- PGMEC - Universidade Federal Fluminense

PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESCOLA DE ENGENHARIA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Dissertação de Mestrado
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO
ENVELHECIMENTO NAS PROPRIEDADES
DA PA-12
THAÍS DE SANT’ANNA
ABRIL DE 2015
THAÍS DE SANT’ANNA
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO ENVELHECIMENTO NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS DA PA-12
Dissertação
de
Mestrado
apresentada
ao
Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya
de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da
UFF como parte dos requisitos para a obtenção
do
título
de
Mestre
em
Ciências
Engenharia Mecânica
Orientadores:
Heraldo Silva da Costa Mattos (PGMEC/UFF)
João Marciano Laredo Reis (PGMEC/UFF)
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
NITERÓI, DEZESSEIS DE ABRIL DE 2015
2
em
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO ENVELHECIMENTO NAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS DA PA-12
Esta Tese é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos
Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:
Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos (D.Sc.)
Universidade Federal Fluminense
(Orientador)
Prof. João Marciano Laredo Reis (D.Sc.)
Universidade Federal Fluminense
(Orientador)
Prof. Luiz Carlos da Silva Nunes (DSc.)
Universidade Federal Fluminense
Prof. Silvio Romero de Barros (DSc.)
Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca CEFET/RJ
3
Aos Meus Pais
4
Agradecimentos
Aos professores Heraldo Silva da Costa Mattos (D. Sc) e João Marciano Laredo dos
Reis (PhD.) que me orientaram e que acreditaram na realização deste trabalho.
A meus pais Sandra Maria Neto de Sant’Anna e Altayr Uzel de Sant’Anna que estão
ao meu lado em todos os momentos.
Aos meus amigos que sempre me dão apoio e acreditam no meu sucesso.
A todos que contribuíram direta e indiretamente.
5
RESUMO
Neste trabalho foram produzidas amostras para ensaio de flexão em três pontos e para
ensaio de tração, a partir de corpos de provas retirados de uma barreira de pressão. Foram
confeccionadas trinta e cinco amostras para o ensaio de flexão (três amostras para cada
viscosidade inerente corrigida (1.02, 1.3 e 1.8 dl/g)) cada uma então pé-trincadas por meio
de uma lâmina afiada de aço. Estas amostras foram então submetidas ao ensaio de tenacidade
à fratura a diferentes temperaturas (-5°C, 23°C e 90°C) em deformação plana, KIC, com o
intuito de criar um modelo matemático para a fratura da PA-12 utilizando a mecânica da
fratura clássica e a influência do envelhecimento. Foi adotada a norma ASTM D 5045 como
padrão para o ensaio de flexão. Foi possível verificar que o nylon envelhecido (1,0dl/g)
apresenta comportamento frágil e o critério da mecânica de fratura clássica é válido. Foi
observado durante o experimento que não houve propagação da trinca nessas faixas de
temperatura e que para materiais pouco envelhecidos o comportamento é superplástico. O
ensaio de tração foi realizado com doze amostras, porém todas com a mesma viscosidade
inerente corrigida (1.8dl/g) e foi estudado se a temperatura e a taxa de carregamento afetavam
as propriedades mecânicas do material. Para este ensaio foi adotada a ASTM D-638-08. Os
resultados mostraram que não há dependência da velocidade de carregamento e que a PA-12
com VIC 1.8dl/g tem comportamento elastoplástico.
Palavras-chave: PA-12; VIC; Propriedades Mecânicas.
6
ABSTRACT
In the construction of a flexible pipe, an inner polymeric pressure sheath is the only layer
which seals the conveyed fluid within the pipe structure. Therefore, understanding the
mechanical behavior of this polymer material is crucial to safe and reliable operation.
Polyamide 12 (PA-12) is a commonly used pressure sheath material, other options being
polyvinylidene fluoride and polyethylene. One major aging mode of polyamide 12 is the
decrease in molecular weight due to the hydrolysis of the macromolecular chain. The
molecular weight can be measured by the solution viscosity (CIV - The Corrected Inherent
Viscosity value is an index of the molecular weight of the polyamide matrix) and this gives
a very simple way to monitor the material ageing. The present work is concerned with the
fracture analysis of PA-12. The main focus is to analyse the influence of temperature and
ageing in the mechanical behaviour and fracture of PA 12. Fracture tests were performed
over a wide range of temperatures (from -5ºC to 90°C) and corrected inherent viscosity (1.0
to 1.8 dl/g). It is verified experimentally that, for higher values of the CIV, the material
presents a superplastic behaviour. However, the behavior tends to be brittle for lower values
of inherent viscosity and temperatures, and the basic concepts of Linear Fracture Mechanics
can be adopted in a structural integrity analysis.
