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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Avaliação da Resistência ao Desgaste Abrasivo de Risers Flexíveis –
Proposição de uma Nova Metodologia de Teste
JULIANO OSÉIAS DE MORAES
Uberlândia, 27 de setembro de 2005.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Avaliação da Resistência ao Desgaste Abrasivo de Risers Flexíveis –
Proposição de uma Nova Metodologia de Teste
Dissertação apresentada
à Universidade Federal de Uberlândia por:
JULIANO OSÉIAS DE MORAES
como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre
em Engenharia Mecânica
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Sinésio Domingues Franco - (UFU) – Orientador
Prof. Dr. José Daniel B. de Mello – (UFU)
Dr. Luíz Cláudio de Marco Meniconi – (PETROBRAS/CENPES)
Uberlândia, 27 de setembro de 2005.
ii
FICHA CATALOGRÁFICA
M827a Moraes, Juliano Oséias, 1980 -
Avaliação da Resistência ao Desgaste Abrasivo de Risers
Flexíveis – Proposição de Nova Metodologia de Teste / Juliano
Oséias de Moraes – Uberlândia, 2005.
142p. :il.
Orientador: Sinésio Domingues Franco.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia,
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica.
Inclui bibliografia.
1. Tribologia – Teses. 2. Desgaste Mecânico – Teses. 3.
Polímeros – Teses. 4. Petróleo – Tubulações – Teses. I. Franco,
Sinésio Domingues. II. Universidade Federal de Uberlândia.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. III. Título.
CDU: 620.178.162 (043.3)
iii
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v
à meus pais
vi
vii
Agradecimentos
Ao meu Deus pela revelação do seu cuidado me mantendo com saúde e lucidez
para a realização deste e de outros trabalhos.
Ao meu pai pelo caráter, idoneidade, apoio e confiança.
À minha mãe pelo amor, carinho e dedicação constate em toda minha carreira.
À minha irmã e família pelo incentivo.
Ao meu orientador, Prof. Sinésio Domingues Franco, pela competência e destreza
na orientação.
Ao engº. Marcelo Torres Piza Paes da Petrobras, pelas discussões e sugestões.
Ao Prof. Dr. Adriano Alves Pereira, à mestranda Marcelle Alencar Urquiza, e aos
graduandos Daniel Vieira e Maxwell Cury Júnior, pelo apoio na parte de projeto do
controle eletrônico.
Ao amigo e doutorando Flávio José da Silva pela participação diária contribuindo
em discussões e ensinamentos.
Ao amigo Mestre Francisco Francelino Ramos Neto pelo companheirismo e
parceria nos estudos e discussões.
Ao engenheiro Teófilo Ferreira Barbosa Neto pelo apoio na fase de projeto e
desenho do equipamento de desgaste (SIMMC) como aluno de Iniciação Científica.
Ao graduando Leonardo Resende Alves pelo auxílio como aluno de Iniciação
Cientifica neste trabalho.
À Ângela Maria Silva Andrade pela amizade e presteza em todas as atividades
realizadas no Laboratório de Tribologia e Materiais.
À secretaria Eunice Helena Nogueira por todo suporte.
Aos colegas e amigos do LTM e técnicos da oficina mecânica pela contribuição.
À Universidade Federal de Uberlândia pela oportunidade do desenvolvimento deste
trabalho de mestrado e à CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível
Superior e à Petrobras pela concessão de bolsa de mestrado e apoio financeiro.
Enfim, a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram no desenvolvimento deste
trabalho.
viii
Sumário
ix
Sumário
Capítulo I – Introdução....................................................................................................01
Capítulo II – Revisão Bibliográfica...................................................................................07
2.1 – Tribologia.................................................................................................................07
2.1.1 – Tipos de desgaste......................................................................................07
2.1.1.1 – Desgaste por abrasão..................................................................08
2.2 – Materiais Poliméricos..............................................................................................13
2.2.1 – Introdução...................................................................................................13
2.2.2 – Definições...................................................................................................13
2.2.3 – Classificação...............................................................................................14
2.2.3.1 – Quanto à ocorrência.....................................................................14
2.2.3.2 – Quanto à natureza da cadeia.......................................................15
2.2.3.3 – Quanto à disposição espacial dos monômeros............................15
2.2.3.4 – Quanto à estrutura final do polímero............................................15
2.2.4 – O Poliuretano..............................................................................................16
2.2.4.1 – Isocianatos....................................................................................17
2.2.4.2 – Polióis...........................................................................................18
2.2.4.3 – Agentes de cura...........................................................................19
2.2.5 – Tipos de poliuretanos (PU)........................................................................19
2.2.5.1 – Elastômeros de poliuretano........................................................19
2.2.6 – Estrutura dos PU’s.....................................................................................20
Sumário
x
2.2.6.1 – Poliuretanos segmentados.........................................................21
2.2.6.2 – Efeito dos segmentos rígidos......................................................22
2.2.6.3 – Efeito dos segmentos flexíveis....................................................23
2.2.6.4 – Poliuretanos com ligações cruzadas...........................................23
2.2.7 – Propriedades mecânicas de materiais poliméricos.....................................24
2.2.7.1 – Propriedades elásticas.................................................................24
2.2.7.2 – Resistência ao rasgo....................................................................26
2.2.7.3 – Resiliência....................................................................................27
2.2.7.4 – Histerese.......................................................................................27
2.2.7.5 – Dureza..........................................................................................27
2.2.7.6 – Técnica de indentação-esférico-instrumentada (IEI)....................28
2.2.8 – Resistência ao desgaste por partículas duras............................................28
2.3 – Linhas Flexíveis.......................................................................................................34
2.3.1 – Descrição....................................................................................................34
2.3.2 – Problema.....................................................................................................35
2.3.3 – Desgaste na região do TDP........................................................................37
Capítulo III – Procedimentos Experimentais...................................................................53
3.1 – Avaliação dos Mecanismos de Desgaste e Seleção dos Ângulos de Ataque...55
3.2 – Concepção e Construção da Infra-estrutura de Ensaio de Desgaste
Abrasivo........................................................................................................................................56
3.2.1 – Método proposto.........................................................................................56
