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COTEQ 244 - MANTAS TERMOCONTRTEIS DE ALTA RESISTNCIA MECNICA
PARA TUBULAES ENTERRADAS OU SUBMERSAS
Andr Koebsch1, Andr L. Lemuchi2, Renata S.O. Ramos3
Copyright 2011, ABENDI Paper presented at the 11th Conference on
Equipment Technology. The information and opinions contained herein
are the sole responsibility of the author(s). SINOPSE
A indstria de produo, transporte e distribuio de petrleo e gs
tem gerado a necessidade de utilizao de revestimentos externos de
maior resistncia temperatura e aos esforos mecnicos para as
tubulaes enterradas ou submersas devido a fatores como a
necessidade de produo em guas profundas, de bombear fluidos em
temperaturas superiores s encontradas anteriormente, de tcnicas de
construo e montagem que geram condies mais agressivas ao
revestimento e da necessidade de cruzar reas urbanas, onde o mtodo
de instalao por perfuraes dirigidas se popularizou. Sendo assim, a
demanda por revestimentos mais resistentes como o polipropileno
tripla camada aumentou consideravelmente e os fabricantes de
revestimento, acompanhando esta tendncia, desenvolveram sistemas
compatveis para fornecer s juntas de campo uma proteo anticorrosiva
e mecnica similares s proporcionadas pelo revestimento aplicado em
planta, oferecendo continuidade ao revestimento da tubulao. Alm
disto, estes revestimentos necessitam ser facilmente aplicveis em
campo, demandar menos equipamentos e acomodar as dificuldades de
controle das variveis que podem afetar os trabalhos em campo.
Revestimentos termocontrteis de polipropileno reticulado com
adesivos a base de polipropileno foram desenvolvidos para tubulaes
revestidas em planta com polipropileno tripla camada e, a partir
deste sistema, foi derivada uma famlia de mantas termocontrteis
hbridas com filme externo de polipropileno reticulado combinado com
diferentes tipos de adesivos para aplicaes onde se necessite de
maior resistncia mecnica que a oferecida pelo tradicional filme de
polietileno reticulado.
Este trabalho tem como objetivo mostrar o desenvolvimento, as
propriedades e as caractersticas diferenciadas destes novos
materiais, alm de suas vantagens em relao aos revestimentos
termocontrteis tradicionais.
1 Engenheiro Mecnico - PETROBRAS - ENGENHARIA-IEGEN/EGE/EDUT 2
Engenheiro Qumico, Gerente Tcnico para a Amrica do Sul - CANUSA-CPS
3 Engenheira Qumica, Gerente de Vendas - IEC-INSTALAES E ENGENHARIA
DE CORROSO LTDA .
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1. Introduo
Naturalmente a indstria de revestimentos anticorrosivos para
tubulaes enterradas e submersas se orienta nas necessidades de
proteo anticorrosiva e mecnica inerentes a cada tipo de aplicao,
sendo que, atualmente, as tubulaes de leo e gs so as que demandam
mais cuidados devido s caractersticas das suas diversas aplicaes
que podem variar ao extremo. Estas diferenas envolvem desde o tipo
de construo e manuseio dos dutos aos tipos de terrenos e solos onde
so enterrados ou profundidades e caractersticas das guas e leitos
onde sero lanadas no caso de tubulaes offshore, das diferentes
faixas de temperaturas de operao aos sistemas de proteo catdica que
atuaro durante sua vida til.
Por outro lado, dutos de gua e de produtos de minerao tambm
demandam materiais de revestimento com alta resistncia mecnica
devido ao peso do fluido bombeado e os dimetros envolvidos que
combinados com as caractersticas dos solos e dos terrenos onde so
instalados podem gerar condies muito agressivas de soil stress.
Parte dessa indstria destina-se a produzir sistemas e processos
para garantir que as juntas de campo soldadas sejam protegidas de
maneira a oferecer continuidade ao revestimento aplicado aos tubos
em uma planta, onde os processos de instalao so bem controlados,
praticamente independem das condies ambientais e o aplicador no
necessita aderir a um cronograma de construo que muitas vezes
pressiona para que os tempos de instalao e cura dos sistemas
aplicados em campo sejam minimizados. Importncia fundamental para o
desenvolvimento desses sistemas para juntas de campo conhecer os
sistemas instalados em planta e os requerimentos aplicados a estes
para entender o que se requer para proteger as juntas,
observando-se principalmente os seguintes pontos:
A natureza qumica e a estrutura do revestimento de planta para
buscar total compatibilidade entre este e o material aplicado s
juntas, fornecendo continuidade ao revestimento da tubulao;
Normas, especificaes e expectativas das concessionrias para
poder selecionar materiais que, depois de instalados, brindem
propriedades de proteo anticorrosiva, resistncia mecnica e em
certos casos de isolamento trmico similares s resultantes do
revestimento aplicado em planta e que cumpram com os requerimentos
contidos nessas normas e especificaes;
Aplicabilidade em campo e otimizao dos tempos de instalao e
intervalo para o lanamento do duto quer seja em uma vala, por uma
perfurao direcional ou em gua do mar de maneira a facilitar o
trabalho das empreiteiras durante as obras de construo e viabilizar
o uso destes sistemas. Obviamente, cronogramas de construo de dutos
em diferentes aplicaes podem variar muito, sendo os projetos de
aplicaes offshore os que mais demandam neste sentido e fazem com
que melhorias no s aos materiais e sistemas, mas tambm aos
equipamentos e processos de instalao sejam continuamente buscadas
para garantir competitividade ainda mantendo a repetibilidade e o
controle de qualidade das instalaes.