7
SUMÁRIO
Lista de Figuras ......................................................................................................................i
Lista de Tabelas ....................................................................................................................iv
Lista de Símbolos .................................................................................................................iv
RESUMO .......................................................................................................................... 6
ABSTRACT ....................................................................................................................... 7
CAPITULO 1 ....................................................................................................................... 14
1 Introdução ..................................................................................................................... 14
1.1
APRESENTAÇÃO................................................................................................................. 14
1.2
CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA .................................................................................... 15
1.3
OBJETIVOS ......................................................................................................................... 16
CAPITULO 2 ....................................................................................................................... 18
2 Revisão Bibliográfica ................................................................................................... 18
2.1
CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE POLÍMEROS ............................................................ 18
2.1.1
Conceitos Fundamentais Sobre Poliamida .................................................................... 18
2.1.1.1
Características, Propriedades e Aplicações do Nylon 11 ............................................... 18
2.1.1.2
Características, Propriedades e Aplicações do Nylon 12 ............................................... 19
2.1.2
História .......................................................................................................................... 20
2.2
DUTOS FLEXIVEIS ............................................................................................................... 21
2.2.1
História .......................................................................................................................... 21
2.2.2
Classificação dos Dutos Flexíveis ................................................................................... 21
2.2.2.1
Classificação quanto à construção: ............................................................................... 21
2.2.2.2
Classificação quanto à função: ...................................................................................... 22
2.2.2.3
Classificação quanto à camada núcleo: ........................................................................ 23
2.2.3
Componentes de um Duto Flexível ............................................................................... 24
2.3 MECÂNICA DA FRATURA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS.......................................................... 27
2.3.1 Mecânica da fratura linear-elástica...................................................................................... 28
CAPITULO 3 ....................................................................................................................... 31
3 Materiais e métodos ............................................................................................... 31
3.1
3.1.1
CORPO DE PROVA............................................................................................................ 31
Envelhecimento ............................................................................................................. 32
8
3.1.2
3.2
Viscosidade Inerente Corrigida (VIC)............................................................................. 33
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ...................................................................................... 34
3.2.1
Preparação do Corpo de Prova ..................................................................................... 35
3.2.2
Ensaios Mecânicos ........................................................................................................ 35
3.2.2.1
Ensaios de Fratura ......................................................................................................... 36
CAPITULO 4 ....................................................................................................................... 37
4 Resultados e Discussão .......................................................................................... 37
4.1
4.1.1
4.2
4.2.1
RESULTADOS EXPERIMENTAIS .......................................................................................... 37
Ensaio de Fratura........................................................................................................... 37
MODELO PROPOSTO ......................................................................................................... 41
Ensaio de Fratura........................................................................................................... 41
CAPITULO 5 ....................................................................................................................... 46
5 Conclusões ............................................................................................................. 46
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 47
9
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
HPE
Polietileno de alta densidade
PA
Poliamida
PVDF
Polifluoreto de vinilideno
PEX
Polietileno reticulado
VI
Viscosidade Inerente
VIC
Viscosidade Inerente Corrigida
XLPE
Polietileno reticulado
10
Lista de Figuras
Figura 1 - Duto flexível utilizado na exploração de petróleo. .............................................. 14
Figura 2 - A reação global envolvendo o equilíbrio policondensação - hidrólise ................ 16
Figura 3 – Duto flexível tipo Unbonded ............................................................................... 22
Figura 4 – Duto flexível tipo Bonded ................................................................................... 22
Figura 5 – Duto flexível tipo Smooth Bore........................................................................... 23
Figura 6 – Duto flexível tipo Rough Bore ............................................................................ 23
Figura 7 – Carcaça ................................................................................................................ 24
Figura 8 – Armadura de pressão (Perfil Zeta e Perfil Teta) ................................................. 25
Figura 9 – Armadura ............................................................................................................ 26
Figura 10- Barreira de Pressão ............................................................................................. 31
Figura 11- Máquina universal de ensaios Shimadzu AGX-100 com forno acoplado. ......... 34
Figura 12- Corpo de prova de fratura retirado da barreira de pressão (5mm X 10 mm X 44
mm)....................................................................................................................................... 35
Figura 15 - Representação esquemática do ensaio de flexão. .............................................. 36
Figura 17- Ensaio de fratura para PA 12 sem envelhecimento significativo (VIC > 1.0). .. 37
Figura 18 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com
VIC 1.05 dl/g a temperatura ambiente.................................................................................. 38
Figura 19 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com
VIC 1.3 dl/g a temperatura ambiente.................................................................................... 39
Figura 20 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com
VIC 1.8 dl/g a temperatura ambiente.................................................................................... 39
Figura 21 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 ...... 40
Figura 24 - Curva força-deslocamento típica num ensaio de flexão em 3 pontos (VIC <1.0).
.............................................................................................................................................. 42
Figura 25 - Modos de falha................................................................................................... 42
Figura 26 - Sistema de coordenadas. .................................................................................... 43
Figura 27 - Corpo de prova de flexão em 3 pontos .............................................................. 44
Figura 23 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com
VIC 1.02 dl/g em 3 diferentes temperaturas. ........................................................................ 45
11
Lista de Tabelas
Tabela 1- Comparação das Propriedades das Poliamidas .................................................... 20
Tabela 2- Resultado dos ensaios de fratura em PA-12 com diferentes VIC e diferentes
temperaturas.......................................................................................................................... 41
12
Lista de Símbolos
a
Comprimento da pré-trinca
B
Espessura da Amostra
D
Diâmetro do suporte
FCr
Força crítica
K
Fator de intensidade de tensão da ponta de trinca
KI
Fator de intensidade de tensão modo I
L
Comprimento da Amostra
W
Altura da Amostra
σij
Tensor tensão
reθ
Coordenadas polares
%
Porcentagem
13
CAPITULO 1
1 Introdução
1.1 APRESENTAÇÃO
O aumento das profundidades da lâmina d´água determinou, nos últimos 40 anos, na
Bacia de Campos, a adoção de importante inovação, os dutos flexíveis, em razão de sua
propriedade de se acomodar aos movimentos das plataformas no mar, em substituição aos
dutos rígidos que então conectavam os poços às plataformas fixas (jaquetas) [1]. Essas linhas
flexíveis são estruturas compostas por multicamadas formadas por aço e polímeros
sobrepostos ou concêntricos, dispostos em um arranjo helicoidal que proporciona uma alta
flexibilidade [2].
Figura 1 - Duto flexível utilizado na exploração de petróleo.
14
Essas estruturas são mais vantajosas no ponto de vista da instalação quando
comparados aos dutos rígidos, pois são fabricados em grandes comprimentos e armazenados
em carreteis, facilitando o transporte e o armazenamento. [3]
Um dos componentes críticos dos dutos flexíveis é a camada barreira de pressão que
serve para conter o fluido transportado dentro do duto. É uma camada estanque com
propriedades de ductilidade adequada, resistência química ao meio e permeabilidade
aceitável.