3.2.2 – Projeto e desenvolvimento do equipamento...............................................56
3.2.2.1 – Cuba de teste...............................................................................57
Sumário
xi
3.2.2.2 – Sistema de refrigeração................................................................58
3.2.2.3 – Sistema de movimentação relativa entre calhas e penetradores.58
3.2.2.4 – Sistema de controle......................................................................61
3.2.3 – Operacionalização do SIMMC.....................................................................62
3.3 – Validação do Equipamento.....................................................................................63
3.4 – Produção das Amostras..........................................................................................63
3.4.1 – Material.......................................................................................................63
3.4.2 – Dimensões..................................................................................................64
3.5 – Caracterização das Propriedades Mecânicas das Amostras..............................65
3.5.1 – Ensaios de tração e alongamento...............................................................65
3.5.2 – Ensaios de rasgamento...............................................................................66
3.5.3 – Ensaios de dureza.......................................................................................67
3.5.4 – Ensaios de densidade.................................................................................67
3.5.5 – Ensaios de resiliência..................................................................................68
3.5.6 – Fratura frágil................................................................................................68
3.5.7 – Indentação-esférico-instrumentada.............................................................69
3.5.8 – Ensaios de desgaste abrasivo DIN.............................................................71
3.6 – Parametrização do Ensaio de Abrasão SIMMC.....................................................71
3.6.1 - Seleção da velocidade de teste...................................................................72
3.6.2 - Seleção da Carga de teste...........................................................................72
3.6.3 - Seleção do número de ciclos de teste.........................................................72
3.6.3.1 – Estudo do amaciamento...............................................................72
3.7 – Ensaios de Desgaste Abrasivo nas Amostras......................................................73
3.8 – Análise Matemática dos Resultados......................................................................73
Sumário
xii
Caíitulo IV – Resultados e Discussões...........................................................................75
4.1 – Analise de Calhas via MEV.....................................................................................75
4.2 – Comparação da Análise de Campo com Resultados de Esclerometria.............76
4.3 – Infra-estrutura para Ensaio de Desgaste Abrasivo SIMMC.................................77
4.3.1 – Ensaios de validação do equipamento........................................................78
4.4 – Ensaios de Caracterização das Amostras.............................................................79
4.4.1 – Ensaio de dureza........................................................................................80
4.4.2 – Ensaios de tração e alongamento...............................................................81
4.4.3 – Ensaio de rasgamento................................................................................85
4.4.4 – Ensaio de resiliência...................................................................................88
4.4.5 – Ensaio de densidade...................................................................................89
4.4.6 – Fratura frágil................................................................................................89
4.4.7 – Ensaio de indentação-esférico-instrumentada – IEI...................................94
4.4.8 – Ensaio de abrasão DIN 53.516...................................................................98
4.5 – Parametrização do Ensaio SIMMC.......................................................................105
4.5.1 – Seleção da velocidade de teste................................................................105
4.5.2 – Seleção da carga de teste.........................................................................106
4.5.3 – Seleção do número de ciclos....................................................................110
4.5.4 – Estudo do amaciamento............................................................................110
4.6 – Ensaios de Desgaste – SIMMC.............................................................................112
4.7 – Análise Matemática dos Resultados....................................................................124
Sumário
xiii
Capítulo V – Conclusões...............................................................................................129
Capitulo VI – Sugestões para Trabalhos Futuros..........................................................133
Capitulo VII – Referências Bibliográficas......................................................................135
Sumário
xiv
Índices
xv
Índice de Figuras
Figura 1.1 - Representação esquemática e animação do movimento de uma linha
flexível......................................................................................................................................02
Figura 1.2 - Equipamentos utilizados atualmente para avaliação do desgaste abrasivo em linhas
flexíveis: a) esclerômetro pendular e b) abrasômetro DIN 53.516..........................................03
Figura 2.1 – Representação esquemática do a) desgaste abrasivo por deslizamento de partículas
e b) desgaste abrasivo por rolamento de partículas................................................................09
Figura 2.2 – Mecanismos de desgaste por abrasão........................................................................09
Figura 2.3 – Relação entre microcorte e microssulcamento em função da relação entre o ângulo
de ataque e o ângulo de ataque crítico....................................................................................11
Figura 2.4 – Representação esquemática do efeito da dureza do abrasivo sobre a taxa de
desgaste abrasivo (M1–material 1, M2–material 2 e PD – partícula dura)..............................12
Figura 2.5 – Demanda mundial de PU por região em 2000.............................................................16
Figura 2.6 – Estruturas de ressonância do grupamento isocianato, R representa um radical.
.................................................................................................................................................17
Figura 2.7 – Principais reações dos isocianatos..............................................................................18
Figura 2.8 – Esquema de formações rígidas e flexíveis..................................................................22
Figura 2.9 – Efeito da tensão aplicada na estrutura do PU segmentado. a) Segmento flexível, b)
Segmento rígido, c) segmento flexível cristalizado pelo esforço. Representações
Esquemáticas das Estruturas de PU Segmentado Linear, segundo Bonart............................23
Figura 2.10 – Propriedades Elásticas. a) Diagramas tensão x deformação; b) Curvas típicas de
tensão x deformação: a - Material duro quebradiço; b - Material duro e resistente; c - Material
elástico; d - Material macio e de baixa resistência mecâncica; e - Material macio e resistente..
