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Análise do desempenho de um reparo em duto corroídoutilizando multicamadas metálicas coladas

Performance of a corroded pipeline repair composed of cementedmetallic multilayers

Análisis del desempeño de un reparo para ductos corroídos utilizandomulticamadas metálicas pegadas

Marco Antonio Pérez Rosas

José Luiz de França Freire

Ronaldo Domingues Vieira

Joanes Silva Dias

Julio Cesar Galvão Grion

Leonardo Ori Lima

Nelson Fernandes Soares Júnior

Resumo

Um novo método para o reparo de dutos com perda de espessura externa está sendo desenvolvido na PUC-Rio. O reparoconsiste na utilização de camadas metálicas coladas ao duto com adesivo epóxi, o qual tem a vantagem de ser facilmenteaplicável, prescinde de soldagem, e apresenta módulo elasticidade alto, o que permite uma redução na deformação totalpresente na região do defeito. Neste trabalho, comprova-se a eficácia da nova técnica de reparo usando multicamadasmetálicas coladas, mostrando que com um dimensionamento correto, a região reparada consegue suportar pressões supe-riores às suportadas por um duto sem defeito.

palavras-chave: � reparo � duto � perda de espessura � corrosão � teste hidrostático � extensometria � elementos finitos

Abstract

A new method for the repair of pipelines with external surface metal loss is being developed at PUC-Rio. The repair consistsof the use of metallic layers cemented to the pipe with epoxy adhesive, which offers the advantage of being easy to apply, doesnot require welding, and presents a high elasticity module, what allows a reduction in the total strain present in the failure region.With this paper, it is evidenced the effectiveness of the new repair technique using cemented metallic multilayers, showingthat, with the proper sizing, the repaired region can bear pressures above those supported by a flawless pipe.

keywords: � repair � pipeline � loss of thickness � corrosion � hydrostatic test � extensometry � finite elements

Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v. 51, n. 1/3, p. 37-43, abr./ago./dez. 2008 37

miolobtpv51n1-v5.pdf 37 8/10/2009 3:44:50 PM

38 Boletim Técnico da Petrobras, Rio de Janeiro, v. 51, n. 1/3, p. 37-43, abr./ago./dez. 2008

Análise do desempenho de um reparo em duto corroído utilizando multicamadas metálicas coladas

Resumen

Un nuevo método para reparar ductos con perdida de espesura externa está siendo implementado en la PUC-Rio. Elreparo consiste en utilizar de camadas metálicas pegadas al ducto con un adesivo epóxico, el cual tiene la ventaja de serfacilmente aplicáble, sin tener que utilizar soldadura, y presenta un alto módulo de elasticidad, esto permite reduzir ladeformación total que se presente en la región del defecto. En este trabajo, se comprueva la eficácia de la nueva técnica dereparo usando multicamadas metálicas pegadas, mostrando que con un dimensionamiento correcto, la región reparadaconsigue soportar presiones superiores a las que soporta un ducto sin defecto.

palabras clave: � reparo � ducto � perdida de espesura � corrosión � prueba hidrostático � extensiometria � elementos finitos

Introdução

Devido à crescente necessidade de aumentar a disponi-bilidade de uso imediato de dutos que sofreram danos porperda de espessura ou impacto de objetos estranhos, o usode reparos tem tido cada vez mais importância. Neste traba-lho, um novo método para o reparo de dutos com perda deespessura externa foi analisado. O reparo consiste na utili-zação de camadas metálicas coladas ao duto com adesivoepóxi. Existem vários tipos de reparos, mas o proposto aquitem a vantagem de ser facilmente aplicável, prescinde desoldagem e apresenta módulo elasticidade alto, o que permi-te uma redução na deformação total presente na região dodefeito. O novo método de reparo tem como objetivo de-volver a integridade estrutural do duto de uma forma sim-ples e econômica. Na abordagem experimental realizada nopresente trabalho, foram testados sete espécimes tubulares:dois sem defeito e cinco com defeitos usinados para simu-lar a perda de espessura, destes, quatro foram reparadoscom diferentes números de camadas. Os espécimes foramdevidamente instrumentados para a obtenção de dados depressões, variações volumétricas e deformações ocorridasem pontos localizados nos espécimes tubulares. O duto re-parado com quatro camadas de aço de baixo carbono supor-tou a pressão de ruptura de um duto sem defeito, rompen-do-se em seções afastadas daquelas reparadas. Os dutosreparados com uma, duas e três camadas de aço de baixocarbono romperam-se na região do defeito.