Como a camada polimérica do duto flexível é a responsável por sua vedação, buscamse meios para avaliar o seu estado em termos de degradação como também, a vida ainda
remanescente deste importante componente no caso das poliamidas e os modos de falha.
A avaliação do polímero da barreira de pressão indica a necessidade ou não da
substituição do duto, evitando falhas operacionais e derramamentos de óleo, sendo possível
prolongar o tempo de vida útil dos dutos flexíveis em operação. Uma vez mantidos os níveis
de segurança operacional adequados, cada ano adicional aos inicialmente previstos,
representa uma grande economia já que esses dutos deixam de ser comprados e são evitadas
as perdas decorrentes de paradas de produção para sua substituição. A avaliação do modo de
falha da barreira de pressão leva a uma redução dos riscos de falhas e economia.
Há uma vasta gama de materiais poliméricos que têm sido usados como barreira de
pressão em dutos flexíveis de produção de óleo e gás. A poliamida-11 (PA-11) foi por longo
tempo o material mais usado para essa aplicação. Para condições mais severas (elevadas
temperaturas e/ou meio ácido) o polifluoreto de vinilideno (PVDF) é o material mais
indicado. Buscando soluções de baixo custo para faixa de temperatura semelhante à da PA11,
alguns fabricantes oferecem o polietileno reticulado (XLPE ou PEX). Em 2006 foi realizada
a qualificação da PA-12, desenvolvida pela especialmente para esse tipo de aplicação.
Em aplicações onde o polímero possui um papel vital na segurança ou no funcionamento
seguro de uma instalação, ou de um equipamento, é muito importante o entendimento sobre
sua durabilidade e sobre os mecanismos envolvidos no seu envelhecimento.
1.2 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA
15
Um dos principais modos de envelhecimento da PA-12, é a diminuição do peso
molecular, devido a hidrólise da cadeia macromolecular. Sem dúvida, a água presente durante
a produção de petróleo é um grande responsável pelo envelhecimento acelerado do PA-12
conforme ocorre com o PA-11. Ela provoca a hidrolise das ligações amídicas principalmente
na matriz amorfa do polímero, catalisado pela temperatura e acidez, reduzindo diretamente a
sua massa molecular. A reação de hidrólise é reversível e é apresentada de forma simplificada
na Figura.
Figura 2 - A reação global envolvendo o equilíbrio policondensação - hidrólise
O peso molecular pode ser medido por a viscosidade da solução e isto dá uma maneira
muito simples para controlar o envelhecimento do material. É necessário prever com precisão
o tempo de vida em função das mudanças nas propriedades físicas e químicas (peso
molecular).
Portanto, este trabalho foi desenvolvido buscando um estudo mecânico da Poliamida
12 envelhecida utilizando uma metodologia laboratorial.
1.3 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é o estudo do comportamento mecânico à fratura da Poliamida
12 oriundo da uma barreira de pressão de exploração de petróleo. Hoje, há uma grande
necessidade de estudar o limite das propriedades físico-químicas deste material que são de
vital importância para permitir a preservação da segurança nas instalações offshore.
A partir deste estudo, será desenvolvido um modelo matemático função da viscosidade
inerente corrigida.
Tendo em vista estes objetivos, o texto do presente trabalho ficou distribuído em
quatro partes, da seguinte forma:
16
No Capitulo 2 há introdução ao tema de trabalho, explicando o que são polímeros, dutos
flexíveis e uma breve pesquisa bibliográfica sobre mecânica da fratura clássica.
No Capitulo 3, o estudo é exposto de forma ampla, descrevendo materiais e métodos
utilizados para a análise do estudo.
No Capitulo 4 é apresentado o modelo proposto e os resultados e discursões.
No Capitulo 5 são apresentadas as conclusões.
17
CAPITULO 2
2 Revisão Bibliográfica
2.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE POLÍMEROS
A palavra polímero vem do grego poli (muitos) + meros (iguais). São macromoléculas
(grandes moléculas) formadas pela repetição de muitas unidades químicas iguais, os meros
ou unidades repetitivas. As massas molares dos polímeros podem ser da ordem de centenas
de milhares de unidades de massa atômica [4].
2.1.1 Conceitos Fundamentais Sobre Poliamida
As Poliamidas constituem uma classe de Polímero que combinam boa resistência
química e a abrasão e elevada resistência mecânica (tensão e flexão). A desvantagem desse
material é que apresenta comportamento frágil quando entalhado e devido ao seu caráter
hidrofílico, propriedades como estabilidade dimensional, densidade, resistência mecânica
varia de acordo com a umidade.
2.1.1.1
Características, Propriedades e Aplicações do Nylon 11
18
O material utilizado na década de 70 para barreira de pressão destes dutos foi a PA-11
devido as suas propriedades mecânicas (alta resistência à fadiga) e boa resistência química.
A PA-11 é um produto da reação de condensação do monômero ácido ωaminoundecanóico. Para o uso em dutos flexíveis estudos comprovaram a importância da
adição de um plastificante a estrutura polimérica. [5]
H. Houchertter [6] estabeleceu um modelo matemático considerando todos os
principais fenômenos de envelhecimento que atuam no material: efeitos de desplastificação,
diminuição do peso molecular e recristalização.
O plastificante comercialmente utilizado é o benzenobutilsulfoamida correspondendo
a 12 wt. (%) do material polimérico. O plastificante atua reduzindo o número de ligações de
hidrogênio entre as moléculas da PA-11, interferindo diretamente em suas forças
intermoleculares.
2.1.1.2
Características, Propriedades e Aplicações do Nylon 12
A Poliamida 12 é um polímero semi-cristalino, com características muito semelhantes
a PA-11, porém ligeiramente superiores. De todas as poliamidas é a que tem a mais baixa
absorção de água. As aplicações incluem componentes de engenharia de precisão e
componentes que necessitam de baixa resistência à temperatura. [7]
Uma característica mecânica do PA-12 é apresentar grandes deformações sob tensão
antes de uma falha local (comportamento superplástico).
