Projeto de Flange para Teste Hidrostático de Ruptura em Tubulação de PRFV

Projeto de Flange para Teste Hidrostático de Ruptura em Tubulação de PRFV

(Parte 1 de 4)

Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Centro de Tecnologia e Ciências

Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica

Leandro Mota Costa Maria Augusta Minguta de Oliveira

Projeto de Flange para Teste Hidrostático de Ruptura em Tubulação de PRFV

Rio de Janeiro 2011

Leandro Mota Costa Maria Augusta Minguta de Oliveira

Projeto de Flange para Teste Hidrostático de Ruptura em Tubulação de PRFV

Orientador: Prof. Dr. José Roberto Moraes d'Almeida

Rio de Janeiro 2011

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção da graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Materiais de Construção Mecânica.

Leandro Mota Costa Maria Augusta Minguta de Oliveira

Projeto de Flange para Teste Hidrostático de Ruptura em Tubulação de PRFV

Aprovado em

Rio de Janeiro 2011

Dissertação apresentada, como requisito para obtenção da graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Materiais de Construção Mecânica.

À todos integrantes de minha família, por todo apoio e carinho a mim dedicados. A Maria de Lourdes por toda dedicação e carinho.

Ao nosso orientador – José Roberto dAlmeida.

Ao sr. Arnaldo, Cláudio Duarte, Marcos – que executaram os serviços de usinagem nos flanges, tubos.

À Verônica Calado, chefe do laboratório e quem disponibilizou todos equipamentos para realização dos testes. Ao técnico João Vilaça pela execução dos testes.

Escolhe um trabalho de que gostes, e não terás que trabalhar nem um dia na tua vida.

Confúcio

A vasta utilização das tubulações de Plástico Reforçado com Fibra de Vidro

(PRFV), principalmente no ramo de transporte e distribuição de água, incentiva novos estudos de caracterização deste material e novas aplicações, uma vez que, esse material apresenta boa resistência à corrosão, boa resistência mecânica, e baixa densidade.

Objetivo: Este trabalho tem por objetivo projetar flanges que permitam a realização de testes hidrostáticos de ruptura em tubulações de PRFV de extremidades lisas.

Palavras-chave: Flange. PRFV. Teste hidrostático.

The extensive use of Fiberglass Reinforced Plastic (FRP) pipes, especially in the water transportation and distribution of water, encourages further studies to characterize this material and new applications, since this material exhibits good corrosion resistance, good mechanical strength, low density.

This work aims at projecting flanges that will allow hydrostatic testing of FRP pipes rupture in smooth ends.

Key-words: Flange. FRP. Hydrostatic testing

1 –INTRODUÇÃO ...........................................................................................13
2 –REVISÃO DA LITERATURA .....................................................................14
2.1 –Materiais Cerâmicos ................................................................................14
2.2 –Materiais Poliméricos ..............................................................................16
2.3 –Materiais Compósitos .…………..........................................................….18
2.3.1 –Plástico Reforçado com Fibras de Vidro (PRFV) ………..…….........……..19
2.3.1.1 – Construção típica das paredes dos tubos de PRFV21
3 –MATERIAIS E MÉTODOS .........................................................................23
3.1 –Fabricação dos tubos ensaiados .......…………………..........…………..23
3.2 –Testes Hidrostáticos .....................................................................…...….24
3.3 –Seleção dos anéis de vedação (O-ring)..................................................25
3.4 –Dimensionamento dos Flanges ..............................................................36
3.5 –Realização do teste hidrostático de ruptura ..........................................41
Figura 1: Tubos de PRFV (PETROFISA (a), 2010)19
Figura 2: Postes de PRFV (PETROFISA (c), 2010)20
Figura 3: Construção típica tubo de PRFV (MESQUITA, 2008)21
Figura 4: Fotos do equipamento de fabricação dos tubos24
Figura 5: Tubo fabricado no equipamento de Enrolamento Filamentar24
Figura 6: Tipos de vedações26
Figura 7: Configuração proposta para o flange27
Figura 8: Redução percentual da seção transversal real e calculada29
Figura 9: Recomendações para instalação do O-ring (PARKER, 2007)32
Figura 10: Etapas do processo de falha por extrusão34
Figura 1: Gráfico de limites de extrusão35
Figura 12: Configurações de montagem de anéis anti extrusão36
Figura 13: Principais tipos de flanges (TELLES, 1997)36
Figura 14: Configuração de flange adotada37
Figura 15: Vazamento devido extrusão do O-ring37
Figura 16: Dimensões obtidas do cálculo de seleção do O-ring38
Figura 17: Dimensões39
Figura 18: Usinagem do tubo de compósito42
Figura 19: O-ring montado no canal42
Figura 20: Enchimento do tubo com água42
Figura 21: Identificação dos elementos do teste43
Figura 2: Vazamento devido a ruptura4
Figura 23: Fotos dos tubos de compósitos4
Figura 24: Tubo 1: extrudado a 60 bar45
Figura 25: Tubo 2: ruptura a 100 bar46
Figura 26: Tubo 3: extrudado a 70 bar46
Figura 27: Tubo 1: ruptura a 30 bar47
Tabela 1: Valores dos coeficientes de dilatação linear de diferentes materiais:15
Tabela 2: Características das fibras de vidro16
estruturais típicas18

