BRPI0915395B1

BRPI0915395B1 - Elemento de reforço, recipiente de pressão, artigo e uso de um elemento

Info

Publication number: BRPI0915395B1
Application number: BRPI0915395-0A
Authority: BR
Inventors: Rigobert Bosman; Roelof Marissen
Original assignee: Dsm Ip Assets B.V.
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2020-02-18
Also published as: CN102077009A; US20110266290A1; EP2288840A1; CN102077009B; EA201100075A1; WO2009156142A1; EP2288840B1; BRPI0915395A2; MX2010013580A; US10072757B2; CA2728864A1; DK2288840T3

Abstract

elemento de reforço, recipiente de pressão, artigo e uso de um elemento a invenção se refere a um revestimento de reforço compreendendo fios de suporte de carga de um primeiro tipo caracterizado em que o revestimento compreende ainda fios de suporte de carga de um segundo tipo tendo uma taxa de deformação de (épsilon 2) pelo menos 10 vezes superior à taxa de deformação (épsilon 1 ) dos fios do primeiro tipo, isto é, (épsilon 2 maior igual a 10 x épsilon 1) em que as taxas de deformação são medidas nos fios em uma temperatura de 20ºc e sob uma carga aplicada de 600 mpa. a invenção também se refere a um recipiente de pressão compreendendo o mesmo.

Description

ELEMENTO DE REFORÇO, RECIPIENTE DE PRESSÃO, ARTIGO E USO DE UM ELEMENTO

A invenção se refere a um elemento de reforço para um artigo, tal como um recipiente de pressão, o elemento compreendendo fios de suporte de carga de um primeiro tipo. A invenção também se refere a um recipiente de pressão compreendendo o elemento, preferivelmente em um revestimento.

Recipientes de pressão reforçados com revestimentos que compreendem fios de suporte de carga, em seguida simplesmente denominados fios, são comumente usados em aplicações que lidam com a contenção ou transporte de fluido ou gases. Recipientes de pressão de contenção conhecidos, por exemplo, como aquele revelado na Patente dos Estados Unidos 7.086.553, normalmente compreendem uma câmara hermética para conter o gás ou fluido pressurizado, a câmara sendo envolta com fios de reforço. Recipientes de pressão de transporte conhecidos, por exemplo, tubos, são conhecidos, por exemplo, a partir da Patente dos Estados Unidos 6.889.716 que revela um tubo envolto com uma camada de fios de reforço de polietileno ou náilon.

Descobriu-se que os revestimentos de reforço dos recipientes de pressão conhecidos têm uma desvantagem que se torna evidentes quando os recipientes são pressurizados por um período prolongado de tempo até uma pressão de trabalho. A pressão de trabalho exerce uma carga sobre as paredes reforçados do recipiente a carga sendo transmitida aos fios contidos pelo seu revestimento de reforço. Frequentemente ocorre que além da carga atuando sobre as paredes de reforço do recipiente, podem ocorrer súbitos

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2/27 aumentos na carga, isto é, picos de carga, por toda a vida útil em serviço do recipiente. Tais picos de carga podem ocorrer devido a diversas forças externas atuando ao menos temporariamente sobre o recipiente. Por exemplo, a carga atuando sobre as paredes reforçadas de um tubo pressurizado assentados no solo ou sob o solo podem subitamente aumentar durante um terremoto. A carga extra que se soma à carga exercida pela pressão de trabalho é proveniente da flexão do tubo causada pela mudança violenta do solo. Tal pico de carga frequentemente danifica os fios do revestimento de reforço e por fim pode levar à falha do tubo.

Uma situação semelhante ocorre quando um recipiente de contenção, pressurizado, por exemplo, um recipiente de fluido ou gás, é transportado em rodovias mal conservadas ou até mesmo atingido acidentalmente. Os súbitos aumentos na carga atuando sobre as paredes reforçadas do recipiente podem causar a ruptura dos fios no revestimento de esforço e estouro do recipiente.

Também se percebeu que os recipientes de pressão, conhecidos, têm uma eficiência diminuída e, além disso, a eficiência dos mesmos diminui com o passar do tempo. Ocorrências repetitivas de picos de carga induzem danos nos fios do revestimento de reforço, reduzindo a eficiência do seu reforço. Além disso, o momento quando recipientes de pressão conhecidos têm tendência a falhar ou estourar é difícil de ser previsto, portanto aumentando o risco de segurança particularmente quando os recipientes são submetidos por um período de tempo prolongado a uma pressão de trabalho próxima da pressão máxima permitida.

O objetivo da presente invenção é o de prover um

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3/27 elemento de reforço e um recipiente de pressão compreendendo o mesmo não tendo as desvantagens mencionadas acima ou tendo as mesmas em um menor grau do que os elementos, revestimentos ou recipientes de pressão conhecidos.

O objetivo da invenção foi alcançado com um elemento de reforço compreendendo fios portadores de suporte de carga de um primeiro tipo caracterizado em que o elemento compreende ainda fios de suporte de carga de um segundo tipo tendo uma taxa de deformação de pelo menos 10 vezes superior à taxa de deformação dos fios do primeiro tipo, isto é

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em que as taxas de deformação são medidas nos fios em uma temperatura de 20°C e sob uma carga aplicada de 600 MPa.

Descobriu-se surpreendentemente que um recipiente de pressão reforçado com o elemento da invenção tem uma durabilidade aperfeiçoada e apresenta uma vida útil em serviço aumentada. Particularmente, quando o recipiente é usado em aplicações onde frequentemente ocorrem aumentos na pressão de trabalho, o recipiente de pressão reforçado apresenta uma resistência aumentada aos danos acumulativos. Portanto, o momento de falha ou estouro dos recipientes de pressão reforçados com o elemento da invenção é amplamente adiado.

