BRPI0512531B1 - Mangueira resistente a esmagamento - Google Patents

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BRPI0512531B1
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cord
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cables
aramid
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Ali Reza Kambiez Zandiyeh
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Dunlop Oil & Marine Limited
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Abstract

mangueira resistente a esmagamento uma mangueira resistente a esmagamento, compreende diversas camadas (12, 14, 16, 18, 20) compreendendo uma carcaça de reforço formada de uma mistura de fibras de multifilamentos (30) incluindo pelo menos uma dentre poliéster, aramida, nylon, e rayon.

Description

“MANGUEIRA RESISTENTE A ESMAGAMENTO” [0001] A presente invenção relaciona-se a mangueiras e, em particular a camadas de reforço em mangueiras resistentes a esmagamento, de grande orifício.
[0002] Mangueiras de grande orifício são usadas, por exemplo, para transportar grandes volumes de óleo, tal como no carregamento e descarregamento de tanques de óleo. As mangueiras são expostas a condições árduas e submetidas a altas cargas. Mangueiras de grande orifício resistentes a esmagamento são, portanto, confeccionadas de um número de camadas, incluindo tipicamente um revestimento interno, uma carcaça de reforço, fios resistentes a esmagamento e uma camada de cobertura. Cada uma destas camadas pode ser feita de um número de subcamadas separadas.
[0003] A camada de reforço é tipicamente feita de cordão ou fio que é simplesmente enrolado em torno da mangueira ou tecido na forma de um tecido. As propriedades do cordão precisam ser selecionadas para dar à mangueira sua resistência física requerida. É conhecido confeccionar o tecido ou cordão da camada de reforço com Poliamida, Raiom, poliéster ou aramidas tais como Kevlar™ ou Twaron™. Entretanto, estes materiais possuem propriedades físicas variáveis com suas próprias vantagens e desvantagens e nem sempre provêm as melhores propriedades requeridas. Mangueiras de grande orifício resistentes a esmagamento tais como aquelas descritas, são usadas em aplicações dinâmicas e, portanto, é essencial que o material seja capaz de suportar fadiga. É conhecido confeccionar o tecido ou cordão a partir de fio monofilamento, fio de filamento cortado ou uma combinação de quaisquer destes. Entretanto, as propriedades físicas destes tecidos conhecidos não exibem o nível de resistência a fadiga que é requerido para uma mangueira resistente a esmagamento, usada em aplicações dinâmicas.
[0004] Conseqüentemente, a presente invenção provê uma mangueira resistente a esmagamento compreendendo diversas camadas, uma das
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 14/25 camadas compreendendo uma carcaça de reforço formada de cordão composto de uma mistura de fibras multifilamento, incluindo pelo menos uma de poliéster, aramida, poliamida e raiom. Usar tal material híbrido permite que as melhores propriedades físicas de cada material sejam selecionadas e combinadas, permitindo a construção de uma mangueira significativamente mais leve e mais forte. O uso somente de fios multifilamento provê um material que é flexível e forte e apresenta ótimas propriedades de fadiga. Os fios multifilamento preferivelmente possuem pelo menos 100 filamentos em cada fio. Cada filamento preferivelmente possui uma extensão da mesma ordem do fio, preferivelmente ou substancialmente da mesma extensão do fio. [0005] Preferivelmente, a mistura de fibras compreende dois dentre poliéster, aramida, poliamida e raiom e pode compreender diferentes proporções de cada material. Mais preferivelmente, o cordão é formado de uma mistura de fibras multifilamento de pelo menos uma de poliéster e pelo menos uma de aramida.
[0006] A mistura de fibras pode compreender uma proporção mais alta de aramida do que de poliéster. Preferivelmente, a mistura compreende uma relação de 2 cabos de aramida para um cabo de poliéster. Entretanto, pode compreender uma relação entre 1:1 e 4:1, preferivelmente entre 1,5:1 e 3:1. Esta mistura de fibras de poliéster e aramida aumenta a força da camada de reforço.