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Assim, ao longo do tempo, revestimentos anticorrosivos aplicados
em planta como sistemas de trs camadas consistindo de um primer
epxi, geralmente em p aplicado eletrostaticamente (FBE ou Fusion
Bonded Epoxy), uma camada externa de proteo anticorrosiva formada
por uma poliolefina (polietileno ou polipropileno) extrudada
lateralmente ou concentricamente ao tubo sobre um adesivo
copolimrico que permita boa aderncia da poliolefina de natureza
apolar ao epxi polar, vieram substituir revestimentos anteriormente
utilizados a base de esmaltes asfticos, esmaltes de alcatro de
hulha e fitas aplicadas a frio. A Figura 1 ilustra esquematicamente
um sistema de revestimento tripla camada de poliolefina.
Figura 1. Sistema Tripla Camada de Revestimento Aplicado em
Planta e Foras entre as Camadas.
Este tipo de revestimento vem sendo amplamente utilizado,
principalmente na Europa e na Amrica do Sul por apresentar
excelente resistncia mecnica, qumica, demandar menos gastos com
proteo catdica durante a vida til do duto e combinar as excelentes
caractersticas de barreira gua das poliolefinas com a baixa
permeabilidade a gases e a excelente resistncia ao descolamento
catdico dos primers epxis.
Para oferecer continuidade e resistncia similares a esses
sistemas aplicados em planta, foram desenvolvidos sistemas de
revestimento de juntas de campo com mantas termocontrteis
utilizando um primer epxi lquido, j que este facilita o manuseio e
a aplicao em campo em relao ao FBE, conforme esquematizado na
Figura 2.
Figura 2. Sistema Tripla Camada de Revestimento para Juntas de
Campo Soldadas
Estes sistemas espelham o revestimento de planta. O primer epxi
oferece continuidade ao FBE formando a primeira camada de proteo
anticorrosiva do duto, o filme externo ou backing de poliolefina
reticulada continua a camada externa de proteo mecnica aplicada aos
tubos e o adesivo das mantas soma os importantes papis de, alm de
apresentar propriedades de proteo anticorrosiva por barreira,
aderirse aos diferentes substratos envolvidos, apresentando total
compatibilidade ao epxi, ao adesivo copolimrico e poliolefina.
O desenvolvimento e a combinao de diferentes tipos de adesivos e
backings ou filmes externos assunto da seo 3.
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2. Propriedades importantes das poliolefinas utilizadas para a
fabricao dos sistemas tripla camada aplicados em planta e em
campo.
Para compor os sistemas tripla camada aplicados em planta ou os
sistemas de mantas termocontrteis podem-se utilizar diferentes
grades de polietileno, com diferentes faixas de densidades,
ramificados ou lineares e com diferentes pesos moleculares e
distribuio de pesos moleculares ou ento grades de polipropilenos
homopolmeros ou copolmeros de impacto, geralmente combinados a
aditivos que melhoram seu desempenho de barreira umidade e aos
gases. Algumas propriedades importantes so influenciadas pelo
aumento da densidade da poliolefina (que define como se processou
sua cristalizao e como se formaram as ramificaes das cadeias),
outras dependem mais do aumento do peso molecular (PM), como mostra
a Tabela 1.
Propriedade Aumento da Densidade (cristalizao) Aumento do PM
Facilidade de processamento No Altera Diminui
Velocidade de extruso No Altera Mais Baixa
Permeabilidade a gases e solventes Mais Baixa Diminui pouco
Resistncia a flexo e rigidez Aumenta bastante Aumenta pouco
Dureza superficial Aumenta Aumenta pouco
Resistncia ao impacto Baixa Aumenta bastante
Resistncia qumica Aumenta Aumenta Tabela 1. Alterao nas
propriedades das poliolefinas de acordo com a densidade e com o
peso molecular
A processabilidade das poliolefinas diminui com o aumento do
peso molecular. Podemos citar como exemplo o caso dos polietilenos
de ultra alto peso molecular (PEUAPM) que apresentam propriedades
mecnicas (impacto, abraso, etc) muito superiores s do polietileno
de alta densidade (PEAD), mas so muito difceis de processar, sendo
praticamente impossvel faz-lo atravs de extrusoras comuns
(polietilenos bimodais podem ser utilizados de forma a fornecerem
propriedades similares as dos PEUAPM mantendo a facilidade de
processamento).
