PT972154E - Estruturas compostas com elevada forca de contencao - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO “ESTRUTURAS COMPOSTAS COM ELEVADA FORÇA DE CONTENÇÃO”

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Campo da Invenção A invenção refere-se a canos, tubagens e contentores que possuem uma estrutura de parede composta composições poliméricas reforçadas com fibras.

Descrição da Técnica Relacionada

Compostos de plástico reforçados com fibras (FRP) estão a encontrar uma utilização crescente como tubagens em instalações químicas industriais, bem como revestimentos usados na perfuração de poços de petróleo e de gás, e revestimentos e tubagens para o transporte de petróleo bruto e gás natural desde o poço de origem. Estes materiais são também úteis na construção de recipientes tais como vasos de pressão e tanques de armazenamento, tanto no subsolo como à superfície. A vantagem dos compostos FRP sobre as estruturas de carbono e aço, em aplicações para petróleo/gás, incluem uma superior resistência à corrosão, flexibilidade na consecução das metas desejadas das propriedades mecânicas e uma resistência melhorada à fadiga. Os compostos FRP são também consideravelmente mais leves para uma determinada espessura de parede do que os seus correspondentes de aço.

As estruturas FRP destinadas à utilização em tubagens ou revestimentos de alta pressão, como sejam os oleodutos para transporte de petróleo bruto e a tubagem dos poços de petróleo, são geralmente preparadas por meio da impregnação de um molde de filamentos de um material de alta resistência, como sejam filamentos contínuos de -2-

vidro, com uma composição de resina termoendurecível, como seja uma resina epoxi, e enrolamento dos filamentos impregnados, para trás e para a frente, num mandril, sob tensão, para formar uma pluralidade de voltas de filamentos entrecruzadas. Os filamentos podem ser envolvidos com um ângulo de 90° em relação ao eixo do cano ou a ângulos de 0o a menos de +/- 90°, por exemplo, ± 88°, relativamente ao eixo do cano, pelo que neste último caso se forma um padrão helicoidal de enrolamento do filamento. Depois de se ter atingido uma desejada espessura da parede do cano, a operação de enrolamento é terminada, a resina é curada e o mandril é extraído, resultando daí um cano cilíndrico que possui uma estrutura de parede reforçada com fibra. Canos FRP deste tipo e o seu método de produção encontram-se descritos, por exemplo, nas Patentes U.S. 2 843 153 e 5 330 807, patentes cujas descrições completas são aqui incorporadas a título de referência. Estruturas de maiores diâmetros, como sejam contentores, podem ser fabricadas da mesma maneira utilizando-se mandris de maior diâmetro. O cano FRP destinado ao uso na recuperação de combustível fóssil, em terra ou ao largo, tem de ser construído para suportar duas forças básicas a que irá ser sujeito. A primeira força é uma carga radial externa exercida ao longo de um vector normal às paredes do cano por líquidos (petróleo ou lamas de perfuração), que são conduzidos sob uma pressão entre moderada e elevada através do cano, também, conhecida como a carga anular. A segunda força é uma carga tensil axial exercida ao longo de vectores paralelos ao eixo do cano e ocasionada pelo peso de uma longa cadeia de secções de cano ligadas, suspensas no solo, no furo do poço e/ou entre o furo do poço e a superfície da plataforma, em operações de recuperação executadas ao largo. Essas cadeias estão frequentemente suspensas cerca de 850 a 2800 metros (3 000 a 10 000 pés), e por isso têm de ser capazes de suportar uma tensão axial a longo prazo superior a cerca de 2500 libras por polegada quadrada (2,5 ksi), ocasionada durante a operação e quando a cadeia de canos é introduzida e removida durante o processo de recuperação de combustível fóssil. Outras estruturas, como sejam tanques de armazenamento e vasos de pressão, destinam-se principalmente a maximizar a capacidade de contenção numa direcção normal ao eixo longitudinal do tanque ou vaso, isto é, da carga anular.

Pode ser desenhado um cano FRP com uma resistência anular máxima se a fibra de reforço for enrolada com um ângulo próximo dos 90° em relação ao eixo do cano, por exemplo +/- 70° a 90°. Inversamente, a resistência tensil máxima é desenvolvida onde a fibra de reforço é aplicada com um ângulo próximo dos 0o em relação ao eixo do cano, por exemplo de +/- 30° até 0o. No entanto, um cano envolvido a ou perto de 90° apresenta uma grave diminuição da força tensil axial enquanto que um cano envolvido a perto de 0o apresenta uma grave diminuição da resistência anular. Um cano envolvido a ângulos intermédios relativamente ao eixo, de entre +/- 30° a +/- 70° (conforme descrito na Patente U.S. 2 843 153) compromete geralmente a resistência anular e particularmente a resistência axial.