O fenômeno de superplasticidade é caracterizado pela grande deformação permanente
que alguns materiais apresentam quando submetidos a tensões numa temperatura e taxa de
deformação apropriadas, produzindo alongamentos excepcionalmente grandes, acima de
200% antes da ruptura. O estudo do comportamento superplástico já é estudado por muitos
pesquisadores. [8] [9]
19
Tabela 1- Comparação das Propriedades das Poliamidas
2.1.2 História
A descoberta da Poliamida foi motivada pela tentativa de produzir fibras de seda
artificialmente com o intuito de o Ocidente sair da dependência da seda Japonesa. Em 1928,
os pesquisadores da equipe Carothers estudaram a policondensação de ácidos e glicóis para
obter um poliéster e conseguiram fiá-lo e estira-lo até obter uma fibra, a primeira fibra
sintética.
Depois dos poliésteres, os Carothers se dedicaram as poliamidas e em pouco tempo
surgiram mais de cem tipos diferentes de poliamidas. Em 1934 surgiu a poliamida 66,
poliamida linear que tem sua estrutura básica formada por cadeias de macromoléculas que
facilita o alinhamento das cadeias durante a cristalização. A poliamida 66 foi o polímero
sintético que se mostrou, mais do que outros, como o melhor substituto da seda. Somente em
1938, saiu no mercado com o nome comercial de Nylon que é usado até hoje quando se fala
das poliamidas em geral. [11]
20
2.2 DUTOS FLEXIVEIS
Os dutos flexíveis são estruturas constituídas de camadas cilíndricas poliméricas e
camadas metálicas dispostas em helicóides, cada uma com características geométricas e
físicas específicas. As camadas poliméricas têm função de vedação, ou seja, mantêm o fluido
em seu interior, e podem auxiliar no isolamento térmico e na redução de fricção. As camadas
helicoidais metálicas, também denominadas de armaduras, representam as principais
características estruturais. Essas armaduras helicoidais consistem em arames ou tiras
metálicas enroladas helicoidalmente sobre um núcleo polimérico.
2.2.1 História
A primeira instalação de duto flexível foi realizada para conectar a Inglaterra à França
durante o período da Primeira Guerra Mundial, com o intuito de transportar combustível. A
estrutura utilizada atualmente é semelhante com a que começou a ser desenvolvida nos anos
de 1970. [12]
A Petrobras começou a utilizar dutos flexíveis a partir de 1976 com a descoberta do
campo de exploração da Bacia de Campos. A aplicação de tecnologia para a fabricação foi
de vital importância a medida da descoberta de reservatórios em águas profundas.
A API 17J surgiu para padronizar o desenvolvimento das estruturas de flexíveis quanto
ao projeto, fabricação, material e procedimento de teste.
2.2.2 Classificação dos Dutos Flexíveis
2.2.2.1
Classificação quanto à construção:
 Dutos independentes ou Unbonded Pipes - construção tubular de camadas
poliméricas e metálicas separadas entre si, permitindo movimentos relativos entre as
camadas.
21
Figura 3 – Duto flexível tipo Unbonded

Dutos vulcanizados (camadas aderentes) ou Bonded Pipes – possuem camadas
coladas umas nas outras como num processo de vulcanização com materias
elastoméricos. Isso faz com que as camadas atuem de maneira uniforme, ou seja,
como uma única camada;
Figura 4 – Duto flexível tipo Bonded
2.2.2.2
Classificação quanto à função:
 Aplicação Dinâmica (Riser) - exposto a cargas e flexões cíclicas
significativas durante a operação normal. Ele é dimensionado especialmente para
resistir a um grande número de ciclos de dobramento e torções.
22
 Aplicação Estática (Flowline) - não é exposto a cargas e flexões cíclicas
significativas durante a operação normal. Ele é dimensionado para operar
inteiramente, ou parcialmente, depositado ou enterrado no leito marinho.
2.2.2.3
Classificação quanto à camada núcleo:
 Smooth Bore (interior liso) - possuem camadas de barreiras de pressão,
poliméricas, como primeira camada mais interna (camada de contato com o fluido).
É a estrutura adotada para o transporte de fluidos que não contenham gás (injeção de
água e aquedutos).
Figura 5 – Duto flexível tipo Smooth Bore
 Rough Bore (interior rugoso) - possuem camadas metálicas de carcaça interna
como primeira camada. É a estrutura adotada para o transporte de fluidos que
contenham gás (produção de óleo e gás, injetores de gás, oleodutos e gasodutos).
Figura 6 – Duto flexível tipo Rough Bore
23
2.2.3 Componentes de um Duto Flexível

Carcaça - tem como função resistir ao colapso hidrostático e às compressões
mecânicas radiais. O fato das camadas se intertravarem, faz com que haja um aumento
significativo da resistência ao colapso e um aumento de rigidez axial do duto flexível,
que por sua vez, implica em uma amplificação da rigidez à flexão devido a essa
restrição de movimento.
Figura 7 – Carcaça
Na seleção do aço deve-se ter preocupação com parâmetros que afetam a corrosão. O
material geralmente empregado é o aço inoxidável (304, 304L, 316L, duplex, etc).
Principais parâmetros que afetam a corrosão na carcaça:
i. Pressão e temperatura máximas de projeto
ii. Teor de CO2
iii. Teor de H2S
iv. Presença de água
v. Teor de cloretos nessa água
vi. pH da água ou sua composição iônica

Barreira de Pressão - é uma camada polimérica que assegura a estanqueidade do duto
flexível e transmite o esforço da pressão interna para as outras camadas.
24
Diferentes materiais poliméricos são selecionados para serem quimicamente resistentes
a fluido transportado e não afetados pelas condições de operação, isto é, sua seleção é feita
em função de sua compatibilidade química e resistência ao envelhecimento.
