Numerical analyses of machanical behavior of repaired pipes with composites

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.As tubulações industriais possuem um papel fundamental em diversos ramos da indústria. Estas representam uma forma mais eficiente e de baixo custo para o transporte de materiais. Infelizmente, dependendo das condições ambientais, tubulações podem sofrer desgastes e corrosão devido à oxidação por parte de um excesso de umidade ou devido aos efeitos nocivos da maresia. Neste contexto, essas tubulações necessitam de inspeções e reparos periódicos. O Objetivo deste trabalho é estudar e analisar o comportamento mecânico de tubulações que foram reparadas com material plástico reforçado com fibras (MPRF), em especial fibras de carbono. Serão conduzidas análises numéricas das tensões e deformações dos dutos reparados. As análises numéricas serão de tubos de aço carbono ABNT 1010, totalmente engastados em uma das extremidades e tampados na outra extremidade com liberdade de deslocamento na direção axial. Possuem comprimento de 500 mm, diâmetro nominal de 105 mm e espessura de parede de 2,5 mm em três situações distintas: (i) tubos que consistem de cilindros de parede fina (D/t 20) íntegros (i.e. com espessura uniforme); (ii) tubos tais quais as do item (i), porém com um trecho desbastado (de comprimento igual a 100 mm) na região central (i.e. equidistante das extremidades); e (iii) reparados circunferencialmente com resina epóxi e fibra de carbono. Os tubos desbastados na região central tem o objetivo de simular a situação crítica de desgaste, isto é, possuem 60% da espessura original do tubo. Para os tubos com reparo serão analisados a influência da espessura do reparo na região do desbaste e do comprimento do reparo (Lr) na região íntegra do tubo em cinco situações: (i) Lr = 0%, onde a espessura do reparo coincide com o comprimento do desbaste; (ii) Lr = 25%, onde o comprimento do reparo corresponde a 25% a mais o comprimento do desbaste; (iii) Lr = 50%, onde o comprimento do reparo corresponde a 50% a mais o comprimento do desbaste; (iv) Lr = 75% onde o comprimento do reparo corresponde a 75% a mais o comprimento do desbaste; e (v) Lr = 100%, onde o comprimento do reparo corresponde a 100% a mais o comprimento do desbaste. Dessa forma será possível analisar o processo de recuperação das propriedades mecânicas do tubo desbastado. As simulações numéricas foram feitas em softwares baseados no método dos elementos finitos, como o ANSYS e o COMPSHELL, e assim, selecionar a espessura e comprimento de reparo ideais que melhor recuperam as propriedades mecânicas na região do desbaste. Após as análises, a espessura de 3 mm e comprimento de sobre espessura de 50 mm (Lr = 50%) de reparo compósito foi o reparo que melhore recuperou as propriedades mecânicas do tubo desbastado.Industrial piping plays a key role in many industries. These represent a more efficient and low cost way to transport materials. Unfortunately, depending on environmental conditions, pipes can suffer wear and corrosion due to oxidation by excess moisture or due to the harmful effects of the air. In this context, these pipes require periodic inspections and repairs. The objective of this work is to study and analyze the mechanical behavior of pipes that were repaired with fiber reinforced plastic material (MPRF), in particular carbon fibers. Numerical analyzes of the stresses and deformations of the repaired ducts will be conducted. The numerical analyzes will be of ABNT 1010 carbon steel tubes, fully set at one end and capped at the other end with freedom of displacement in the axial direction. They have a length of 500 mm, a nominal diameter of 105 mm and a wall thickness of 2.5 mm in three distinct situations: (i) tubes consisting of fine-walled cylinders (D / t 20) intact (ie uniform thickness) ; (ii) tubes such as those of item (i), but with a roughened section (of length equal to 100 mm) in the central region (i.e., equidistant from the ends); and (iii) circumferentially repaired with epoxy resin and carbon fiber. The roughened tubes in the central region have the objective of simulating the critical wear situation, that is, they have 60% of the original thickness of the tube. For the tubes with repair, the influence of the thickness of the repair in the region of the thinning and the length of the repair (Lr) in the whole region of the tube will be analyzed in five situations: (i) Lr = 0%, where the thickness of the repair coincides with the thinning length; (ii) Lr = 25%, where the length of the repair corresponds to 25% more the length of the thinning; (iii) Lr = 50%, where the length of the repair corresponds to 50% more the length of the roughing; (iv) Lr = 75% where the length of the repair corresponds to 75% more the length of the thinning; and (v) Lr = 100%, where the length of the repair corresponds to 100% more the length of the thinning. In this way it will be possible to analyze the recovery process of the mechanical properties of the roughened tube. Numerical simulations were carried out using software based on the finite element method, such as ANSYS and COMPSHELL, to select the optimum thickness and repair length that best recover the mechanical properties in the thinning region. After the analyzes, the thickness of 3 mm and length of over 50 mm thickness (Lr = 50%) of composite repair was the repair that improved recovered the mechanical properties of the roughened tube