Os resultados experimentais obtidos comprovaram a efi-ciência da nova técnica de reparo proposta e foram satisfato-riamente previstos pelos modelos numéricos e analíticos.

Abordagem experimental

Foram testados sete espécimes tubulares, quatro dosquais foram reparados utilizando-se multicamadas metálicascoladas. Nestes, foram usinados defeitos para simular a per-da de espessura. Vale dizer que em todos os espécimes repa-rados o defeito tem a mesma geometria, mas são mudados onúmero de camadas usadas nos reparos.

Os tubos dos espécimes tubulares foram cortados comcomprimentos de 600mm de uma única vara, esta vara, comcomprimento total de 6m, espessura nominal de 2mm e 3'’ dediâmetro. A usinagem dos defeitos foi feita mediante a opera-ção de fresagem com uma profundidade máxima nominal iguala 1,4mm, deixando nos defeitos espessuras de parede rema-nescentes iguais a 0,6mm (70% de profundidade). A fresagemfor feita a 180° da solda longitudinal de fechamento do tubo.

Com a instrumentação dos espécimes ensaiados e adeterminação experimental de variáveis, tais como defor-mações, pressões e variações volumétricas, pôde-se com-parar resultados e se tentar otimizar o método de reparo.Para isto, foi indispensável a caracterização dos materiais


Rosas et al.


Figura 5 –Espécimes testados.

Figure 5 – Tested

specimens.

Figura 4 – Sistemade pressão.

a) bomba deêmbolo;

b) espécimepressurizado.

Figure 4 – Pressure

system.

a) piston pump;

b) pressurized

specimen.

Figura 4 – Sistema

de presión.

a) bomba de

êmbolo;

b) cuerpo de

prueba

presurizado.

Figura 3 – Etapas dacolagem.

Figure 3 – Bonding

steps.

Figura 3 – Etapas

de pegado.

Figura 2 –Distribuição das

camadas metálicas.

Figure 2 –

Distribution of the

metallic layers.

Figura 2 –

Distribución de las

camadas

metálicas.

Figura 1 –Instrumentação no

defeito.

Figure 1 –

Instrumentation in

the defect.

utilizados. Esta caracterização é feita mediante ensaios detração de corpos de prova retirados dos tubos e das chapasde reforço.

Na figura 1, é apresentada a instrumentação do defeitocom dois extensômetros elétricos posicionados nas dire-ções circunferencial e longitudinal.

Figura 1 –

Instrumentación

del defecto.

Para determinar a melhor distribuição, que podem ter ascamadas metálicas, estas foram coladas com uma extremi-dade escalonada e outra com finalização abrupta. Os compri-mentos médios das camadas foram feitos iguais a 4L (fig. 2).

O corte da chapa para obtenção das lâminas de reparo éfeito levando-se em consideração seu sentido de laminaçãopara que este coincida com o sentido circunferencial do duto.As lâminas foram lixadas para garantir a eliminação de óxidosou outras impurezas antes de serem calandradas (fig. 3).

Utilizou-se o adesivo formado pela mistura de Araldite® AV138 com o Endurecedor HV 998, com uma relação de 100/40partes por peso, como recomendado pelo fabricante. O tempode manuseio do adesivo foi de 30 minutos a 24°C, tempo duran-te o qual foi depositado o adesivo em ambas superfícies daspartes a serem coladas. Estas foram pressionadas entre si pormeio de braçadeiras (fig. 3) por um tempo de cinco horas porcamada. Este tempo serve para a cura parcial do adesivo e sóentão se podem retirar as braçadeiras e se procede a colagem dacamada seguinte. O tempo de cura para que o adesivo alcancesua maior resistência é de 24 horas a 24°C, sendo que estetempo decresce na medida em que aumenta a temperatura.