Tabela 3: Quadro comparativo das vantagens e desvantagens do uso de resinas

testes hidrostáticos25
Tabela 5: Dimensões dos o’rings a serem estudadas em milímetros28
Tabela 6: Dimensões obtidas em milímetros30
Tabela 7: Dimensões do o’ring selecionado31
Tabela 8: Características dos elastômeros usados em O-rings3
Tabela 9: Dimensões de porca de ½”39
Tabela 10: Dimensões de flanges classe de pressão #60041

σ – Tensão normal Ø – Diâmetro ASME – The American Society of Mechanical Engineers ASTM – American Society for Testing and Materials MPa – Mega Pascal GPa – Giga Pascal

Pt – Pressão de teste t – Espessura

De – Diâmetro externo do tubo Di - Diâmetro interno do tubo Nb – Quantidade de barras roscadas Db – Diâmetro nominal da barra roscada Lb – Comprimento da barra roscada Syb – Tensão mínima de escoamento do material da barra roscada Eb – Módulo de elasticidade do material da barra roscada

Fb – Força em cada parafuso

SFb - Fator de segurança da barra σc – Tensão de contato ε - Rugosidade δ - Deformação m – Milímetros ◦C – Graus Celsius tf – Espessura da aba do flange Df – Diâmetro do flange

Syf – Tensão mínima de escoamento do material do flange kg – Kilograma m – metros C - Carbono O – Oxigênio H – Hidrogênio N - Nitrogênio τ - Tensão cisalhante τa – Tensão cisalhante na aba do flange SFa – Fator de segurança para cisalhamento na aba τap – Tensão cisalhante na aba do flange em torno das porcas SFap – Fator de segurança para cisalhamento na aba

1 INTRODUÇÃO

utilização (LEVY NETO, 2006)

Os materiais compósitos estão cada vez mais presentes nas aplicações industriais. Isto ocorre, porque combinam as características de materiais distintos apresentando um desempenho estrutural melhor do que estes sob as mesmas condições de

Os compósitos de PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro), em especial, são empregados em larga escala em diversos segmentos da indústria, principalmente no transporte e distribuição de água, uma vez que estes apresentam grande versatilidade de fabricação, manipulação e, usados como componentes estruturais, permitem a fabricação de tubos de grandes diâmetros, de 279,4 m (1 pol) à 2997,20 m (18 pol), e com peso final da estrutura reduzido (PETROFISA (b), 2010). Quanto às classes de pressão nominal há no mercado entre 0,2 MPa a 3,2 MPa [aplicação saneamento básico e drenagem pluvial]. Os tubos são padronizados com rigidez de 2.500 a 10.0 N/m² segundo norma NBR15536 (PETROFISA (b), 2010).

especial
Objetivo:

As tubulações de PRFV apresentam algumas vantagens em relação a outros materiais tradicionais nessas aplicações, como o aço, a saber: melhor resistência à corrosão, redução dos custos de instalação e de manutenção e melhor eficiência energética dos sistemas, com a redução da rugosidade e consequente redução de perdas por atrito, ocorridas no interior das tubulações (ALBUQUERQUE, 2005). Frente a essas características muitos estudos têm sidos desenvolvidos para caracterizar e ampliar as áreas de aplicações dos tubos de compósitos e PRFV, em Este trabalho tem por objetivo, projetar flanges que permitam a realização de testes hidrostáticos de ruptura em tubulações de PRFV, contribuindo para os estudos futuros.

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Materiais Cerâmicos

Os materiais cerâmicos são materiais formados por elementos metálicos e não-metálicos ligados quimicamente entre si por ligações iônicas e/ou covalentes. Essas ligações são de alta energia e delas derivam as principais característica/propriedades de importância prática dos cerâmicos, a saber: isolantes térmicos e elétricos, alta temperatura de fusão, estabilidade térmica e inércia química, que lhe confere boa resistência à corrosão (CIÊNCIA DOS MATERIAIS MULTIMÍDIA, CAP 3, 2010).

