COTEQ 244 - MANTAS TERMOCONTRTEIS DE ALTA RESISTNCIA MECNICA PARA TUBULAES ENTERRADAS OU SUBMERSAS

Andr Koebsch1, Andr L. Lemuchi2, Renata S.O. Ramos3

Copyright 2011, ABENDI Paper presented at the 11th Conference on Equipment Technology. The information and opinions contained herein are the sole responsibility of the author(s). SINOPSE

A indstria de produo, transporte e distribuio de petrleo e gs tem gerado a necessidade de utilizao de revestimentos externos de maior resistncia temperatura e aos esforos mecnicos para as tubulaes enterradas ou submersas devido a fatores como a necessidade de produo em guas profundas, de bombear fluidos em temperaturas superiores s encontradas anteriormente, de tcnicas de construo e montagem que geram condies mais agressivas ao revestimento e da necessidade de cruzar reas urbanas, onde o mtodo de instalao por perfuraes dirigidas se popularizou. Sendo assim, a demanda por revestimentos mais resistentes como o polipropileno tripla camada aumentou consideravelmente e os fabricantes de revestimento, acompanhando esta tendncia, desenvolveram sistemas compatveis para fornecer s juntas de campo uma proteo anticorrosiva e mecnica similares s proporcionadas pelo revestimento aplicado em planta, oferecendo continuidade ao revestimento da tubulao. Alm disto, estes revestimentos necessitam ser facilmente aplicveis em campo, demandar menos equipamentos e acomodar as dificuldades de controle das variveis que podem afetar os trabalhos em campo.

Revestimentos termocontrteis de polipropileno reticulado com adesivos a base de polipropileno foram desenvolvidos para tubulaes revestidas em planta com polipropileno tripla camada e, a partir deste sistema, foi derivada uma famlia de mantas termocontrteis hbridas com filme externo de polipropileno reticulado combinado com diferentes tipos de adesivos para aplicaes onde se necessite de maior resistncia mecnica que a oferecida pelo tradicional filme de polietileno reticulado.

Este trabalho tem como objetivo mostrar o desenvolvimento, as propriedades e as caractersticas diferenciadas destes novos materiais, alm de suas vantagens em relao aos revestimentos termocontrteis tradicionais.

1 Engenheiro Mecnico - PETROBRAS - ENGENHARIA-IEGEN/EGE/EDUT 2 Engenheiro Qumico, Gerente Tcnico para a Amrica do Sul - CANUSA-CPS 3 Engenheira Qumica, Gerente de Vendas - IEC-INSTALAES E ENGENHARIA DE CORROSO LTDA .

1. Introduo

Naturalmente a indstria de revestimentos anticorrosivos para tubulaes enterradas e submersas se orienta nas necessidades de proteo anticorrosiva e mecnica inerentes a cada tipo de aplicao, sendo que, atualmente, as tubulaes de leo e gs so as que demandam mais cuidados devido s caractersticas das suas diversas aplicaes que podem variar ao extremo. Estas diferenas envolvem desde o tipo de construo e manuseio dos dutos aos tipos de terrenos e solos onde so enterrados ou profundidades e caractersticas das guas e leitos onde sero lanadas no caso de tubulaes offshore, das diferentes faixas de temperaturas de operao aos sistemas de proteo catdica que atuaro durante sua vida til.

Por outro lado, dutos de gua e de produtos de minerao tambm demandam materiais de revestimento com alta resistncia mecnica devido ao peso do fluido bombeado e os dimetros envolvidos que combinados com as caractersticas dos solos e dos terrenos onde so instalados podem gerar condies muito agressivas de soil stress.

Parte dessa indstria destina-se a produzir sistemas e processos para garantir que as juntas de campo soldadas sejam protegidas de maneira a oferecer continuidade ao revestimento aplicado aos tubos em uma planta, onde os processos de instalao so bem controlados, praticamente independem das condies ambientais e o aplicador no necessita aderir a um cronograma de construo que muitas vezes pressiona para que os tempos de instalao e cura dos sistemas aplicados em campo sejam minimizados. Importncia fundamental para o desenvolvimento desses sistemas para juntas de campo conhecer os sistemas instalados em planta e os requerimentos aplicados a estes para entender o que se requer para proteger as juntas, observando-se principalmente os seguintes pontos:

A natureza qumica e a estrutura do revestimento de planta para buscar total compatibilidade entre este e o material aplicado s juntas, fornecendo continuidade ao revestimento da tubulao;

Normas, especificaes e expectativas das concessionrias para poder selecionar materiais que, depois de instalados, brindem propriedades de proteo anticorrosiva, resistncia mecnica e em certos casos de isolamento trmico similares s resultantes do revestimento aplicado em planta e que cumpram com os requerimentos contidos nessas normas e especificaes;

Aplicabilidade em campo e otimizao dos tempos de instalao e intervalo para o lanamento do duto quer seja em uma vala, por uma perfurao direcional ou em gua do mar de maneira a facilitar o trabalho das empreiteiras durante as obras de construo e viabilizar o uso destes sistemas. Obviamente, cronogramas de construo de dutos em diferentes aplicaes podem variar muito, sendo os projetos de aplicaes offshore os que mais demandam neste sentido e fazem com que melhorias no s aos materiais e sistemas, mas tambm aos equipamentos e processos de instalao sejam continuamente buscadas para garantir competitividade ainda mantendo a repetibilidade e o controle de qualidade das instalaes.