Observou-se também surpreendentemente que o fator de segurança dos recipientes de pressão reforçados com o elemento da invenção é aperfeiçoado. Ainda mais surpreendentemente, é o fato de que o fator de segurança é

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4/27 aperfeiçoado com o tempo. Os inventores descobriram que quanto mais picos de carga estiverem ocorrendo, melhor é a resposta do recipiente de pressão às mesmas. Sem se ater a quaisquer explanações, os inventores atribuiram esse efeito a uma otimização no comportamento de reforço dos fios contidos pelo elemento inventivo.

A invenção também se refere a um recipiente de pressão compreendendo o elemento inventivo. Preferivelmente, o recipiente de pressão inventivo é um recipiente de contenção ou um recipiente de pressão de transporte, e mais preferivelmente o elemento é um revestimento para o recipiente, o revestimento sendo usado preferivelmente para cobrir ao menos uma parte da superfície ou a superfície externa do recipiente de pressão.

Observou-se que o recipiente de pressão inventivo apresenta uma eficiência aumentada e precisa de menos manutenção durante sua vida em serviço. Portanto, os custos globais de manutenção necessários para reparos ou inspeções periódicas são reduzidos.

Preferivelmente, os fios do segundo tipo têm uma taxa de deformação de ao menos 30 vezes superior à taxa de deformação ã dos fios do primeiro tipo, mais preferivelmente de ao menos 100 vezes superior, ainda mais preferivelmente de ao menos 300 vezes superior. Observou-se que o recipiente inventivo mostra resistência aumentada adicional aos danos acumulativos quanto maior for a diferença nas taxas de deformação. Particularmente, quanto maior for a diferença, melhor o elemento inventivo e o recipiente de pressão contendo o mesmo responde aos picos

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5/27 de carga.

Em uma modalidade da invenção, os fios do segundo tipo têm uma taxa de deformação G de ao menos 10^-9 seg.^-1, mais preferivelmente ao menos 10^-8 seg.^-1, mais preferivelmente pelo menos de 10^-7 seg.^-1 e os fios do primeiro tipo têm uma taxa de deformação à medida que a diferença da taxa de deformação entre G θ é satisfeita, de no máximo 10^-10 seg.^-1, mais preferivelmente de no máximo 10^-11 seg.^-1, ainda mais preferivelmente os fios do primeiro tipo não cedem com uma quantidade mensurável quando medida sob as condições de temperatura e carga da invenção.

Em uma modalidade mais preferida, os fios do primeiro tipo têm uma taxa de deformação entre 10^-10 seg.¹ e 10^-12 seg.^-1 e os fios do segundo tipo têm uma taxa de deformação G entre 10^-3 seg.^-1 e 10^-9 seg.^-1.

A vantagem das modalidades preferidas apresentadas acima é que além das vantagens já mencionadas, um recipiente de pressão reforçado com um elemento compreendendo fio de primeiro e segundo tendo uma diferença na taxa de deformação de acordo com as modalidades apresenta uma eficiência e fator de segurança, aumentados adicionais.

A quantidade mi em % em massa dos fios do primeiro tipo contido pelo elemento inventivo está preferivelmente entre 20% e 80%, mais preferivelmente entre 40% e 60%, mais preferivelmente entre 45% e 55% a partir da massa total de fios de suporte de carga, conforme computado de acordo com a Fórmula 1:

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6/27 /μ, =----¹— x 100 (% em massa) ¹ M\+M₂

Fórmula 1 em que Mi e M2 são as massas do fio do primeiro e segundo tipo, respectivamente, contidas pelo elemento inventivo.

Preferivelmente, a relação F1/F2 das tensões de fratura dos fios do primeiro tipo Fi e do segundo tipo F2 estão entre 1,1 e 6, mais preferivelmente entre 1,2 e 4, mais preferivelmente entre 1,3 e 3. Em outras palavras, os fios do segundo tipo falhariam em uma tensão inferior a dos fios do primeiro tipo. Descobriu-se que um recipiente de pressão reforçado com um elemento compreendendo tais fios apresenta uma durabilidade aumentada adicional e resistência adicionalmente aumentada aos danos acumulativos.

Preferivelmente, os fios do primeiro e do segundo tipo têm uma resistência à tração de ao menos 1,2 GPa, mais preferivelmente de ao menos 2 GPa, ainda mais preferivelmente de ao menos 3 GPa, mais preferivelmente de ao menos 3,5 GPa. Para quantidades fixas de fios do primeiro e segundo tipo, descobriu-se surpreendentemente que mesmo quando a resistência à tração dos fios do primeiro tipo é inferior àquela dos fios do segundo tipo, as vantagens da invenção ainda estão presentes. Adicionalmente, os custos de produção de tal recipiente de pressão reforçada são reduzidos porque parte dos fios de alta resistência dispendiosos é substituída por fios de resistência inferior; mais baratos; com pouco compromisso em relação às vantagens providas pela invenção.

Em uma modalidade, o elemento de reforço

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7/27 compreende ao menos um fio adicional do primeiro tipo e/ou pelo menos um fio adicional do segundo tipo. Tais fios adicionais, por exemplo, podem ser adicionados para prover uma gama de etapas levando a um efeito gradual ou de múltiplas etapas para o sistema ou tais fios adicionais podem ser acrescentados para prover um critério de descarte ao sistema; tal como uma fibra condutora ótica ou elétrica, a qual no momento quando o sistema deve ser descartado apresentará certa característica, tal como resistência elétrica aumentada ou transmissão ótica reduzida (ou nula).

