Propriedades mecânicas de materiais compósitos usados na produção de rises



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Propriedades mecânicas de materiais compósitos usados na produção de rises

F.R.F.R. GARCIA; A.C.R. SILVA



alissonrios@uezo.rj.gov.br

Universidade Estadual da Zona Oeste – UEZO

RESUMO
Risers são estruturas largamente empregadas na indústria do petróleo, nos últimos 30 anos. Diante das sucessivas marcas alcançadas, nos últimos anos, das profundidades de exploração de petróleo em alto mar, torna-se necessário um maior conhecimento do comportamento estrutural dos materiais que compõe o Riser. O entendimento adequado deste comportamento é obtido através do conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais que constituem as diversas camadas que formam os Risers. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados de ensaios de tração realizados em corpos de prova de compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de carbono e/ou fibra de vidro, além da caracterização microestrutural, antes e após o ensaio de tração. O que se deseja mostrar é que os diferentes tipos de materiais empregados nos processos de fabricação do riser alteram as propriedades mecânicas do mesmo.
Palavras chave: Riser, Compósitos, Fibras, Carbono.


  1. INTRODUÇÃO

Materiais Compósitos tem sua definição universalmente conhecida. De uma maneira geral, material compósito é um material de duas ou mais fases diferentes, com suas propriedades conhecidas (HUMPHREYS, 2006).

Apesar da historia dos materiais compósitos ser conhecida em diferentes formas ao longo da historia da humanidade, civilizações antigas já usavam compósitos (palha e barro) na produção de tijolos para fazer diversas edificações. A historia de compósitos modernos provavelmente começou no final da década de 30, quando os vendedores de uma empresa começaram a vender compósitos de fibras de vidro para empresas interessados em todo Estados Unidos (PARDINI, 2002).

Atualmente os materiais compósitos são usados em diversas áreas como, por exemplo, na indústria da computação (em capacitores elétricos) na construção civil (viadutos e pontes com o uso do concreto e fibras), na indústria aeronáutica (com a redução do peso de um Boeing em 20%), na área naval (estrutura de cascos de lanchas e veleiros) e também na área offshore (no uso em plataformas) e na exploração e extração de petróleo (usado para fabricação de risers).


1.1 Estrutura dos Materiais Compósitos
Técnicas de processamento dos materiais compósitos têm sido desenvolvidas de modo a substituir as ligas metálicas, os materiais cerâmicos e os poliméricos. Os materiais compósitos são constituídos por duas fases, uma é a matriz e a outra que é, chamada frequentemente de reforço. As propriedades dos compósitos são uma função das propriedades das fases constituintes (VENTURA, 2009).

Separadamente os elementos constituintes iniciais do material compósito mantém suas características originais, porém quando misturados, eles formaram um material (compósito) com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles (PARDINI, 2006).


1.2 Aplicação dos materiais compósitos em riser
Risers produzidos em material compósito têm um grande potencial de redução de custos, principalmente pela redução de peso que resultará em baixa tração no topo do riser, daí baixas cargas suportadas pela plataforma. Uma redução de cargas no convés possibilita redução estrutural no peso do mesmo, reduzindo tensões nos risers e nos sistemas de suporte, possibilitando uma menor unidade flutuante ou casco, reduzindo o sistema de amarras, simplificando a ancoragem ou fundação (SOUZA et al, 2007).

  1. MATERIAIS E MÉTODOS




    1. RESINA EPÓXI

Duas resinas epóxi já utilizada em compósitos da área Naval e Offshore foram avaliadas neste estudo. A resina usada como adesivo foi identificada como RE1, enquanto que a resina usada nas mantas de fibra de carbono (impregnação) foi identificada como RE1. Ambas as resinas foram fornecidas pela MC-Bauchemie.