Os testes experimentais foram feitos no Laboratório deFotomecânica e Comportamento Mecânico dos Materiais daPontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio)que possui uma instalação para testar dutos sob pressão inter-na (fig. 4). Os espécimes testados são mostrados na figura 5.

Figura 5 – Cuerpos de

prueba experimentados.

a b




Figura 6 – Análise

das deformaçõescircunferências naregião do defeito.

Figure 6 – Analysis

of the

circunferential

strain in the region

of the defect.

Figura 6 – Análisis

de las

deformaciones

circunferenciales

en la región con

el defecto.

A seguir, são apresentados os resultados obtidos durante ostestes. Deve-se notar que as deformações medidas pelosextensômetros elétricos não alcançam valores muito grandes dedeformação (20.000 a 40.000μm/m) já que os extensômetrosusados não são próprios para grandes deformações.

• DRC 001 e 002 - dutos sem defeito: as pressões deruptura foram de 17,7 e 16,2MPa nos espécimesDRC 001 e 002 respectivamente. A pressão deplastificação foi de 16MPa nos dois espécimes;

• DRC 007: Duto com defeito e sem reparo: o espéci-me rompeu-se com 5,45MPa de pressão interna. Odefeito atinge uma tensão equivalente para o escoa-mento na pressão de 3,3MPa, para uma deformaçãocircunferencial total de ordem de 0,5% ou 5x10^3;

• DRC 003 - duto com uma camada de reparo: o es-pécime rompe-se na região do defeito com 8,7MPade pressão interna. O defeito plastifica-se a 5,6MPae a parede externa do reparo plastifica-se a 7,2MPa;

• DCR 004 - duto com duas camadas de reparo: o espé-cime rompe-se na região do defeito com 13,2MPa depressão interna. O defeito plastifica-se a 7,3MPa e aparede externa do reparo plastifica-se com 9,8MPa;

• DCR 005 - duto com três camadas de reparo: o es-pécime rompe-se na região do defeito com18,3MPa de pressão. O defeito, o reparo e a partesem defeito plastificam-se com 9,9; 13,9 e 16,5MPade pressão, respectivamente;

• DCR 006 - duto com quatro camadas de reparo: oespécime rompe-se na região fora do reparo com18,6MPa de pressão interna. As pressões deplastificação do defeito, reparo e região sem defei-to são de 12,4; 17,8 e 16,5MPa, respectivamente.

Na figura 6 é feita uma comparação entre as deforma-ções circunferenciais presentes no defeito para os es-pécimes reparados.

Na figura 7 é mostrada a comparação entre os compor-tamentos das deformações circunferenciais que ocorremnas superfícies externas dos reparos.

O gráfico volume injetado versus pressão para os espé-cimes 003 a 007 são mostrados na figura 8.

Figura 7 –

Comparação dasdeformações

circunferenciais naparede externa dos

reparos.

Figure 7 –

Comparison of the

circunferential

strain in the outer

wall of the repairs.

Figura 7 –

Comparación de

las deformaciones

circunferenciales

en la pared

externa de los

reparos.

Comparação dos resultados

Os resultados obtidos dos espécimes DRC 006 e DRC005 foram comparados com resultados de uma modela-gem analítica e com resultados numéricos (Rosas, 2006).

Nas tabelas 1 e 2 são apresentadas as pressões queoriginam o escoamento e a ruptura no espécime. O erromáximo é de 9,4% nas pressões que originam a ruptura e oescoamento do defeito nos espécimes testados.


Rosas et al.