Uma técnica para se tentar maximizar tanto a resistência anular como a axial, no fabrico de canos, é assentar o composto de fibras de reforço em camadas laminadas separadas, umas em cima das outras, tendo cada uma das camadas as fibras dispostas a diferentes ângulos axiais em relação ao cano, para maximizar as propriedades de suporte das tensões anular ou axial do cano, bem como para minimizar o coeficiente de expansão do cano composto. Um exemplo de uma construção desse tipo, contendo camadas de fibras a entre +/- 20° e +/- 60° que alternam com camadas a 90°, está descrito na patente U.S. 5 330 807. Outros laminados em camadas semelhantes estão descritos nas patentes U.S. 4 728 224 e 4 385 644.

Os compostos FRP actualmente disponíveis no mercado podem também apresentar uma grave deficiência, que toma a sua utilização não eficaz quanto a custos em aplicações que geram mesmo uma tensão de contenção moderada. Por exemplo, a microrrotura e a deslaminação da estrutura da parede do cano, nas ou perto das uniões do cano e/ou ao longo do comprimento do cano, proporcionam uma passagem de fuga para os líquidos, vulgarmente chamada de “choro”, que pode verificar-se a pressões de líquido que podem ser 5 a 10 vezes menores do que a pressão de ruptura de curta duração. A intrusão de água na estrutura da parede do cano por intermédio dessas microrroturas pode atacar as superfícies da fibra de vidro e/ou o ligante resinoso, levando a uma deslaminação das camadas das estruturas compostas laminadas e ao colapso prematuro do cano. Outros dispositivos, tais como tanques de armazenamento -4- FRP subterrâneos, apresentam também microrroturas prematuras e portanto a sua resistência à corrosão não oferece quaisquer vantagens adicionais em relação a estruturas metálicas semelhantes.

Embora as microrroturas possam ser mitigadas por meio do aumento da espessura das paredes, esta solução encarece os custos do cano composto em comparação com as estruturas de aço carbónico. O custo mais alto constitui uma barreira à substituição dos canos de aço carbónico pelos canos FRP compostos, em aplicações de pressão entre moderada e alta (injecção). Também nas aplicações em perfurações, a espessura aumentada da parede impede a utilização de compostos onde o diâmetro do poço do furo seja restrito, porque a área do corte perpendicular disponível para o fluxo dos líquidos é menor do que a que se verifica com o aço carbónico. A utilização de compostos nessas aplicações exigiria furos de perfuração com um diâmetro maior e isso dá origem a custos de perfuração adicionais.

Consequentemente, constitui um objecto principal da presente invenção proporcionar estruturas FRP compostas que possuem uma resistência de contenção melhorada e que, por um lado, são mais resistentes à microrrotura e à deslaminação, e por outro também têm uma espessura de parede reduzida, de tal modo que a estrutura, por exemplo, cano, é mais compatível com as dimensões do poço de perfuração/revestimento utilizadas para o aço carbónico.

RESUMO DA INVENÇÃO A invenção proporciona uma estrutura composta, de plástico reforçado com fibras, a qual possui uma porção de parede que define uma porção de contenção para o armazenamento ou passagem de líquidos ou gases sob alta pressão, compreendendo a referida porção de parede pelo menos uma camada constituída por uma pluralidade de fibras contínuas de reforço de fibra de vidro com um diâmetro médio inferior a cerca de 10 micrones, impregnada de um ligante resinoso.

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Numa outra forma de realização da invenção, a estrutura plástica reforçada com fibras é um cano constituído por um corpo oco tubular alongado em que as fibras contínuas se encontram dispostas num ângulo de 0o a 90° em relação ao eixo longitudinal do cano.

Numa forma de realização mais preferida, a estrutura da parede do cano compreende pelo menos duas camadas reforçadas com fibras em contacto laminar fixo, compreendendo uma primeira das referidas camadas, fibras contínuas de fibra de vidro com um diâmetro médio inferior a cerca de 10 micrones, impregnadas de um ligante resinoso e dispostas com um ângulo de 0o a 90° em relação ao eixo longitudinal do cano e contendo a referida segunda camada, fibras contínuas de fibra de vidro impregnadas de um ligante resinoso e dispostas com um ângulo, relativamente ao eixo longitudinal do cano, que difere do ângulo de disposição das fibras na referida primeira camada.