2.2 FIBRAS DE CARBONO
As fibras de carbono foram fornecidas pela empresa MC-Bauchemie.
2.3 CORPOS DE PROVA DE TRAÇÃO DIRETA NOS COMPÓSITOS
Com o intuito de avaliar a resistência à tração direta dos compósitos, foram confeccionados CP nas dimensões de 250 mm de comprimento, 23 mm de largura e 4,5 mm de espessura. Foram formados de uma camada de folha de fibras de carbono impregnada com resina epóxi RE1
2.4TRAÇÃO DIRETA NOS COMPÓSITOS
O método de ensaio empregado foi o da norma ASTM D 3039 / D 3039M Os ensaios de tração nos compósitos foram realizados no Laboratório de Ensaios Metalurgia da UEZO, utilizando uma Máquina Universal para ensaios mecânicos, EMIC.
2.5 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
A análise das superfícies de fratura das fibras e compósitos em estudo foi realizada no Laboratório de Microscopia Eletrônica da UEZO. As amostras para a análise em MEV foram extraídas das superfícies de fratura dos corpos de prova após o rompimento dos mesmos nos ensaios mecânicos.


  1. RESULTADOS E DISCUSSÕES



    1. TRAÇÃO DIRETA NOS COMPÓSITOS.


Os ensaios de tração direta foram realizados de acordo com a norma ASTM D3039/D3039M-00, sendo ensaiados cinco CP para cada tipo de compósito reforçado com manta de fibras de carbono. A tabela 1 apresenta os resultados encontrados.
Tabela 1: Resultados dos ensaios de tração dos compósitos com mantas de fibra de carbono.

CP

Carga (KN)

Tipo de ruptura

Fibras sem resina

4,5

Fratura das fibras

Compósito (resina+fibra)

9,2

Fratura do compósito

Ocorreu um aumento de resistência à tração, para os compósitos de matriz epóxi em relação às fibras sem qualquer tipo de resina de impregnação. O material compósito apresenta diferenças de propagação de trinca pela matriz, quebra de fibras e delaminação, as quais, normalmente, se combinam e produzem a falha total do componente (ZHANG et al, 2007; SETUNGE et al, 2002).

    1. ANÁLISE MICROESTRUTURAL




3.2.1 FIBRAS DE CARBONO

As características microestruturais das fibras de carbono, das resinas epóxi e dos compósitos foram obtidas por MEV. A figura 1 apresenta as micrografias das mantas de fibra de carbono.













(A)

(B)

Figura 1: Micrografias (MEV) das mantas de fibra de carbono: (A) detalhes da morfologia (1000X); (B) detalhe da superfície da fibra (7000X).

As fibras de carbono apresentam certa rugosidade, apresentando estrias no sentido longitudinal da fibra (figura 1 (B)). Isso se deve ao fato das fibras de carbono serem submetidas normalmente a tratamentos de superfície após o processo de carbonização da poliacrilonitrila, que tem por objetivo o aumento de sua rugosidade e a introdução de grupos funcionais para melhorar a sua adesão com o recobrimento de epóxi e, posteriormente, com a matriz polimérica a ser utilizada no processamento do compósito final (HUMPHREYS, 2006; SETUNGE, 2002).




3.2.2 Resinas epóxi

A figura 2 mostra as micrografias obtidas por MEV, em diferentes níveis de magnificação. A figura 2 (A) mostra a superfície da resina epóxi com característica rugosa e porosa. A característica mais viscosa da resina epóxi adesiva induz o surgimento de falhas, como bolhas de ar, durante sua aplicação e, portanto isso pode prejudicar o desempenho mecânico desse material.

Segundo ALMEIDA et al (2001), a presença de vazios em compósitos estruturais podem ter efeitos significativos, diminuindo de forma acentuada a resistência ao cisalhamento interlaminar e resistência à compressão.






(A)

(B)

Figura 2: Micrografias da resina RE1: (A) aspecto superficial da resina RE1 (500X); (B) detalhes da superfície e da presença de fragmentos aderidos (2000X).

A figura 3 (A) apresenta a superfície da resina com aspecto rugoso, compacto e sem a presença de defeitos ou falhas como bolhas. A figura 3 (B) apresenta de forma mais detalhada a morfologia da resina adesiva.








