BR0206431B1

BR0206431B1 - junta de topo revestido para unir tubos de resina de cura térmica reforçados com fibra.

Info

Publication number: BR0206431B1
Application number: BRPI0206431-6A
Authority: BR
Inventors: Gudmundur Palsson
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2011-09-20
Also published as: EP1444458B1; SA02230429B1; DE60208709D1; ES2258162T3; AR037357A1; BR0206431A; WO2003042590A1; PL361653A1; PL198645B1; US20030090108A1; EP1444458A1; ATE315753T1; DE60208709T2; EG23252A; MXPA03006247A; ZA200304751B; US6585298B2

Description

"JUNTA DE TOPO REVESTIDO PARA UNIR TUBOS DE RESINA DE CURA TÉRMICA REFORÇADOS COM FIBRA" Fundamento da invenção Campo da invenção

Esta invenção é relativa ao campo de tubos de plástico reforçados. Mais especificamente, a invenção é relativa a uma junta de topo revestido (ou cobre junta) entre comprimentos de tubos de plástico reforçados.

Descrição da técnica relacionada

Tubos GRP são comumente unidos por meio de juntas de topo revestidas (ou cobre junta), isto é, uma configuração extremidade com extremidade (ou borda com borda) e revestidos com um ou mais revestimentos de tela. O laminado resultante cobre genericamente quantidades iguais das ,duas extremidades dos tubos que se encontram. O laminado consiste tipicamente de diversos revestimentos de esteiras de reforço e/ou mechas tecidas saturadas com uma resina de cura térmica ou outro agente. A resina é curada por meio da aplicação de calor ou por meio de dispositivo químico, mudando assim o laminado para o um material que substancialmente não funde e é insolúvel (plástico de cura térmica). Ao curar, o laminado se liga às paredes externas da extremidade do tubo formando assim uma junta com resistência suficiente em ambas as direções, circunferencial e longitudinal.

Tecnologias correntes para cobre juntas são baseadas na utilização de laminados com reforços tradicionais, na forma de esteiras e/ou mechas tecidas com propriedades de resistência e rigidez iguais em ambas as direções do aro e longitudinal. Juntas da técnica precedente são projetadas de modo a serem capazes de suportar as cargas de projeto em ambas as direções, do aro e longitudinal, independente do próprio turbo, desprezando assim aspectos importantes como a capacidade de suportar a carga do turbo na direção do aro e concentrações de tensão geradas por descontinuidade.

O comprimento de ligação mínimo e a dimensão longitudinal dos laminados sobre cada extremidade de tubo é tipicamente determinado com base em modelos simplificados para distribuição de tensão de cisalhamento na superfície de ligação entre o tubo e o laminado. De fato, o comprimento de ligação é normalmente determinado de tal modo que a tensão de cisalhamento média sobre a superfície de ligação não deve exceder um valor fixo, independente da distribuição de tensão de cisalhamento real e de como ela é influenciada por fatores como a relação de rigidez entre tubo e revestimentos, comprimento absoluto de ligação, propriedades geométricas e elásticas e concentrações de tensão. Tensões radiais e sua influencia na resistência de ligação bem como tensões de descontinuidade são comumente desprezadas.

Como uma conseqüência, os cobre juntas atualmente em utilização tendem a ser indevidamente grossos e rígidos dando origem a concentrações de tensão severas nos tubos unidos, afetando de maneira negativa seu desempenho. Os modelos simplificados para resistência a cisalhamento de recobrimento em diversos casos se correlacionam de maneira pobre com a resistência real, o que pode conduzir ou a cobre juntas por demais conservadoras ou bastante caras ou, nos casos piores, a sub-projeto.

Existe, portanto, uma necessidade sentida de muito, por uma junta de topo revestido melhorada para tubos de plástico reforçados que tenha características de projeto ótimas e seja menos consumidora de tempo e menos cara para produzir.