Estruturas compostas preparadas de acordo com a presente invenção apresentam uma rigidez aumentada e uma resistência de contenção numa direcção normal ao eixo das fibras de reforço devido ao aumento da área da superfície das microfibras disponível para a ligação à matriz resinosa, assim como uma resistência melhorada às microrroturas após um período de utilização prolongado em campo. As estruturas compostas apresentam também geralmente uma resistência tangencial longitudinal aumentada, igualmente devida à área aumentada da superfície das microfibras disponível para ligação com a matriz resinosa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é uma vista em alçado, parcialmente em corte, de uma forma de realização de um elemento de cano laminado, composto, de acordo com a presente invenção. A Figura 2 é um desenho esquemático, em corte perpendicular, de uma outra forma de realização de um elemento de cano laminado, composto, de acordo com a presente invenção.

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A Figura 3 é um gráfico, que traça a resistência composta transversal como uma função do diâmetro da fibra de vidro, conforme previsto por meio de um modelo computadorizado de mecânica microstrutural, em comparação com um valor medido, para uma fracção de volume de fibras de 60%. A Figura 4 é um gráfico que mostra o colapso a curto prazo do revestimento, medido para um cano composto com fibras dispostas a +/-55° e as previsões tiradas de uma metodologia computadorizada teórica. A Figura 5 é um gráfico que mostra a resistência anular planeada a longo prazo, para um cano composto com as fibras dispostas a +/-55°, sujeito a uma pressão cíclica de 200 ciclos/minuto. A Figura 6 é um gráfico que mostra o colapso a longo prazo do revestimento de um cano composto convencional com as fibras de 14 micrones de diâmetro dispostas a +/-55°, em relação ao cano de acordo com a presente invenção, que contém fibras com 7 micrones de diâmetro.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se à utilização de microfibras (diâmetro inferior a lOpm) em laminados poliméricos compostos, de tal modo que a resistência e a longevidade dos dispositivos de contenção da pressão feitos a partir de tais laminados é aumentada, na sua aplicação à produção/transporte de petróleo e gás. Os dispositivos de contenção da pressão incluem: canos, tubagens para perfurações, revestimentos, oleodutos, vasos de pressão, tanques de armazenamento subterrâneos, revestimentos compostos e estruturas semelhantes.

Abaixo é apresentado o exemplo do cano composto reforçado com fibra de vidro, em que a pressão de contenção pode ser duplicada (para diâmetros de fibra inferiores a 4pm) relativamente aos níveis comercialmente disponíveis actualmente. Isto -7- é baseado no facto de o desempenho dos dispositivos de contenção da pressão ser limitado pelas fracas propriedades mecânicas dos laminados individuais, numa direcção normal ao eixo das fibras. A modificação envolve a substituição das microfibras actualmente em uso (diâmetro entre 14 e 24pm) por microfibras (diâmetro inferior a 10pm). É demonstrado, por meio de metodologia computadorizada de mecânica microstrutural, que esta substituição aumenta a rigidez e a resistência na direcção normal ao eixo da fibra, devido ao aumento de área da superfície das microfibras disponível para ligação com a matriz. O uso de microfibras resulta por isso num aumento substancial (até um factor de dois para um diâmetro de fibra inferior a 4pm) na capacidade de contenção do dispositivo, particularmente para aplicação em tubagem e v-v revestimento de furos. Devido à maior área de superfície proporcionada pelas microfibras, em comparação com as fibras comercialmente disponíveis para as aplicações em tubagens/condutas compostas para petróleo/gás, é também realizada uma melhoria semelhante (até um factor de dois) nas propriedades tangenciais compostas, o que se espera que leve a um aumento substancial (até um factor de dois) na capacidade de contenção do dispositivo, particularmente para aplicações em tubagem à superfície ou enterrada.

Duas formas de realização da presente invenção, onde o dispositivo de contenção da pressão é um cano, estão representadas nas Figuras l e 2. A Figura 1 representa uma construção de cano simples, de uma estrutura tubular laminada de duas L, camadas, que possui uma camada interna (a) que compreende fibras embutidas dispostas com um ângulo de 90° relativamente ao eixo longitudinal do cano, em contacto fixo com uma camada exterior (b) constituída por fibras embutidas dispostas num ângulo diferente, por exemplo cerca de +/-40°, em relação ao eixo longitudinal do cano. A Figura 2 representa um cano laminado FRP especifícamente destinado a suportar separadamente forças de tensão de cargas anulares e axiais e que é a matéria assunto do pedido de patente pendente [96CL058], apresentado no United States Patent and Trademark Office na mesma data da presente. -8-