[0007] A camada de reforço pode ser formada de cordão compreendendo diversas fibras. Preferivelmente, os cordões são tecidos na forma de tecido e podem ser revestidos com borracha, antes de serem aplicados à mangueira. Os cordões podem permanecer em um ângulo α com o eixo longitudinal da mangueira. O ângulo α pode estar entre 30° e 55° com o limite inferior sendo mais preferivelmente 35° e o limite superior mais preferivelmente 50°, ainda mais preferivelmente 45° e mais preferivelmente aproximadamente 40°. O tecido plano cria uma camada de reforço capaz de
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 15/25 suportar as condições árduas e altas cargas experimentadas pela mangueira. Alternativamente, o cordão pode ser enrolado em torno da mangueira, sem ser tecido na forma de um tecido.
[0008] O cordão pode compreender 2 cabos de aramida e 1 cabo de poliéster retorcidos. Preferivelmente, os cabos são tecidos aproximadamente a 190 voltas por metro. Cada cabo de aramida compreende 3 cabos de fio, que podem ser retorcidos a aproximadamente 190 voltas por metro. Cada cabo de poliéster pode também compreender 3 cabos de fio, que novamente podem ser tecidos a cerca de 190 voltas por metro. Alternativamente, cada cabo pode compreender uma mistura de cabos de materiais diferentes, por exemplo, duas de fio de aramida e um de fio de poliéster. Novamente, outras relações podem ser usadas, por exemplo, 3:1, 3:2, 4:1 ou 4:3.
[0009] Quaisquer aramidas e poliésteres adequados podem ser usados.
Entretanto, a aramida mais preferível é Twaron™ 1008 e o poliéster mais preferível é o Diolen™ 164S.
[00010] Realizações preferidas da presente invenção serão agora descritas a título de exemplo apenas, com referência aos desenhos que a acompanham, nos quais:
Figura 1 é uma seção através de uma parede de uma mangueira de acordo com uma realização da invenção;
Figura 2 mostra a confecção de uma camada de reforço da mangueira da Figura 1;
Figura 3 é uma tabela mostrando as propriedades físicas de híbridos e outros materiais; e
Figura 4 mostra a confecção de uma camada de reforço adicional da mangueira da Figura 1.
[00011] Referindo-se à Figura 1, uma mangueira resistente a esmagamento 10 de acordo com uma realização da invenção compreende um número de camadas. Começando de dentro da mangueira e trabalhando para
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 16/25 / 9 fora, estas camadas incluem um revestimento 12, uma camada de reforço interna 14, uma camada de reforço externa 16, uma camada resistente a esmagamento 18 e uma cobertura 20. A camada resistente a esmagamento 18 compreende uma ou mais camadas separadas de fio resistente a esmagamento 22, neste caso duas, e a cobertura 20 compreende duas camadas de cobertura 24, 26. Todas as camadas além das camadas de reforço são convencionais e podem ser produzidas de modo a serem adequadas para qualquer aplicação específica.
[00012] As camadas de reforço 14, 16 são formadas de uma mistura de fibras multifilamento de poliéster e aramida. Referindo-se à Figura 2, a camada de reforço interno é feita de cordões 28 tecidos na forma de um tecido 30. Embora os cordões 28 sejam mostrados espaçados em uma armação frouxa para maior clareza, estes são na prática tecidos próximos para formar o tecido. Nesta realização, o tecido 30 é revestido de borracha antes de ser aplicado à mangueira. Os cordões 28 do tecido permanecem em um ângulo α com o eixo longitudinal da mangueira 10, um ângulo de aproximadamente 40° nesta realização. O ângulo α controla as propriedades físicas da mangueira e é escolhido de modo a satisfazer tantas exigências de projeto quanto possível. O ângulo α variará para diferentes projetos de mangueira e geralmente permanece na faixa de 35° a 55°.