Assim, ao longo do tempo, revestimentos anticorrosivos aplicados em planta como sistemas de trs camadas consistindo de um primer epxi, geralmente em p aplicado eletrostaticamente (FBE ou Fusion Bonded Epoxy), uma camada externa de proteo anticorrosiva formada por uma poliolefina (polietileno ou polipropileno) extrudada lateralmente ou concentricamente ao tubo sobre um adesivo copolimrico que permita boa aderncia da poliolefina de natureza apolar ao epxi polar, vieram substituir revestimentos anteriormente utilizados a base de esmaltes asfticos, esmaltes de alcatro de hulha e fitas aplicadas a frio. A Figura 1 ilustra esquematicamente um sistema de revestimento tripla camada de poliolefina.

Figura 1. Sistema Tripla Camada de Revestimento Aplicado em Planta e Foras entre as Camadas.

Este tipo de revestimento vem sendo amplamente utilizado, principalmente na Europa e na Amrica do Sul por apresentar excelente resistncia mecnica, qumica, demandar menos gastos com proteo catdica durante a vida til do duto e combinar as excelentes caractersticas de barreira gua das poliolefinas com a baixa permeabilidade a gases e a excelente resistncia ao descolamento catdico dos primers epxis.

Para oferecer continuidade e resistncia similares a esses sistemas aplicados em planta, foram desenvolvidos sistemas de revestimento de juntas de campo com mantas termocontrteis utilizando um primer epxi lquido, j que este facilita o manuseio e a aplicao em campo em relao ao FBE, conforme esquematizado na Figura 2.

Figura 2. Sistema Tripla Camada de Revestimento para Juntas de Campo Soldadas

Estes sistemas espelham o revestimento de planta. O primer epxi oferece continuidade ao FBE formando a primeira camada de proteo anticorrosiva do duto, o filme externo ou backing de poliolefina reticulada continua a camada externa de proteo mecnica aplicada aos tubos e o adesivo das mantas soma os importantes papis de, alm de apresentar propriedades de proteo anticorrosiva por barreira, aderirse aos diferentes substratos envolvidos, apresentando total compatibilidade ao epxi, ao adesivo copolimrico e poliolefina.

O desenvolvimento e a combinao de diferentes tipos de adesivos e backings ou filmes externos assunto da seo 3.

2. Propriedades importantes das poliolefinas utilizadas para a fabricao dos sistemas tripla camada aplicados em planta e em campo.

Para compor os sistemas tripla camada aplicados em planta ou os sistemas de mantas termocontrteis podem-se utilizar diferentes grades de polietileno, com diferentes faixas de densidades, ramificados ou lineares e com diferentes pesos moleculares e distribuio de pesos moleculares ou ento grades de polipropilenos homopolmeros ou copolmeros de impacto, geralmente combinados a aditivos que melhoram seu desempenho de barreira umidade e aos gases. Algumas propriedades importantes so influenciadas pelo aumento da densidade da poliolefina (que define como se processou sua cristalizao e como se formaram as ramificaes das cadeias), outras dependem mais do aumento do peso molecular (PM), como mostra a Tabela 1.

Propriedade Aumento da Densidade (cristalizao) Aumento do PM

Facilidade de processamento No Altera Diminui

Velocidade de extruso No Altera Mais Baixa

Permeabilidade a gases e solventes Mais Baixa Diminui pouco

Resistncia a flexo e rigidez Aumenta bastante Aumenta pouco

Dureza superficial Aumenta Aumenta pouco

Resistncia ao impacto Baixa Aumenta bastante

Resistncia qumica Aumenta Aumenta Tabela 1. Alterao nas propriedades das poliolefinas de acordo com a densidade e com o peso molecular

A processabilidade das poliolefinas diminui com o aumento do peso molecular. Podemos citar como exemplo o caso dos polietilenos de ultra alto peso molecular (PEUAPM) que apresentam propriedades mecnicas (impacto, abraso, etc) muito superiores s do polietileno de alta densidade (PEAD), mas so muito difceis de processar, sendo praticamente impossvel faz-lo atravs de extrusoras comuns (polietilenos bimodais podem ser utilizados de forma a fornecerem propriedades similares as dos PEUAPM mantendo a facilidade de processamento).