.................................................................................................................................................25
Índices
xvi
Figura 2.11 – Resposta de um segmento a um esforço de tração. a) aplicação do esforço;
b) desenovelamento e alinhamento das cadeias macromoleculares longas e flexíveis; c)
alinhamento da parte cristalina; d) deslizamento das macromoléculas com o rompimento de
ligações secundárias entre cadeias adjacentes; e) colapso do material com rompimento de
ligações e macromoléculas......................................................................................................26
Figura 2.12 – Tipos de corpos de prova/resistência ao rasgo; a) Bastão; b) Calcas; c) Angular; d)
Entalhe.....................................................................................................................................27
Figura 2.13 – Diagrama esquemático que mostra a dobra do destacamento criada entre uma
esfera de vidro e uma superfície plana de uma borracha natural. V
e
é a velocidade deslizante
da lente de vidro; F é a força tangencial ao avanço. O início da região de ângulo baixo do
lado inverso da área de contato é representado pelo ponto N. Um micro-cume é formado na
vizinhança da protuberância viscoelástica na borda principal perto do ponto K......................31
Figura 2.14 – Esboço da resposta típica para um policarbonato. Influência do ângulo de ponta do
cone β, nos tipos dos danos produzidos no riscamento..........................................................33
Figura 2.15 – Esquema submarino dos equipamentos do processo de extração de petróleo........35
Figura 2.16 – Linhas flexíveis na exploração de petróleo em águas profundas a) Representação
esquemática e animação do movimento de uma linha flexível, I) plataforma móvel, II) “riser”
em balanço, III) TDP, IV) riser apoiado no solo marinho. b) Foto de linha flexível com falha na
camada externa.......................................................................................................................36
Figura 2.17 – Proteção das linhas flexíveis na forma de luvas bipartidas fabricadas em material
polimérico,................................................................................................................................37
Figura 2.18 – Vista geral das dimensões dos danos causados pela movimentação das LF na
região do TDP, a) linha com capa externa de polietileno (PE), b) completa remoção do da
capa externa, c) e d) linha com capa externa de poliamida.....................................................38
Figura 2.19 – Capa externa apresentando ruptura total da parede.................................................38
Figura 2.20 – Calha do PU após 44 meses de uso na plataforma P-19; segmento mais
significativamente desgastado na espessura (região indicada pela seta)...............................39
Índices
xvii
Figura 2.21 – Detalhes das geratrizes de calhas protetoras após 44 meses trabalhando na
plataforma P-19, a) detalhes de riscos e indentações, b) geratriz com desgaste localizado e
c) seção longitudinal do segmento com maior desgaste abrasivo, notar cotas em mm
(espessura original de 40 mm).................................................................................................40
Figura 2.22 – Calha, PU, a) vista geral, b), c) e d) detalhes, MEV..................................................41
Figura 2.23 – Superfície do PU após 44 meses de uso na região de riscos. a) vista geral, b) maior
aumento, c) detalhe de “b”, d) e e) detalhes de “c”..................................................................42
Figura 2.24 – Calha, PU, região sem riscos, a) vista geral, b) c) e d) detalhes...............................44
Figura 2.25 – Seção longitudinal mostrando que as microtrincas observadas na superfície
desgastada estão confinadas à região sub-superficial............................................................45
Figura 2.26 – Evento gerado muito provavelmente pela indentação de asperidades duras contra o
PU............................................................................................................................................45
Figura 2.27 – Superfície do PU após 44 meses de uso, aspecto de cortes....................................46
Figura 2.28 – Equipamentos utilizados atualmente para avaliação do desgaste abrasivo em linhas
flexíveis: a) Esclerômetro pendular e b) abrasômetro DIN 53.516..........................................47
Figura 2.29 – Resultados de esclerometria pendular (energia específica em função do volume de
material removido) para amostras de Poliamida (Nylon 11) utilizado em revestimento de
linhas flexíveis, (FRANCO et al., 2002). Ensaios realizados com amostras a 2ºC..................49
Figura 2.30 – Resultados de esclerometria pendular (energia específica versus volume de material
removido) para amostras em PU utilizados em calhas protetoras de linhas flexíveis.
(FRANCO et al, 2002). Ensaios realizados com amostras na temperatura de
2ºC...........................................................................................................................................50
Figura 2.31 – Aparência típica de um risco em PU – Ref.; a) ângulo de ataque 52.5º, b) detalhe de
a) e c) ângulo de ataque 95º....................................................................................................51
Figura 3.1 – Resumo das várias etapas adotadas no desenvolvimento do presente trabalho........53
Figura 3.2 – Regiões de desgaste em uma proteção de linha flexível retirada após 40 meses......55
Figura 3.3 – Penetradores utilizados nos ensaio de esclerometria pendular, confeccionados em
WC-Co.....................................................................................................................................55
Índices
xviii
Figura 3.4 – Equipamento de esclerometria múltipla, desenvolvido, projetado e construído no LTM
(SIMMC)...................................................................................................................................57
Figura 3.5 – Cuba de teste. a) Detalhe do evaporador; b) Detalhe da fixação da amostra.............57
Figura 3.6 – Sistema de Refrigeração: a) Compressor hermeticamente fechado e condensador; b)
Controle e mostrador digital.....................................................................................................58
Figura 3.7 – Movimento relativo para distribuição da região de desgaste.......................................59
Figura 3.8 – Sistema de movimentação do cilindro porta-amostras. a) Moto-redutor; b) Inversor de
freqüência................................................................................................................................60
Figura 3.9 – Vista mostrando sistema de acionamento do cilindro porta-amostra..........................60
Figura 3.10 – Sistema de revezamento dos penetradores, a) conjunto mesa de deslocamento, b) e
c) disposição dos penetradores na chapa porta-penetradores................................................60
Figura 3.11 – Curva de distribuição do valor médio da extremidade truncada dos penetradores...61
Figura 3.12 – Diagrama de blocos do sistema eletrônico de acionamento.....................................62
Figura 3.13 – a) Amostra para ensaio de abrasão SIMMC; b) Dimensão, cotas em mm................64
Figura 3.14 – a) Produção de placas para a retirada dos corpos de prova de tração, rasgamento e
DIN 53.516; b) Dimensões, cotas em mm...............................................................................64
Figura 3.15 – a) Guilhotina e placa de poliuretano, b) Facas para corte e corpos de prova de
rasgamento e tração, c) Máquina de tração EMIC, modelo MEM 2000..................................66
Figura 3.16 – Corpo de prova de rasgamento tipo C, cotas em mm...............................................66
Figura 3.17 – a) Durômetro Shore A, b) Resiliômetro Maq test.......................................................68
Figura 3.18 – Esquema das amostras fraturadas............................................................................68
Figura 3.19 – Ensaio de IEI de uma amostra de PU........................................................................69
Figura 3.20 – Curva típica do ensaio de IEI para uma amostra de PU com carregamento,
descarregamento e ajustes polinomiais de terceiro grau.........................................................70
Figura 3.21 – a) Abrasômetro DIN 53.516 adaptado para ensaio submerso; b) Amostras do ensaio
DIN 53.516...............................................................................................................................71
Índices
xix
Figura 4.1 – Fotos de MEV mostrando a superfície de calhas expostas em campo: a) vista geral
de uma região desgastada, b) detalhes da formação de fragmentos de desgaste, c) detalhe
de ruptura de uma “lingüeta” formada pela propagação de uma trinca e d) região onde houve
o destacamento de um fragmento de desgaste, MEV.............................................................76
Figura 4.2 – Equipamento de esclerometria múltipla desenvolvido, projetado e construído no LTM.