A presente invenção soluciona aquela necessidade, uma vez que fornece uma junta de topo revestido inovadora para tubos de fibra reforçados com resina de cura térmica, dita junta sendo melhorada estruturalmente e economicamente comparada à técnica precedente. Com relação a isto, o foco principal é sobre a confiabilidade estrutural melhorada da junta, capacidade de suportar carga aumentada, utilização melhorada da capacidade estrutural dos tubos através da redução de concentrações de tensão e custo reduzido da junta. Breve sumário de certos aspectos inovadores

O objetivo acima é alcançado por meio do auxílio de análise estrutural meticulosa do turbo juntamente com os revestimentos e a utilização de tela de reforço eficiente e resinas para os revestimentos.

Análises estruturais e testes realizados pelo requerente revelaram que a capacidade de carregamento longitudinal da junta de topo revestido, ao invés da resistência do aro é o fator crítico de projeto. Neste contexto, é evidente que o cisalhamento - e as concentrações de tensão radial que ocorrem nas superfícies de ligação na extremidade do tubo e nos revestimentos, bem como as concentrações de tensão longitudinais que atuam na parede do tubo adjacente aos revestimentos são as respostas de carga as mais importantes que devem ser controladas por meio de projeto adequado dos revestimentos.

As análises estruturais e testes também mostraram que as concentrações de tensão de ligação são controladas de maneira mais eficiente por meio de:

1) equilíbrio da rigidez longitudinal dos revestimentos contra a rigidez longitudinal do tubo,

2) conificação dos revestimentos e/ou do ressalto do tubo,e

3) otimização das propriedades elástico-geométricas dos revestimentos e do tubo.

Fazendo referência à etapa 2 acima, uma conificação do ressalto é bastante impraticável e não será normalmente realizada, a menos que condições específicas (por exemplo, o laminado desequilibrado) a necessitem. Uma abordagem muito mais eficiente é deslocar as tensões de cisalhamento para a borda do laminado aumentando a rigidez longitudinal do laminado.

As tensões radiais são mais eficientemente controladas minimizando a excentricidade dos revestimentos na direção longitudinal. As concentrações de tensão longitudinal no tubo são, por outro lado, reduzidas de maneira a mais eficiente conificando de maneira suave os revestimentos e minimizando a rigidez de aro dos revestimentos.

A capacidade estrutural e rendimento de juntas de topo revestidas podem também ser aumentados por escolha correta de resina e reforçou. Resinas com melhor adesão irão permitir cisalhamento mais elevado e concentrações de tensão radial na superfície de ligação. Devido a limitações da resistência de ligação secundária comparada à resistência de cura em uma resina, é benéfico na maior parte das circunstâncias utilizar uma resina de qualidade mais elevada nos revestimentos do que nos tubos.

Reforços de fibra não tecidos são também benéficos comparados a reforços tecidos. Com fibras retas a tensão radial gerada quando a fibra ondulada de mechas tecidas são tracionadas, são evitadas e com os graus mais elevados de reforço alcançados, as tensões de cura são reduzidas.

A junta de topo revestido de acordo com a invenção compreende genericamente uma pluralidade de revestimentos de material umedecido com uma resina de cura térmica e revestidos circunferencialmente em relação a uma primeira extremidade de tubo e a uma segunda extremidade de turbo, onde a primeira e a segunda extremidades de tubo são as respectivas extremidades do primeiro e segundo tubos. Os tubos são alinhados e as duas extremidades de tubo estão se encontrando. Os tubos estão sendo unidos em suas respectivas extremidades que se encontram por meio dos revestimentos colocado genericamente de maneira simétrica sobre ditos tubos que se encontram. O primeiro revestimento é colocado em relação aos respectivos tubos e o segundo até o n-ésimo revestimento são colocados sucessivamente para fora em relação ao revestimento precedente respectivo. O primeiro revestimento tem uma largura L1, o segundo revestimento tem uma largura L2 e o n-ésimo revestimento tem uma largura Ln, todas na direção longitudinal do tubo. Os revestimentos são cobertos por uma esteira de cordões picados (CSM) umedecida com a resina de cura térmica e tendo uma largura L0 na direção longitudinal do tubo.