J a permeabilidade a gases e solventes depende mais do aumento da densidade, ou seja, do grau de cristalizao do polmero que de seu peso molecular. O polietileno de alta densidade mais denso que o polipropileno homopolmero sendo menos permevel. Pode-se contudo, utilizar aditivos como o Basell Adstif agregados ao polipropileno de maneira a melhorar suas propriedades de barreira. Outras propriedades como a flexo, a rigidez e a dureza tambm so muito mais governadas pela densidade do polmero que pelo PM das macromolculas. Para todas as outras propriedades mecnicas importantes como a resistncia a trao, ao impacto e ao rasgo, o acrscimo no peso molecular influencia mais positivamente que o aumento da densidade.

A Tabela 2 mostra uma comparao de propriedades entre diversas grades de polietileno com o polipropileno homopolmero.

Propriedade PP-H PEAD PEMD PEBDL PEBD

Temperatura de Fuso (C) 160-165 126-135 120-125 126 105-118 Resistncia trao Kgf/cm2 300-390 210-380 80-240 40 - 140

Alongamento na Ruptura (%) 200-700 90-800 50-600 90-800 Ponto de Amolecimento Vicat (C) 90-95 60-80 45-60 Condutividade Trmica (W/(mK)) 0,21-0,22 0,38-0,51 0,32-0,40 Densidade (g/cm3) 0,90-0,92 0,94-0,96 0,925-0,935 0,935 0,915-0,92 Dureza Shore D 62-70 58-63 45-60 38-60 45-51

Dureza Rockwell 75 - 92 65 15 10

Resistividade Volumtrica (ohm.m) > 1016 > 1015 > 1015 > 1015 > 1015 Rigidez Dieltrica (KV/mm) 50-70 30-40 30-40 30-40 30-40 Permeao a Vapor (g/m2 d) 0,92-1,0 0,9 1,2 Absoro de gua, 24 h (%) < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 Tabela 2. Propriedades tpicas para polipropileno homopolmero e polietileno de diversas grades

O polipropileno que apresenta macromolculas com estrutura linear e elevado grau de cristalizao tem dureza consideravelmente superior aos polietilenos como visto na Tabela 2, resultando em materiais com maior rigidez e propriedades mecnicas superiores s do PEAD, como resistncia ao impacto pelo menos duas vezes e meia maior, resistncia penetrao superior e mantida em alta temperatura e maior resistncia abraso.

Outro diferencial desta poliolefina apresentar um ponto de fuso consideravelmente mais alto que o dos polietilenos e manter boas propriedades mecnicas quando sujeitos temperaturas em que outras poliolefinas falhariam completamente.

Finalmente, uma outra caracterstica de importncia industrial sua menor condutividade trmica, conforme mostra a Tabela 3, podendo inclusive ser empregada para compor revestimentos isolantes trmicos (na forma de espumas de PP, com agregados de microesferas de vidro ou mesmo PP slido).

Propriedades

PP-H PEAD PEBD

Ponto de Fuso (C) (Ordem de Grandeza)

165 132 110

Condutividade Trmica (W/m.K)

0,22 0,38-0,51 0,32-0,40

Tabela 3. Condutividade Trmicas do Polipropileno Homopolmero e dos Polietilenos de Alta e Baixa Densidade.

Tanto o PEAD quanto o PP so praticamente imunes ao ataque qumico em aplicaes tpicas como revestimento de dutos submersos ou enterrados e no devem sofrer alteraes importantes quando expostos a solues cidas diludas e outros agentes contidos nos solos ou em gua do mar, exceto para aplicaes em dutos enterrados em refinarias ou plantas qumicas onde pode haver contato com produtos como agentes oxidantes, cidos fortes e hidrocarbonetos aromticos ou clorados. A Tabela 4 mostra o efeito de alguns agentes qumicos em contato com o polietileno de alta densidade e o polipropileno.

Agentes PEAD PP

Solues cidas diludas Resistente Resistente

cidos fortes e agentes oxidantes Resistente, porm sofre ataque lento

Resistente, porm sofre ataque lento (mais que PEAD)

Hidrocarbonetos alifticos Aumento volume, permeabilidade Aumento volume,

permeabilidade

Hidrocarbonetos aromticos e clorados

Sofre ataque, aumento volume, permeabilidade

No resiste

Detergentes Stress Cracking Resistente

Alcoois Resistente Resistente Tabela 4. Resistncia do PP e do PEAD aos agentes qumicos mais comuns.

cidos fortes e agentes oxidantes atacam as poliolefinas lentamente, sendo que os oxidantes so mais agressivos ao PP. A interao com solventes aromticos, clorados e alifticos tambm os atacam lentamente causando inchamento, dissoluo parcial, mudana de colorao ou quando expostos por tempo prolongado podem causar sua degradao. Os polipropilenos se degradam mais facilmente que os polietilenos quando expostos aos hidrocarbonetos aromticos e clorados. Por outro lado, a exposio do polietileno a agentes tensoativos provoca uma reduo de sua resistncia mecnica por efeito de tenso-fissuramento superficial. Alm disto, os polietilenos so mais suscetveis a Environmental Stress Cracking (ESC) que o polipropileno.

