UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA M ATERIAIS

EUGNIO ONOFRE DE OLIVEIRA

DESENVOLVIMENTO DE TUBULAO EM COMPSITO POLIMRIC O REVESTIDA EXTERNAMENTE COM POLIURETANO DE ALTA DENS IDADE

Dissertao n 67/PPgCEM

Natal-RN 2010

EUGNIO ONOFRE DE OLIVEIRA

DESENVOLVIMENTO DE TUBULAO EM COMPSITO POLIMRIC O REVESTIDA EXTERNAMENTE COM POLIURETANO DE ALTA DENS IDADE

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-graduao em Cincia e Engenharia de Materiais da UFRN, como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre em Cincia e Engenharia de Materiais.

Orientador : Prof. Dr. Jos Daniel Diniz Melo Co-orientador : Prof. Dr. Carlos A. Paskocimas

Natal - RN 2010

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA M ATERIAIS

DECLARAO

Declaramos, para todos os fins, que Eugnio Onofre de Oliveira defendeu sua Dissertao de Mestrado, intitulada Desenvolvimento de tubulao em compsito polimrico revestida externamente com pol iuretano de alta densidade, em 19 de novembro de 2010, no programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, tendo sido ........................................................

Natal, 19 de novembro de 2010.

____________________________________________________ Prof. Dr. Jos Daniel Diniz Melo

Orientador e Presidente da Banca

____________________________________________________ Prof. Dr. Carlos Alberto Paskocimas Co-orientador e Examinador Interno

_____________________________________________________ Prof. Dr. Rubens Maribondo do Nascimento

Examinador Interno

_____________________________________________________ Dr. Luiz Cludio de Marco Meniconi

Examinador Externo

_______________________ Prof. Dr. Wilson Acchar Coordenador do PPGCEM

Dedico esta conquista, com muito carinho, aos meus pais Nazareno Onofre e Olindina Neri, e aos meus filhos Alexandre Magno, Andreza Crystine e Anara Crystine, que entenderam, durante esta rdua caminhada, a renncia de momentos preciosos, quando em busca desta realizao.

AGRADECIMENTOS

A Deus, a minha famlia, aos meus mestres e colegas; enfim, a todos que

contriburam para a elaborao deste trabalho.

Ao meu filho Alexandre Magno C. de Oliveira, que se fez presente em

vrios estgios de elaborao desta obra e, com simples aes, conseguiu florir esta

rdua caminhada.

Ao orientador Prof. Dr. Jos Daniel Diniz Melo, que, com pacincia e

dedicao, contribuiu para a minha formao em uma nova rea de conhecimento.

Aos Professores Doutores: Carlos Alberto Paskocimas, Antonio Eduardo

Martinelli, George Santos Marinho e Rubens Maribondo do Nascimento, pela

confiana e acolhida nessa instituio de ensino e por promoverem sempre a

motivao para a realizao desta pesquisa.

Aos funcionrios da Petrobras: Fernando Carvalho Ribeiro, Roberto Alves

da Silva, Roberto Lcio Leandro Vieira, Jos Ribamar Campos Jnior, Luiz Antnio

Costa Carneiro, Luiz Cludio de Marco Meniconi, Francisco Alves de Queiroz Neto,

Leonardo de Oliveira Bezerra, Francisco Joo da Silva Jnior, Clio Bonfim Morais,

Jos Nicodemos de Oliveira, Rogrio Linhares Urtiga, Amauri de Oleron

Vasconcelos e Fernando Costa dos Santos Jnior, pela motivao e contribuio

tcnica e gerencial na elaborao deste trabalho.

Empresa Interfibra Industrial SA e Joplas Industrial Ltda, pelo apoio

tcnico na realizao desta dissertao.

