Mechanical behavior of steel pipes repaired with a hybrid laminate

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, Progrma de pós-graduação em Ciências Mecânicas, 2010.Em nível mundial, tubulações de aço desempenham papéis fundamentais nos diversos setores industriais. Contudo, qualquer tipo de duto está sujeito a desgastes em sua superfície devido à corrosão. Neste sentido, técnicas que viabilizem o reparo rápido e confiável de dutos são de fundamental importância para aumentar sua vida útil, prevenir acidentes, minimizar danos ambientais e permitir a manutenção da eficiência dos mesmos após serem reparados. Reparos com materiais compósitos estão tendo grande destaque no mercado internacional devido à sua alta eficiência, baixo peso e custo acessível. Estudos anteriores, presentes na literatura, sugerem que os materiais ideais para reparo de tubulações de aço são carbono/epóxi e vidro/epóxi, sendo que a solução mais vantajosa encontrada até o presente momento, em relação à configuração constituinte do reparo compósito em tubos de aço carbono, consiste em mesclar, no mesmo laminado, camadas de fibras de vidro com camadas de fibras de carbono, formando um reparo híbrido cujo dimensionamento ideal e número de lâminas de cada tipo de fibra devem ser cuidadosamente estudados para cada caso específico. Com o objetivo de obter informações de interesse tecnológico para setores industriais que necessitem executar manutenção preventiva em tubulações e realizar reparos emergenciais em caso de necessidade, obter-se-á soluções otimizadas de constituição e dimensionamento do reparo híbrido em material compósito, utilizado em tubos industriais de ampla aplicação no mercado atual. Para tanto, o trabalho consistirá em análises numéricas em dutos de aço (carbono), com diâmetro e comprimento nominais de 100 mm e 500 mm, respectivamente, que sofreram desbaste na região central, e foram reparados com compósitos de resina epóxi reforçada com tecidos híbridos (i.e. com camadas reforçadas com fibras de carbono e vidro-E). Com este trabalho foi possível verificar que o tubo reparado com material compósito híbrido conseguiu restaurar a rigidez e a resistência do tubo em aproximadamente 90%, sendo que a metodologia utilizada para selecionar as dimensões e os materiais adequados de reparo é rápida, eficiente, de baixo custo e depende sempre da situação específica desejada. Portanto, o reparo em análise está projetado para o pior caso de desbaste (60% da espessura original do tubo), para um tubo de aço 1010 e cujas pressões hidrostáticas internas não ultrapassem a pressão de falha calculada. _______________________________________________________________________________ ABSTRACTWorldwide, steel pipes play an important role in many industrial sectors. Meanwhile, any kind of duct is prone to suffer superficial damages due to corrosion. In this sense, techniques which allow fast and reliable repairs of ducts have a fundamental importance to increase the life cycle, avoid accidents, minimize environmental contaminations and to keep their efficiency after the repair. Composite repairs are very important in the international scenario due to their high efficiency, low weight and accessible cost. According to previous studies in literature carried out at UnB, the ideal composite materials to repair steel pipes are carbon/epóxi and glass/epóxi, composing an hybrid repair, that is the solution most advantageous until the present moment. This repair mixes, in the same laminate, glass fibre layers with carbon fibre layers. With the objective to obtain information of technological relevance to industrial sectors which need to carry out preventive maintenance and emergencial repairs, a methodology to allow the geometrical parameters and number of layers of the repair will be carefully studied. In this way, the work will consist of numerical analyses in carbon steel pipes, with 100 mm diameter and 500 mm in length, that are damaged in the central region, and had been repaired with a cold cure epoxy resin, adopted as matrix, and hybrid reinforcing layers (carbon and E-glass fiber layers). With this work it was possible to verify that the repaired pipe with hybrid material restored the rigidity and the resistance of the perfect pipe in 90%, finding the best methodology to select the dimensions and the adequate materials of repair and being the most efficient on low cost repair. Therefore, the repair in analysis is projected for the worst case of damage (60% of the original pipe thickness), for a steel pipe 1010 and whose internal hydrostatic pressures do not exceed the rupture pressure calculated