[00013] Nesta realização, cada cordão 28 é composto de 2 cabos de aramida Twaron™ 1008 e 1 cabo de poliéster Diolen™ 164S. Os 3 cabos são retorcidos aproximadamente a 190 voltas por metro para formar o cordão 28. Este cordão 28 possui tipicamente uma espessura de aproximadamente 1,55 mm. Cada cabo de Twaron™ é feita de três cabos de multifilamentos de 1680 dtex tecidos aproximadamente a 190 voltas por metro. Cada cabo de poliéster é feito de três cabos de fio dtex multifilamento 1670, também tecidos aproximadamente a 190 voltas por metro. O uso de fio multifilamento ao invés de fio mono filamento, fio de filamento cortado ou uma combinação
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 17/25 / 9 destes foi verificada como produzindo o material que exibe resistência melhorada a fadiga. Fios multifilamento compreendem centenas de filamentos individuais contínuos juntos em um fio. Por exemplo, um típico de fio de 1670 dtex de Twaron™ compreende aproximadamente 1000 filamentos, cada um com um diâmetro de 12 mícrons. Fios multifilamento são muito flexíveis e resistentes e exibem ótimas propriedades de resistência a fadiga por curvatura e fadiga por tensão, comparados a mono filamentos, que são mais rígidos e apresentam propriedades de fadiga pobres. O fio de filamento cortado compreende extensões curtas de filamento enrolado em torno um do outro, transferindo a carga ao longo do filamento através do atrito entre os filamentos. O fio de filamento cortado, entretanto não apresenta a força encontrada no fio de filamento contínuo.
[00014] Referindo-se à Figura 3, foram realizados testes sobre as diferentes propriedades de três amostras ligeiramente diferentes do cordão híbrido. A tabela também mostra os resultados para amostras de controle de Twaron, Raiom e Poliamida. Cada um dos três híbridos possui um número ligeiramente diferentes de voltas por metro, a torção do fio singelo do fio Twaron™ ou poliéster do híbrido 1 sendo cerca de 183 voltas por metro, 190 voltas por metro para o híbrido 2 e 175 voltas por metro para o híbrido 3. O número de voltas por metro das 3 cabos no cordão, tecido do cordão, é cerca de 179 voltas por metro para o híbrido 1, 180 voltas por metro para o híbrido 2 e 163 voltas por metro para o híbrido 3. As três amostras também possuem espessuras de cordão ligeiramente diferentes. Esta é aproximadamente de 1,55 mm para híbridos 1 e 3 e 1,59 mm para o híbrido 2. A densidade linear também varia entre as três amostras híbridas, os valores sendo aproximadamente 17679 dtex, 18430 dtex e 17740 dtex, respectivamente. Estes valores são similares à densidade linear de 17670 dtex para a amostra de controle Twaron™, porém são muito maiores que o valor de 8250 dtex para o controle de raiom e menor que o valor de 25380 dtex para o controle de
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 18/25 / 9 poliamida.
[00015] Pode ser visto dos resultados que a força de ruptura (N) de cada um destes híbridos é consideravelmente maior que a do controle de raiom e é também maior que o controle de poliamida. As forças de ruptura dos três híbridos são 1845N, 1620N e 1894N, respectivamente, comparadas a uma força de ruptura de 293,8N para o controle de raiom. Somente a amostra de 100% de Twaron™ possui uma força de ruptura maior, de 2822N. A tenacidade de ruptura dos híbridos é também muito maior que o controle de raiom. Os híbridos apresentam uma tenacidade de ruptura de 1087mN/tex, 932mN/tex e 1115mN/tex, respectivamente, comparada a uma tenacidade de ruptura de 372mN/tex e 1115mN/tex, respectivamente, comparada a uma tenacidade de ruptura de 372mN/tex para o controle de raiom. Novamente, é somente a amostra Twaron™ 100% que possui uma tenacidade de ruptura maior, de 1664mN/tex.
[00016] Uma outra das propriedades testadas foi o alongamento no ponto de ruptura. Foi verificado que este alongamento era 7,5%, 7,7% e 6,6%, respectivamente, para os três híbridos. Estas se comparam a um valor mais baixo de 5,4% para a amostra de controle de Twaron™ e os valores consideravelmente mais altos de 16,6% e 29,1% para as amostras de controle de raiom e poliamida. O módulo do cordão também difere entre os três híbridos e o Twaron™, sendo 16,7GPa, 15,4GPa e 19,4GPa para os híbridos e um valor muito maior de 31,8GPa para o Twaron™. O alongamento maior no ponto de ruptura do híbrido comparada ao controle Twaron™, juntamente com seu módulo mais baixo, é uma das vantagens chave do híbrido sobre o Twaron™. Isto habilita o híbrido a um melhor compartilhamento de carga que o Twaron™ 100%, um fator importante ao construir mangueiras grossas.