J a permeabilidade a gases e solventes depende mais do aumento
da densidade, ou seja, do grau de cristalizao do polmero que de seu
peso molecular. O polietileno de alta densidade mais denso que o
polipropileno homopolmero sendo menos permevel. Pode-se contudo,
utilizar aditivos como o Basell Adstif agregados ao polipropileno
de maneira a melhorar suas propriedades de barreira. Outras
propriedades como a flexo, a rigidez e a dureza tambm so muito mais
governadas pela densidade do polmero que pelo PM das macromolculas.
Para todas as outras propriedades mecnicas importantes como a
resistncia a trao, ao impacto e ao rasgo, o acrscimo no peso
molecular influencia mais positivamente que o aumento da
densidade.
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A Tabela 2 mostra uma comparao de propriedades entre diversas
grades de polietileno com o polipropileno homopolmero.
Propriedade PP-H PEAD PEMD PEBDL PEBD
Temperatura de Fuso (C) 160-165 126-135 120-125 126 105-118
Resistncia trao Kgf/cm2 300-390 210-380 80-240 40 - 140
Alongamento na Ruptura (%) 200-700 90-800 50-600 90-800 Ponto de
Amolecimento Vicat (C) 90-95 60-80 45-60 Condutividade Trmica
(W/(mK)) 0,21-0,22 0,38-0,51 0,32-0,40 Densidade (g/cm3) 0,90-0,92
0,94-0,96 0,925-0,935 0,935 0,915-0,92 Dureza Shore D 62-70 58-63
45-60 38-60 45-51
Dureza Rockwell 75 - 92 65 15 10
Resistividade Volumtrica (ohm.m) > 1016 > 1015 > 1015
> 1015 > 1015 Rigidez Dieltrica (KV/mm) 50-70 30-40 30-40
30-40 30-40 Permeao a Vapor (g/m2 d) 0,92-1,0 0,9 1,2 Absoro de
gua, 24 h (%) < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01
Tabela 2. Propriedades tpicas para polipropileno homopolmero e
polietileno de diversas grades
O polipropileno que apresenta macromolculas com estrutura linear
e elevado grau de cristalizao tem dureza consideravelmente superior
aos polietilenos como visto na Tabela 2, resultando em materiais
com maior rigidez e propriedades mecnicas superiores s do PEAD,
como resistncia ao impacto pelo menos duas vezes e meia maior,
resistncia penetrao superior e mantida em alta temperatura e maior
resistncia abraso.
Outro diferencial desta poliolefina apresentar um ponto de fuso
consideravelmente mais alto que o dos polietilenos e manter boas
propriedades mecnicas quando sujeitos temperaturas em que outras
poliolefinas falhariam completamente.
Finalmente, uma outra caracterstica de importncia industrial sua
menor condutividade trmica, conforme mostra a Tabela 3, podendo
inclusive ser empregada para compor revestimentos isolantes trmicos
(na forma de espumas de PP, com agregados de microesferas de vidro
ou mesmo PP slido).
Propriedades
PP-H PEAD PEBD
Ponto de Fuso (C) (Ordem de Grandeza)
165 132 110
Condutividade Trmica (W/m.K)
0,22 0,38-0,51 0,32-0,40
Tabela 3. Condutividade Trmicas do Polipropileno Homopolmero e
dos Polietilenos de Alta e Baixa Densidade.
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Tanto o PEAD quanto o PP so praticamente imunes ao ataque qumico
em aplicaes tpicas como revestimento de dutos submersos ou
enterrados e no devem sofrer alteraes importantes quando expostos a
solues cidas diludas e outros agentes contidos nos solos ou em gua
do mar, exceto para aplicaes em dutos enterrados em refinarias ou
plantas qumicas onde pode haver contato com produtos como agentes
oxidantes, cidos fortes e hidrocarbonetos aromticos ou clorados. A
Tabela 4 mostra o efeito de alguns agentes qumicos em contato com o
polietileno de alta densidade e o polipropileno.
Agentes PEAD PP
Solues cidas diludas Resistente Resistente
cidos fortes e agentes oxidantes Resistente, porm sofre ataque
lento
Resistente, porm sofre ataque lento (mais que PEAD)
Hidrocarbonetos alifticos Aumento volume, permeabilidade Aumento
volume,
permeabilidade
Hidrocarbonetos aromticos e clorados
Sofre ataque, aumento volume, permeabilidade
No resiste
Detergentes Stress Cracking Resistente
Alcoois Resistente Resistente Tabela 4. Resistncia do PP e do
PEAD aos agentes qumicos mais comuns.
cidos fortes e agentes oxidantes atacam as poliolefinas
lentamente, sendo que os oxidantes so mais agressivos ao PP. A
interao com solventes aromticos, clorados e alifticos tambm os
atacam lentamente causando inchamento, dissoluo parcial, mudana de
colorao ou quando expostos por tempo prolongado podem causar sua
degradao. Os polipropilenos se degradam mais facilmente que os
polietilenos quando expostos aos hidrocarbonetos aromticos e
clorados. Por outro lado, a exposio do polietileno a agentes
tensoativos provoca uma reduo de sua resistncia mecnica por efeito
de tenso-fissuramento superficial. Alm disto, os polietilenos so
mais suscetveis a Environmental Stress Cracking (ESC) que o
polipropileno.