Figura 9 – Comparaçãoexperimental-teórica,

numérica e analíticamediante o

gráfico tensão versus

pressão no defeito parao espécime de quatro

camadas.

Figure 9 –

Experimental-

theoretical,

numerical and

analytical comparison

by means of stress

graph versus

pressure in the

defect for the four-

layered specimen.

Figura 9 –

Comparación

experimental-

teórica, numérica y

analítica mediante

el gráfico tensión

versus presión em el

defecto para el

cuerpo de prueba

de cuatro camadas.

Tabela 1 –

Comparações depressão no duto dequatro camadas.

Table 1 – Pressure

comparisons in the

four-layered pipe.

Tabela 1 –

Comparaciones de

la presión en el

tubo de cuatro

camadas.

Figura 8 – Gráfico de

volume injetado deágua no espécime

versus pressão.

Figure 8 – Volume

of water injected in

the specimen

versus pressure

Figura 8 – Figura

del volumen

inyectado de água

en el cuerpo de

prueba versus la

presión.

Duto de quatro camadas no reparo: faz-se a comparaçãoanalítica, numérica e experimental (tabela 1).

2D bilinear

3D multilinear

Pressão de escoamento

12,3 12,7 13,8 12,4

Pressão de ruptura no

reparo21,7 22,8 - -

Pressão de ruptura fora do

reparo - - 19 18,6

Pressão (MPa)

Modelagem analítica

Modelagem numérica

Experimental

Duto de três camadas no reparo: faz-se a comparaçãoanalítica, numérica e experimental (tabela 2).

P ressão (M P a)

M odelagem analít ica

M odelagem num érica

E xperim ental

P ressão de escoam ento

10,1 10,6 11

P ressão de ruptura

17,9 17,2 18,3

Tabela 2 –Comparações depressão no duto detrês camadas.

Table 2 – Pressure

comparisons in the

three-layered pipe.

Tabela 2 –

Comparaciones de

la presión en el

tubo de tres

camadas.

Nas figuras 9 e 10 pode ser vista a semelhança no comporta-mento dos modelos, coincidindo nos pontos importantes como astensões equivalentes de escoamento e de ruptura. O ponto máxi-mo que alcança a curva do modelo numérico 3D (fig. 3) representaa tensão no defeito no momento em que algum ponto fora doreparo atinge seu limite à ruptura e o programa numérico (elemen-tos finitos) deixa de admitir maiores pressões. Desta forma, o mo-delo numérico indica que a falha acontece fora do reparo, comomostra o espécime tubular testado. No uso dos modelos 2D (ana-lítico e numérico), o calculo só é feito na região reparada.




Figura 10 –

Comparaçãoexperimental-teórica,

numérica e analíticamediante o gráfico

tensão versus

pressão no defeito

para o espécime detrês camadas.

Figure 10 –

Experimental-

theoretical,

numerical and

analytical

comparison by

means of stress

graph versus

pressure in the

fault for the three-

layered specimen.

Figura 10 –

Comparación

experimental-

teórica, numérica

y analítica

mediante el

gráfico tensión

versus presión em

el defecto para el

cuerpo de prueba

de tres camadas.

Conclusões

Neste trabalho, comprova-se a eficácia da nova técnicade reparo usando multicamadas metálicas coladas paradutos com perda externa de espessura. Foi mostrado quecom um dimensionamento correto, a região reparada con-segue suportar pressões superiores às suportadas por umduto sem defeito.

A técnica ainda permite limitar as deformações que seapresentam na região do defeito, mesmo quando se traba-lha no regime elástico, devido ao alto módulo de elasticida-de das camadas metálicas que devolvem a integridade es-trutural do duto danificado.

Às vantagens apresentadas do novo método somam-se, ainda, uma segura e fácil aplicação pela não necessida-de de soldagem e seu menor custo quando comparada aosmateriais compósitos atualmente utilizados.

Avanços e mais detalhes desta nova técnica de reparoencontram-se publicados nas referencias a continuaçãoapresentadas, e novos experimentos estão sendo feitoscomo parte da tese de doutorado do mesmo autor.