A medida dos fios pode variar dentro de limites amplos dependendo da aplicação para a qual o recipiente de pressão é usado. Preferivelmente, a medida é de ao menos 440 dtex, mais preferivelmente de pelo menos 880 dtex, mais preferivelmente de ao menos 1.760 dtex. A vantagem importante do uso de fios com medida superior é que eles são mais baratos em termos de produção e mais rápidos em termos de aplicação.

Os fios contidos pelo elemento inventivo podem ser produzidos de acordo com qualquer técnica conhecida na arte, preferivelmente mediante técnicas de fusão, de centrifugação de gel ou solução ou técnica de estado sólido. Os materiais usados para produzir os fios podem ser quaisquer materiais que possam ser processados em fios. Exemplos adequados de materiais incluem poliamidas e poliaramidas, por exemplo, poli(p-fenileno tereftalamida) (por exemplo, Kevlar® e copoliamida aromática preparada a partir de cloreto de tereftaloíla e proporções equimolares de p-fenilenodiamina e 3,4'-diaminodifenileter (por exemplo, Technora®); poli(tetra fluoroetileno) (PTFE);

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8/27 poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol) (PBO) (por exemplo, Zylon®); LCP (copolímero de ácido para hidroxibenzóico e ácido para hidroxinaftálico) (por exemplo, Vectran®);

poli{2,6-diimidazo-[4,5b-4'5'e]piridinileno-1,4(2,5dihidroxi)fenileno (por exemplo, M5);

poli(hexametilenoadipamida) (conhecido como náilon 6, 6) , poli(ácido4-aminobutírico) (por exemplo, náilon 6); poliésteres, por exemplo, poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), fibras inorgânicas (particularmente fibras de vidro, tais como fibras à base de vidro-S) e poli(tereftalato de 1,4 ciclohexilideno dimetileno); poliolefinas, por exemplo, homopolímeros e copolímeros de polietileno e polipropileno, mas também alcoóis polivinílicos, poliacrilonitrilas e semelhantes, assim como suas misturas. É altamente preferido que os materiais usados para produzir tais fios sejam materiais poliméricos uma vez que os materiais poliméricos tipicamente permitem flexibilidade superior do que os fios de base inorgânica. Particularmente, é preferido que o segundo tipo de fio seja um material polimérico, uma vez que os fios de base polimérica tipicamente têm uma deformação superior ao dos fios de base inorgânica.

Em uma modalidade, o fio do primeiro tipo compreende um fio inorgânico, preferivelmente o fio inorgânico é uma fibra de vidro e mais preferivelmente a fibra de vidro é uma fibra de vidro-S. Isso possibilita um fio de primeiro tipo com taxa de deformação muito baixa e, portanto, possibilita uma ampla faixa de opções para selecionar o segundo tipo dos fios. Particularmente preferida é a combinação dos fios de primeiro tipo

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9/27 compreendendo fibras de vidro e o fio de segundo tipo compreendendo um polietileno de desempenho elevado, tal como UHMWPE de centrifugação de gel.

Os fios do primeiro tipo podem ser fabricados a partir de um tipo diferente ou do mesmo tipo de material que os fios do segundo tipo. Contudo, quando o mesmo tipo de material é usado para fabricação dos fios, o material deve permitir a fabricação dos fios com diferentes taxas de deformação à medida que as exigências de taxa de deformação de acordo com a invenção sejam satisfeitas. Um exemplo de um material adequado para uso na fabricação de ambos os fios do primeiro e do segundo tipo é a poliolefina, mais particularmente polietileno de peso molecular ultra elevado (UHMWPE) ou polipropileno. O material polimérico, por exemplo, pode diferir em peso molecular, processamento (levando à estrutura diferente, arranjo das moléculas, cristalinidade, etc.), e/ou química específica (por exemplo, variação na densidade de grupo secundário, composição química, etc.).

Em uma modalidade preferida os fios do segundo tipo, isto é, os fios com taxa de deformação superior, são fabricados a partir de poliolefina, mais preferivelmente a partir de UHMWPE. Os fios do primeiro tipo a serem usados em conjunto com os fios do segundo tipo dessa modalidade são preferivelmente fios fabricados a partir de materiais escolhidos a partir dos grupos consistindo em poliamidas, poliaramidas, poliésteres e fios inorgânicos. A vantagem de um revestimento compreendendo a combinação de fios dessa modalidade é que um recipiente de pressão ou o artigo compreendendo o elemento tem uma eficiência aperfeiçoada e

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10/27 também um fator e segurança aperfeiçoado enquanto tendo uma maior durabilidade.

Em uma modalidade preferida adicional da invenção, os fios do primeiro tipo são fabricados a partir de copoliamidas aromáticas, mais preferivelmente as copoliamidas sendo preparadas a partir de cloreto de tereftaloíla e proporções equimolares de p-fenileno diamina e 3,4'-diaminodifenileter. Os fios do segundo tipo dessa modalidade são fabricados preferivelmente a partir de poliolefina, mais preferivelmente a partir de UHMWPE. Em adição às vantagens da invenção, um recipiente de pressão contendo um elemento de reforço compreendendo o primeiro e segundo fios dessa modalidade também apresente uma suscetibilidade diminuída em relação às variações nas condições circundantes. Descobriu-se surpreendentemente que a eficiência e/ou o fator de segurança do recipiente apresentou uma flexibilidade aperfeiçoada às variações de temperatura. Além disso, a flexibilidade está presente também quando ocorrem aumentos de pressão relativamente freqüentes e/ou amplos, por exemplo, aumentos súbitos em pressão de até mais do que aproximadamente 110% da pressão de trabalho.