Todas as propriedades descritas acima alm dos fatores econmicos
e as diferenas de manuseio em campo e nas instalaes devem ser
levadas em conta quando se especificam revestimentos poliolefnicos
para dutos enterrados ou submersos de forma a eleger-se o material
mais adequado para cada aplicao.
3. Sistemas de Mantas Termocontrteis. Conceitos, composio e
processo fabril.
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So revestimentos que consistem de um filme externo ou backing de
poliolefina reticulada que recebem a laminao de um adesivo
termo-ativado em sua face interna, tendo como funo a proteo
anticorrosiva e mecnica das juntas de campo soldadas. As mantas em
geral proporcionam excelente barreira contra a umidade e boa
resistncia mecnica, sendo que a poliolefina reticulada que forma o
backing, fabricada por processos de reticulao qumicos ou por
bombardeo eletrnico, tem papel fundamental e deve ser escolhida de
acordo com a aplicao, podendo ser utilizadas diversas grades de
polietileno (PEAD, PEBDL, PEMD ou blendas de polietileno) ou
polipropileno, o ltimo muito mais resistente mecanicamente.
A Figura 3a esquematiza as etapas do processo fabril para a
manufatura de backings reticulados termocontrteis. J a Figura 3b
mostra como a estrutura qumica das macromolculas de polietileno
reticulada no processo de bombardeio eletrnico. J
Figura 3a
Figura 3b
Figura 3a. Processamento de Backings de Polietileno Reticulado
3b. Reticulao das Cadeias de Polietileno.
As mantas termocontrteis podem ainda ser instaladas em combinao
com um primer epxi de maneira a espelharem o revestimento tripla
camada dos tubos. Os primers epxies utilizados nesses sistemas
oferecem excelente barreira ao oxignio e outros gases, aderncia ao
substrato e resistncia ao descolamento catdico. Como os processos
de instalao envolvem aplicao trmica (cura forada do epxi /
pr-aquecimento para ativar o adesivo da manta), os epoxies
utilizados obrigatoriamente so livres de solvente e 100% slidos, so
escolhidos conforme a temperatura de operao da linha e devem ser
totalmente compatveis com a manta a se utilizar. Espessuras tpicas
aplicadas nos sistemas tripla camadas de mantas so similares s de
FBE aplicadas em planta, ou seja, entre 150 e 250 m de espessura.
Epoxies de alta espessura conhecidos como HBE (High Building
Epoxies) tambm esto disponveis e pode-se aplic-los com at 500 m de
espessura, o que vem sendo estudado por algumas concessionrias para
uso em aplicaes offshore. O sistema necessita ainda de um selo de
fechamento reticulado no termocontrtil, adesivado em sua face
interna para fixar a rea de sobreposio entre os extremos da manta
permitindo sua contrao trmica sobre as juntas. A Figura 4 mostra o
esquema de um sistema de mantas tripla camada.
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Figura 4. Esquema para um sistema tripla camada de mantas
termocontrteis
4. Desenvolvimento dos sistemas de mantas de polietileno,
polipropileno e de sistemas hbridos combinando elementos dos
anteriores
4.1. Mantas Termocontrtreis de Polietileno Reticulado As mantas
de polietileno reticulado foram primeiramente desenvolvidas devido
a maior facilidade no processamento do polietileno termoplstico e
sua reticulao controlada por processos qumicos como o Engel que
utiliza perxidos ou atravs de silanos. Posteriormente a reticulao
dos polietilenos passou a ser feita por processos eletrnicos, em
geral mais custosos, mas que permitem melhor controle do processo e
melhores resultados quanto a aplicao em campo. Diferentes grades de
polietileno podem ser utilizadas dependendo da aplicao. Assim, em
ambientes extremamente frios onde a flexibilidade em baixa
temperatura importante pode-se utilizar um backing de polietileno
de baixa densidade linear (PEBDL) enquanto que para uma aplicao em
um duto de grande dimetro de um oleoduto que operar a uma
temperatura entre 60 e 80C, utiliza-se um polietileno de alta
densidade (PEAD) para a fabricao do backing.
Importante notar que os polietilenos somente so utilizados em
dutos que operam a at 70 ou 80C porque em temperaturas superiores a
estas, no apresentam dureza, resistncia a penetrao, resistncia ao
impacto e abraso suficientes e nesses casos, sistemas tripla camada
de polipropileno podem ser utilizados.