A junta de topo revestido de acordo com a invenção é assim caracterizada pelo fato de:

• uma largura do primeiro revestimento L1 é maior do que a largura de qualquer um dos revestimentos subseqüentes;

• uma largura do segundo revestimento L2 é maior do que a

largura de qualquer um dos revestimento subseqüentes;

• as larguras L3 até L n.j dos revestimentos intermediários são sucessivamente reduzidas a uma taxa constante de (2γ), onde esta taxa é um resultado de uma interpolação linear entre a largura do segundo revestimento L2 e a largura do n-ésimo revestimento Ln;

• a rigidez longitudinal (Elong x t) dos revestimentos é progressivamente conificada nas bordas, pelo que a rigidez longitudinal dos revestimento é aumentada a uma taxa baixa (rigidez do revestimento contra distância a partir da borda do revestimento) na borda dos revestimentos enquanto é aumentada a uma taxa mais rápida para longe da borda.

Configurações preferenciais da invenção são: a taxa de aumento em rigidez de revestimento é preferivelmente aumentada em 3 ou mais etapas. A variável n pode ser qualquer número maior do que, ou igual a 3. O laminado tem uma rigidez de tração substancialmente mais elevada na direção longitudinal do que na direção circunferencial. Como cada um dos revestimentos tem uma rigidez de tração na direção longitudinal que é substancialmente (por exemplo 50% a 200%) mais elevada do que a rigidez de tração na direção circunferencial, e dita esteira de cordão picado (CSM) tem genericamente rigidez à atração uniforme em ambas as direções longitudinal e circunferencial, o laminado resultante tem uma rigidez à tração na direção longitudinal que é substancialmente mais elevada do que a rigidez à tração na direção circunferencial. A resina é uma resina de vinil éster ou, preferivelmente uma resina vinil éster bisfenol A. A resina do cobre junta pode ser um vinil éster enquanto a resina do tubo é um poliéster. A resina do cobre junta e a resina do tubo podem ser resinas diferentes. A resina do cobre junta pode ter uma qualidade mais elevada do que a resina do tubo.

A rigidez à tração longitudinal do laminado é maior do que a rigidez à tração longitudinal dos tubos. Os revestimento são constituídos de tela de mecha não tecida. Os revestimentos são colocados externamente em relação a ditos tubos. Os revestimentos são colocados internamente em relação a ditos tubos. Os revestimentos são colocados de ambas as formas, externamente e internamente em relação a ditos tubos. A resina está em um estado curado (ou com pega) e/ou em um estado não curado (ou sem pega). Os tubos são constituídos de plástico reforçado com fibra de vidro, plástico reforçado com fibra de carbono, ou outros tipos de fibras. Breve descrição dos desenhos

A Figura 1 é uma vista lateral de uma junta de topo revestido.

A Figura 2a é uma ilustração diagramática da construção genérica do laminado com η revestimentos e indica os diversos revestimentos e sua relação um em relação ao outro e à superfície do tubo.

A Figura 2b é uma ilustração diagramática similar àquela da Figura 2 a para uma configuração específica de 4 revestimentos (n = 4).

A Figura 3a mostra uma seção transversal através de uma junta não balanceada (isto é, externa) de acordo com uma configuração da presente invenção, como vista na direção longitudinal do tubo, por exemplo, feita ao longo da linha de corte X-X na Figura 1. As espessuras de revestimento são mostradas como sendo comparativamente maiores do que a seção transversal do tubo para clareza de ilustração. A Figura 3b mostra uma seção transversal através de uma junta equilibrada (isto é, externa e interna), de acordo com uma configuração da presente invenção como vista na direção longitudinal do tubo, por exemplo, feita ao longo da linha de corte X-X na Figura 1. As espessuras do revestimento são mostradas como sendo comparativamente maiores do que a seção transversal do tubo para clareza de ilustração.

