 e 47, não observa-

se início de fratura e nenhuma outra ocorrência que condenasse o reparo em questão.


bar durante 2 horas.


durante 2 horas.

As análises visuais durante todos os testes hidrostáticos aplicados nos carretéis acima

descritos consideraram aprovados todos os reparos de acordo com o PROAM 244-303B

(2015), que prevê que se ao longo do teste hidrostático não houver nenhum vazamento,

seja nas soldas, flanges ou qualquer outro local, a tubulação será considerada aprovada.

A NBR 5590 (1995) prevê um teste hidrostático com pressão de 173 bar durante 5

segundos, ou mais, para aprovar uma tubulação nova com classificação igual à

classificação do tubo utilizado na confecção dos carretéis. Os mesmos foram considerados

aprovados, uma vez que ao longo de toda a escala de pressões aplicadas não houveram

vazamentos, rompimentos ou princípios de fraturas. Os carretéis reparados passaram por

testes correspondentes aos testes feitos em tubulações novas sem reparo, atestando sua

eficácia.

37

A tabela 4 resume as pressões, tempos, situações dos reparos e normas utilizadas neste

trabalho, ou seja, as variáveis.

Tabela 4. Resumo das variáveis utilizadas.

Pressões Tempos Situação do reparo Normas

5 bar 15 minutos Aprovado PROAM 244-303B e NBR 5590

5 bar 2 horas Aprovado PROAM 244-303B e NBR 5590




100bar 2 horas Aprovado PROAM 244-303B e NBR 5590



De acordo com os resultados observados na tabela 4, em todas as pressões aplicadas,

assim como na variação dos tempos de aplicação, os reparos se comportaram conforme o

esperado. O que garantiu a aprovação de todos de acordo com as normas citadas.

A microscopia eletrônica de varredura demonstrou que, mesmo a níveis microscópicos,

a integridade do reparo se manteve. Nas análises micrográficas realizadas pode-se

constatar que nenhuma das pressões aplicadas nos carretéis reparados deu início a qualquer

tipo de fratura e nem a nenhum estufamento em estágio inicial.

38

6. CONCLUSÃO

Da avaliação realizada sobre a possibilidade de utilizar compósito de resina epóxi com

manta de fibras de carbono no reparo de tubulações de aço carbono, podem-se chegar as

seguintes conclusões:

Os reparos se mostraram totalmente eficazes nas diversas pressões aplicadas nos

carretéis de teste, de acordo com a NBR 5590;

A aplicação da fibra de carbono foi de fácil manuseio e de rápida cura;

As microestruturas das fibras não sofreram nenhum tipo de fratura e não

apresentaram nenhum indício da iminência de possíveis fraturas, muito menos a

maior preocupação que seria o surgimento de estufamentos ou princípios de

estufamentos;

Por tanto, o reparo em tubulações de aço carbono utilizando compósito de resina epóxi

com manta de fibras de carbono se mostrou eficaz e passível de substituir o reparo em

tubulações de aço carbono com solda elétrica em locais não propícios para tal realização.

39

7. TRABALHOS FUTUROS

Fica como sugestão para próximos trabalhos:

Realização dos testes em tubulações de materiais diferentes, tais como outros aços e

CuNi (Cobre Níquel) 9010 e 7030.

Realização do teste de pressão com outro fluído diferente da água, tais como óleos

lubrificantes etc.

Simulações numéricas para avaliação do comportamento de tubulações de aço

carbono, ou outros materiais, submetidas a pressões mais elevadas.

Simulações numéricas parra avaliação do comportamento do reparo com compósito

de resina epóxi e fibra de carbono submetido a trabalhos com momentos fletores etc.

40

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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com ou sem costura, pretos ou galvanizados por imersão a quente, para condução de

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Brasília, 2010.

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REPARO EM TUBULAÇÕES DE AÇO CARBONO UTILIZANDO … · de fibra de carbono, muito eficientes, não tendo ocorrido rompimento, mesmo com a mais elevada pressão e o tempo mais longo,