(A)

(B)

Figura 3: Micrografias da resina epóxi de impregnação: (A) aspecto superficial da resina RE2 (500X); (B) detalhes da superfície e da presença de fragmentos aderidos (2000X).

Segundo GONÇALEZ et al (2006) as propriedades das resinas epóxi são influenciadas por diversos fatores, como grau de reticulação, forças das ligações químicas e defeitos presentes nesses materiais.




3.2.3 Modos de fratura dos compósitos

Para os compósitos de matriz RE2 foi observada a ocorrência da ruptura das fibras unidas à matriz, evidenciando boa adesão interfacial entre fibra e matriz, justificando a maior resistência à tração encontrada. A figura 4 apresenta a análise das fraturas por MEV.

Foram observadas várias regiões contendo a matriz recobrindo a superfície das fibras de carbono (figura 4). A figura 4 (B) apresenta a boa distribuição da resina RE1 por toda a manta de fibra de carbono (vista do topo da amostra).

Essas observações corroboram com os estudos microestruturais de REZENDE (2007), onde o autor cita que os diferentes tipos de falhas dos compósitos estão relacionados com o tipo de matriz e fibra, e com a relação de adesão e interface existente entre esses materiais. As falhas podem ser identificadas por quebra das fibras, trinca da matriz ou delaminação interlaminar.








(A)

(B)

Figura 4: Micrografias obtidas a partir da fratura dos compósitos de matriz RE2 após ensaio de tração direta: (A) recobrimento total das fibras pela resina epóxi RE2 (1000x); (B) distribuição da resina RE2 por toda a manta vista do topo da amostra (500x).
A boa adesão interfacial entre a resina epóxi e as fibras de carbono, além de promover maiores valores de resistência à tração, também elevaram os valores de deformação em relação às fibras sem resina de impregnação.


  1. CONCLUSÕES

Os materiais compósitos com fibras de carbono apresentam grande potencial de aplicação para a produção de estruturas navais e em plataformas de extração de petróleo, devido ao bom desempenho mecânico apresentado.

A excelente adesão entre a matriz e o reforço justifica o bom desempenho mecânicos dos compósitos e é de fundamental importância para a aplicação destes materiais no desenvolvimento de materiais que atendam essas áreas em estudo.


  1. Referencias

ALMEIDA, T. G. M., HANAI, J. B., “Avaliação do Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforçadas por Meio da Protensão de Cabos Externos”. 41º Congresso Brasileiro do Concreto, Salvador, BA, Brasil, 2001.


GONÇALEZ, V., SOARES, B. G., BARCIA F. L., ABREU R. G. P., “Propriedades mecânica e morfológica da resina epoxídica modificada com polióis e de seus compósitos com fibra de carbono”, 17º CBCIMat – Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu – PR, novembro de 2006.
HUMPHREYS, M. F., “The use of polymer composites in construction”, Queensland University Of Technology, Australia, 2006.
PARDINI, L. C., MANHANI, L. G. B., “Influence of the Testing Gage Length on the Strength, Young’s Modulus and Weibull Modulus of Carbon Fibres and Glass Fibres”, Materials Research, 4, 411-420, 2002.
REZENDE, M. C., “Fractografia de Compósitos Estruturais”, Polímeros: Ciência e Tecnologia, 17, 03 p: 04-11, São Carlos, Brasil, 2007.
SETUNGE, S., “Review of strengthening techniques using externally bonded fiber reinforced polymer composites”, CRC – Construction Innovation, 5, 1, 2002.
SOUZA, SERGIO RICARDO MILKI DE, ARMANDOCARLOS DE PINA FILHO, MAX SUELL DUTRA, Estudo de Falhas em Risers Fabricados em Material Compósito, Campinas, São Paulo, Brasil, 2007.
VENTURA ANA MAFALDA F. M., Os Compósitos e a sua aplicação na Reabilitação de Estruturas metálicas. Lisboa, Portugal 2009.
ZHANG, Z., ZHANG, H., FRIEDRICH, K., “Effect of fiber length on the wear resistance of short carbon fiber reinforced epoxy composites”, Composites Science and Technology, 67, 222-230, 2007.



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