Principais materiais poliméricos empregados nessa camada:
i.
Polietileno de alta densidade – HDPE (água / gás e óleo dependendo da temperatura
de pressão).
ii.
Polietileno reticulado – XLPE ou PEX (água / gás e óleo dependendo da temperatura
de pressão).
iii.
Poliamida 11 – PA-11 ou nylon 11 (gás e óleo com limitações dependendo de
temperatura, pressão, presença de água e seu pH).
iv.
Poliamida 12 – PA-12 ou nylon 12 (gás e óleo com limitações dependendo de
temperatura, pressão, presença de água e seu pH).
v.
Polifluoreto de vinilideno - PVDF (gás e óleo, altas pressões e temperaturas).
 Armadura de Pressão - consiste de um perfil metálico intertravado enrolado
sobre a barreira de pressão. Resiste às compressões mecânicas radiais, ao colapso
hidrostático (no caso de smooth bore) e a pressão interna. Pode ter um perfil zeta
ou teta.
Figura 8 – Armadura de pressão (Perfil Zeta e Perfil Teta)
25
Na seleção do aço deve-se ter preocupação com parâmetros que afetam a corrosão. O
material geralmente empregado é o aço carbono (vários graus disponíveis).
Principais parâmetros que afetam a corrosão na armadura de pressão:
i.
Pressão e temperatura de operação
ii.
Teor de CO2
iii.
Teor de H2S
iv.
Teor de água
v.
Composição molar do fluido
vi.
Temperatura externa

Armaduras ou armaduras de tração - são camadas helicoidais de arames achatados
que resistem aos esforços axiais e a pressão interna.
Figura 9 – Armadura
Na seleção do aço deve-se ter preocupação com parâmetros que afetam a corrosão. O
material geralmente empregado é o aço carbono ou liga (vários graus disponíveis).
Principais parâmetros que afetam a corrosão na armadura de pressão:
i.
Pressão e temperatura de operação
ii.
Teor de CO2
iii.
Teor de H2S
26
iv.
Teor de água
v.
Composição molar do fluido
vi.
Temperatura externa

Capa Externa - assegura a estanqueidade externa, protegendo a estrutura contra
abrasão. Isto é, protege do dano mecânico e entrada da água do mar no espaço anular,
protegendo as camadas internas (corrosão, etc.). Também pode ajudar no isolamento
do duto flexível e pode ser aplicada em uma ou mais camadas.
Para aplicações dinâmicas são empregados a PA-11 ou a PA-12 e para aplicações
estáticas o polímero utilizado é o polietileno (PE).
2.3 MECÂNICA DA FRATURA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS
Fratura e falha do material têm sido associadas com os testes de tensão-deformação ou
à ruptura por fluência [13]. Entende-se por fratura a separação de um corpo ou peça em duas
ou mais partes como resposta da aplicação de uma carga sobre o mesmo. Esta tem dois modos
de acontecer: fratura dúctil ou fratura frágil [14].
A fratura dúctil é caracterizada por uma deformação plástica extensiva na vizinhança
da propagação da trinca com grande absorção de energia antes que aconteça a falha. Este
processo é lento e a sua extensão não aumenta, a não ser que aconteça um incremento das
tensões aplicadas. O segundo modo, a fratura frágil, acontece com uma deformação plástica
pequena e muita pouca absorção de energia. Durante esta, a propagação da trinca é
extremamente rápida, contínua, propagando-se espontaneamente sem um incremento na
magnitude da carga aplicada [14].
A fratura dúctil é menos perigosa do que a frágil, já que a presença de uma deformação
plástica maior dá um aviso de iminência da falha, ao contrário da segunda que acontece
repentina e catastroficamente sem prévio aviso como consequência da espontânea e rápida
propagação da trinca. Além disso, precisa-se de maior quantidade de energia de deformação
27
para induzi a fratura dúctil. Todo o processo de fratura envolve duas etapas, primeiro a
formação e depois a propagação da trinca [14].
2.3.1 Mecânica da fratura linear-elástica
Os diversos estudos de comportamento a fratura de polímeros abordam o assunto
através de três diferentes enfoques, estes são: a mecânica dos meios contínuos; o
comportamento da estrutura molécula; e a aproximação estatística. A aproximação estatística
permite apreciar o início do processo de fratura devido a uma série de eventos que podem ser
previstos através de considerações determinísticas. A situação é mais simples para matérias
que são deformados de forma elástico-linear, devido a não dependência do tempo, a
viscoelasticidade e a deformação plástica não são consideradas [15].
O principal problema dos polímeros dúcteis é sua tendência a sofrer uma transição para
um comportamento frágil devido a modificações nas condições de ensaio, por exemplo
diminuição da temperatura ou incremento da taxa de deformação.
Na maioria das situações práticas, as fraturas são originadas por concentrações locais
de tensões, tais como as imperfeições e os entalhes. Portanto, é extremamente importante o
conhecimento do estado local de tensões e deformações [15].
Para materiais com comportamento elástico, a análise do fenômeno de fratura é mais
simples, já que independente do tempo. A dependência do tempo e a deformação plástica nos
materiais que se comportam visco-elasticamente tornam mais complexa esta análise.
Griffith (1920), resolveu o problema da singularidade matemática da concentração de
tensões infinitas na ponta da trinca realizando um balanço energético para o modelo de
fratura. Ele relacionou a energia liberada pela propagação da trinca com a energia requerida
para criar uma superfície nova.
Medindo-se a tensão a fratura como função de a, obtém-se a equação de Griffith para
os materiais frágeis, como é o caso dos polímeros cristalinos [15] [16]. No entanto, o valor
de γ, derivado das medições, é maior que a energia superficial liberada, devido a um elevado
grau de deformações plásticas locais na ponta da trinca. A energia dissipada por este
processo, o termo 2γ da equação de Griffith é substituído pela energia de fratura (Gc).