Preferivelmente os fios usados nas modalidades da invenção que são fabricados a partir de UHMWPE são produzidos de acordo com um processo assim chamado de centrifugação de gel como, por exemplo, descrito na EP 0205960 A, EP 0213808 A1, US 4413110, GB 2042414 A, EP 0200547 B1, EP 0472114 B1, WO 01/73173 A1, e Advanced Fiber Spinning Technology, De. T. Nakajima, Woodhead Publ. Ltd (1994), ISBN 1-855-73182-7 e referências citadas nesse

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11/27 lugar, todas incorporadas aqui mediante referência. Quando tais fios são usados no elemento inventivo, observou-se que eles são menos danificados ou não absolutamente danificados durante o processo de instalação do elemento, particularmente quando o elemento é um revestimento formado em C e se for inserido em tubos.

Outro método de fabricação importante para a produção de polietileno de alto desempenho (HPPE) é a da centrifugação de material fundido como, por exemplo, descrito em EP1445356 e US5234652 e referências citadas nesse lugar, todos incorporados aqui mediante referência; centrifugação de solução; técnica de estado sólido como, por exemplo, descrito em EP1627719 e referências citadas nesse lugar, incorporadas aqui mediante referência.

A construção do elemento inventivo pode ser qualquer construção conhecida na arte. O elemento pode ser constituído de fios independentes, feixes de fios ou pode ser capturado em um tecido. Se um tecido for usado, o tecido pode ser de qualquer construção conhecida na arte, preferivelmente formado por tecelagem ou de malha, desde que ao menos parte dos fios dentro do tecido contribua para sustentação da carga, isto é, sejam fios de suporte de carga. O tecido também pode compreender combinações de diferentes fios fabricados do mesmo material ou de material diferente. A vantagem de usar um tecido é que o processo de fabricação do artigo reforçado inventivo é simplificado.

O elemento inventivo pode ser aplicado na superfície externa das paredes do recipiente de pressão ou na sua superfície interna e pode ser posicionado em torno do recipiente inteiro ou em ao menos uma porção do mesmo

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12/27 que normalmente é mais afetada pelos picos de carga ou exposta e com tendência a ser acidentalmente atingida. Isso é particularmente vantajoso quando o elemento é um revestimento. Preferivelmente, o elemento é ligado a ele mediante meio conhecido, por exemplo, com adesivos, termicamente ligado, e semelhante. O alinhamento dos fios de suporte de carga contidos pelo elemento pode variar com o formato específico do recipiente de pressão. Assim um recipiente de formato cilíndrico pode ter uma ou mais voltas dos fios de suporte de carga em uma direção helicoidal ou em laço, ao passo que um recipiente esférico pode ser compreensivelmente envolto em diferentes direções espaciais. Quando o recipiente tem um formato cilíndrico, por exemplo, quando o recipiente é um tubo, preferivelmente os fios são envoltos em um ângulo entre 30 e 60 graus, mais preferivelmente de aproximadamente 55 graus supondo que 90 graus estejam na direção transversal do recipiente e 0 grau está na direção axial do recipiente. Exemplos de realização da colocação dos fios nas paredes do recipiente podem empregar meio de enrolamento de tensão externa para guiar os fios de reforço enquanto sendo enrolados em torno da superfície externa das paredes do recipiente. Um meio alternativo para reter o alinhamento dos fios é um rolo de compactação para aplicar pressão mecânica aos fios e à superfície interna ou externa das paredes enquanto ligando os fios à mesma, por exemplo, mediante uso de um adesivo ou calor.

Dependendo de sua construção, o recipiente de pressão inventivo pode compreender múltiplas paredes, ou uma única parede tubular se o recipiente for um tubo. As

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13/27 paredes podem ser fabricadas de uma ampla variedade de polímeros termoplásticos ou de consolidação a calor. Exemplos adequados de polímeros termoplásticos incluem poliolefinas tal como polipropileno e polietileno, por exemplo, polietileno de densidade elevada e média; sulfeto de polifenileno, polietercetona, poliamida, poliamidaimida, difluoreto de polivinilideno e outros polímeros conhecidos na arte. Exemplos adequados de polímeros de consolidação a calor incluem resinas de epóxi, resinas de vinil éster, resinas de poliéster e resinas fenólicas.

O recipiente de pressão inventivo pode ser fabricado de acordo com métodos conhecidos na arte. Tal método, por exemplo, é revelado em US 7.086.553 incorporado aqui mediante referência. Revelações adicionais dos métodos de fabricação dos recipientes de pressão compreendendo forros de reforço são conhecidas a partir de US 5.931.198; US 6.889.716; US 4.330.881; US 6.773.773; US 6.839.604 e US 5.647.503, incorporados aqui mediante referência.

Na modalidade mais preferida da invenção, o recipiente de pressão inventivo é reforçado com um elemento formando um revestimento compreendendo fios de suporte de carga de primeiro e segundo tipos, em que os fios do segundo tipo puderam se alongar mediante deformação sob uma tensão induzida por uma deformação das paredes do recipiente, a deformação sendo obtida mediante pressurização do recipiente em uma pressão de no máximo a pressão na qual a tensão induzida pelos fios do primeiro tipo é aproximadamente igual à tensão de fratura dos fios do primeiro tipo. Preferivelmente, o recipiente de pressão dessa modalidade é recipiente de pressão de transporte,

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14/27 mais preferivelmente um tubo. Preferivelmente, os fios do primeiro tipo dessa modalidade são fabricados de um material escolhido do grupo consistindo em poliamidas, poliaramidas, poliésteres e fibras inorgânicas, a vantagem das mesmas sendo que tais fios não se deformam sob a tensão aplicada ou eles se deformam com uma quantidade baixa ou insignificante não mensurável. Mais preferivelmente, os fios do primeiro tipo são fabricados de copoliamidas aromáticas, mais preferivelmente as copoliamidas sendo preparadas a partir de cloreto de tereftaloíla e proporções equimolares de p-fenileno diamina e 3,4'diaminodifenileter. Preferivelmente, os fios do segundo tipo dessa modalidade são fabricados a partir de poliolefinas, mais preferivelmente a partir de UHMWPE.