Abrasômetro SIMMC................................................................................................................77
Figura 4.3 – Amostra a superfície desgastada durante um ensaio no SIMMC; amostra de PU –
Ref. 250N, velocidade média de deslocamento 125 mm/s, imerso em água doce a 4ºC.......78
Figura 4.4 – Aspecto da superfície desgastada durante um ensaio no SIMMC numa amostra de
PU–Ref, 250N, velocidade média de deslocamento 125 mm/s, a) aspecto geral da região de
contato com os penetradores e b) vale de um risco. As setas representam a direção de
riscamento, MEV......................................................................................................................79
Figura 4.5 – Aspecto da superfície desgastada durante um ensaio no SIMMC; amostra de PU–
Ref. 250N, velocidade média de deslocamento 125 mm/s. b) região de início dos riscos, b)
detalhe de um fragmento de desgaste, c) aspecto típico da superfície após a remoção de
material e e) pico de desgaste com formação de trincas, MEV...............................................80
Figura 4.6 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-575A1..................................................83
Figura 4.7 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-585A1..................................................83
Figura 4.8 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-590A1..................................................84
Figura 4.9 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-595A1..................................................84
Figura 4.10 – Curvas Tensão/Deformação da amostra E-595A1 e E-590A1..................................85
Figura 4.11 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-575A1.................86
Figura 4.12 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-585A1.................87
Figura 4.13 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-590A1.................87
Figura 4.14 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-595A1.................88
Figura 4.15 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; a) E-575A1, b) E-585A1; c) E-590A1 e d) E-
595A1, MEV.............................................................................................................................90
Índices
xx
Figura 4.16 – Regiões características típicas de uma fratura em material amorfo na condição de
fragilidade. a) representação esquemática de uma fratura iniciada na superfície/borda do
material e b) observação no MEV da superfície de fratura de um policarbonato....................91
Figura 4.17 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-575A1. a) região de desenvolvimento de
ramificações, b) detalhe da morfologia da superfície, MEV.....................................................92
Figura 4.18 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-585A1. a) região característica de
desenvolvimento da fratura com visualização de ramificações primárias e secundárias, b)
detalhe de uma região de ramificação, MEV...........................................................................92
Figura 4.19 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-590A1. a) região característica de
desenvolvimento da fratura com visualização de ramificações primárias e secundárias, b)
detalhe da morfologia da superfície entre as ramificações primárias, MEV............................93
Figura 4.20 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-595A1. a) região de desenvolvimento de
espelho, b) detalhe da morfologia da superfície, MEV............................................................93
Figura 4.21 – Aspecto da região fraturada a -196ºC. Detalhe das regiões de formato esférico de
prováveis vazios para E-575A1, MEV......................................................................................94
Figura 4.22 – Aspecto da fratura do PU–Ref fraturado a –196ºC, MEV..........................................95
Figura 4.23 – Curvas de indentação instrumentada. Carga versus profundidade. O gráfico retrata a
repetibilidade nas curvas geradas nos três ensaios para o material E-585A1........................96
Figura 4.24 – Curva de indentação instrumentada característica carga versus profundidade para
os materiais testados...............................................................................................................97
Figura 4.25 – Energia de deformação para o ensaio de indentação instrumentada. Ec – energia
durante o carregamento, Ed – energia durante o descarregamento e Ec-Ed – histerese.......98
Figura 4.26 – Perda de volume médio nos ensaios de desgaste abrasivo segundo a norma DIN
53.516, com carga de 10 N, a seco, abrasivo 60 mesh, Al2O3.............................................100
Figura 4.27 – Resultado do ensaio DIN 53.516, com carga de 15N, submerso em água a 25ºC.
Desvio padrão para quatro amostras, SiC, 60 mesh.............................................................101
Figura 4.28 – Aspecto da superfície de desgaste para ensaio DIN 53.516, 15 N, submerso. a) E-
575A1, b) E-585A1, E-590A1 e d) E-595A1, amostras inclinadas de 30º, MEV...................102
Índices
xxi
Figura 4.29 – Amostra E-575A1, ensaio DIN 53.516, carga de 15N, submerso em água a 25ºC. a)
aspecto geral, b) detalhe de a), MEV.....................................................................................103
Figura 4.30 – Amostra E-585A1, ensaio DIN 53.516, carga de 15N, submerso em água a 25ºC. a)
aspecto geral, b) detalhe de a), MEV.....................................................................................103
Figura 4.31 – Amostra E-590A1, ensaio DIN 53.516 carga 15N/submerso em água. a) aspecto
geral, b) detalhe de uma trinca, MEV.....................................................................................104
Figura 4.32 – Amostra E-595A1, ensaio DIN 53.516 carga 15N/submerso em água. a) aspecto
geral, b) detalhe topográfico, MEV.........................................................................................104
Figura 4.33 – Amostra de PU-Ref, ensaio DIN 53.516 carga 15N/submerso em água. a) aspecto
geral, b) detalhe de uma região de trinca e de um corte, MEV..............................................105
Figura 4.34 – Aspecto macroscópico de amostras de PU-Ref ensaiadas no SIMMC; a) Velocidade
média de deslocamento 63 mm/s (15 Hz no inversor), ausência de vibração; b) Velocidade
média de deslocamento 126 mm/s (30 Hz no inversor), com vibração.................................106
Figura 4.35 – Ensaio SIMMC investigação da carga. Material E-585A1, cargas de 500N, 650N e
800N, velocidade média de deslocamento 83 mm/s.............................................................107
Figura 4.36 – Aspecto macroscópico de uma amostra confeccionada em E-585A1, ensaiada no
SIMMC, carga de 500 N, velocidade média de deslocamento 83 mm/s; a) vista geral após
2000 ciclos; b) perfil após 2000 ciclos; c) início da região de desgaste após 4000 ciclos.....108
Figura 4.37 – Aspecto macroscópico de amostra de E-585A1 ensaiada no SIMMC, carga de 650N,
velocidade média de deslocamento 83 mm/s; a) vista geral após 2000 ciclos; b) detalhe de
a); c) início da região de desgaste após 4000 ciclos.............................................................109
Figura 4.38 – Aspecto macroscópico de amostra de E-585A1 ensaiada no SIMMC, carga de 800N,
velocidade média de deslocamento 83 mm/s; a) vista geral após 2000 ciclos; b) detalhe de
a); c) início da região de desgaste após 4000 ciclos.............................................................110
Figura 4.39 – Evolução da perda de massa acumulada no ensaio SIMMC, material PU-Ref, 350N,
velocidade média de deslocamento 63 mm/s........................................................................111
Figura 4.40 – Dinâmica da perda de massa no ensaio SIMMC, material E-585A1, 350N,
velocidade média de deslocamento 83 mm/s........................................................................111
Figura 4.41 – Taxa de desgaste para os vários materiais testados. Ensaio SIMMC, 500N,