Para estado plano de tensões:
28
𝐸∗𝐺
𝜎𝑓 = √ 𝜋∗𝑎𝑒
(1)
Para estado plano de deformações:
𝐸∗𝐺
𝜎𝑓 = √𝜋∗(1−𝜈𝑒2 )∗𝑎
(2)
Ainda que a resistência à fratura seja um parâmetro fácil de definir, não acontece o
mesmo com a energia de fratura Gc. Kinloch e Young (1983) [15] a definem como a energia
requerida para formar uma unidade de trinca.
Um aspecto útil da aproximação de Griffith é que o efeito dos defeitos presentes no
corpo-de-prova pode ser observado rapidamente. O módulo de elasticidade e a energia de
fratura podem ser tratados como constantes do material para certas condições de ensaio. A
resistência à fratura poderá ser controlada principalmente pela dimensão do comprimento da
trinca ou defeitos na estrutura. Daí, se as dimensões do defeito são conhecidas, a resistência
a fratura pode-se predizer.
Uma outra forma de abordar a análise de fratura é através da utilização do Fator de
Intensificação de Tensões definido através dos desenvolvimentos teóricos de Westergaard
(1939), que apresenta soluções para certas funções de tensão considerando a presença de uma
trinca numa lâmina infinita [15].
Para regiões fechadas na ponta da trinca a solução adequada é dada pela equação
abaixo.
𝑎
𝜎𝑖𝑗 = 𝜎0 √2∗𝑟 𝑓𝑖𝑗 (𝜃)
(3)
Irwin (1964) modificou esta solução como se mostra na equação abaixo:
𝜎𝑖𝑗 =
𝐾
𝑓 (𝜃)
√2∗𝜋∗𝑟 𝑖𝑗
(4)
Onde K foi definido como Fator de Intensificação de Tensões, sendo para lâmina
infinita como sendo igual a 𝐾 = 𝜎0 √𝜋 ∗ 𝑎 (5)
29
O fator de intensidade de tensões K, refere-se à magnitude da intensidade de tensões
locais na trinca em termos de carregamento aplicado e geometria da estrutura onde é
localizada a trinca.
30
CAPITULO 3
3 Materiais e métodos
3.1 CORPO DE PROVA
O material utilizado neste trabalho provem de uma barreira de pressão usada de PA12, a partir do qual foram fabricados corpos de provas do tipo I para o ensaio de tração,
seguindo a norma ASTM D-638-08 (Type I) [17] e fabricados corpos de prova para o ensaio
de fratura, seguindo a norma ASTM – D 5045.
Figura 10- Barreira de Pressão
31
3.1.1 Envelhecimento
Para a realização do presente estudo, a Poliamida 12 foi envelhecida em Autoclave, a
temperatura de 140°C durante quatro dias. Os corpos de prova foram imersos em água
desmineralizada (sem oxigênio dissolvido).
A Viscosidade Inerente Corrigida (VIC),
descrita na próxima seção, é determinada para determinar o grau de degradação da poliamida
e com isso é possível determinar o tempo de vida do material.
De acordo com o Anexo D da API 17J (Prática Recomendada para mesurar o
envelhecimento da Poliamida 11 em M-Cresol) durante o período de operação do duto
flexível há ausência de oxigênio nos fluidos provenientes da produção de petróleo e os
mesmos geralmente contém água. Assim o envelhecimento é resultante da hidrólise ocorrida,
onde há redução da massa molar do polímero e consequentemente a fragilização. A
velocidade da reação é acelerada em função da temperatura e o pH do meio, em meios ácidos
e temperaturas de serviço acima de 5°C ocorre a aceleração. A viscosidade de uma solução
é relacionada com o tamanho e extensão das moléculas do polímero no solvente, quanto
maior a molécula maior a viscosidade da solução.
No entanto a redução da massa molar não é o único parâmetro que leva a fragilização
do material devido ao envelhecimento, outro fator que deve ser considerado é a perda de
plastificante que torna o material quebradiço.
Os principais parâmetros do envelhecimento da poliamida são:
i.
Pressão e temperatura de projeto
ii.
Pressão e temperatura de operação
iii.
Presença de água
iv.
Teor de CO2
v.
Teor de H2S
vi.
pH da água ou sua composição iônica
32
3.1.2 Viscosidade Inerente Corrigida (VIC)
As medidas de viscosidade inerente corrigida, VIC, seguiram o método ISO 307(1994).
Antes da realização das medidas de VIC foi necessário eliminar a umidade adsorvida da
matriz polimérica. Primeiramente, foi calculado a viscosidade inerente, VI, de acordo com a
Equação 1.
𝑛𝑖𝑛ℎ =
ln 𝑛𝑟
𝑐
= 𝑛𝑖𝑛ℎ =
ln(𝑡⁄𝑡 )
0
(6)
𝑐
Como o PA-12 não é um material comercialmente puro devido a presença de
plastificante, foi necessário corrigir o valor de VI, a partir da Equação 2, fornecendo agora o
VIC:
100
𝑉𝐼𝐶 = 𝑉𝐼 × (100−𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑣𝑒𝑖𝑠)
(7)
De acordo com a API 17 TR2, as medidas de VIC devem obedecer a uma repetibilidade
de 3% e uma reprodutividade de 10%.
33
3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os ensaios deste trabalho foram realizados no Laboratório de Ensaios em Dutos
(LED/LMTA), utilizando a máquina universal de tração Shimadzu AG-X, considerando
diferentes viscosidades inerentes corrigidas e diferentes temperaturas.
Os experimentos para o ensaio de flexão foram realizados a três temperaturas diferentes
(-5°C, 23°C e 90°C) e, para cada ensaio, a velocidade de carregamento da máquina foi
mantida constante (v= 10mm/min). Já os experimentos para ensaio de tração foram
realizados a quatro temperaturas diferentes (0°C, 23°C, 50°C, 90°C) e a três diferentes taxas
de carregamento (0.5, 5.0 e 50.0 mm/s).