Todas as propriedades descritas acima alm dos fatores econmicos e as diferenas de manuseio em campo e nas instalaes devem ser levadas em conta quando se especificam revestimentos poliolefnicos para dutos enterrados ou submersos de forma a eleger-se o material mais adequado para cada aplicao.

3. Sistemas de Mantas Termocontrteis. Conceitos, composio e processo fabril.

So revestimentos que consistem de um filme externo ou backing de poliolefina reticulada que recebem a laminao de um adesivo termo-ativado em sua face interna, tendo como funo a proteo anticorrosiva e mecnica das juntas de campo soldadas. As mantas em geral proporcionam excelente barreira contra a umidade e boa resistncia mecnica, sendo que a poliolefina reticulada que forma o backing, fabricada por processos de reticulao qumicos ou por bombardeo eletrnico, tem papel fundamental e deve ser escolhida de acordo com a aplicao, podendo ser utilizadas diversas grades de polietileno (PEAD, PEBDL, PEMD ou blendas de polietileno) ou polipropileno, o ltimo muito mais resistente mecanicamente.

A Figura 3a esquematiza as etapas do processo fabril para a manufatura de backings reticulados termocontrteis. J a Figura 3b mostra como a estrutura qumica das macromolculas de polietileno reticulada no processo de bombardeio eletrnico. J

Figura 3a

Figura 3b

Figura 3a. Processamento de Backings de Polietileno Reticulado 3b. Reticulao das Cadeias de Polietileno.

As mantas termocontrteis podem ainda ser instaladas em combinao com um primer epxi de maneira a espelharem o revestimento tripla camada dos tubos. Os primers epxies utilizados nesses sistemas oferecem excelente barreira ao oxignio e outros gases, aderncia ao substrato e resistncia ao descolamento catdico. Como os processos de instalao envolvem aplicao trmica (cura forada do epxi / pr-aquecimento para ativar o adesivo da manta), os epoxies utilizados obrigatoriamente so livres de solvente e 100% slidos, so escolhidos conforme a temperatura de operao da linha e devem ser totalmente compatveis com a manta a se utilizar. Espessuras tpicas aplicadas nos sistemas tripla camadas de mantas so similares s de FBE aplicadas em planta, ou seja, entre 150 e 250 m de espessura. Epoxies de alta espessura conhecidos como HBE (High Building Epoxies) tambm esto disponveis e pode-se aplic-los com at 500 m de espessura, o que vem sendo estudado por algumas concessionrias para uso em aplicaes offshore. O sistema necessita ainda de um selo de fechamento reticulado no termocontrtil, adesivado em sua face interna para fixar a rea de sobreposio entre os extremos da manta permitindo sua contrao trmica sobre as juntas. A Figura 4 mostra o esquema de um sistema de mantas tripla camada.

Figura 4. Esquema para um sistema tripla camada de mantas termocontrteis

4. Desenvolvimento dos sistemas de mantas de polietileno, polipropileno e de sistemas hbridos combinando elementos dos anteriores

4.1. Mantas Termocontrtreis de Polietileno Reticulado As mantas de polietileno reticulado foram primeiramente desenvolvidas devido a maior facilidade no processamento do polietileno termoplstico e sua reticulao controlada por processos qumicos como o Engel que utiliza perxidos ou atravs de silanos. Posteriormente a reticulao dos polietilenos passou a ser feita por processos eletrnicos, em geral mais custosos, mas que permitem melhor controle do processo e melhores resultados quanto a aplicao em campo. Diferentes grades de polietileno podem ser utilizadas dependendo da aplicao. Assim, em ambientes extremamente frios onde a flexibilidade em baixa temperatura importante pode-se utilizar um backing de polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) enquanto que para uma aplicao em um duto de grande dimetro de um oleoduto que operar a uma temperatura entre 60 e 80C, utiliza-se um polietileno de alta densidade (PEAD) para a fabricao do backing.

Importante notar que os polietilenos somente so utilizados em dutos que operam a at 70 ou 80C porque em temperaturas superiores a estas, no apresentam dureza, resistncia a penetrao, resistncia ao impacto e abraso suficientes e nesses casos, sistemas tripla camada de polipropileno podem ser utilizados.