As mantas de polietileno, por serem desenhadas para operarem a
at 80C, empregam adesivos adequados para esta faixa de temperatura.
Existe grande variedade de adesivos que, obviamente, devem ser
escolhidos de acordo com a aplicao. Para especificar-se o sistema
mais adequado, diversos parmetros devem ser considerados, incluindo
o dimetro da tubulao, a densidade do fluido a se transportar, o
revestimento de planta com o qual deve ser compatvel, o tipo de
construo a empregar-se (se ser lanado em vala comum, por perfuraes
direcionais, cravamento, lanamentos offshore atravs de distintos
mtodos como Reel Lay, S-Lay, J-Lay, shore approach, etc.), as
condies ambientais no local onde ser construdo o duto, o tipo de
solo (se argiloso, arenoso, seu teor de quartzo, etc.) e
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finalmente, a temperatura de operao projetada. Os adesivos
dividem-se basicamente em dois grandes grupos de acordo com suas
caractersticas termodinmicas:
4.1.1. Adesivos Tipo Mastique: So adesivos que no apresentam um
ponto de fuso bem definido, mas amolecem com o aumento de
temperatura apresentando um ponto de amolecimento em que j no
oferecem qualquer resistncia ao cisalhamento e fluem. Devido s suas
caractersticas, em geral so adequados para aplicaes em dimetros
menores que 500 mm (20), baixas temperaturas de operao e como
sistemas de dupla camada j que apresentam boa resistncia ao
descolamento catdico sem necessitar de um primer epxi. So adesivos
mais tolerantes a preparaes de superfcie mecnicas com baixo perfil
de ancoragem.
4.1.2. Adesivos Tipo Hot Melt: So adesivos termoplsticos que
apresentam um ponto de fuso definido, adequados para operarem a
temperaturas mais altas mantendo a resistncia ao cisalhamento,
praticamente sem restries de dimetro e geralmente formando sistemas
tripla camada j que, em geral, necessitam de um primer epxi por no
apresentarem boa resistncia ao descolamento catdico quando
aplicados diretamente ao ao. Alm disto, necessitam de uma preparao
de superfcie que resulte em uma limpeza pelo menos ao metal quase
branco e com perfil de rugosidade mnimo de 40 m, geralmente obtida
atravs de jateamento abrasivo.
O adesivo mais popularmente utilizado para tubulaes de petrleo,
gs, gua e minrios para temperaturas de operao entre as criognicas e
65C (que abrange a grande maioria das aplicaes para polietilenos)
classificado como um hot melt por apresentar ponto de fuso definido
de 94C (para que apresente resistncia ao cisalhamento e
consequentemente resistncia as movimentaes da tubulao, soil stress,
etc. durante operao a at 65C) e que formulado de maneira a
maximizar sua aderncia s superfcies metlicas e dos revestimentos
adjacentes s juntas, devido a suas caractersticas
termodinmicas/reolgicas. Este adesivo chamado Open Adhesive funde a
uma temperatura superior temperatura que se solidifica, de forma
que durante a instalao permanece por mais tempo na fase lquida em
contato com a superfcie da junta de campo sob a presso exercida
pela contrao trmica do backing, conforme mostra o diagrama
constante da Figura 5.
Figura 5. Adesivo fabricado com tecnologia Open Adhesive que
permite mais tempo de contato do adesivo na fase lquida com o
substrato.
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Alm disto, o uso de adesivos com estas caractersticas permite
obter um sistema com alta resistncia ao cisalhamento (na ordem de
240 N/cm2 a 23C e 15 N/cm2 a 65C DIN 30672 com velocidade de teste
de 10 mm/minuto) aplicados em temperaturas relativamente baixas
porque fundem em temperatura pouco superior aos 90C e dispensa o
uso do epxi sobre o revestimento de planta que poderia gerar
problemas de compatibilidade e aderncia.
4.2. Mantas Termocontrtreis de Polipropileno Reticulado Como
anteriormente citado, para temperaturas de operao superiores a 80C
(e at 140C), necessrio substituir-se o polietileno por
polipropileno para compor sistemas tripla camada de revestimentos.
J a algumas dcadas os revestimentos de polipropileno foram
desenvolvidos mas sua aplicao vem aumentando gradualmente conforme
a necessidade de se explorar petrleo em guas mais profundas,
bombear fluidos a temperaturas mais elevadas, lanar tubulaes em
ambientes inspitos, em terrenos rochosos agressivos, etc.
Com o desenvolvimento de sistemas tripla camada de polipropileno
(3LPP) para aplicao em plantas de revestimento, a dificuldade
estava em se revestir as juntas de campo de maneira a lograr-se um
desempenho similar.