Numa forma de realização preferida da invenção, em que uma estrutura de parede de cano compreende uma única camada de fibras de reforço, a fibra pode estar disposta num ângulo de 0o a 90°, mais preferivelmente de entre cerca de +/-15° até +/-75° relativamente ao eixo longitudinal do cano. Onde a parede do cano compreenda duas ou mais camadas laminadas reforçadas com fibras conforme mostrado nas Figs. 1 e 2, as fibras de uma camada encontram-se preferivelmente dispostas com um ângulo superior a +/-60° e até 90°, e as fibras na camada adjacente estão preferivelmente dispostas num ângulo maior do que cerca de +/-30° a +/-60°, cada um deles em relação ao eixo longitudinal do cano. A Figura 2 mostra especificamente uma vista em alçado, parcialmente em corte, de uma secção terminal macho roscada do cano construído de acordo com outra forma de realização da presente invenção. Conforme se mostra, o cano consiste de um corpo tubular oco alongado 1, construído com três camadas poliméricas laminadas reforçadas com fibras representadas em 2, 3 e 4, respectivamente, e uma quarta camada facultativa, de protecção ou de envolvimento, mostrada em 5. A secção terminal do cano mostrada em 6 compreende uma secção de união macho, afunilada e roscada, cortada ou moldada na camada reforçada exterior 4. As fibras de reforço são mostradas a formar desenhos helicoidais em 2 e 3 e um desenho horizontal em 4. Os desenhos das fibras nas Fig. 1 e Fig. 2 estão desenhados para ilustrar os padrões de enrolamento das fibras e não estão desenhados à escala para mostrar a densidade do enrolamento das fibras. A camada 4 da Figura 2 é a camada que suporte a carga axial do cano e está desenhada para suportar substancialmente toda a carga axial exercida sobre o cano, quando um certo número de segmentos de cano é unido para formar cadeias tubulares e a cadeia tubular é disposta verticalmente sob a água e/ou dentro de furos de poços. A carga axial é transmitida ao longo da camada 4, através de uniões roscadas fêmea ou acopladores (não representados), que estão adaptados para se encaixarem nas extremidades de dois canos, que devem ser unidas durante a construção de uma cadeia tubular. O afunilamento e o corte da secção de união roscada macho 6 estende-se para dentro/para cima da camada de sustentação da carga axial 4, preferivelmente até um certo grau antes de atingir a camada subjacente 3. -9-

As fibras presentes na camada de ligação 4 na Fig. 2 estão dispostas com um ângulo, em relação ao eixo longitudinal do cano, destinado a maximizar as propriedades de suporte da carga tensil axial dessa camada, por exemplo, num ângulo que varia entre 0o e +/- 30°, mais preferivelmente até cerca de +/- 15° e mais preferivelmente ainda a cerca de 0o. As fibras em 4 da Figura 2 são mostradas dispostas com um ângulo de 0o relativamente ao eixo do cano, mas entende-se que esse ângulo pode variar para cima até incluir +/- 30°. A camada 3 mostrada na Figura 2 é uma camada de suporte da carga anular do cano e compreende uma segunda camada em contacto fixo com a camada 4 e encontra-se disposta radialmente para o interior da camada 4. As fibras de reforço presentes na camada 3 estão dispostas com um ângulo superior a +/- 30° relativamente ao eixo longitudinal do cano, mais preferivelmente maior do que +/- 40° e até 90° em relação ao eixo do cano. Onde a camada 3 é a única camada de suporte das cargas anulares, as fibras estão, preferivelmente, dispostas com um ângulo de pelo menos +/- 55°, mais preferivelmente +/- 70°, relativamente ao eixo do cano. A camada 3 mostrada na Figura 2 pode ser uma única camada de suporte da carga anular ou a tensão anular pode ser ainda acomodada por uma ou mais camadas adicionais como seja a camada 2, a qual está disposta radialmente para o interior da camada 3 e em contacto fixo com aquela. A camada 2 contém fibras de reforço dispostas, preferivelmente, com um ângulo superior ao ângulo de disposição das fibras da camada 3 e até um ângulo de 90° em relação ao eixo longitudinal do cano. Mais preferivelmente ainda, as fibras da camada 2 estão dispostas com um ângulo de pelo menos +/- 60° relativamente ao eixo do cano.

Numa forma de realização preferida da invenção, em que o cano compreende três camadas compostas de reforço, as fibras da camada 4 estão dispostas num ângulo de cerca de 0o, as fibras da camada 3 estão dispostas com um ângulo de +/- 40° a +·/- 60° e preferivelmente cerca de +/- 55°, e as fibras da camada 2 estão dispostas com um -10-

ângulo superior a +/- 60°, preferivelmente cerca de +/- 70°, cada um deles relativamente ao eixo longitudinal do cano. A camada 5 mostrada na Figura 2 é uma camada facultativa, que pode ser aplicada como camada protectora ou como camada de envolvimento reforçada com fibras, para assegurar que as fibras da camada 4 ficam firmemente ligadas ao ligante resinoso. A camada 5 não é projectada como uma camada de suporte da carga axial, mas pode ser simplesmente uma camada de protecção e é recortada nas extremidades do cano antes da formação da secção de união roscada afunilada macho 6.