As mantas de polietileno, por serem desenhadas para operarem a at 80C, empregam adesivos adequados para esta faixa de temperatura. Existe grande variedade de adesivos que, obviamente, devem ser escolhidos de acordo com a aplicao. Para especificar-se o sistema mais adequado, diversos parmetros devem ser considerados, incluindo o dimetro da tubulao, a densidade do fluido a se transportar, o revestimento de planta com o qual deve ser compatvel, o tipo de construo a empregar-se (se ser lanado em vala comum, por perfuraes direcionais, cravamento, lanamentos offshore atravs de distintos mtodos como Reel Lay, S-Lay, J-Lay, shore approach, etc.), as condies ambientais no local onde ser construdo o duto, o tipo de solo (se argiloso, arenoso, seu teor de quartzo, etc.) e

finalmente, a temperatura de operao projetada. Os adesivos dividem-se basicamente em dois grandes grupos de acordo com suas caractersticas termodinmicas:

4.1.1. Adesivos Tipo Mastique: So adesivos que no apresentam um ponto de fuso bem definido, mas amolecem com o aumento de temperatura apresentando um ponto de amolecimento em que j no oferecem qualquer resistncia ao cisalhamento e fluem. Devido s suas caractersticas, em geral so adequados para aplicaes em dimetros menores que 500 mm (20), baixas temperaturas de operao e como sistemas de dupla camada j que apresentam boa resistncia ao descolamento catdico sem necessitar de um primer epxi. So adesivos mais tolerantes a preparaes de superfcie mecnicas com baixo perfil de ancoragem.

4.1.2. Adesivos Tipo Hot Melt: So adesivos termoplsticos que apresentam um ponto de fuso definido, adequados para operarem a temperaturas mais altas mantendo a resistncia ao cisalhamento, praticamente sem restries de dimetro e geralmente formando sistemas tripla camada j que, em geral, necessitam de um primer epxi por no apresentarem boa resistncia ao descolamento catdico quando aplicados diretamente ao ao. Alm disto, necessitam de uma preparao de superfcie que resulte em uma limpeza pelo menos ao metal quase branco e com perfil de rugosidade mnimo de 40 m, geralmente obtida atravs de jateamento abrasivo.

O adesivo mais popularmente utilizado para tubulaes de petrleo, gs, gua e minrios para temperaturas de operao entre as criognicas e 65C (que abrange a grande maioria das aplicaes para polietilenos) classificado como um hot melt por apresentar ponto de fuso definido de 94C (para que apresente resistncia ao cisalhamento e consequentemente resistncia as movimentaes da tubulao, soil stress, etc. durante operao a at 65C) e que formulado de maneira a maximizar sua aderncia s superfcies metlicas e dos revestimentos adjacentes s juntas, devido a suas caractersticas termodinmicas/reolgicas. Este adesivo chamado Open Adhesive funde a uma temperatura superior temperatura que se solidifica, de forma que durante a instalao permanece por mais tempo na fase lquida em contato com a superfcie da junta de campo sob a presso exercida pela contrao trmica do backing, conforme mostra o diagrama constante da Figura 5.

Figura 5. Adesivo fabricado com tecnologia Open Adhesive que permite mais tempo de contato do adesivo na fase lquida com o substrato.

Alm disto, o uso de adesivos com estas caractersticas permite obter um sistema com alta resistncia ao cisalhamento (na ordem de 240 N/cm2 a 23C e 15 N/cm2 a 65C DIN 30672 com velocidade de teste de 10 mm/minuto) aplicados em temperaturas relativamente baixas porque fundem em temperatura pouco superior aos 90C e dispensa o uso do epxi sobre o revestimento de planta que poderia gerar problemas de compatibilidade e aderncia.

4.2. Mantas Termocontrtreis de Polipropileno Reticulado Como anteriormente citado, para temperaturas de operao superiores a 80C (e at 140C), necessrio substituir-se o polietileno por polipropileno para compor sistemas tripla camada de revestimentos. J a algumas dcadas os revestimentos de polipropileno foram desenvolvidos mas sua aplicao vem aumentando gradualmente conforme a necessidade de se explorar petrleo em guas mais profundas, bombear fluidos a temperaturas mais elevadas, lanar tubulaes em ambientes inspitos, em terrenos rochosos agressivos, etc.

Com o desenvolvimento de sistemas tripla camada de polipropileno (3LPP) para aplicao em plantas de revestimento, a dificuldade estava em se revestir as juntas de campo de maneira a lograr-se um desempenho similar.