Descobriu-se surpreendentemente que o recipiente de pressão da modalidade mais preferida da invenção mostra todas as vantagens mencionadas acima e adicionalmente, um fator de segurança aperfeiçoado adicional. As vantagens dessa modalidade são até mesmo mais surpreendentes uma vez que elas superam uma desvantagem técnica na arte. Isso se aplica especificamente aos recipientes pressurizados utilizados por um período de tempo prolongado para aplicações de serviço pesado, por exemplo, tubos altamente pressurizados, recipientes de gás de alta pressão e semelhante. Para tais aplicações altamente exigentes, o uso de fios com uma elevada taxa de deformação para reforçar o recipiente foi consistentemente evitado. A crença comum é que quando usados por períodos de tempo prolongados, de devido ao comportamento de deformação aperfeiçoado dos mesmos, esses fios levam a um acúmulo de danos e a uma

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15/27 falha gradual do artigo reforçado. A presente invenção supera essa desvantagem e demonstra o contrário.

Ao permitir que os fios do segundo tipo sejam alongados mediante deformação é aqui entendido que os fios são submetidos a um alongamento permanente sob os efeitos combinados de tensão, tempo e temperatura de trabalho. De acordo com a modalidade mais preferida da invenção, a tensão é induzida por uma deformação das paredes do recipiente, reforçadas com um revestimento compreendendo os fios. A deformação das paredes do recipiente se deve à pressão a qual é submetido o recipiente. Uma exemplificação típica da mesma é a deformação de um tubo termoplástico quando uma pressão interna é aplicada ao tubo. Logo que o tubo é pressurizado seu diâmetro aumenta devido à pressão interna do fluido ou gás empurrando as paredes do tubo no sentido para fora. Os fios de reforço assim como as paredes termoplásticas do tubo competem contra o aumento no diâmetro e consequentemente uma tensão é induzida, isto é, nos fios de reforço e também nas paredes. A tensão agindo sobre os fios é compartilhada entre os fios do primeiro e do segundo tipo. Pode ser prontamente considerado que um recipiente de pressão de contenção, por exemplo, um recipiente de gás ou fluido pressurizado, sofre efeitos similares quando sob pressão, as suas paredes sendo deformadas sob a pressão interna exercida pelo gás ou fluido.

A pressão na qual a tensão induzida pelos fios do primeiro tipo é aproximadamente igual à tensão de fratura dos fios do primeiro tipo é entendida como a pressão na qual os fios do primeiro tipo começam a se romper, mais

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16/27 particularmente a pressão na qual aproximadamente 5% em massa dos fios do primeiro tipo a partir da quantidade de massa total dos fios do primeiro tipo se rompem. Essa pressão pode ser facilmente estabelecida com um experimento muito simples em que um recipiente de teste da invenção é pressurizado em pressões crescentemente superiores até que seja observado que os primeiros fios começam a se romper. Os fios rompidos podem ser facilmente determinados oticamente após uma inspeção visual, ou com o auxílio de um microscópio ou com Raios-X como sabido na técnica.

Em uma modalidade, o elemento compreende ainda uma resina. O elemento pode ser, por exemplo, parcialmente ou completamente uma resina de consolidação a calor seguida por cura da resina. A resina, por exemplo, pode aperfeiçoar a coerência entre os fios do primeiro tipo e os fios do segundo tipo e/ou impedir o vazamento de um fluido através do elemento, por exemplo, se o elemento for usado como (parte de) um recipiente, tal como um tubo. Preferivelmente, a resina é uma resina de cura em baixa temperatura, a qual cura em uma temperatura abaixo de 100°C, mais preferivelmente a resina cura em uma temperatura abaixo de 70°C.

Em uma modalidade altamente preferida, o elemento é um revestimento. Isso facilita a instalação mais rápida e aperfeiçoa a propriedade de manejo do elemento, particularmente quando o elemento é usado para reforçar um recipiente de pressão, tal como um tubo, ou quando o elemento é usado para reforçar uma corda, por exemplo, em uma cobertura de corda.

Em uma modalidade preferida, o elemento de acordo

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17/27 com a invenção é usado para reforçar (também referido como renovar) uma tubulação existente. Isso, por exemplo, pode ser feito mediante provisão do elemento em um revestimento e colapso do revestimento para formar um formato C para facilitar a instalação do revestimento dentro de um tubo. Nesse caso, é preferido que o revestimento impeça ou pelo menos reduza o transporte de tubo através do mesmo. Isso, por exemplo, pode ser realizado mediante inclusão de uma película de resina (curada) no revestimento. Tal sistema permite durabilidade prolongada do tubo renovado e, portanto, normalmente proporciona uma alternativa disponível e ambientalmente atraente para substituição do tubo como um todo ou de um segmento do tubo.

Em outra modalidade, o elemento é usado para reforçar um tubo novo. Nesse caso, o elemento pode ser provido na superfície interna do tubo, na superfície externa do tubo ou integrado na estrutura de tubo principal. Se disposto em uma superfície do tubo, é preferível dispor o elemento na superfície externa do tubo, uma vez que o elemento então não precisa impedir o transporte através do elemento para reforçar efetivamente o tubo (isto é feito pela parte principal do próprio tubo).