Em 2001 o laboratrio de pesquisa e desenvolvimento do grupo
ShawCor desenvolveu um processo controlado de reticulao do
polipropileno que permitiu a fabricao de sistemas de mantas de
polipropileno, combinando-o a adesivos de base polipropileno e um
epxi 100% slidos para alta temperatura. Este sistema cumpre com
todas as normas e especificaes utilizadas para o revestimento
principal de polipropileno como a NF A 49-711 e a DIN 30678, assim
como a prticas recomendadas para revestimento de juntas de campo
como a DNV-RP- F-102 em seu captulo sobre juntas de polipropileno.
Isto possvel porque os sistemas de juntas de campo de polipropileno
desenvolvidos so fabricados a partir das mesmas matrias-primas, ou
similares, s utilizadas para fabricar o sistema de 3LPP aplicado em
planta, conforme ilustra a Figura 6.
Figura 6. Revestimentos de planta e de juntas de campo.
Matrias-primas.
Estes sistemas para juntas de campo foram testados e aprovados
para aplicaes em dutos que operam a at 140C e podem ser aplicadas
em espessuras de at 8 mm, sem a necessidade de um material de
infill, de maneira a cumprir com especificaes de revestimento de
tubulaes offshore em que o revestimento de planta seja espesso
devido a necessidade de resistncia mecnica superior ou de
isolamento trmico (ver IBP 1335_09 Engineered Pipeline Field Joint
Coating Solutions for Demanding Conditions. Lemuchi A, Gudme C.,
Buchanan R.).
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Da mesma forma como estabelecido na seo 2 quando desenvolvemos
uma comparao entre as poliolefinas utilizadas como camada externa
dos sistemas aplicados em planta, os backings de polipropileno
reticulado apresentam desempenho muito superior aos de polietileno
reticulado quanto a resistncia mecnica, conforme pode-se verificar
na Tabela 5 que mostra as propriedades tpicas para as mantas de
polipropileno.
Propriedade Mtodo de Ensaio Unidades Valores Tpicos
Ponto de Fuso do Adesivo de PP ASTM D3418 g/cm3 147
Resistncia ao Cisalhamento a 23C DIN 30672 N/cm2 > 500
Resistncia ao Cisalhamento a 100C DIN 30672 N/cm2 > 100
Resistncia ao Cisalhamento a 140C DIN 30672 N/cm2 > 50
Dureza ASTM D2240 Shore D 65
Aderncia ao Ao e ao 3LPP a 100C NF A 49-711 N/cm 80
Aderncia ao Ao e ao 3LPP a 140C NF A 49-711 N/cm 40
Impacto NF A 49-711 J/mm >10
Penetrao a 140C DEP 31.40.30.31 mm residual < 0.6
Penetrao a 110C NF A 49-711 mm 0.38
Descolamento Catdico a 130C, 28 ASTM G42 modificada mm < 3
Tabela 5. Propriedades tpicas para sistema de mantas de
polipropileno
Alm do revestimento de juntas de campo de dutos revestidos com
3LPP, o sistema de mantas de PP vem sendo utilizado para outras
aplicaes como transies de FBE para 3LPP, conforme ilustra a Figura
7 e de juntas de dutos offshore isolados termicamente com PP slido,
sinttico ou espumas de PP. Neste caso, as mantas de PP so
geralmente combinadas com sistemas de isolamento trmico de
poliuretano slido ou outro material de baixa condutividade trmica
injetados nas juntas, conforme mostra a Figura 8.
Figura 7. Projeto Greater Plutonio Angola. Revestimento de zonas
de transio 3LPP/FBE com mantas de polipropileno .
7a 7b
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Figura 8. Projeto PDET guas Rasas - Petrobras. Revestimento de
juntas de campo com mantas termocontrteis de polipropileno e
isolamento trmico com poliuretano slido.
O sistema de mantas de polipropileno por apresentar um adesivo
que funde a cerca de 150C, necessita de um pr-aquecimento a uma
faixa de temperaturas entre 175-190C. Isto, somado a
susceptibilidade do polipropileno oxidao trmica e o chamado efeito
waxing que impede a aderncia de qualquer material caso o PP seja
aquecido a altas temperaturas com a incidncia de chama direta,
impede que o PP possa ser pr-aquecido atravs de maaricos de propano
como no caso dos sistemas de mantas de polietileno e assim, o uso
de aquecimento indireto por induo estritamente necessrio. A Figura
9a mostra um esquema tpico para a otimizao das estaes de
revestimento em uma balsa de lanamento para a instalao de mantas de
polipropileno. A Figura 9b apresenta uma foto de uma instalao de
manta de PP em firing line de uma balsa de lanamento tipo S.
Figura 9a. Processo tpico de instalao de mantas de polipropileno
a bordo de uma balsa de lanamento de dutos. 9b. Foto de instalao de
manta de PP em uma linha de produo de uma balsa de lanamento tipo
S.