São ainda materiais frágeis, apresentando pouca ou nenhuma deformação plástica devido à natureza das ligações químicas. No caso da covalente que é direcional, são impostas restrições ao movimento das discordâncias, pois essas ligações ocorrem em direções preferenciais. Apesar da ligação iônica não ser direcional, ela é caracterizada pela ação eletroestática entres dois íons, cargas de sinais opostos, sendo então mais uma restrição ao movimento dos átomos no interior do material (CIÊNCIA DOS MATERIAIS MULTIMÍDIA, CAP 2, 2010)

Há um grupo dentro dos materiais cerâmicos classificados como vidros, onde o componente principal é o óxido de sílica (SiO2). Os vidros são cerâmicos amorfos e assim apresentam um comportamento fortemente influenciado pela temperatura. Para esse tipo de material é possível definir uma temperatura que separa uma região de comportamento elástico de uma de comportamento viscoso, chamada temperatura de transição vítrea (Tg). Isto porque os materiais amorfos não se comportam como os sólidos cristalinos na mudança para fase líquida. Estes apresentam uma transição de comportamento de um estado desordenado rígido para um estado com maior mobilidade. Para temperaturas abaixo da Tg o comportamento do vidro é elástico e obedece à lei de Hooke.

Para temperaturas superiores a esta, o comportamento viscoso é predominante e a tensão de cisalhante é dada pelo produto da viscosidade e taxa de deformação; onde a viscosidade é função da temperatura. A transição vítrea se reflete macroscopicamente através de mudanças na capacidade calorífica, coeficiente de expansão térmica e resposta diferenciada a forças de compressão ou tração.

O vidro em forma de fibras é muito utilizado em tubulações de compósito como principal material de reforço e apresentam as seguintes características, a saber: baixo coeficiente de dilatação térmica, estabilidade térmica, facilidade de processamento, baixo custo. As fibras são obtidas pela fusão e fiberização de óxidos metálicos (óxidos de silício, sódio, cálcio, alumínio, potássio, entre outros). Esses óxidos são moídos, dosados, misturados e alimentados em fornos de fusão para posterior transformação em fibras (CARVALHO, 1992).

A tabela abaixo mostra algumas propriedades típicas das fibras de vidro em comparação a outros materiais de engenharia.

Tabela 1: Valores dos coeficientes de dilatação linear de diferentes materiais:

Material

Coeficiente de dilatação linear α

Módulo de

Elasticidade E [GPa]

Limite de resistência à

As fibras de vidro apresentam ainda características de acordo com a composição química dos vidros que a compõem. As características típicas das principais fibras de vidro estão mostradas na tabela a seguir:

Tabela 2: Características das fibras de vidro Vidro - Tipo Descrição Característica

E Elétrico

Alta resistência e alto módulo de elasticidade; Bom isolante elétrico.

C Químico

Alta resistência à corrosão; Baixa propriedade de resistência.

S Alta resistência

Alto módulo de elasticidade; Resistente a altas temperaturas.

2.2 Materiais Poliméricos

Polímeros são macromoléculas formadas pelo encadeamento de unidades menores chamadas monômeros. Os monômeros são substâncias constituídas, em geral, por C, O, H, N, ligados por ligações covalentes.

Os polímeros são divididos em três grupos em função de suas características em relação à temperatura e/ou comportamento mecânico, a saber: termoplásticos, termorrígidos e elastômeros.

Os polímeros termoplásticos podem ser reprocessados ao serem reaquecidos, ou seja, há um aumento da fluidez com o aumento da temperatura, podendo ser remodelados, sendo portanto, caracterizados como materiais recicláveis. Essa característica de amolecimento por efeito da temperatura está associada à estrutura macromolecular. Nos polímeros termoplásticos existem entre as cadeias poliméricas apenas ligações secundárias, que são ligações de baixa energia. As ligações covalentes, primárias, ocorrem ao longo da cadeia. Então, no aquecimento, as ligações secundárias se rompem facilitando o deslizamento entre as cadeias. Exemplos: polietileno, teflon, náilon.

Os polímeros termofixos ou termorrígidos não podem ser mais remodelados por efeito da temperatura depois de endurecidos, isso porque entre as cadeias poliméricas existem ligações covalentes, chamadas ligações cruzadas. Exemplos: epóxi, poliéster, baquelite.

Os polímeros classificados como elastômeros são caracterizados por apresentarem grande capacidade de deformação elástica, isso porque apresentam cadeias lineares com baixa densidade de ligações cruzadas. Exemplos: borracha natural, butílica, vinílica.