RESUMO

As tubulaes para transporte de petrleo dos poos de produo at a estao coletora so denominadas de linhas de surgncia. Essas tubulaes esto sujeitas corroso qumica e eletroqumica, de acordo com o ambiente e os tipos de petrleo. Algumas dessas linhas, a depender da composio do petrleo produzido falham, s vezes, com menos de um ano de operao, devido corroso interna severa. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de tubulao em compsito revestida externamente com poliuretano de alta densidade, para aplicao em linhas de surgncia de poos de petrleo onshore e que atenda s exigncias operacionais. Neste desenvolvimento foram empregados fibra de vidro, resina epxi, resina polister, areia quartzosa e poliuretano (PU) de alta densidade. Os tubos foram produzidos pelos processos de enrolamento filamentar com deposio de PU na superfcie externa e extremidades com rosca moldada (API 15 HR e PM-VII). Foram produzidas trs concepes de tubos: vidro/epxi sem revestimento, vidro/epxi revestido com poliuretano de alta densidade e vidro/epxi coberto por um composto de fibra de vidro, polister e areia, revestido externamente com poliuretano de alta densidade. Amostras das trs concepes foram caracterizadas atravs da tcnica de Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV), da determinao do teor de vidro e resina, dos ensaios de rigidez e trao axial e dos testes hidrostticos, ruptura instantnea, presso de curta durao e impacto Gardner. Essa nova tecnologia foi testada no campo de produo em Mossor RN, nos quais foram instalados 1.677 metros de tubos. Assim, os resultados dos ensaios e testes das trs concepes de tubos foram comparados entre si em dois eventos: aps dois meses da fabricao das amostras e aps nove meses da aplicao dos tubos em campo. Os dados indicaram que o tubo em compsito vidro/epxi, polister e areia, revestido externamente com poliuretano de alta densidade, apresentou melhores resultados quando comparado aos outros dois, podendo ser usado na indstria de petrleo em aplicaes onshore, como uma alternativa para a aplicao em linhas de surgncia, atendendo s exigncias de classe de presso, resistncia trao axial, rigidez, impacto e intempries. Palavras-chave: Tubulao industrial. Linha de surgncia. Material compsito.

ABSTRACT Pipelines for the transport of crude oil from the production wells to the collecting stations are named production lines. These pipes are subjected to chemical and electrochemical corrosion according to the environment and the type of petroleum transported. Some of these lines, depending upon the composition of the fluid produced, may leak within less than one year of operation due to internal corrosion. This work aims at the development of composite pipes with an external protecting layer of high density polyurethane for use in production lines of onshore oil wells, meeting operational requirements. The pipes were manufactured using glass fibers, epoxy resin, polyester resin, quartz sand and high density polyurethane. The pipes were produced by filament winding with the deposition of high density polyurethane on the external surface and threaded ends (API 15 HR/PM-VII). Three types of pipes were manufactured: glass/epoxy, glass/epoxy with an external polyurethane layer and glass/epoxy with an intermediate layer of glass fiber, polyester, sand and with an external polyurethane layer. The three samples were characterized by Scanning Electronic Microscopy (SEM) and for the determination of constituent content. In addition, the following tests were conducted: hydrostatic test, instant rupture, short-time failure pressure, Gardner impact, transverse stiffness and axial tension. Field tests were conducted in Mossor RN (BRAZIL), where 1,677 meters of piping were used. The tests results of the three types of pipes were compared in two events: after two months from manufacturing of the samples and after nine months of field application. The results indicate that the glass/epoxy pipes with an intermediate layer of fiber glass composite, polyester e sand and with an external layer of high density polyurethane showed superior properties as compared to the other two and met the requirements of pressure class, axial tensile strength, transverse stiffness, impact and environmental conditions, for onshore applications as production lines.

Keywords : Industrial piping. Production lines. Composite materials.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Linhas de surgncia Ao API 5L Gr B........................................... 23 Figura 2 Tubos em ao API 5L Grau B no campo de produo de petrleo,

em Vrzea Redonda RN................................................................ 24

Figura 3 Corroso em linhas de surgncia: (a) seo de tubo com corroso atmosfrica (b) seo de tubo em corte axial (180) mostrando o desgaste interno (furo passante)......................................................

25

Figura 4 Sees de tubos armazenadas em carretis e para aplicaes em campo...............................................................................................

26

Figura 5 Tubos, dimetro 76 mm (3 polegadas), em compsito (PRFV), aplicados no campo de produo de petrleo em Miranga BA.....

28

Figura 6 Tubo em epxi, reforado com fibra de vidro, sem revestimento..... 37 Figura 7 Aplicao do poliuretano de alta densidade..................................... 38 Figura 8 Tubo em epxi, reforado com fibra de vidro, revestido

externamente com poliuretano de alta densidade............................ 39

Figura 9 Tubo em epxi, reforado com fibra de vidro, coberto por um composto de fibra de vidro, polister e areia, revestido externamente com poliuretano de alta densidade. (a) Concepo bsica do tubo. (b) Tubo completo...................................................

40

Figura 10 Memorial de clculo para tubo de 76 mm (3 polegadas) x 6,89 MPa (1000 psi)..................................................................................

42

Figura 11 Amostra da areia quar