Em uma modalidade, o elemento de acordo com a invenção é usado para aumentar a eficiência de um artigo até acima de 100%. Isso é feito preferivelmente durante o uso normal do artigo isto é, abaixo da resistência ao estouro inicial (pressão ou força) do artigo. Durante o uso normal do artigo, o fio de não deformação (primeiro tipo de fio) sustentará a carga e se o elemento deve ser exposto a uma elevada tensão máxima, o fio elevado (segundo tipo de

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18/27 fio) proporcionará resistência extra para conter o pico.

Aqueles versados na técnica sabem como determinar se os fios do segundo tipo são alongados mediante deformação. Através da despressurização do recipiente, aqueles versados na técnica podem determinar se os fios do segundo tipo foram alongados mediante deformação a partir do diagrama de tensão-esforço característico do recipiente. Tal diagrama é registrado de acordo com métodos conhecidos na arte. Detalhes adicionais são fornecidos na seção MÉTODOS aqui presentes.

	Por fios	de	suporte	de carga entendem-se aqui	os
fios que	contribuem	para o	reforço do recipiente	de
pressão,	isto é,	contribuem	para sustentação de carga

atuando sobre as paredes do recipiente, ao menos durante parte da vida útil em serviço do recipiente.

Por fluido entende-se aqui qualquer material ou substância que muda de formato ou direção uniformemente em resposta a uma força externa imposta ao mesmo e inclui não apenas líquidos e gases, mas também sólidos finamente divididos e materiais de múltiplas fases onde ao menos uma das fases é um fluido.

Por pressão de trabalho entende-se aqui a pressão na qual o recipiente da invenção é submetido durante utilização. A pressão de trabalho varia com a aplicação em que o recipiente é usado. A pressão de trabalho também é referida como pressão máxima de projeto.

Por durabilidade entende-se aqui o período de tempo no qual operação segura do recipiente de pressão é possível quando usado em seu ambiente de utilização normal. A durabilidade depende das condições ambientais como

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19/27 temperatura, quantidade de irradiação de UV, umidade, pH, corrosão, tensões mecânicas e semelhantes.

Por fator de segurança entende-se aqui a relação entre a pressão de estouro e a pressão máxima de projeto para a qual o recipiente da invenção foi projetado.

Por eficiência entende-se aqui a relação entre a pressão de estouro após certo tempo (t) de uso e a pressão de estouro inicial em t=0.

Dentro do contexto da presente invenção entendese um fio como sendo um corpo alongado compreendendo pelo menos um filamento e preferivelmente uma pluralidade de filamentos individuais. Os filamentos são entendidos como sendo filamentos contínuos que são de comprimento virtualmente indefinido tendo dimensões em seção transversal, muito menores do que os seus comprimentos. Os filamentos podem ter seções transversais de diversos formatos geométricos ou irregulares, por exemplo, uma seção transversal semelhante à fita (plana ou achatada), uma seção transversal (substancialmente) circular ou uma seção transversal no formato de rim. Os filamentos dentro do fio podem ser paralelos ou emaranhados entre si; o fio pode ser linear, torcido ou de outro modo diferente de uma configuração linear. Preferivelmente, os fios têm uma configuração linear, a vantagem da mesma sendo uma distribuição de carga aperfeiçoada entre os filamentos.

Observou-se que todas as vantagens mencionadas acima, particularmente um aumento da eficiência com o passar do tempo, estão presentes também em outros artigos semelhantes, por exemplo, uma corda, a uma eslinga, uma sutura, um cabo, uma construção de corrente, um

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20/27 revestimento ou um composite compreendendo fios de suporte de carga de um primeiro tipo e fios de suporte de carga de um segundo tipo tendo uma taxa de deformação de pelo menos 10 vezes superior à taxa de deformação dos fios do primeiro tipo, isto é >10*^ em que as taxas de deformação são medidas nos fios em uma temperatura de 20°C e sob uma carga aplicada de 600 MPa. Portanto, a invenção também se refere a tais artigos, particularmente onde podem ocorrer picos de força ou tensão, tal como a tensão em uma eslinga quando um item a ser içado se inclina ou cai sobre a borda antes de a eslinga estar apertada ou em uma sutura quando uma parte sem firmeza conectada a um músculo ou a um tendão por intermédio da sutura sofre um impacto súbito durante um acidente.

A seguir as figuras são explicadas.

A Figura 1 representa um diagrama de tensão versus pressão (tensão-pressão) de um recipiente pressurizado.

A Figura 2 é uma representação esquemática do dispositivo usado para medições de deformação. As ilustrações (1) e (2) representam um exemplo do comprimento de fio (200) no inicio do experimento e um exemplo do fio alongado após certo tempo t, respectivamente.

A	Figura 3 mostra um	gráfico da	taxa de
deformação	[ 1 / s ] em uma	escala	logarítmica	versus o
alongamento	em percentagem	[%] característico	de um fio

medido.

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EQUIPAMENTO E MÉTODOS DE TESTE • A tensão induzida pelos fios de suporte de carga por intermédio da carga exercida pela pressão de trabalho a qual o recipiente de pressão é submetido foi determinada com medidores de tensão, comuns, montados na direção radial e na direção longitudinal nas paredes do recipiente. Tais medidores de tensão estão comercialmente disponíveis.