velocidade média de deslocamento 83 mm/s, 1000 ciclos....................................................113
Índices
xxii
Figura 4.42 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra E-
575A1. a) aspecto geral; b) detalhe de uma trinca; c) detalhe de uma região com
destacamento de material; d) detalhe de “c”, MEV................................................................114
Figura 4.43 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra E-
585A1. a) vista geral; b) detalhe dos sulcos no material; c) vales dos sulcos; d) detalhe de “c”,
MEV.......................................................................................................................................115
Figura 4.44 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra E-
590A1. a) vista geral; b) detalhe dos sulcos no material; c) detalhe de um vale; d) detalhe de
“c”, MEV.................................................................................................................................116
Figura 4.45 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra E-
595A1. a) vista geral; b) detalhe de “a”; c) detalhe de um vale; d) detalhe da superfície do
material, MEV.........................................................................................................................117
Figura 4.46 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra PU-
Ref. a) vista geral; b) detalhe dos sulcos no material; c) detalhe de trincas em um vale; d)
detalhe de da superfície do material, MEV............................................................................118
Figura 4.47 – Correlação entre os valores dos módulos à tração e o desgaste obtido no ensaio
SIMMC...................................................................................................................................120
Figura 4.48 – Correlação entre os valores de resistência ao rasgamento e o desgaste obtido no
ensaio SIMMC........................................................................................................................120
Figura 4.49 – Correlação entre os valores de alongamento máximo no rasgamento e o desgaste
obtido no ensaio SIMMC........................................................................................................121
Figura 4.50 – Correlação entre os valores de dureza Shore A e o desgaste obtido no ensaio
SIMMC...................................................................................................................................122
Figura 4.51 – Correlação entre os valores de resistência à tração e o desgaste obtido no ensaio
SIMMC...................................................................................................................................123
Figura 4.52 – Correlação entre os valores de alongamento máximo na tração e o desgaste obtido
no ensaio SIMMC...................................................................................................................123
Figura 4.53 – Correlação entre os valores de histerese (IEI) e o desgaste obtido no ensaio
SIMMC...................................................................................................................................124
Índices
xxiii
Figura 4.54 – Resultados de todos os ensaios para as amostras testadas. Cada valor representa a
média para o número de ensaios determinado pela norma seguida. No caso dos ensaios de
desgaste DIN, seis repetições, no ensaio SIMMC quatro repetições....................................126
Figura 4.55 – Correlação entre os valores de desgaste calculados numericamente através das
propriedades mecânicas e os valores obtidos nos ensaios SIMMC......................................128
Figura 6.1 – Esquema de mudança de movimentação do conjunto de penetradores para que
exista uma diminuição do tamanho dos picos e vales formados durante o ensaio...............133
Figura 6.2 – Vista geral de uma calha testada com a nova cinemática do SIMMC, ou seja, 1.000
ciclos de pré-teste e 1.000 ciclos de teste. Notar remoção uniforme de material..................134
Índices
xxiv
Índices
xxv
Índice de Tabelas
Tabela 3.1 – Constituição dos poliuretanos MDI’s poliéteres testados............................................63
Tabela 3.2 – Parâmetros do processo de fabricação das placas e calhas......................................65
Tabela 4.1 – Resultados do ensaio de dureza Shore A para os PU’s produzidos...........................81
Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de tração..................................................................................82
Tabela 4.3 – Resultados do ensaio de rasgamento, segundo a norma ASTM D624......................86
Tabela 4.4 – Resultados do ensaio de resiliência, segundo a norma DIN 53.512...........................88
Tabela 4.5 – Resultados do ensaio de densidade, obtidos segundo a norma
ASTM D1817............89
Tabela 4.6 – Energia de deformação para o ensaio de indentação instrumentada comparada com
outras propriedades mecânicas. Ec energia durante o carregamento, Ed energia durante o
descarregamento e Ec-Ed histerese.......................................................................................97
Tabela 4.7 – Perda de volume médio nos ensaios de desgaste abrasivo DIN 53.516....................99
Tabela 4.8 – Taxa de desgaste para o ensaio SIMMC..................................................................119
Índices
xxvi
Siglas e Abreviaturas / Nomenclaturas xxvii
Siglas e Abreviaturas
ASTM –
American Society for Testing and Materials
AISI –
American Iron and Steel Institute
BD – Butano Diol
DIN – Deutche Industrie-Norm (Norma Alemã)
IEI – Técnica de Indentação-esférico-instrumentada
IGBT –
Insulated Gate Bipolar Transistor
IRHD –
International Rubber Hardness Degree
ISO –
International Organization for Standardization
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
MDI – Difenil-Metano-Diisocianato
MOCA – 4,4’-metileno-bis-(orto-cloroanilina)
NBR – Norma Brasileira
OECD –
Organization for Economic Corporation and Development
PA – Poliamida
PE – Polietileno
PIC – Circuito Integrado Programável
PMMA – Poli(metacrilato de metila)
PPG – Poli (óxido de Propileno) Glicol
PTMEG – Poli (óxido de Tetrametileno) Glicol
PU – Poliuretano
PVC – Policloreto de Vinila
PWM –
Pulse Width Modulation
Siglas e Abreviaturas / Nomenclaturas xxviii
SCR – Steel Catenary Risers
SIMMC – Simulador de Interações Marítimo-Mecânicas em Calhas
TDI – Tolueno Diisocianato
TDP –
Touch Down Point
TPU – Poliuretanos Termoplásticos
Siglas e Abreviaturas / Nomenclaturas xxix
Nomenclaturas
Símbolos latinos
C – Circuito – –
d
– Distância percorrida durante o ensaio de desgaste abrasivo – [m]
e – Energia específica de riscamento – [J/cm
3
]
Ec – Energia de deformação durante o carregamento no ensaio de
indentação
– [J]
Ed – Energia de deformação durante o descarregamento no ensaio
de indentação
– [J]
E
nm
– Vetor de propriedades para cada material – –
Ec-Ed – Histerese – [J]
F – Força – [N]
G
IC
– Tenacidade à fratura –
[MPa√m]
H – Dureza – [Shore A, HV]
h – Espessura do corpo de prova – [mm]
h
– Profundidade de penetração no ensaio de indentação –
[µm]
max
h
– Profundidade máxima de penetração no ensaio de indentação –
[µm]
L
– Largura da seção útil do corpo de prova – [mm]
m – Massa – [g]
n
– Número de curvas para cada amostra – –
)(hP
– Polinômio de ajuste sobre a curva de carga x profundidade –
[N*µm, J]
PM – Peso molecular – –
P – Força axial – [N]
Siglas e Abreviaturas / Nomenclaturas xxx
Tg – Temperatura de transição vítrea – [ºC]
t – Espessura – [mm]
V
e
– Velocidade deslizante –
W – Taxa de desgaste – [mm
3
/m]
W
num
– Taxa de desgaste calculada numericamente – [mm
3
/m]
Símbolos Gregos
α – Ângulo de ataque – [º]
β – Ângulo do cone – [º]
ε
– Deformação –
[m, µm]
σ
– Tensão de tração – [MPa]
ρ
– Densidade – [g/mm
3
]
Resumo / Abstract
xxxi
Moraes, J. O., 2005, “Avaliação da Resistência ao Desgaste Abrasivo de Risers Flexíveis –
Proposição de uma Nova Metodologia de Teste”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal
de Uberlândia, Uberlândia – MG.