[00017] O tecido híbrido pode também ser revestido de borracha, antes de ser aplicado à mangueira resistente a esmagamento 10. O revestimento de borracha aumenta adicionalmente a força do tecido e portanto a durabilidade
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 19/25 / 9 da mangueira resistente a esmagamento 10, quando exposta a altas cargas. A “força de revestimento de tira”, um teste de aderência padrão, foi medida para dois tipos diferentes de borracha aplicados a cada um dos três híbridos. Para a borracha r838, os valores da “força de revestimento de tira” para os híbridos são 258N/cm2, 258N/cm2 e 241N/cm2 respectivamente, que são muito similares a 255N/cm2 para o Twaron™ e 240N/cm2 para o raiom. Para a borracha 5320, os valores da “força de revestimento de tira” são 165N/cm2, 123N/cm2 e 185N/cm2 para cada um dos híbridos, que são novamente similares ao valor de 176N/cm2 para o Twaron™ e 169N/cm2 para o raiom.
[00018] A aderência T foi também medida para cada uma das amostras. Este é um método de avaliação da aderência entre a borracha e os cordões e é o teste usado pelos fabricantes de cordão. Vários cordões são moldados em um bloco de borracha, o bloco sendo aproximadamente de 10 cm de comprimento e possuindo uma seção quadrada de aproximadamente 1 cm. O bloco é construído em camadas e os cordões são mantidos sobre a borracha em ângulos retos com a extensão do bloco à medida que este é construído. A amostra é então curada. Os cordões são puxados individualmente a partir do bloco e a força requerida para isto é medida. Os cordões se projetam de um lado para permitir que sejam puxados e por 1 ou 2 mm a partir da outra extremidade do bloco, para assegurar que se estendam diretório através do bloco, dando uma extensão de puxamento de 10 mm. Para a borracha 5320, os valores de cada um dos híbridos são 870N, 670N e 740N respectivamente, que se comparam a um valor de 770N para o controle Twaron™ e que são maiores que o valor de 284N para o controle de raiom. Os valores usando borracha 5320 são menores do que aqueles obtidos para a borracha r838. Isto acarretou valores de 1110N, 1160N e 1140N para os três híbridos, 1200N para o Twaron™ e 262N para o raiom.
[00019] Os testes de aderência são importantes uma vez que a força da mangueira depende da capacidade do tecido se unir à borracha e a capacidade
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 20/25 / 9 das camadas de borracha de se ligarem umas com as outras.
[00020] A força mantida após a fadiga é uma outra propriedade importante dos materiais. Isto é medido usando o teste Akzo Nobel Flex Fatigue (AFF). Uma tira de borracha de aproximadamente 25 mm de largura é flexionada em torno de uma haste, a uma carga específica. A tira de borracha compreende duas camadas de cordões, a camada superior contendo um material de módulo muito alto, tal como Twaron™ e a camada de cordão inferior contendo os cordões a serem testados. A camada de Twaron™ leva quase a carga de tensão plena, devido a sua rigidez comparativamente alta. Os cordões de teste da camada do fundo experimentam curvatura, deformação devido à compressão axial e pressão da camada de cordão superior. Curvatura e deformação na presença desta pressão lateral causam degradação do cordão. Após a tira ter sido flexionada, os cordões são cuidadosamente removidos da tira e a força mantida é determinada usando grampos de cabrestante. Neste caso, borracha r838 foi usada e os valores foram medidos ambos em Newtons e como uma percentagem. A percentagem é a relação da força mantida para a força da tira não flexionada. Os valores obtidos são 46%, 73% e 32% e 850N, 1190N e 620N, respectivamente, para os três híbridos e são 32% e 910N para o Twaron™ e 12,7% e 37N para o raiom.