Em 2001 o laboratrio de pesquisa e desenvolvimento do grupo ShawCor desenvolveu um processo controlado de reticulao do polipropileno que permitiu a fabricao de sistemas de mantas de polipropileno, combinando-o a adesivos de base polipropileno e um epxi 100% slidos para alta temperatura. Este sistema cumpre com todas as normas e especificaes utilizadas para o revestimento principal de polipropileno como a NF A 49-711 e a DIN 30678, assim como a prticas recomendadas para revestimento de juntas de campo como a DNV-RP- F-102 em seu captulo sobre juntas de polipropileno. Isto possvel porque os sistemas de juntas de campo de polipropileno desenvolvidos so fabricados a partir das mesmas matrias-primas, ou similares, s utilizadas para fabricar o sistema de 3LPP aplicado em planta, conforme ilustra a Figura 6.

Figura 6. Revestimentos de planta e de juntas de campo. Matrias-primas.

Estes sistemas para juntas de campo foram testados e aprovados para aplicaes em dutos que operam a at 140C e podem ser aplicadas em espessuras de at 8 mm, sem a necessidade de um material de infill, de maneira a cumprir com especificaes de revestimento de tubulaes offshore em que o revestimento de planta seja espesso devido a necessidade de resistncia mecnica superior ou de isolamento trmico (ver IBP 1335_09 Engineered Pipeline Field Joint Coating Solutions for Demanding Conditions. Lemuchi A, Gudme C., Buchanan R.).

Da mesma forma como estabelecido na seo 2 quando desenvolvemos uma comparao entre as poliolefinas utilizadas como camada externa dos sistemas aplicados em planta, os backings de polipropileno reticulado apresentam desempenho muito superior aos de polietileno reticulado quanto a resistncia mecnica, conforme pode-se verificar na Tabela 5 que mostra as propriedades tpicas para as mantas de polipropileno.

Propriedade Mtodo de Ensaio Unidades Valores Tpicos

Ponto de Fuso do Adesivo de PP ASTM D3418 g/cm3 147

Resistncia ao Cisalhamento a 23C DIN 30672 N/cm2 > 500

Resistncia ao Cisalhamento a 100C DIN 30672 N/cm2 > 100

Resistncia ao Cisalhamento a 140C DIN 30672 N/cm2 > 50

Dureza ASTM D2240 Shore D 65

Aderncia ao Ao e ao 3LPP a 100C NF A 49-711 N/cm 80

Aderncia ao Ao e ao 3LPP a 140C NF A 49-711 N/cm 40

Impacto NF A 49-711 J/mm >10

Penetrao a 140C DEP 31.40.30.31 mm residual < 0.6

Penetrao a 110C NF A 49-711 mm 0.38

Descolamento Catdico a 130C, 28 ASTM G42 modificada mm < 3 Tabela 5. Propriedades tpicas para sistema de mantas de polipropileno

Alm do revestimento de juntas de campo de dutos revestidos com 3LPP, o sistema de mantas de PP vem sendo utilizado para outras aplicaes como transies de FBE para 3LPP, conforme ilustra a Figura 7 e de juntas de dutos offshore isolados termicamente com PP slido, sinttico ou espumas de PP. Neste caso, as mantas de PP so geralmente combinadas com sistemas de isolamento trmico de poliuretano slido ou outro material de baixa condutividade trmica injetados nas juntas, conforme mostra a Figura 8.

Figura 7. Projeto Greater Plutonio Angola. Revestimento de zonas de transio 3LPP/FBE com mantas de polipropileno .

7a 7b

Figura 8. Projeto PDET guas Rasas - Petrobras. Revestimento de juntas de campo com mantas termocontrteis de polipropileno e isolamento trmico com poliuretano slido.

O sistema de mantas de polipropileno por apresentar um adesivo que funde a cerca de 150C, necessita de um pr-aquecimento a uma faixa de temperaturas entre 175-190C. Isto, somado a susceptibilidade do polipropileno oxidao trmica e o chamado efeito waxing que impede a aderncia de qualquer material caso o PP seja aquecido a altas temperaturas com a incidncia de chama direta, impede que o PP possa ser pr-aquecido atravs de maaricos de propano como no caso dos sistemas de mantas de polietileno e assim, o uso de aquecimento indireto por induo estritamente necessrio. A Figura 9a mostra um esquema tpico para a otimizao das estaes de revestimento em uma balsa de lanamento para a instalao de mantas de polipropileno. A Figura 9b apresenta uma foto de uma instalao de manta de PP em firing line de uma balsa de lanamento tipo S.

Figura 9a. Processo tpico de instalao de mantas de polipropileno a bordo de uma balsa de lanamento de dutos. 9b. Foto de instalao de manta de PP em uma linha de produo de uma balsa de lanamento tipo S.

Existem aplicaes, porm, em que a temperatura de operao no alta suficiente para demandar uma manta de polipropileno, sendo que em muitos casos o revestimento de planta feito com polietileno tripla camada, mas em que se necessita de uma proteo mecnica superior nas juntas de campo que a fornecida pelos backings de PEAD. Para estes casos, desenvolveram-se os sistema hbridos de mantas termocontrteis.