Figura 11- Máquina universal de
ensaios Shimadzu AGX-100 com
forno acoplado.
Para medir o alongamento dos corpos de prova foi utilizado um sistema de medição
óptico sem contato. Tal sistema, denominado vídeo-extensômetro, é composto por duas
câmeras CCD (Charged Coupled Device), um software que mede em tempo real os
deslocamentos das marcações feitas no corpo de prova.
34
3.2.1 Preparação do Corpo de Prova
Para a realização do ensaio de flexão em três pontos foram fabricados trinta e cinco
corpos de prova de acordo com a norma ASTM – D 5045, conforme ilustrado na Figura 12,
retirados da barreira de pressão utilizando serra manual que posteriormente foram lixados
para retirada das rebarbas para dá acabamento ao corpo de prova. O entalhe foi feito com a
mesma serra de corte do corpo de prova e posterior ao acabamento com a lixa 80.
Figura 12- Corpo de prova de fratura retirado da barreira de pressão (5mm X 10 mm X 44 mm).
Os corpos de prova para o ensaio de flexão foram envelhecidos e como não existe
norma que mensure o envelhecimento da PA-12 foi utilizada a API 17J que determina o
envelhecimento da PA-11, um material com propriedades próximas a da PA-12.
3.2.2 Ensaios Mecânicos
É de extrema importância para projeto de um equipamento o conhecimento do
comportamento mecânico do material em diversas condições de uso. Há muitas variáveis que
podem ser consideradas como: a temperatura, a taxa de carregamento da carga aplicada, o
desgaste, a deformação etc.
35
3.2.2.1
Ensaios de Fratura
Os ensaios de flexão em três pontos foram realizados segundo a norma ASTM 5045
com velocidade de carregamento v= 10 mm/min. Com três temperaturas distintas (θ): 5ºC,
23ºC e 90ºC e três viscosidades inerentes corrigidas (η): 1.0, 1.3 e 1.8 dL/g.
Para a realização do ensaio foi necessário utilizar um dispositivo que possuísse apoio
como rolos circulares, conforme Figura 15, pois, os mesmos minimizam o atrito entre a
amostra e a base inferior da máquina. Outro requisito para realização de ensaio em materiais
plásticos é que o disposto possua os apoios inferiores ajustáveis, para que seja possível
regular distância entre os apoios (S) de acordo com o tamanho do corpo de prova.
Figura 13 - Representação esquemática do ensaio de flexão.
36
CAPITULO 4
4 Resultados e Discussão
4.1 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
4.1.1 Ensaio de Fratura
O ensaio foi realizado a três diferentes temperaturas (-5°C, 23°C e 90°C) e
com três viscosidades inerentes corrigidas (η):1.02, 1.05, 1.3 e 1.8 dl/g. Foi observado
durante o experimento que não houve propagação da trinca nessas faixas de
temperatura e que para materiais pouco envelhecidos o comportamento é
superplástico.
Figura 14- Ensaio de fratura para PA 12 sem envelhecimento significativo (VIC > 1.0).
37
Foram separadas cinco amostras com viscosidade inerente corrigida de 1.05 dl/g e
ensaiadas a temperatura ambiente e foi possível observar a propagação da trinca (Figura 18).
VIC 1.05
180
160
140
Força (N)
120
CP-01
100
CP-02
80
CP-03
60
CP-04
40
CP-05
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Deslocamento (mm)
Figura 15 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com VIC 1.05 dl/g a
temperatura ambiente
A fim de verificar se o comportamento frágil se mantinha com o aumento da
viscosidade inerente corrigida foram ensaiadas três amostras com VIC de 1.3dl/g e outras
três amostras com VIC de 1.8dl/g. Mesmo com uma grande dispersão dos resultados,
conforme pode ser visto nas Figuras 19 e 20 foi possível concluir que o comportamento frágil
inicia a partir de envelhecimentos iguais a 1.05 dl/g. A dispersão dos resultados é em função
do corpo de prova escorregar no dispositivo de teste durante a realização do teste.
38
VIC 1.3
350
300
Força (N)
250
200
CP 01
150
CP 02
100
CP 03
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Deslocamento (mm)
Figura 16 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com VIC 1.3 dl/g a
temperatura ambiente
VIC 1.8
300
250
Força (N)
200
CP-01
150
CP-02
100
CP-03
50
0
0
5
10
15
20
25
Deslocamento (mm)
Figura 17 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com VIC 1.8 dl/g a
temperatura ambiente
39
Após os testes a temperatura ambiente com PA-12 com diferentes viscosidades
inerentes corrigida foram realizados ensaios a diferentes temperaturas (-5°C, 23°C e 90°C)
com amostras com viscosidade inerente de 1.02 dl/g, 1.3 dl/g e 1.8 dl/g com o intuito de
verificar se a mesma apresenta comportamento frágil em todas as faixas de temperatura
(Figura 21).
Figura 18 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12
Durante os ensaios pode ser observado o comportamento frágil a partir de VIC
1.05dl/g para temperaturas abaixo da ambiente. Para outros valores de temperatura o PA-12
possui comportamento superplástico conforme pode ser visto na Figura 21.
40
Os resultados dos ensaios de fratura realizados em PA12 com diferentes VIC e
diferentes temperaturas estão dispostos na Tabela 1.
CP
-5ºC
236.97
265.84
244.95
1
2
3
4
5
Média 249.25
Desv.
Pad.