• Diagrama de tensão-esforço (ou pressão-esforço) do recipiente pressurizado foi registrado mediante pressurização do recipiente aquecido a 70°C até aproximadamente 20% da pressão de ruptura inicial em uma taxa de pressão tal que a pressão mencionada é alcançada em aproximadamente 2 minutos e então mantendo essa pressão por 1 mês. A pressão é então liberada com a mesma taxa usada como quando ela foi aplicada. A tensão induzida no recipiente pela pressurização foi medida com medidores de tensão. Uma representação esquemática do diagrama registrado (700) da tensão medida (702) versus a pressão aplicada (701) é mostrada na Figura 1. Durante os 2 minutos de aplicação de pressão inicial, um aumento linear (703) em tensão com a pressão, foi observado. Após interrupção da aplicação da pressão (704) e durante manutenção do recipiente por 1 mês a 70°C na pressão aplicada, um aumento de tensão em pressão constante (705) foi medida pelos medidores de tensão. Após 1 mês (706) de manutenção do recipiente sob pressão, a pressão foi liberada durante 2 minutos e durante a despressurização do recipiente, a tensão diminuiu de forma linear com a pressão em dois estágios. Um primeiro estágio (707) onde a diminuição é

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22/27 quase paralela ao aumento inicial (703), que mostra que ambos os tipos de fios sob tensão foram liberados; e um segundo estágio (708) onde a diminuição é mais rápida, que mostra que o segundo tipo de fios (o fio de elevada deformação) não mais estava sob tensão e apenas a tensão do primeiro tipo de fio sob tensão foi liberada. A comprovação de que os fios do tipo 2 foram alongados mediante deformação é a presença de parte (705) no diagrama em que a tensão aumenta em pressão constante.

• Tensão de fratura dos fios foi determinada em aproximadamente 2 minutos de acordo com o ISO-2062, comumente conhecido e usado.

• A pressão de estouro inicial de um recipiente de pressão foi medida mediante pressurização do recipiente em pressões ainda superiores em aproximadamente 2 minutos até que o recipiente se rompeu liberando a pressão. A pressão no momento de fratura foi considerada como a pressão de estouro.

• A pressão de estouro após certo tempo (normalmente e nos exemplos a seguir 1 mês) do recipiente de pressão foi medida em uma temperatura elevada (70°C) mediante pressurização do recipiente por certo tempo (normalmente 1 mês) e então aumentando rapidamente a pressão até que o recipiente se rompeu liberando a pressão. A eficiência foi calculada como a relação entre a pressão de estouro após certo tempo e a pressão de estouro inicial. Portanto, uma eficiência de 100% significa que a pressão de estouro após 1 mês em uma pressão de 20% da pressão de estouro inicial é idêntica à pressão de estouro inicial. Uma eficiência de mais do que 100% significa que a pressão

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23/27 de estouro foi aumentada após 1 mês em uma pressão de 20% da pressão de estouro inicial, e uma eficiência de menos do que 100% (que é o resultado esperado) significa que a pressão de estouro diminuiu após 1 mês em uma pressão de 20% da pressão de estouro inicial.

• A taxa de deformação foi medida de acordo com a metodologia descrita em seguida.

Testes de deformação foram realizados com um dispositivo conforme representado esquematicamente na Figura 2, em amostras de fio não trançado, isto é, fio com filamentos substancialmente paralelos, de aproximadamente 1.500 mm de comprimento, tendo uma medida de aproximadamente 504 dtex e consistindo em 64 fios.

As amostras de fio foram presas sem deslizamento entre dois prendedores (101) e (102) mediante enrolamento das extremidades de cada fio várias vezes em torno dos eixos dos prendedores e então dando um nó nas extremidades livres do fio no corpo do fio. O comprimento final do fio entre os prendedores (200) era de aproximadamente 180 mm.

A amostra de fio presa foi colocada em uma câmara de temperatura controlada (500) em uma temperatura de 70°C mediante fixação de um dos prendedores na vedação da câmara 801 e o outro prendedor a um contrapeso (300) de 3.162 g resultando em uma carga de 600 MPa sobre o fio. A posição do prendedor (101) e aquela do prendedor (102) podem ser lidas na escala (600) marcada em centímetros e com subdivisões em mm com o auxílio dos indicadores (1011) e (1021).

Cuidado especial foi tomado ao se colocar o fio dentro da câmara para garantir que o segmento do fio entre

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24/27 os prendedores não toque quaisquer componentes do dispositivo, de modo que o experimento pode ser realizado completamente sem fricção.

Um elevador (400) sob o contrapeso foi usado para levantar o contrapeso até uma posição inicial em que nenhuma folga do fio ocorre e nenhuma carga inicial é aplicada ao fio. A posição inicial do contrapeso é a posição em que o comprimento do fio (200) é igual à distância entre (101) e (102) conforme mencionado em (600).

O fio subsequentemente foi pré-carregado com a carga total de 600 MPa durante 10 segundos mediante abaixamento do elevador, após o que a carga foi removida mediante elevação outra vez do elevador até a posição inicial. O fio pôde subsequentemente relaxar por um periodo de 10 vezes o tempo de pré-carregamento, isto é, 100 segundos.

Após a sequência de pré-carregamento, a carga total foi outra vez aplicada. O alongamento do fio em tempo foi acompanhado na escala (600) mediante leitura da posição do indicador (1021). O tempo necessário para o indicador avançar 1 mm foi registrado para cada alongamento de 1 mm até que o fio se rompeu.

O alongamento do fio Si [em mm] em certo tempo t é aqui entendido como a diferença entre o comprimento do fio entre os prendedores naquele momento t, isto é, L(t), e o comprimento inicial (200) do fio Lo entre os prendedores. Portanto:

wm]Petição 870190090072, de 11/09/2019, pág. 32/39

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O alongamento do fio [em percentagem] é:

^x 100

A)

A taxa de deformação [em 1/s] é definida como a mudança no comprimento do fio por etapa de tempo e foi determinada de acordo coma Fórmula (2) como:

₌ ε,-ε_Μγ 1 ' 100 em que si e si-i são os alongamentos [em %] no momento i e no momento anterior 1=1; e ti e ti-i são o tempo (em segundos) necessário para que o fio atinja os alongamentos si e Si-i, respectivamente.