9a 9b

8a 8b

4.3. Mantas Termocontrteis Hbridas Utilizando-se de adesivos tipo mastiques ou hot melts para temperaturas entre 60 e 80C, de tecnologias comprovadas com vasto histrico positivo de projetos e compatibilidade tanto com FBE como com polietileno e polipropileno, como os adesivos apresentados na seo 4.1 e combinando-os com filmes externos de polipropileno como os apresentados na seo 4.2, obtm-se as chamadas mantas hbridas. A Figura 10a ilustra esquematicamente um sistema de mantas hbridas e a Figura 10b mostra uma foto de um sistema hbrido com elementos de sacrifcio para lanamento em uma perfurao de shore approach.

Figura 10a. Esquema de um sistema de mantas hbridas. 10b. Foto de um sistema hbrido aplicado nas juntas de 16 de dimetro de seo lanada em perfurao de shore approach no projeto Terminal Norte Capixaba.

As mantas hbridas, tipicamente utilizadas para o revestimento de juntas de campo de tubulaes operando em temperaturas intermedirias (at 80C) em que se necessita de resistncia mecnica superior ou nas quais o uso de um backing mais robusto oferece grandes vantagens quanto diminuio dos ciclos de instalao aumentando a produtividade, permitem que se utilize um procedimento de instalao simplificado j que este depende fundamentalmente do primer epxi (se aplicvel) e do tipo de adesivo do sistema.

A Figura 11 ilustra um agressivo ensaio de impacto executado em mantas com backings de PP como parte de qualificaes dos sistemas para projetos offshore mostrando uma das grandes vantagens das mantas hbridas.

Figura 11. Ensaio de impacto aplicado a mantas com backingde polipropileno

Assim, diferentemente das mantas de polipropileno (com adesivos base polipropileno) que so compatveis apenas com 3LPP e extensamente utilizadas nos casos de dutos que operam a

10a 10b

alta temperatura, as mantas hbridas no necessitam de equipamentos especficos para o pr-aquecimento como geradores e fornos de induo, tendo em seu processo de instalao um pr-aquecimento na faixa de 70-100C, de acordo com o adesivo utilizado e que pode ser executado atravs de maaricos de propano ou GLP.

Alm de menos equipamentos envolvidos na instalao, estes sistemas permitem uma reduo considervel nos ciclos de aplicao, extremamente importantes no caso de lanamento de tubulaes offshore.

A manta hbrida mais comumente utilizada combina o backing de polipropileno com um adesivo tipo hot melt de tecnologia Open Adhesive conforme descrito na seo 3.1, adequado para temperaturas de operao de at 65C. Este sistema pode ser aplicado como tripla camada com a adio de um primer epxi 100% slidos.

O sistema acima descrito necessita de uma preparao de superfcie por jateamento abrasivo ao metal quase branco com perfil de ancoragem de pelo menos 40 m, pr-aquecimento mnimo de 90C que pode ser executado atravs de maaricos de propano ou por induo e alm das vantagens inerentes ao uso do filme externo de PP, possibilita que em aplicaes em que o tempo para o lanamento restritivo, se esfrie o sistema imediatamente aps aplic-lo, geralmente com gua corrente (water quenching) mais rapidamente que sistemas tradicionais com backings de polietileno reticulado.

Isto ocorre porque os backings de polipropileno reticulado alcanam uma dureza relativa suficiente para que possam passar pelos roletes na linha de produo a uma temperatura de 135C enquanto que backings de polietileno reticulado devem ser esfriados at pelo menos 80C antes que possam passar pelos roletes, demandando mais tempo de water quenching.

A Figura 12 mostra um grfico que compara o que ocorre em aplicaes de mantas com mesmo adesivo para 65C e backings de PE e PP (manta hbrida) mostrando que a diferena de tempos de water quenching de uma manta hbrida para uma manta com backingde PE pode chegar a 3 minutos. Obviamente, esta diferena de tempos de aplicao depende do dimetrodo duto, do desenho do sistema de water quenching utilizado e do sistema de pr-aquecimento empregado.

Figura 12. Comparao dos tempos de esfriamento forado com gua para mantas com backings de PE e de PP com o mesmo tipo de adesivo hot melt para 65C.

Alm das grandes vantagens de reduo de ciclo de instalao, mais importantes para aplicaes offshore em balsas de lanamento, outras aplicaes que demandam o uso desta tecnologia incluem:

Revestimentos de juntas de campo de colunas a serem lanadas em perfuraes dirigidas onde o solo agressivo contendo alto teor de quarto ou rochas.