Referências Bibliográficas

� ROSAS, M. A. P. Análise de dutos com perda de espessura

reparados com multicamadas metálicas coladas. Rio de Janeiro,

2006, 159 p. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica,

Pontifície Universidade Católica, PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2006.

Bibliografia

� ROSAS, M. A. P.; VIEIRA, R. D.; FREIRE, J. L. F. Measuring the remaining

strength factor of a steel-adhesive-repair system. In: ASME INTERNATIONAL

PIPELINE CONFERENCE, 6., 2006, Calgary, Alberta, Canada. Proceedings

of the... New York: American Society of Mechanical Engineers, 2006. v. 1.

p. 831-843. IPC2006-10533.

� ROSAS, M. A. P.; VIEIRA, R. D.; FREIRE, J. L. F. Use of small-scale

pipeline specimens to test a steel-adhesive repair system. Experimental

Techniques, Malden, v. 31, n. 6, Nov./Dec. 2007, p. 64-72.


Rosas et al.


Autores

Marco Antonio Pérez Rosas formou-se em Engenha-ria Mecânica pela Universidad Nacional de San Agustín deArequipa (UNSA) no Peru em 2002. Obteve Mestrado emEngenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica doRio de Janeiro (PUC-Rio), em 2005, na área de Mecânica Apli-cada. Também pela PUC-Rio está cursando Doutorado emEngenharia Mecânica, com término previsto para 2009, naárea de Mecânica Aplicada orientada ao estudo da integrida-de estrutural de dutos. É o vencedor do Prêmio Petrobras deTecnologia 2004 na área de transporte de petróleo e deriva-dos com o trabalho: “Análise do desempenho de um reparoem duto corroído utilizando multicamadas metálicas coladas”.

Marco Antonio Pérez Rosas

Pontifícia Universidade Católica do Rio deJaneiro (PUC-Rio)Departamento de Mecânica AplicadaAluno de doutoradoe-mail: [email protected]

Ronaldo Domingues Vieira possui curso técnico emMecânica pelo Centro Federal de Educação TecnológicaCelso Suckow da Fonseca (Cefet-RJ) em 1973. Graduou-seem Engenharia Mecânica pela Universidade Gama Filho em1978 e Mestrado em Engenharia Mecânica - Mecânica dosSólidos pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Ja-neiro (PUC-Rio) em 1981. Professor convidado na FH-Muni-que em 1989. Tem experiência na área de Engenharia Me-cânica, com ênfase em Análise de Tensões, atuando princi-palmente nos seguintes temas: Engenharia Mecânica, Aná-lise de Tensões, Integridade Estrutural e Análise de Falha.

Ronaldo Domingues Vieira

Centro Federal de Educação TecnológicaCelso Suckow da Fonseca (Cefet)Departamento de Ensino SuperiorDepartamento de Engenharia Mecânicae-mail: [email protected]

José Luiz de França Freire graduou-se em Engenha-ria Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio deJaneiro (PUC-Rio) em 1972. Concluiu Mestrado em Enge-nharia Mecânica pela mesma universidade em 1975 e Douto-rado em Engenharia Mecânica pelo Iowa State University ofScience & Technology, USA em 1979. Atualmente, é profes-sor da PUC-Rio. É membro da Comissão de Inspeção de Equi-pamentos do Instituto Brasileiro do Petróleo, Gás eBiocombustíveis e da Associação Brasileira de Engenharia eCiências Mecânicas. É Past-President da Society for Experi-mental Mechanics, Connecticut, EUA. Tem experiência na áreade Engenharia Mecânica com ênfase em Mecânica dos Sóli-dos, atuando principalmente nos seguintes temas: AnáliseExperimental de Tensões e Integridade Estrutural.

José Luiz de França Freire

Pontifícia Universidade Católica do Riode Janeiro (PUC-Rio)Departamento de Engenharia Mecânicae-mail: [email protected]


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