14.91
VIC (dl/g)
1.8
1.3
1.05
23ºC
90ºC
-5ºC
23ºC
90ºC
23ºC
-5ºC
185.73 125.14 237.81 302.11 135.25 132.26 116.77
204.85 131.18 279.30 261.40 151.49 116.21 68.91
247.61 152.62 229.80 202.62 149.62 83.67 108.56
153.56 67.03
117.56
212.73 136.31 248.97 255.38 145.45 120.65 90.32
31.68
14.44
26.57
50.02
8.89
25.57
26.03
1.02
23ºC
80.87
87.65
86.07
86.83
90ºC
152.97
112.98
130.73
134.67
85.36 132.84
3.06
Tabela 2- Resultado dos ensaios de fratura em PA-12 com diferentes VIC e diferentes temperaturas.
Os gráficos com todos os resultados dos ensaios de fratura realizados em PA12 estão
no anexo.
4.2 MODELO PROPOSTO
4.2.1 Ensaio de Fratura
O modelo proposto é baseado na mecânica da fratura linear elástica, porém o fator
intensidade de tensões é função da viscosidade inerente corrigida. Westergaard [18]
determinou a distribuição de tensões na ponta de uma fissura, usando a Teoria da Elasticidade
Linear.
Foi verificado que para uma viscosidade inerente corrigida abaixo de 1.0 dl/g o
comportamento é elástico frágil e que energia de ruptura W depende da viscosidade inerente
corrigida. Portanto, as taxas de carregamento não afetam as propriedades elásticas somente
a temperatura e a viscosidade e não houve deformação permanente significativa.
41
16.41
O comportamento elástico frágil típico observado em um ensaio de flexão a
temperatura constante é conforme a Figura 24. É importante salientar que para diferentes
valores da VIC as curvas força-deslocamento são diferentes.
Figura 19 - Curva força-deslocamento típica num ensaio de flexão em 3 pontos (VIC <1.0).
O campo de tensões pode ser dividido em três modos de fratura, que envolvem
diferentes deslocamentos na superfície da fissura. A falha com maior índice de ocorrência é
a de modo I que acontece quando duas superfícies de uma trinca estão sendo separadas por
forças trativas aplicadas perpendicularmente ao plano da trinca. O modo II ou modo cortante
acontece quando forças cortantes são aplicadas no plano da trinca. Já o modo III ou modo de
torção acontece quando forças cortantes fora do plano são aplicadas sob a placa.
Figura 20 - Modos de falha
Quase sempre as trincas se propagam em modo I (perpendicularmente à máxima
tensão normal trativa) para evitar o atrito nas suas faces durante a fratura e, por tanto, o modo
I é o mais importante na prática. Por isto e por ser mais fácil de realizar em laboratório este
trabalho somente completa esse modo de fratura.
42
Para o modelo proposto supõe o comportamento elástico e linear assim as tensões na
vizinhança da ponta da fissura são dadas pelas seguintes expressões em coordenadas polares
para um ponto arbitrário
conforme pode ser visto na Figura 26[18].
(8)
(9)
(10)
(11)
K I - fator de intensidade de tensão (geometria do corpo e do carregamento).
O fator intensidade de tensões foi introduzido em 1957 por Williams e Irwin para
quantificar o campo das tensões em torno de uma trinca numa peça linear elástica.
Figura 21 - Sistema de coordenadas.
De acordo o artigo de L.C.S Nunes (Parâmetros de identificação polímero utilizando
um método de teste de mecânica da fratura e medições de campo total) [10] o corpo de prova
de flexão em 3 pontos (Figura 27), o fator de intensidade de tensões KI pode ser calculado
analiticamente [10] e é dado pela seguinte expressão:
43
(12)
Figura 22 - Corpo de prova de flexão em 3 pontos
Somente há propagação de trinca de acordo com o critério clássico de integridade
para estruturas fraturadas com comportamento elástico linear no modo I se: K I (a,F ) < K Ic
K Ic > 0 – constante depende do material e da temperatura, que pode ser obtida
experimentalmente a partir da força crítica FCr obtida no gráfico força x deslocamento típica
num ensaio de flexão em 3 pontos.
(13)
Durante ensaio foi possível observar que o Nylon envelhecido apresenta
comportamento frágil, logo todo o critério clássico da integridade continua válido e, portanto,
as expressões utilizadas por [9], baseadas na MFLE, continuam válidas. Porém no caso do
Nylon envelhecido o fator de intensidade de tensões crítico K Ic é função da temperatura e da
viscosidade inerente corrigida, pois a força crítica FCr é uma função da viscosidade inerente
corrigida e da temperatura (ver a Figura 23).
44
Figura 23 - Resultados dos testes de fratura (flexão em 3 pontos) para a Poliamida 12 com VIC 1.02 dl/g em 3
diferentes temperaturas.
(14)
K I (a, F ) < K Ic (V IC , temp )
Utilizando a Equação 13 e a força crítica FCr da Figura 23 foram determinados o 𝐾𝑖𝑐
da PA-12 com o VIC 1.02 para as temperaturas de -5°C e 23°C e obteve-se respectivamente
2,7𝑀𝑃𝑎√𝑚 e 1,9 𝑀𝑃𝑎√𝑚.
Diversos trabalhos propõem fórmulas para prever a evolução da VIC, com o, por
exemplo, [19]. Nesse caso a expressão proposta foi a seguinte:
Combinando essas equações com as propostas anteriormente, é possível uma
estimativa aproximada do comportamento da PA-12.
45
CAPITULO 5
5 Conclusões
Este trabalho se concentrou na influência do envelhecimento e da temperatura nas
propriedades mecânicas do PA-12. Foram realizados ensaios de flexão e de tração a fim de
observar como este se comportava. Foi observado no ensaio de ruptura que para viscosidade
inerente corrigida menores que um (VIC<1 – baixos valores) o material apresenta maior
tendência ao comportamento frágil e se comporta como o modelo da mecânica da fratura
clássica. O mesmo não apresenta comportamento frágil a baixas temperaturas, porém a
rigidez do material é maior.
46
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48