Revestimento de colunas lanadas em perfuraes de shore approach;

Tubulaes a serem enterradas em localidades onde difcil conseguir material selecionado para o reaterro das valas;

Aplicaes em que o revestimento de planta especificado o 3LPP devido ao tipo de terreno e de solo da regio necessitando de proteo mecnica similar nas juntas campo;

Outras aplicaes demandando resistncia mecnica superior.

5. Antecedentes de Projetos que empregaram Mantas Hbridas para diferentes aplicaes

Apesar do desenvolvimento das mantas hbridas ser relativamente recente, existe um histrico considervel de projetos de tubulaes de petrleo e gs tanto onshore como offshore que empregaram esses sistemas com comprovao de suas vantagens quanto aos revestimentos tradicionais. A seguir citamos alguns desses projetos executados na Amrica do Sul com alguns detalhes e fotos.

5.1. Petrobras Gasoduto Campinas-Rio

Ano de Construo: 2004-2005

Localidade: Onshore Brazil

Cliente/Concessionria: Petrobras

Empreiteira: GDK SA

Comprimento Total: 182 km

Dimetro Nominal: 28

Figura 13. Coluna de 28 de dimetro com juntas revestidas com sistemas hbridos a ser lanada em uma perfurao dirigida.

Sistemas Aplicados: Sistema tripla camada de mantas de polietileno com adesivo Hot Melt para 65C para as aplicaes em valas comuns e sistema hbrido com adesivo Hot Melt para 65C para perfuraes direcionais em solos agressivos.

5.2. Petrobras Terminal Norte Capixaba

Ano de Construo: 2005

Localidade: Offshore Brasil

Cliente/Concessionria: Petrobras

Empreiteira: Conduto

Comprimento Total: 30 Km com 2 colunas de 1 Km x 16OD de Shore Approach

Dimetro Nominal: 16

Figura 14. Coluna com juntas revestidas com sistemas hbridos lanada por shore approach, vista na sada da perfurao na praia.

Sistemas Aplicados: Sistema tripla camada de mantas de polipropileno com adesivo base polipropileno na seo offshore e o mesmo sistema anticorrosivo acrescido de uma manta hbrida com adesivo tipo mastique para 100C para as juntas das colunas lanadas em perfuraes de shore approach.

5.3. Planos de Expanso 2006-2008 TGN e TGS

Ano de Construo: 2007-2009

Localidade: Onshore Argentina

Cliente/Concessionria: TGN/TGS

Empreiteira: Techint e outras

Comprimento Total: >550 Km

Dimetro Nominal: 26 e 30

Figura 15. Aplicao de sistemas de mantas hbridas nos projetos de Plano de Expanso da TGN e da TGS.

Sistemas Aplicados: Em ambos os projetos, foram utilizados sistema tripla camada de mantas de polietileno com adesivo Hot Melt para 65C para as aplicaes em valas comuns e sistema hbrido com adesivo Hot Melt para 65C para perfuraes direcionais em solos agressivos.

6. Concluso

A atividade de proteo de juntas de campo soldadas requer tecnologias e alternativas especificas para cada tipo de aplicao, seja em obras de gasoduto, oleodutos, aquedutos ou minerodutos. Para diversas aplicaes em que se necessita de uma resistncia mecnica superior s dos tradicionais sistemas de polietileno reticulado existe a opo de se empregar sistemas de mantas hbridas que oferecem o melhor dos backings de polipropileno, mas mantendo um procedimento de instalao simples e rpido evitando o uso de equipamentos complexos como necessrio para instalar-se uma manta de polipropileno. Finalmente, estes sistemas hbridos utilizam adesivos que so compatveis com praticamente todos os tipos de revestimento de planta abrangendo ampla gama de aplicaes.

7. Referncias Bibliogrficas

1. N.S Allen, M.E.D. Holdsworth, A. Rahman, F. Catalina, E. Fotan, A.M. Escalona, F.F. Sibon, Ageing and spectroscopy properties of polyethylenes comparison with metallocene polymer

2. M. Ashby, H. Schercliff, D. Cebon, Materials Engineering science processing and design

3. F.M.B. Coutinho, I.L. Mello, L.C. Santa Maria, Polietileno Principais tipos, propriedades e aplicaes, Instituto de Qumica, UERJ

4. M. Welander, Effect of High Stress on the ageing behaviour of High Density Polyethylene, Chalmers University of Technology, Dept of Polymeric Materials, Goteborg, Sweden

6. J.R.B. Danielleto, Manual de Tubulaes de Polietileno e Polipropileno

7. Catlogos Tcnicos Canusa-CPS, A ShawCor Company

8. Catlogo Tcnico Safplast Polipropileno

9. Catlogos Tcnicos Emco Plsticos Industriais - Polipropileno Homopolmero e Polipropileno Copolmero

10. Lemuchi A, Gudme C., Buchanan R, IBP 1335_09 Engineered Pipeline Field Joint Coating Solutions for Demanding Conditions