A Figura 4 é uma seção transversal esquemática de uma parte da junta na Figura 3 a feita ao longo da linha de corte A-A.

A Figura 5 é uma seção transversal esquemática de uma parte da junta na Figura 3 b feita ao longo da linha de corte B-B. Descrição detalhada de certas configurações da invenção

A invenção será descrita agora com referência aos desenhos que acompanham (Figuras 1 a 5) onde itens iguais são identificados por meio de números de referência respectivos.

A Figura 1 mostra uma junta de topo revestido constituída de 2 tubos alinhados 100, 200 com respectivas extremidades de tubo que se encontram 101, 201 mostradas por meio de linhas tracejadas. As extremidades de tubo são revestidas com o número de camadas (ou revestimentos 520i - 520n mostradas por meio de linhas tracejadas, de um material umedecido com uma resina de cura térmica e coberto por uma esteira de cordão picado (CSM) 530 também umedecida com resina de cura térmica.

A Figura 2 a é uma ilustração diagramática (e explodida) da constituição genérica de um laminado constituído de η revestimentos e mostra em ordem ascendente a partir da superfície do tubo 100, 101, 200, 201 (somente um lado dos tubos mostrado, tubos mostrados parcialmente):

• primeiro revestimento 5201 que tem uma largura Li na direção longitudinal do tubo;

• segundo revestimento 5202 que tem uma largura L 2 na direção longitudinal do tubo; • terceiro revestimento 5203 que tem uma largura L3 na direção longitudinal do tubo;

• n-ésimo revestimento 520n que tem uma largura Ln na direção longitudinal do tubo;

• esteira de cordão picado (CSM) 530 que tem uma largura L0 na direção longitudinal do tubo.

A Figura 2b é uma ilustração similar àquela da Figura 2a para uma configuração onde η = 4.

As Figuras mostram como os revestimentos são colocados de maneira simétrica em relação às extremidades dos tubos e que L0>L1>L2>L3>Ln. Além disto, L0-L1 = 2α e L1-L2 = 2β. Os revestimentos 5202 até 520n tem larguras correspondentes L2 até Ln que diminuem sucessivamente a uma taxa constante 2γ como um resultado de uma interpolação linear entre L2 e Ln. A rigidez longitudinal do revestimento (Elong χ t) é conseqüentemente progressivamente conificada nas bordas, pelo que a rigidez longitudinal dos revestimentos é aumentada a uma taxa baixa (rigidez de revestimento contra distância a partir da borda do revestimento) na borda dos revestimentos enquanto é aumentada a uma taxa mais rápida para longe da bordas, isto é Elong (530) χ t (530)/a, Elong (5201) χ t(5201)/β, Elong(520i) χ t(520i)/γ(2< i ≤ η) onde Elong (XXX) é o módulo E longitudinal do revestimento número XXX e t(XXX) é a sua espessura. A taxa de aumento de rigidez de revestimento é preferivelmente aumentada em 3 ou mais etapas.

As Figuras 3 a e 4 a ilustram a junta acabada que consiste de um laminado externo somente, enquanto as Figuras 3 b e 5 ilustram uma junta acabada que consiste de ambos, um laminado interno e um laminado externo.

Uma configuração da invenção será descrita agora com referência aos desenhos que acompanham. E feita uma junta de topo revestido de 2 tubos de resina poliéster reforçados de fibra de vidro. Os tubos têm diâmetro nominal (DN) que se situam desde 300 mm até 4.000 mm e são das classes de pressão PN-1 a PN-32 e classes de rigidez SN 1250 Pa até SN 10.000 Pa. Os tubos tem extremidades de ressalto quadrado que são colocadas uma contra a outra.

Os tubos são unidos constituindo um revestimento interno e externo que cobrem os ressaltos do tubo. Os revestimentos são feitos por meio de um processo de laminação.