As estruturas feitas de acordo com esta invenção podem compreender uma porção de parede contendo uma camada única de fibras impregnadas de resina, (camada a na Fig. 1 ou camada 2 na Fig. 2), ou duas ou mais camadas em contacto fixo, conforme representado nas Figs 1 e 2.

As microfibras de vidro usadas na presente invenção são extremamente finas, tendo um diâmetro médio inferior a 10 micrones, mais preferivelmente entre cerca de 3-9 micrones, o que as distingue das fibras de vidro convencionais, que têm um diâmetro médio de pelo menos cerca de 14 micrones. Onde a estrutura da parede do dispositivo de contenção compreenda uma única camada de fibras impregnadas de resina, as microfibras são usadas nessa camada. Onde a estrutura da parede seja um laminado de duas ou mais camadas diferentes, as microfibras podem ser usadas em todas as camadas ou apenas em camadas seleccionadas, com as fibras de vidro o poliméricas convencionais a serem usadas numa ou mais outras camadas. Assim, na Fig. 1 a camada (a) pode compreender microfibras de vidro e a camada (b) pode compreender fibras de vidro convencionais ou outras fibras, tais como fibras de grafite, aramina, ou Kevlar™. De modo semelhante, na Figura 2, todas as camadas 2, 3 e 4 podem compreender microfibras de vidro ou apenas camadas seleccionadas podem conter as microfibras de vidro.

As estruturas compostas FRP de acordo com a presente invenção, por exemplo canos ou cilindros, podem ser fabricadas por meio do bem conhecido processo de enrolamento de - 11 - f filamento húmido, tal como é descrito na patente U.S. 2 843 153 anteriormente referida. Por este método, um feixe de filamentos contínuos de reforço é impregnado com uma resina líquida fundida ou com uma solução de resina, preferivelmente uma resina termoendurecível não curada, e alimentado sob pressão através de um vaivém que atravessa, para cá e para lá, por cima de um mandril rotativo. Altemativamente é o próprio mandril rotativo que pode atravessar, para cá e para lá, e o vaivém pode estar numa posição fixa.

Os feixes de fibras impregnadas são enrolados ao longo do mandril em apertada proximidade ou encostam-se ponta com ponta uns aos outros e podem formar desenhos cruzados (helicoidais) à medida que são envolvidos, uma camada em cima da outra, até a desejada espessura de camada ser atingida. O ângulo de disposição das fibras em relação ao eixo longitudinal do mandril pode ser largamente controlado como uma função da velocidade lateral do vaivém quando atravessa o mandril. Após a desejada espessura da camada inicial ter sido conseguida, por exemplo a camada (a) da Fig. 1 ou a camada 2 da Fig. 2, o processo de enrolamento é suspenso e a estrutura de camada única é curada e removida do mandril. Onde tenham de ser feitas estruturas de duas ou mais camadas, o processo é ajustado para enrolar uma segunda camada de fibras impregnadas de resina, com um ângulo diferente do da camada inicial, e assim sucessivamente. A camada de suporte da carga axial 4 na Fig. 2 pode também ser aplicada utilizando-se a técnica de enrolamento de filamentos, excepto onde as fibras sejam dispostas com um ângulo de 0o em relação ao eixo do mandril. Neste último caso, a camada de suporte da carga axial da espessura desejada é aplicada como uma fita ou manga pré-impregnada saturada de resina ou como uma manga, que pode ser aplicada manualmente. Altemativamente, pode ser usado um método de aplicação longitudinal, em que fibras a 0o são colocadas no mandril sobre a camada 3, enquanto estão a ser capturadas por um envolvimento exterior a 90°, tal como está ilustrado em 5 na Figura 2.

Outras estruturas, tais como tanques e vasos de pressão, podem também ser fabricadas usando-se o processo acima descrito de enrolamento de filamentos, por meio - 12-

da utilização de um mandril de maior diâmetro, ou por assentamento de pré-impregnados de fibra e resina sobre uma estrutura formadora ou molde. O material resinoso que serve como ligante para as fibras de reforço é, preferivelmente, uma resina termoendurecível, como seja uma resina epoxi. As resinas epoxi preferidas para a execução da invenção incluem ester de bisfenol-A diglicidilo, éter de bisfenol glicidilo, éter glicidilo de resina novolaca e poliepóxido alifático, embora outras resinas epoxi adequadas possam ser usadas. Além das resinas epoxi, outros polímeros termoendureciveis adequados incluem resinas fenólicas, poliesteres e poliamidos insaturados. O grau de condensação dessas resinas é seleccionado de modo que a viscosidade da resina produzida seja adaptada às condições de trabalho necessárias para a formação do corpo tubular. Os polímeros termoendureciveis são misturados com endurecedores adequados, tais como poliaminas aromáticas, poliamidas, poliaminas alifáticas, poliácidos, polianidridos, dicianodiamidas, aminas primárias e secundárias, misturas desses, ou qualquer um dos outros endurecedores tipicamente utilizados para o encadeamento de resinas termoendureciveis. Resinas termoplásticas, como os éteres de polipropileno, polisulfonas, resinas ABS e semelhantes, podem também ser utilizadas, mas são menos preferidas. A quantidade de resina aplicada às microfibras de vidro para a formação da estrutura deverá ser suficiente, de modo que a ffacção do volume de fibras presente no produto curado seja de pelo menos cerca de 40%, mais preferivelmente pelo menos cerca de 50% e mais preferivelmente ainda, na casa dos cerca de 60 a 70%, com o resto a ser constituído pela composição de resina.