Resumo
Nos últimos anos, a extração de petróleo em águas profundas pela Petrobras tem sido expandida
progressivamente. Uma das formas de extração do petróleo nessa condição é através de
plataformas móveis, que são conectadas aos poços através de linhas flexíveis, também chamadas
de risers. Esses componentes são constituídos por um complexo sistema de camadas
concêntricas, sendo os revestimentos (interno e externo) confeccionados em polímeros.
Recentemente, constatou-se que, no ponto de início do contato da tubulação com o fundo do mar
(Touch Down Point - TDP), as linhas flexíveis experimentam um progressivo desgaste por
abrasão. Para reduzir esse problema, esses componentes vêm sendo revestidos externamente
com luvas bipartidas em poliuretano. Estes revestimentos são caracterizados por elevada inércia
química, boa resistência mecânica, aliadas à flexibilidade necessária à estrutura. Assim, o
desgaste abrasivo dessas linhas foi reduzido, necessitando, todavia, de otimizações adicionais.
Atualmente, a avaliação do desempenho destes materiais vem sendo feita através de ensaios de
desgaste abrasivo normatizados pela DIN 53.516 e de ensaios de esclerometria pendular, ambos
a 4ºC. No presente trabalho, foi desenvolvido um equipamento e uma metodologia de ensaio de
desgaste abrasivo, baseada no princípio da esclerometria pendular, capaz de facilitar a seleção e
classificação de materiais para essa aplicação. As condições de desgaste existentes no fundo do
mar foram simuladas reproduzindo satisfatoriamente os micromecanismos de desgaste
observados na prática. A falha nesses materiais é basicamente por microtrincas, e muito
provavelmente, propriedades que reprimam esse fenômeno, colaboram para uma maior
resistência ao desgaste abrasivo. Pôde-se notar que materiais que têm um bom desempenho ao
desgaste abrasivo têm uma boa capacidade de alongamento durante o rasgo e uma alta
resiliência, somados a uma boa resistência ao rasgamento. Propôs-se, ainda, uma correlação
entre desgaste abrasivo e as respectivas propriedades mecânicas de cinco tipos de poliuretanos.
A equação obtida mostrou não existir uma relação linear entre esses resultados.
Palavras-chave: Desgaste abrasivo, polímeros, linhas flexíveis, propriedades mecânicas.
Resumo / Abstract
xxxii
Resumo / Abstract
xxxiii
Moraes, J.O., 2005, “Abrasive Wear Resistance of Flexible Riser Protection Layers - Proposal of a
New Test Methodology”, M.Sc. Dissertation, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia –
MG.
Abstract
The oil and gas extraction in deep waters by Petrobras has been expanded progressively in the
recent years. In this condition, oil and gas can be extracted by Jacket type and semi-submersible
platforms, which are connected to the wells through flexible risers. These components are
constituted of a multilayer system with internal and external coatings made of polymers. On
inspection of these risers, scratches and a significant reduction of the riser protection layer were
observed. These damages were found to be related to the relative movement of the pipe in the
area of the touchdown point (TDP). In order to reduce this problem the risers have being coated
externally with plaques of polyurethane. High chemical inertia and good mechanical and abrasion
resistance characterize these materials. Besides, they allow the riser to have a good flexibility.
Thus, the abrasive wear of these risers was reduced. However, optimizations still must be reached.
Currently, the abrasive wear resistance of these materials is evaluated by means of abrasive wear
tests according to the DIN 53.516 norm and the single-pass scratching technique, both at a
temperature of 4ºC. The latter one is appropriate for testing polymeric riser protections but it does
not simulate the repetitive action of hard particles acting against the plaques. In the present work, a
new test rig for abrasive wear testing is presented, which is based on multiple interactions between
indenters and plaques. So, the deep water wear conditions were simulated and the wear
micromechanisms of different polyurethane materials were observed to be similar to those of field
application. The wear rate results showed that wear in these materials is basically due to
microcracking. It was also noticed that materials with a good wear performance have a high tearing
elongation and strength and a high resilience. A correlation between abrasive wear and mechanical
properties of five different types of polyurethane was proposed. The obtained equation showed no
linear relation with these results, suggesting that terms of higher degree may be important.
Key words: Abrasive wear, polymers, flexible risers, mechanical properties.
Resumo / Abstract
xxxiv
Capítulo I
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos 23 anos, a Petrobras, pioneira no uso do conceito de produção flutuante,
enfatizou sempre a inovação e o aperfeiçoamento, com base em sua experiência profissional. Para
alcançar estes resultados, a Petrobras vem empreendendo grandes esforços no sentido de
descobrir novas reservas em águas profundas, bem como, viabilizar a exploração das mesmas. A
empresa planeja alcançar, em 2006, uma produção de 1,9 milhão de barris de óleo por dia, com
cerca de 70% provenientes de águas profundas e ultraprofundas. Além disso, é provável que a
maioria das novas descobertas esteja localizada em águas ultraprofundas. (
www.petrobras.com.br,
março/2005).
A extração do petróleo, nestas condições, tem sido feita através de plataformas móveis
que são conectadas aos poços através de linhas rígidas ou flexíveis, também chamadas risers. As
linhas rígidas são formadas por tubos de aço que são emendados e lançados em catenária (Steel
Catenary Risers – SCR). As linhas flexíveis, também lançadas em catenária, são dutos fabricados
em grandes extensões, constituídos por várias camadas.
Constatou-se recentemente, que as linhas flexíveis ao tocarem o fundo do mar
experimentam um progressivo desgaste por abrasão. Esse desgaste é mais acentuado no ponto
de início do contato da tubulação com o fundo do mar (Touch Down Point – TDP, figura 1.1). Isso
se deve basicamente à movimentação da plataforma e às correntes marinhas, que determinam
uma movimentação do duto em relação ao relevo marinho (KAYSER JR., 2003). Para reduzir esse
problema, as linhas flexíveis vêm sendo revestidas externamente com materiais poliméricos na
forma de luvas bipartidas.
Introdução 2
Figura 1.1 - Representação esquemática e animação do movimento de uma linha flexível
(KAYSER JR., 2003).
TDP
A troca desses componentes de exploração de petróleo é um processo demorado,
complexo e oneroso. Outro aspecto é o tempo de parada de produção que contribui para o
aumento dos custos operacionais. Neste contexto, o aumento da resistência ao desgaste,
contribuindo para uma vida maior destes componentes para exploração de petróleo, é de grande
importância e está diretamente relacionado à lucratividade das companhias de exploração de
petróleo (WANG et al., 1998).