Os revestimentos são construídos utilizando 800 g por m2 de tela de mecha de fibra de vidro triaxial não tecida e 450 g por m de esteira de cordão picado, CSM5 umedecida com resina bisfenol A vinil éster.

A tela de mecha é constituída de 3 camadas de mecha. As mechas da primeira camada pesando 50% do peso total da tela são orientadas na direção longitudinal do tubo enquanto as mechas nas duas camadas restantes pesando 25% cada, são orientadas +/- 45° em relação às mechas da primeira camada.

Cada revestimento é feito laminando primeiro uma primeira tela de mecha 520i com uma largura Li sobre os ressaltos do tubo seguidas pela tela de mecha 5202 a 520n de larguras L2 - Ln.

Finalmente o revestimento é coberto por uma esteira de cordão picado (CSM) 530 de largura L0. Todas as camadas são colocadas de maneira simétrica em relação à junta do tubo.

No que segue, exemplos típicos de números apropriados de revestimentos e comprimentos são fornecidos para diversas dimensões de tubo (DN) e classes (PN e SN).

• Tubo Flowtite uniaxial padrão, DN600, PN6, SN2500: n = 3, Ln = 83 mm, L2 = 100 mm, L1 = 150 mm, L0 = 200 mm

• Tubo Flowtite uniaxial padrão, DN2000, PNl 0, SN5000: n = 8, Ln = 150 mm, L2 = 250 mm, L1 = 300 mm, L0 = 350 mm

• Tubo Flowtite uniaxial padrão, DN1000, PN20, SN10000: n = 6, Ln= 117 mm, L2 = 183 mm, Li = 233 mm, L0 = 283 mm O desempenho de uma junta de tubo Flowtite biaxial DN600, PN10 (n = 4, Ln = 64 mm, L2 = 100 mm, L1 = 150 mm, L0 = 200 mm) foi demonstrado através de diversos testes em escala real, onde duas seções de tubo foram unidas como descrito. O conjunto junta de tubo foi então fechado em ambas as extremidades, enchido com água e pressurizado. Em um teste de ruptura de curto prazo, com configuração de extremidade livre de acordo com o ASTM D 1599 (a junta tem que suportar toda a carga de pressão em ambas as direções circunferencial e longitudinal), uma pressão de ruptura de 60 bar foi demonstrada. Em um teste de pressão de longo prazo com configuração de extremidade livre de acordo com o ASDM D 1598 dois conjuntos de junta estiveram suportando uma pressão de 33 e 34 bar, respectivamente, por 8.000, horas e 4.000 horas, respectivamente, sem falha.

O laminado tem uma rigidez à tração na direção longitudinal que é mais do que duas vezes mais elevada do que a rigidez à tração na direção circunferencial. O laminado tem uma rigidez à tração que é mais do que 30% maior do que a rigidez dos tubos unidos.

Embora a configuração acima tenha sido descrita com referência a tubos de fibra de vidro ou reforçados com fibra de vidro (GRP), a junta inovadora é igualmente aplicável para unir tubos reforçados com outros tipos de fibras.

A descrição precedente e as configurações da presente invenção devem ser construídas como meras ilustrações da aplicação dos princípios da invenção. O que precede não tem a intenção de limitar o escopo das reivindicações, porém o verdadeiro espírito e o escopo da presente invenção está definido pelas reivindicações.