As fibras de reforço de microvidro ou de vidro convencional aqui utilizadas são fornecidas sob a forma de filamentos ou feixes de filamentos. Mais preferivelmente, as fibras individuais são revestidas com um material que melhora a aderência e a capacidade de humedecimento das superfícies da fibra de vidro em relação à resina particular usada como ligante. Materiais de aminopolisiloxano são particularmente adequados para esta finalidade. -13-

Depois da estrutura composta molhada com a resina ter sido montada iao mandril, a resina termoendurecivel, por exemplo resina epoxi, é curada por meio do aquecimento da estrutura até uma temperatura suficiente para curar a resina, por exemplo 100° - 170°C, durante um período de tempo que varia entre cerca de 30 minutos e 12 horas, após o qual o conjunto é removido do mandril. As resinas termoplásticas não necessitam de ser curadas, mas simplesmente de ser arrefecidas sobre o mandril antes da remoção. A espessura de parede das estruturas compostas FRP fabricadas de acordo com a presente invenção podem geralmente variar entre cerca de 0,393 cm e cerca de 7,86 cm (de cerca de 0,1 de polegada a cerca de 2 polegadas). Os diâmetros dos canos podem variar entre cerca de 3,93 cm e 141,50 cm (de cerca de 1 a 36 polegadas). As dimensões vulgares dos canos consistem em cerca de 15,70 cm (4 polegadas) de diâmetro interno e 0,628 cm (0,16 de polegada) de espessura de parede. As dimensões vulgares de tubagem compreendem 7,86 cm (2 polegadas) de diâmetro interno e 1,57 cm (0,4 de polegada) de espessura de parede. Onde as estruturas de parede sejam feitas de acordo com a presente invenção, utilizando duas ou mais camadas laminadas FRP, é preferido que as camadas constituam pelo menos 30%, mais preferivelmente pelo menos 50%, da espessura geral da parede.

Um material ligante de resina epoxi usado na construção de canos FRP possui uma natureza viscoelástica e, por consequência, as propriedades mecânicas de encanamento/tubagem, como sejam a resistência, diminuem em função do tempo. Existem processos de qualificação bem estabelecidos para determinar a resistência projectada (anular) a longo prazo de um cano composto. Isso envolve a sujeição de um cano composto a uma pressão cíclica a cerca de 70,7° C (150° F),a qual é apropriada para aplicações com pressões inferiores ou iguais a 1000 gpq. O valor da tensão anular a que a perda de integridade de contenção do cano é observada, é registado. Os dados são extrapolados de um período de teste de cerca de um ano para 10 ou 20 anos de serviço, conforme necessário. Os dispositivos compostos convencionais de contenção da pressão sujeitos a este procedimento de qualificação apresentam uma tensão anular projectada a longo prazo (cerca de 20 anos) de 10 a 12 kpq para aplicações de tubagens compostas, e - 14-