Existem aplicaes, porm, em que a temperatura de operao no alta
suficiente para demandar uma manta de polipropileno, sendo que em
muitos casos o revestimento de planta feito com polietileno tripla
camada, mas em que se necessita de uma proteo mecnica superior nas
juntas de campo que a fornecida pelos backings de PEAD. Para estes
casos, desenvolveram-se os sistema hbridos de mantas
termocontrteis.
9a 9b
8a 8b
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4.3. Mantas Termocontrteis Hbridas Utilizando-se de adesivos
tipo mastiques ou hot melts para temperaturas entre 60 e 80C, de
tecnologias comprovadas com vasto histrico positivo de projetos e
compatibilidade tanto com FBE como com polietileno e polipropileno,
como os adesivos apresentados na seo 4.1 e combinando-os com filmes
externos de polipropileno como os apresentados na seo 4.2, obtm-se
as chamadas mantas hbridas. A Figura 10a ilustra esquematicamente
um sistema de mantas hbridas e a Figura 10b mostra uma foto de um
sistema hbrido com elementos de sacrifcio para lanamento em uma
perfurao de shore approach.
Figura 10a. Esquema de um sistema de mantas hbridas. 10b. Foto
de um sistema hbrido aplicado nas juntas de 16 de dimetro de seo
lanada em perfurao de shore approach no projeto Terminal Norte
Capixaba.
As mantas hbridas, tipicamente utilizadas para o revestimento de
juntas de campo de tubulaes operando em temperaturas intermedirias
(at 80C) em que se necessita de resistncia mecnica superior ou nas
quais o uso de um backing mais robusto oferece grandes vantagens
quanto diminuio dos ciclos de instalao aumentando a produtividade,
permitem que se utilize um procedimento de instalao simplificado j
que este depende fundamentalmente do primer epxi (se aplicvel) e do
tipo de adesivo do sistema.
A Figura 11 ilustra um agressivo ensaio de impacto executado em
mantas com backings de PP como parte de qualificaes dos sistemas
para projetos offshore mostrando uma das grandes vantagens das
mantas hbridas.
Figura 11. Ensaio de impacto aplicado a mantas com backingde
polipropileno
Assim, diferentemente das mantas de polipropileno (com adesivos
base polipropileno) que so compatveis apenas com 3LPP e
extensamente utilizadas nos casos de dutos que operam a
10a 10b
-
alta temperatura, as mantas hbridas no necessitam de
equipamentos especficos para o pr-aquecimento como geradores e
fornos de induo, tendo em seu processo de instalao um
pr-aquecimento na faixa de 70-100C, de acordo com o adesivo
utilizado e que pode ser executado atravs de maaricos de propano ou
GLP.
Alm de menos equipamentos envolvidos na instalao, estes sistemas
permitem uma reduo considervel nos ciclos de aplicao, extremamente
importantes no caso de lanamento de tubulaes offshore.
A manta hbrida mais comumente utilizada combina o backing de
polipropileno com um adesivo tipo hot melt de tecnologia Open
Adhesive conforme descrito na seo 3.1, adequado para temperaturas
de operao de at 65C. Este sistema pode ser aplicado como tripla
camada com a adio de um primer epxi 100% slidos.
O sistema acima descrito necessita de uma preparao de superfcie
por jateamento abrasivo ao metal quase branco com perfil de
ancoragem de pelo menos 40 m, pr-aquecimento mnimo de 90C que pode
ser executado atravs de maaricos de propano ou por induo e alm das
vantagens inerentes ao uso do filme externo de PP, possibilita que
em aplicaes em que o tempo para o lanamento restritivo, se esfrie o
sistema imediatamente aps aplic-lo, geralmente com gua corrente
(water quenching) mais rapidamente que sistemas tradicionais com
backings de polietileno reticulado.
Isto ocorre porque os backings de polipropileno reticulado
alcanam uma dureza relativa suficiente para que possam passar pelos
roletes na linha de produo a uma temperatura de 135C enquanto que
backings de polietileno reticulado devem ser esfriados at pelo
menos 80C antes que possam passar pelos roletes, demandando mais
tempo de water quenching.
A Figura 12 mostra um grfico que compara o que ocorre em
aplicaes de mantas com mesmo adesivo para 65C e backings de PE e PP
(manta hbrida) mostrando que a diferena de tempos de water
quenching de uma manta hbrida para uma manta com backingde PE pode
chegar a 3 minutos. Obviamente, esta diferena de tempos de aplicao
depende do dimetrodo duto, do desenho do sistema de water quenching
utilizado e do sistema de pr-aquecimento empregado.
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Figura 12. Comparao dos tempos de esfriamento forado com gua
para mantas com backings de PE e de PP com o mesmo tipo de adesivo
hot melt para 65C.
Alm das grandes vantagens de reduo de ciclo de instalao, mais
importantes para aplicaes offshore em balsas de lanamento, outras
aplicaes que demandam o uso desta tecnologia incluem:
Revestimentos de juntas de campo de colunas a serem lanadas em
perfuraes dirigidas onde o solo agressivo contendo alto teor de
quarto ou rochas.