[00021] Em geral, a força do tecido feito com o cordão híbrido é aproximadamente 4 vezes maior que a força do tecido de raiom previamente usado. As 3 amostras de híbrido possuem uma força de tecido de 962kN/m, 822kN/m e 988kN/m respectivamente, comparadas a uma força de tecido de 235 kN/m para o raiom. Quatro camadas deste tecido de raiom podem portanto ser substituídas por uma camada do tecido tecido a partir do cordão híbrido.
[00022] Referindo-se à Figura 4, em uma realização alternativa, a camada de reforço interna 14 é formada de cordões 28 que são enrolados em torno da camada de revestimento 12. embora os cordões sejam mostrados
Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 21/25 / 9 espaçados afastados para clareza, estes são na prática enrolados próximos de modo a formar uma camada de reforço interna 14 substancialmente contínua. O cordão 28 é enrolado a um ângulo β em relação ao eixo longitudinal da mangueira resistente a esmagamento 10, para prover a mangueira das propriedades requeridas. O valor do ângulo β determina as propriedades físicas da mangueira e é portanto escolhido para satisfazer a maior parte das exigências de projeto. Como na realização prévia, o cordão é formado de dois cabos da aramida Twaron™ 1008 e um PlayList ( ) do poliéster Diolen™ 164S retorcidos. O cabo de Twaron é novamente feito de três cabos de fio dtex 1680 multifilamento e o poliéster é feito de três cabos de fio dtex 1670 multifilamento.
[00023] As realizações descritas acima são também aplicáveis ao uso de aramidas e poliésteres adequados diferentes do Twaron™ 1008 e Diolen™ 164S.
[00024] A invenção não está limitada a cordão formado de uma mistura de fibras de poliéster e aramida, mas pode também ser formado de outras combinações de fibras tais como poliamida e poliéster ou poliamida e aramida. A combinação e proporções de fibras usadas podem ser selecionadas para obter as propriedades requeridas do cordão, uma vez que diferentes combinações proverão diferentes propriedades.

Claims (13)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Mangueira resistente a esmagamento (10) compreendendo uma pluralidade de camadas (12, 14, 16, 18, 20), uma das camadas (12, 14, 16, 18, 20) compreendendo uma carcaça de reforço (14) formada de um cordão (28), o cordão (28) compreendendo uma pluralidade de cabos retorcidos, e em que o cordão (28) compreende uma proporção mais alta de aramida do que de poliéster, caracterizada pelo fato de que pelo menos um dos cabos compreende três fibras de multifilamentos de aramida retorcidos, e pelo menos um dos cabos compreende três fibras de multifilamentos de poliéster retorcidos.
  2. 2. Mangueira (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o cordão (28) compreende uma relação de 1:1 a 4:1 cabos de aramida para poliéster.
  3. 3. Mangueira (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o cordão (28) compreende uma relação de 1,5:1 a 3:1 cabos de aramida para poliéster.
  4. 4. Mangueira (10), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o cordão (28) compreende uma relação de 2 cabos de aramida para um cabo de poliéster.
  5. 5. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a carcaça de reforço (14) compreende um tecido plano a partir dos cordões (28).
  6. 6. Mangueira (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que os cordões (28) do tecido permanecem a um ângulo de 30° a 55° em relação ao eixo longitudinal da mangueira (10).
  7. 7. Mangueira (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que os cordões (28) do tecido permanecem a um ângulo de 43° em relação ao eixo longitudinal da mangueira (10).
  8. 8. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das
    Petição 870190000095, de 02/01/2019, pág. 23/25 reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a camada de reforço (14) compreende um revestimento, e o cordão (28) é enrolado em torno de um revestimento para formar uma camada contínua.
  9. 9. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o cordão (28) compreende 2 cabos de aramida e 1 cabo de poliéster retorcidos.
  10. 10. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que cada cabo compreende de 160 a 200 voltas por metro.
  11. 11. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que a camada de reforço (14) é revestida de borracha.
  12. 12. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a tenacidade de ruptura dos cordões (28) é de 800 mN/tex a 1300 mN/tex.
  13. 13. Mangueira (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a alongamento na ruptura dos cordões (28) é de 5,5% a 13%.
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