uma tensão anular designada e axial a longo prazo de 6 a 7 kpq para aplicações compostas de tubagem/revestimento em perfurações. A fim de demonstrar a resistência composta melhorada numa direcção normal às fibras de vidro impregnadas, foi preparado um segmento de cano com fibras de reforço dispostas num ângulo de 90° relativamente ao eixo longitudinal do eixo do cano, em que as fibras têm um diâmetro médio de 7 micrones, por meio do processo de enrolamento descrito acima. Um cano semelhante contendo fibras convencionais com um diâmetro médio de 14 micrones (cano vulgar) enroladas a +/-55°, foi também proporcionado. Cada um dos canos tinha uma fracção de volume de vidro de 60%, 15,7 cm (4 polegadas) de diâmetro interior e 0,55 cm (0,14 de polegada) de espessura de parede. Uma metodologia computadorizada de mecânica microstrutural é usada para prever a resistência do laminado na direcção normal ao eixo da fibra como função do diâmetro da fibra. O modelo é validado por comparação com o valor da resistência composta transversal deduzida do cano envolvido a +/-55° com fibras de 14μ de diâmetro (isto é 11,2 kpq vezes seno2 55° = 7,5 kpq). A Figura 3 mostra as previsões do modelo computadorizado obtidas para uma matriz epoxi típica e uma fracção do volume de fibra de 60%. A Figura 4 apresenta um colapso multiaxial de um revestimento medido a curto prazo (círculos abertos) para o cano composto com a disposição a +/-55° (módulo de Young da epoxi de 430 kpq, e uma resistência tensil de 10 kpq) sujeito a diferentes condições de serviço petroquímico. 1. é para a tensão axial pura, 2. é para a tensão axial igual à tensão anular, 3. é para a tensão anular dupla da tensão axial e 4. é apenas para a tensão anular pura. As condições 1 e 2 são relevantes para as aplicações em perfurações (tubagem, revestimentos e tubagem de injecção) enquanto que a 3 é relevante para aplicações em canos à superfície e a 4 em canos enterrados, respectivamente. Utilizando-se um tratamento de mecânica de sólidos que incorporava as propriedades do laminado de epoxi e vidro, medidas, a 90°, directamente a partir do cano envolvido (as curvas de tensão/esforço transversal e tangencial do laminado) comparou-se o colapso experimental a curto prazo com um erro de 10% com os resultados (triângulos a cheio) obtidos por meio da metodologia teórica acima referida.

A fim de se determinar o colapso a longo prazo do revestimento, a tensão anular a longo prazo do cano envolvido a +/-55° acima referido tem de ser obtida de acordo com o procedimento de qualificação API 15LR (pressão de serviço cíclica inferior a 1000 gpq), conforme representado na Fig. 5. Um teste de pressão puro é equivalente à condição de carga 3 na Fig. 4. Após extrapolação dos dados para cerca de 20 anos de vida útil, o nível de confiança inferior (LCL) da tensão anular a longo prazo (LTHS) é de cerca de 10 000 ppq, ou 10 kpq. As resistências compostas transversal e tangencial a longo prazo são obtidas por meio do ajustamento dos parâmetros da resistência composta da metodologia teórica, até que a resistência anular prevista para a condição 3 seja 10 kpg, conforme medida na Fig. 5. A resistência composta transversal a longo prazo é agora de 1,8 kpq, em comparação com um valor a curto prazo de 7,5 kpq. De forma semelhante, a resistência tangencial composta a longo prazo é de 2,6 kpq., em comparação com um valor a curto prazo de 10,7 kpq. O resultado deste procedimento está representado na Fig. 6 (círculos abertos). A condição 3. representa os dados medidos experimentalmente da Fig. 5, enquanto que as outras condições representam modelos de previsão baseados nas propriedades compostas a longo prazo, derivadas do ponto experimental 3. O desempenho projectado da invenção é obtido por meio da previsão teórica do colapso do revestimento a longo prazo, baseado nas propriedades mecânicas a longo prazo de um composto laminado feito com uma fibra cujo diâmetro é de 7pm. A Figura 3 mostra que a resistência composta transversal a curto prazo de um cano feito com fibra de vidro de 7pm é aproximadamente 1,5 vezes maior do que a de um laminado composto feito com fibra de vidro de 14pm. O que se assume é que existe um aumento semelhante na resistência tangencial composta a curto prazo. Assume-se que as resistências transversal e tangencial compostas a longo prazo, com fibra de vidro de 7pm, são também 1,5 maiores do que a dos compostos convencionais com fibras de vidro de 14pm. A razão para isso é que o módulo de Young transversal e o tangencial de um composto com fibra de vidro de 7pm são os mesmos (ou maiores) do que para o composto com fibra de vidro de 14pm. Isso implica que o comportamento de fadiga ou o comportamento de ruptura de enrugamento de um composto de microfibras é o -16-

mesmo (se não melhor) que o dos compostos de fibras convencionais. O comportamento de fadiga (cargas cíclicas) ou o comportamento de ruptura de enrugamento (cargas estáticas) determina a magnitude da resistência composta a longo prazo. O colapso do revestimento a longo prazo previsto para a invenção está representado na Fig. 6 (triângulos a cheio). Os pontos 1, 2 e 3 são 1,5 vezes maiores para a invenção do que os dos canos convencionais compostos com fibras de 14pm, enquanto que o ponto 4 é 1,2 vezes maior do que o dos mesmos compostos convencionais. Note-se que, se a resistência tangencial se mantiver constante, o ponto 3 para a invenção é maior 40%; o ponto 2, 30% maior; o ponto 1, 15% maior e o ponto 4 não é aumentado, em comparação com compostos convencionais com fibras de 14pm. 0 A melhoria na resistência transversal do cano FRP feito de acordo com a presente invenção é demonstrada no Exemplo 1.