Como material da capa externa ou proteções das linhas flexíveis, a Petrobras tem utilizado
Nylon 11 (PA), Polietileno (PE) e Poliuretano (PU) com diferentes valores de dureza.
Estes materiais têm sido estudados em situações onde predomina a abrasão e os
resultados mostram um bom desempenho (THORP, 1982; MANO, 1991; VILAR, 2002; BUDINSKI,
1997), além de serem resistentes à corrosão. Seus desempenhos com relação ao desgaste são
dependentes de fatores como: estrutura química (ARCHONDOULI and KALFOGLOU, 2001;
LARSEN-BASSE and TADJVAR, 1988), quantidade de ligações cruzadas (BECK and TRUSS,
1998), peso molecular (FALKNER et al., 1983), resistência ao impacto (BRISCOE¸ 1981) e outros.
Além disso, outros fatores como hidrólise, oxidação e degradação por microorganismos podem
influenciar diretamente seu desempenho (FALKNER et al., 1983; BRISCOE¸ 1981; MOTA, 2002).
Portanto, é necessário explorar as condições ótimas de fabricação, bem como outros materiais,
como algumas borrachas desenvolvidas por fabricantes nacionais que também apresentam
Introdução 3
potencial de aplicação nesse tribosistema (Petróleo Brasileiro S.A., 2003; FRANCO, 2001).
Anteriormente, a avaliação do desempenho destes materiais vem sendo feita em duas
abordagens: através de ensaios de desgaste abrasivo normatizados pela DIN 53.516 à
temperatura de 4ºC (RAMOS NETO, 2003) e com ensaios de esclerometria pendular também a
4ºC, ambos com o propósito de simular os eventos de desgaste que ocorrem no fundo do mar
(FRANCO, 2001) figura 1.2. A comparação dos resultados desses ensaios com amostras de
material utilizado em campo revelam semelhança entre os mecanismos de desgaste.
a)
b)
Figura 1.2 - Equipamentos utilizados atualmente para avaliação do desgaste abrasivo em
linhas flexíveis: a) Esclerômetro pendular e b) abrasômetro DIN 53.516.
Desta forma, pôde-se determinar os parâmetros de teste que reproduzem os mecanismos
de desgaste abrasivo em águas profundas (FRANCO, 2002; PAES et al., 2002). Porém, em ambos
os ensaios, existem limitações que dificultaram sua execução, análise e/ou transposição de
resultados. Apesar dos ensaios de esclerometria pendular e abrasometria DIN 53.516
reproduzirem os mecanismos de desgaste das capas de proteção de linhas flexíveis, eles
requerem a retirada de amostras com geometrias e topografias específicas, e, no caso da
esclerometria, os baixos valores de perda de massa inerentes ao ensaio tornam sua análise
delicada, uma vez que as amostras têm que ser levadas a uma estufa para a total retirada da
água. Isso eleva o tempo de duração dos ensaios. Para a esclerometria pendular, esse tempo
pode chegar a três dias nas borrachas já testadas.
Foi observado, também, que existe um comportamento diferenciado relacionado ao
tamanho do evento do risco (profundidade de penetração) e energia específica necessária para
remoção de matéria em alguns materiais. PAES et al.,(2002) e o autor deste trabalho constataram
Introdução 4
em ensaios de esclerometria pendular em polímeros, que a quantidade de energia por volume
necessária para remover pequenos volumes de matéria é maior que para grandes volumes.
Dada a importância econômica e ambiental que o assunto representa para a exploração de
petróleo em águas profundas (Petróleo Brasileiro S.A., 2003; FRANCO, 2001), justifica-se um
trabalho que venha gerar conhecimento nesse assunto, bem como contribuir com o projeto da
Petrobras.
Assim, esse trabalho tem como objetivo geral estudar o comportamento tribológico de
calhas de alguns tipos de Poliuretano, utilizadas na proteção de risers. Nessa direção, pretende-se
desenvolver, projetar e construir um equipamento com base nos resultados obtidos anteriormente
(FRANCO, 2002; PAES et al., 2002), capaz de reproduzir os mecanismos de desgaste, em um
tempo relativamente curto e de forma confiável. Pretende-se ainda, que esse equipamento permita
a quantificação da resistência ao desgaste de calhas poliméricas na escala 1:1, ou seja, sem a
necessidade de remoção de amostras.
Nesse estudo deverá ser proposta uma nova metodologia para avaliar esses componentes.
A nova metodologia basear-se-á no princípio da esclerometria (penetradores riscando a
superfície da amostra). O novo equipamento deverá permitir ainda adicionar uma característica de
multiplicidade dos eventos de riscamento, e assim, poder aumentar a quantidade de material
removido em cada ensaio. Isso deverá ser obtido através da realização de ensaios alternados de
riscamento. O ensaio proposto consiste em fixar uma amostra de calha em tamanho comercial
sobre um cilindro que trabalha em movimento alternado de rotação. Sobre a amostra está um
conjunto de penetradores com geometria conhecida. Sobre esse conjunto será aplicada uma carga
através de um braço rotulado e peso morto. A disposição destes penetradores promoverá, com a
movimentação relativa, um desgaste uniforme numa região com largura de 60 mm. O ensaio
deverá ser realizado de forma submersa em uma cuba com água refrigerada a 4ºC.
Os resultados deste trabalho ampliam o estado atual do conhecimento nos seguintes
aspectos:
• Desgaste abrasivo de polímeros;
• Metodologia de ensaios de desgaste abrasivo;
• Existência de alguma correlação entre propriedades mecânicas e resistência ao
desgaste.
Esta dissertação está subdividida em capítulos, como descrito a seguir:
Introdução 5
No capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica, com apresentação de conhecimentos
teóricos necessários ao bom entendimento deste trabalho. Nesta revisão são abordados
basicamente dois assuntos, propriedades mecânicas e tribológicas de materiais poliméricos e
desgaste abrasivo, este último englobando conceitos básicos, desgaste e mecanismos de
desgaste. No capítulo 3 são descritos, detalhadamente, os procedimentos experimentais, os testes
realizados e o equipamento desenvolvido e projetado neste trabalho. No capítulo 4 são
apresentados e discutidos os resultados. Na seqüência, no capítulo 5 são apresentadas as
conclusões que puderam ser tiradas até o presente estágio do trabalho. Por fim, apresentam-se no
capítulo 6 sugestões para trabalhos futuros. As referências bibliográficas, utilizadas neste trabalho,
são apresentadas no capítulo 7.