Revestimento de colunas lanadas em perfuraes de shore
approach;
Tubulaes a serem enterradas em localidades onde difcil conseguir
material selecionado para o reaterro das valas;
Aplicaes em que o revestimento de planta especificado o 3LPP
devido ao tipo de terreno e de solo da regio necessitando de proteo
mecnica similar nas juntas campo;
Outras aplicaes demandando resistncia mecnica superior.
5. Antecedentes de Projetos que empregaram Mantas Hbridas para
diferentes aplicaes
Apesar do desenvolvimento das mantas hbridas ser relativamente
recente, existe um histrico considervel de projetos de tubulaes de
petrleo e gs tanto onshore como offshore que empregaram esses
sistemas com comprovao de suas vantagens quanto aos revestimentos
tradicionais. A seguir citamos alguns desses projetos executados na
Amrica do Sul com alguns detalhes e fotos.
5.1. Petrobras Gasoduto Campinas-Rio
Ano de Construo: 2004-2005
Localidade: Onshore Brazil
Cliente/Concessionria: Petrobras
Empreiteira: GDK SA
Comprimento Total: 182 km
Dimetro Nominal: 28
Figura 13. Coluna de 28 de dimetro com juntas revestidas com
sistemas hbridos a ser lanada em uma perfurao dirigida.
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Sistemas Aplicados: Sistema tripla camada de mantas de
polietileno com adesivo Hot Melt para 65C para as aplicaes em valas
comuns e sistema hbrido com adesivo Hot Melt para 65C para
perfuraes direcionais em solos agressivos.
5.2. Petrobras Terminal Norte Capixaba
Ano de Construo: 2005
Localidade: Offshore Brasil
Cliente/Concessionria: Petrobras
Empreiteira: Conduto
Comprimento Total: 30 Km com 2 colunas de 1 Km x 16OD de Shore
Approach
Dimetro Nominal: 16
Figura 14. Coluna com juntas revestidas com sistemas hbridos
lanada por shore approach, vista na sada da perfurao na praia.
Sistemas Aplicados: Sistema tripla camada de mantas de
polipropileno com adesivo base polipropileno na seo offshore e o
mesmo sistema anticorrosivo acrescido de uma manta hbrida com
adesivo tipo mastique para 100C para as juntas das colunas lanadas
em perfuraes de shore approach.
5.3. Planos de Expanso 2006-2008 TGN e TGS
Ano de Construo: 2007-2009
Localidade: Onshore Argentina
Cliente/Concessionria: TGN/TGS
Empreiteira: Techint e outras
Comprimento Total: >550 Km
Dimetro Nominal: 26 e 30
Figura 15. Aplicao de sistemas de mantas hbridas nos projetos de
Plano de Expanso da TGN e da TGS.
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Sistemas Aplicados: Em ambos os projetos, foram utilizados
sistema tripla camada de mantas de polietileno com adesivo Hot Melt
para 65C para as aplicaes em valas comuns e sistema hbrido com
adesivo Hot Melt para 65C para perfuraes direcionais em solos
agressivos.
6. Concluso
A atividade de proteo de juntas de campo soldadas requer
tecnologias e alternativas especificas para cada tipo de aplicao,
seja em obras de gasoduto, oleodutos, aquedutos ou minerodutos.
Para diversas aplicaes em que se necessita de uma resistncia
mecnica superior s dos tradicionais sistemas de polietileno
reticulado existe a opo de se empregar sistemas de mantas hbridas
que oferecem o melhor dos backings de polipropileno, mas mantendo
um procedimento de instalao simples e rpido evitando o uso de
equipamentos complexos como necessrio para instalar-se uma manta de
polipropileno. Finalmente, estes sistemas hbridos utilizam adesivos
que so compatveis com praticamente todos os tipos de revestimento
de planta abrangendo ampla gama de aplicaes.
7. Referncias Bibliogrficas
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Fotan, A.M. Escalona, F.F. Sibon, Ageing and spectroscopy
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2. M. Ashby, H. Schercliff, D. Cebon, Materials Engineering
science processing and design
3. F.M.B. Coutinho, I.L. Mello, L.C. Santa Maria, Polietileno
Principais tipos, propriedades e aplicaes, Instituto de Qumica,
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4. M. Welander, Effect of High Stress on the ageing behaviour of
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6. J.R.B. Danielleto, Manual de Tubulaes de Polietileno e
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7. Catlogos Tcnicos Canusa-CPS, A ShawCor Company
8. Catlogo Tcnico Safplast Polipropileno
9. Catlogos Tcnicos Emco Plsticos Industriais - Polipropileno
Homopolmero e Polipropileno Copolmero
10. Lemuchi A, Gudme C., Buchanan R, IBP 1335_09 Engineered
Pipeline Field Joint Coating Solutions for Demanding Conditions