A taxa de deformação [1/s] foi então traçada em uma escala logaritmica versus o alongamento em percentagem [%]. Um exemplo de tal gráfico registrado característico de um fio UHMWPE de centrifugação de gel é mostrado na Figura 3 .

O mínimo (por exemplo, (900) na Figura 3) do gráfico foi usado como o valor de taxa de deformação característico para o fio investigado.

EXEMPLO E EXPERIMENTO COMPARATIVO

Exemplo

Um tubo de polietileno de alta densidade (HDPE) ; de 8 polegadas de diâmetro, espessura de parede de 5 mm, e comprimento de 1,5 m, foi reforçado com um elemento na forma de um revestimento; consistindo em fios do primeiro tipo, e do segundo tipo, mediante enrolamento do

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26/27 revestimento em torno do tubo sob um ângulo de aproximadamente 54,7° com relação à direção axial do tubo. O tubo foi pressurizado em uma pressão de 25% da pressão de estouro.

Os fios do primeiro tipo foram fabricados a partir de uma copoliamida aromática preparada a partir de cloreto de tereftaloíla e proporções equimolares de pfenilenodiamina e 3,4'-diaminodifenileter. Os fios estão comercialmente disponíveis sob o nome Technora® sendo produzidos pela Teijin. Os fios tinham uma medida de 1670 dtex, uma resistência à fratura de 4,6% e uma resistência de 24,7 cN/dtex.

Os fios de segundo tipo eram fios de HPPE fabricados a partir e UHMWPE mediante uma técnica de centrifugação de gel. Tais fios estão comercialmente disponíveis sob o nome Dyneema®SK75 sendo produzidos pela DSM Dyneema, Holanda. Os fios tinham uma medida de 17 60 dtex, uma tensão de fratura de 3,5% e uma resistência de 35,1 cN/dtex.

Um número igual de fios do primeiro e segundo tipo foi usado, a % em massa dos fios do primeiro tipo sendo 48,7 e do segundo tipo sendo de 51,3.

A eficiência do tubo foi de 130%, onde 100% correspondem à resistência ao estouro inicial.

Experimento Comparativo

O exemplo foi repetido, mas o revestimento consistia apenas em fios Technora®. A eficiência do tubo foi de 90%.

Pode ser visto a partir dos dados experimentais acima que a eficiência de um recipiente de pressão

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27/27 compreendendo um elemento de acordo com a invenção aumenta em tempo enquanto que a eficiência de um recipiente de pressão conhecido sempre diminui com o tempo. Portanto, um recipiente de pressão da invenção tem um fator de segurança 5 aumentado e mais surpreendentemente, o fator de segurança aumenta com o passar do tempo.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Elemento de reforço compreendendo fios de suporte de carga de um primeiro tipo caracterizado por compreender o elemento compreende ainda fios de suporte de carga de um segundo tipo tendo uma taxa de deformação de ao menos 10 vezes superior à taxa de deformação dos fios do primeiro tipo, isto é:

£; > 10 em que de deformação são medidas nos fios em uma temperatura de

20°C e sob uma carga aplicada de

600 MPa.
2. Elemento de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que os fios de suporte de carga do primeiro tipo são fios poliméricos.
3. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os fios de suporte de carga do segundo tipo são fios poliméricos.
4. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a taxa de deformação é pelo menos 30 vezes superior à taxa de deformação .
5. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a taxa de deformação é pelo menos IO^-9 seg.^-1 e a taxa de deformação é de no máximo IO^-8 seg.^-1.
6. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a relação F1/F2 das tensões de fratura dos fios do primeiro

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2/3 tipo Fi e do segundo tipo F2 está entre 1,1 e 6.
7. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os fios do primeiro tipo são fabricados a partir de copoliamida aromática preparada a partir de cloreto de tereftaloíla e proporções equimolares de p-fenilenodiamina e 3,4'-diaminodifenileter e os fios do segundo tipo são fabricados a partir de UHMWPE.
8. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a quantidade em % em massa dos fios do primeiro tipo contidos pelo elemento está entre 20% e 80% a partir da massa total de fios de suporte de carga.
9. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender ainda uma resina, preferivelmente a resina é uma resina de consolidação a calor, e mais preferivelmente a resina de consolidação a calor tem uma temperatura de cura entre 100°C tal como abaixo de 70°C.
10. Elemento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o elemento é um revestimento.
11. Recipiente de pressão, caracterizado por compreender o elemento conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.
12. Recipiente de pressão, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de ser reforçado com um elemento compreendendo fios de suporte de carga de um primeiro tipo e de um segundo tipo, e adicionalmente os fios do segundo tipo puderam alongar mediante deformação

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3/3 sob uma tensão induzida por uma deformação das paredes do recipiente, a deformação sendo obtida mediante pressurização do recipiente em uma pressão de no máximo a pressão na qual a tensão induzida pelos fios do primeiro 5 tipo é igual à tensão de fratura dos fios do primeiro tipo.
13. Recipiente de pressão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o recipiente é um tubo.
14. Artigo, caracterizado por compreender um

10 elemento conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, em que o produto é selecionado do grupo de uma corda, uma sutura, um cabo, uma eslinga, um compósito, um revestimento, e uma construção de corrente.
15. Uso de um elemento conforme definido em

15 qualquer uma das reivindicações 1 a 10 caracterizado por ser para aumentar a eficiência de um artigo até acima de 100% .