Os polímeros são muito usados como matriz nos compósitos. A função da matriz é transferir o esforço aplicado ao componente para as fibras e mantê-las agrupadas, protegendo-as de danos superficiais (GIBSON, 1994). As matrizes de polímeros termofixos são as mais utilizadas, porque permitem trabalhar com temperaturas mais altas. As principais são as resinas poliéster, vinil éster e epóxi. Dentre estas a resina epóxi é de maior custo por possuir melhores propriedades mecânicas e melhor resistência à umidade (CALLISTER, 2008). As características das diversas resinas utilizadas como matrizes em compósitos podem ser lidas na tabela, a seguir.

Tabela 3: Quadro comparativo das vantagens e desvantagens do uso de resinas estruturais típicas.

Tipo de resina Vantagens do uso Desvantagens

Poliéster Fácil de usar;

Custo baixo.

Temperaturas de trabalho limitada; Propriedades mecânicas moderadas; Compatibilidade apenas com a fibra de vidro.

Vinil Éster

Alta resistência química; Propriedades mecânicas superiores a da resina poliéster; Boa adesão a fibra de vidro.

Custo superior a da resina poliéster; Fraca adesão a fibras de carbono e kevlar

Epóxi

Altas propriedades térmicas e mecânicas; Alta resistência à água; Disponibilidade de trabalho por tempos mais longos; Boa adesão.

Mistura crítica; Custo elevado.

(ALBUQUERQUE, 2005) 2.3 Materiais Compósitos

Um material compósito é o resultado de uma combinação macroscópica de dois ou mais materiais distintos visando a obtenção de um material que combina as características de seus componentes e, assim, apresenta desempenho estrutural melhor do que estes, sob condições específicas de utilização (LEVY NETO, 2006).

Devido a grande variedade de materiais possíveis de serem utilizados como reforço e matrizes, assim como a habilidade de combinar esses diferentes materiais em uma ampla faixa de frações volumétricas, os materiais compósitos podem ser produzidos de forma a exibir uma extensa faixa de combinações de módulo de elasticidade, resistência mecânica e tenacidade.

As propriedades desses materiais são, de maneira geral, influenciadas por diversos fatores, entre os quais podem ser citados: tipos, distribuição, geometria, propriedades, fração volumétrica de fibras, características da interface fibra/matriz e método de cura, entre outros (CALLISTER, 2008).

Os materiais compósitos são formados por uma estrutura de reforço inserida em uma matriz, onde o produto final apresenta uma combinação de propriedades dos seus constituintes. O reforço geralmente é feito por fibras, que apresentam alta resistência à tração e a matriz une as fibras de forma a permitir que as tensões sejam transferidas para a fibra, resultando em um material reforçado (CALLISTER, 2008).

2.3.1 Plástico Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV)

O PRFV (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro) é uma das formas mais utilizadas de compósitos. São compostos por uma fase contínua polimérica de materiais termofixos (resina poliéster ou epóxi) reforçada com fibras de vidro (MESQUITA, 2008). As figuras 1 e 2 mostram produtos típicos fabricados em PRFV.

Figura 1: Tubos de PRFV (PETROFISA (a), 2010)

Figura 2: Postes de PRFV (PETROFISA (c), 2010)

O PRFV possui as seguintes características básicas (PETROFISA (b),2010): - Físicas: os compósitos são materiais mais flexíveis e de menor peso específico (1800 Kg/m3); cerca de1/5 do aço.

- Hidráulicas: nos tubos de PRFV a resina está em contato com o fluido de trabalho, esta apresenta um acabamento superficial interno bem liso e é de difícil adesão de incrustações, não aumentando a rugosidade ou diminuindo a seção transversal do tubo, mesmo em longos períodos de tempo. Assim se obtém grande economia na escolha da área de fluxo e energia de bombeamento em relação aos materiais tradicionais. A rugosidade absoluta, pode se estimar em ε=0,02 m, contra, por exemplo, de um aço laminado usado que seria de 0,046 m ou um ferro fundido 0,26 m.

- Química: O PRFV é inerte a uma grande quantidade de compostos. A inércia química é influenciada pela temperatura, o tipo de resina usada e a concentração do produto agressivo. A escolha da resina será de acordo com as condições e tipo de fluido e das tabelas de resistências química fornecidas pelos fabricantes.

As tubulações de PRFV não precisam ser pintadas ou receber qualquer tipo de revestimento, mesmo em solos agressivos, pois essas tubulações apresentam maior resistência à corrosão em relação a outros materiais.

A possibilidade de intercambialidade com outros materiais dispensa o uso de peças especiais de adaptação, podendo ser montados com conexões de ferro fundido, flange e outros. Além disso, possuem baixo custo de manutenção (MESQUITA, 2008).

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