Exemplo 1

Três canos compostos reforçados com fibras foram construídos por meio do processo de enrolamento das fibras acima descrito para proporcionar estruturas de cano com um diâmetro nominal interior de cerca de 7,86 cm (2 polegadas) e uma espessura nominal de parede de cerca de 0,33 cm (0,1 de polegada). Cada um dos canos estava envolvido com um ângulo de fibra de 90° relativamente ao eixo longitudinal do cano e continha uma fracção do volume de fibra de cerca de 46%. Os canos A, B e C foram construídos utilizando-se fibras de vidro com um diâmetro médio de cerca de 7, 14 e 24 pm, respectivamente. A resistência transversal composta relativa de cada um dos canos foi avaliada por meio do aperto de um segmento de cada amostra nas mandíbulas de uma máquina de teste Instron™ e aplicação de uma tensão transversal (tracção) às amostras. A tensão aproximada e o esforço no momento da ruptura de cada cano, avaliados sob condições de teste idênticas, foram registados e são mostrados no Quadro 1. -17-

Diâmetro das fibras furn) Tensão na Ruptura ('ppg') Esforço na Ruptura (p/p) A - 7 4,6 x 103 4,25 x IO’3 B- 14 3,6 x 103 3,0 x IO'3 C - 24 3,2 x 103 2,75 x IO'3 c A partir do Quadro 1 é evidente que o composto com fibras de 7pm ultrapassa em desempenho os compostos com fibras de 14 e 24pm em cerca de 30 e 40%, respectivamente, o que está em consonância muito próxima com as previsões do modelo de cerca de 50% de aumento de resistência conseguido com as fibras de 7pm relativamente às de 14pm, para uma fracção de volume de fibras de 60%, conforme mostrado na Figura 3.

Lisboa, 1 A AGO. 2001

Dra. Maria Silvina Ferreira

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Claims (12)

1. \ REIVINDICAÇÕES 1. Estrutura plástica composta reforçada com fibras, que possui uma porção de parede que define uma porção de contenção para o armazenamento ou passagem de líquidos ou gases sob alta pressão, compreendendo a referida porção de parede, pelo menos uma camada constituída por uma pluralidade de fibras contínuas de reforço em fibra de vidro que têm um diâmetro médio inferior a 10 micrones, impregnadas de um ligante resinoso.
2. 2. Estrutura de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por as fibras terem um diâmetro médio de 3 a 9 micrones.
3. 3. Estrutura de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizada por a referida estrutura ser um cano que compreende um corpo tubular oco e em que as referidas fibras contínuas estão dispostas com um ângulo de 0o a 90° relativamente ao eixo longitudinal do cano.
4. 4. Estrutura de cano de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por as referidas fibras contínuas estarem dispostas de modo a formar um desenho helicoidal de enrolamento do filamento que forma um ângulo de entre cerca de +/-15° a cerca de +/-75° relativamente ao referido eixo longitudinal do cano.
5. 5. Estrutura de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por as referidas fibras constituírem pelo menos 40% do volume da fracção da referida porção de parede.
6. 6. Estrutura de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por as referidas fibras constituírem pelo menos 60% do volume da fracção da referida porção de parede.
7. 7. Estrutura de cano de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a referida porção de parede compreender pelo menos duas camadas reforçadas com fibras em contacto laminar fixo, compreendendo uma primeira das referidas camadas, referidas fibras contínuas de fibra de vidro com um diâmetro médio inferior a 10 -2- / micrones, impregnadas de um ligante resinoso e dispostas com um ângulo de 0o a 90° relativamente ao referido eixo longitudinal do cano p uma segunda camada contendo fibras contínuas de fibra de vidro impregnadas de um ligante resinoso e dispostas com um ângulo, em relação ao eixo longitudinal do cano, que difere do ângulo de disposição das referidas fibras da primeira camada. G
8. 8. Estrutura de cano de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por as fibras da referida primeira camada estarem dispostas num ângulo maior do que +/-60° até 90° relativamente ao referido eixo longitudinal do cano e as fibras da referida segunda camada estarem dispostas com um ângulo maior do que cerca de +/-30° até +/-60° relativamente ao referido eixo longitudinal do cano.
9. 9. Estrutura de cano de acordo com a reivindicação 7 ou a reivindicação 8, caracterizada por as fibras presentes na segunda camada terem também um diâmetro médio inferior a 10 micrones.
10. 10. Estrutura de cano de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizada por a referida primeira camada do referido cano ser uma camada exterior de suporte da' carga axial.
11. 11. Estrutura de cano de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizada por a referida primeira camada ser uma camada interna de suporte da carga anular.
12. 12. Estrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por o referido ligante resinoso ser uma resina termoendurecível, preferivelmente uma resina epoxi. ϋΛο,> 1 4 AGO. 2001