Claims

1. Junta de topo revestido para unir tubos de resina (100, 200) de cura térmica reforçados com fibra, compreendendo: • uma pluralidade de revestimentos (520] - 520n) de material umedecido com uma resina de cura térmica e revestidos circunferencialmente em relação a uma primeira extremidade de tubo (101) e uma segunda extremidade de tubo (201), as primeira e segunda extremidades de tubo (101, 201) sendo as respectivas extremidades de primeiro e segundo tubos (100,200); • os tubos (100, 200) sendo alinhados e a primeira extremidade de tubo (101) encontrando a segunda extremidade de tubo (201); • os primeiro e segundo tubos (100, 200) sendo unidos em suas respectivas extremidades (101, 201) que se encontram, por meio da pluralidade de revestimentos (520i — 520n) colocados genericamente de maneira simétrica sobre os tubos (100, 200) que se encontram; • o primeiro revestimento (5201) sendo colocado em relação à superfície dos respectivos tubos (100, 200) e o segundo (5202) até o n-ésimo (520n) revestimento sendo colocados sucessivamente para fora em relação ao revestimento precedente respectivo; • o primeiro revestimento (520]) tendo uma largura Li na direção longitudinal do tubo; • o segundo revestimento (5202) tendo uma largura L2 na direção longitudinal do tubo; • o n-ésimo revestimento (520n) tendo uma largura Ln na direção longitudinal do tubo; e • a pluralidade de revestimentos (520] - 520n) sendo coberta por uma esteira de cordão picado (530) umedecida com a resina de cura térmica e tendo uma largura Lo na direção longitudinal do tubo, caracterizada pelo fato de que: • a largura L, do primeiro revestimento (520j) é maior do que a largura de qualquer dos revestimentos (520] - 520n) subseqüentes; • a largura L2 do segundo revestimento (5202) é maior do que a largura de qualquer dos revestimentos (520] - 520n) subseqüentes; • as larguras L3 até Ln.] dos revestimentos (520j - 520n) intermediários sendo sucessivamente reduzidas a uma taxa constante (2γ), a taxa sendo um resultado de uma interpolação linear entre a largura L2 do segundo revestimento (5202) e a largura Ln do n-ésimo revestimento (520n); • a rigidez longitudinal (E]ong χ t) dos revestimentos (520] - 520n) sendo progressivamente conificada nas bordas, pelo que a rigidez longitudinal dos revestimento é aumentada a uma taxa baixa (rigidez de revestimento contra distância a partir da borda do revestimento) na borda dos revestimentos (520j - 520n) enquanto é aumentada em uma taxa mais rápida para longe da borda.

2. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da taxa de aumento na rigidez de revestimento ser aumentada em 3 ou mais etapas.

3. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de η ser qualquer número maior do que ou igual a 3.

4. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato do laminado ter uma rigidez à tração mais elevada na direção longitudinal do que na direção circunferencial.

5. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de cada um dos revestimentos (520i - 520n) ter uma rigidez à tração na direção longitudinal que é de 50% até 200% mais elevada do que a rigidez à tração na direção circunferencial, tendo a esteira de cordão picado (530) uma rigidez à tração uniforme em ambas as direções longitudinal e circunferencial, na qual o laminado resultante tem uma rigidez à tração na direção longitudinal que é mais elevada do que a rigidez à tração na direção circunferencial.

6. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da resina ser uma resina de vinil éster.

7. Junta de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato da resina do topo revestido ser um vinil éster enquanto a resina do tubo é um poliéster

8. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizada pelo fato da resina do topo revestido e a resina de tubo serem diferentes.

9. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizada pelo fato da resina do topo revestido ser de uma qualidade mais elevada do que a resina de tubo.

10. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da resina ser uma resina vinil éster bisfenol A.

11. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da rigidez à tração longitudinal do laminado ser maior do que a rigidez à tração longitudinal dos tubos (100,200).

12. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dos revestimentos (520] - 520n) serem constituídos de tela de mecha não tecida.

13. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dos revestimentos serem colocados externamente em relação a os tubos (100,200).

14. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dos revestimentos serem colocados internamente em relação a os tubos (100,200).

15. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dos revestimentos serem colocados ambos, externamente e internamente em relação a os tubos (100,200).

16. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da resina estar em um estado curado (ou de pega).

17. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da resina estar em um estado não curado (ou de pega).

18. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dos tubos (100,200) serem constituídos de plástico reforçado com fibra de vidro.

19. Junta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dos tubos (100,200) serem constituídos de plástico reforçado de fibra de carbono.