Introdução 6
Capítulo II
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 – Tribologia
“A tribologia é a ciência e tecnologia de superfícies que estuda a interação de superfícies
em movimento relativo, e de práticas relacionadas”, (JOST, 1966). Ela se firma na investigação
científica dos três pilares: atrito, lubrificação e desgaste. Atrito e desgaste não são propriedades
intrínsecas dos materiais, mas sim características dos sistemas de engenharia chamados de
tribosistemas. Cada tribosistema oferece condições distintas, que refletirão no comportamento
tribológico – atrito e desgaste.
O atrito é a resistência ao movimento relativo. Surge de interações dos sólidos na área real
de contato e depende do par de materiais em contato e do tribosistema, (ZUM GAHR, 1987).
O desgaste, por sua vez, é definido como sendo a perda progressiva de matéria da
superfície de um corpo como conseqüência do movimento relativo de um segundo corpo sobre o
primeiro. Estatísticas realizadas em países desenvolvidos indicam que de 1 a 5% do PIB são
gastos pela ação direta ou indireta do desgaste (CZICHOS,1992).
É importante ressaltar duas características do desgaste. Uma delas é o caráter sistêmico e
a outra o fato de ser um fenômeno superficial. Portanto, em tribologia, o foco está principalmente
na superfície dos componentes. O substrato também exerce papel importante, pois é ele que
fornece a sustentação à camada superficial do material, porém, é na superfície onde o fenômeno
de interesse em tribologia se manifesta.
2.1.1 – Tipos de Desgaste
Na literatura técnica sobre desgaste são encontradas diversas classificações para os
diferentes tipos de desgastes. LUDEMA (1996) relaciona 34 diferentes termos ao discutir a
nomenclatura sobre desgaste. Para efeito de classificação podem-se dividir os principais tipos de
desgaste com base nos respectivos mecanismos. Assim, tem-se:
• Desgaste por deslizamento ou adesivo;
Revisão Bibliográfica 8
• Desgaste por abrasão ou abrasivo;
• Desgaste por erosão ou erosivo;
• Desgaste por fadiga de contato;
• Desgaste por triboreação.
O desgaste por abrasão é o mais importante para este trabalho, sendo, por isso, o único
aqui abordado.
2.1.1.1 – Desgaste por abrasão
O desgaste abrasivo é tido como um dos principais responsáveis pela degradação de
peças e componentes nos diversos ramos da indústria e, indubitavelmente, é o que se encontra
com maior freqüência (EYRE, 1976; MISRA and FINNIE, 1982). Segundo (EYRE, 1976), este tipo
desgaste é responsável por 50% das falhas, o que lhe confere grande importância econômica.
Uma definição mais formal de desgaste abrasivo foi dada pela OECD (Organization for
Economic Corporation and Development – OECD), na qual o desgaste abrasivo é definido como “A
perda de matéria devido ao movimento relativo de duas superfícies e decorrente da ação de:
• Asperidade duras em uma das superfícies;
• Partículas abrasivas livres entre as duas superfícies;
• Partículas abrasivas engastadas em uma das superfícies”.
O desgaste abrasivo ocorre por ação de partículas duras pressionadas e deslizando sobre
uma ou várias superfícies.
Baseada na configuração mecânica atuante no sistema pode-se distinguir duas condições
básicas de desgaste abrasivo. A primeira é denominada “por deslizamento”, quando uma das
superfícies tem partículas duras protuberantes (figura 2.1a) e deslizam sobre a outra. A segunda é
denominada “por rolamento“, quando as partículas são livres para rolar e deslizar entre as duas
superfícies, figura 2.1b (HUTCHINGS et al., 1996).
A taxa de desgaste é normalmente menor nesse último caso. Eventualmente, um processo
“por rolamento” pode se transformar num “por deslizamento”, se a partícula dura penetrar e ficar
engastada numa das superfícies (usualmente a mais mole) HUTCHINGS et al., 1996. Neste último
caso, a maior taxa de desgaste geralmente ocorre na superfície de maior dureza.
Revisão Bibliográfica 9
a)
b)
Figura 2.1 – Representação esquemática do a) desgaste abrasivo por deslizamento de
partículas e b) desgaste abrasivo por rolamento de partículas.
O desgaste produzido por uma partícula abrasiva pode ser provocado basicamente por três
micromecanismos, quais sejam: microcorte, microfadiga, causado por um microssulcamento
repetido, ou por um microlascamento, se a superfície se comporta de forma frágil. A figura 2.2
ilustra esses micromecanismos (ZUM GAHR, 1987).
Figura 2.2 – Micromecanismos de desgaste por abrasão, (ZUM GAHR, 1987).
Microcorte
Microssulcamento
Microfadiga
Microlascamento
O microsulcamento é caracterizado por uma forte deformação plástica do material devido à
ação da partícula dura. O material deformado plasticamente é acumulado nas laterais do sulco.
Mediante sucessivas deformações plásticas geradas pelo microsulcamento, surgem trincas e/ou
delaminação, que acabam por resultar na formação de microfragmentos de desgaste.
Revisão Bibliográfica 10
Com o aumento da força normal atuante na partícula dura ou asperidades, ou ainda da
dureza do material, o microcorte começa a aumentar sua participação no processo. Esse
micromecanismo caracteriza-se pela formação de microcavacos à frente da partícula dura.
O microsulcamento e o microcorte são mecanismos dominantes em sistemas que têm
comportamento dútil. A proporção de desgaste em função do volume deslocado durante o corte,
isto é, a razão de microsulcamento para microcorte, depende das características do abrasivo, tais
como: sua natureza, forma, ângulo crítico, orientação e inclinação da face de contato (SEDRICKS
E MULHEARN, 1964).
Acima de uma carga crítica, uma alta concentração de tensões é imposta pelas partículas
abrasivas, e, especialmente, em sistemas com comportamento frágil, surge como mecanismo o
microtrincamento. Nestes casos, grandes fragmentos de desgaste são desprendidos da superfície
devido à formação e propagação de trincas.
Além desses submecanismos, pode-se citar a indentação no desgaste envolvendo
partículas duras e livres para rolar entre o corpo e o contra-corpo. Neste caso, as superfícies
experimentam um processo de indentação múltipla, que gera nos sistemas dúteis uma forte
deformação plástica, antes do surgimento dos primeiros fragmentos de desgaste. Nos sistemas
frágeis, ou em fases duras, a deformação plástica ocorre em menor intensidade, e por isso,
microtrincas podem surgir, levando o processo ao microlascamento (SZUDER,1977 e DE MELLO
et al.,1994).
O estudo do desgaste abrasivo pode ser abordado de duas formas: a análise local e a
análise global.
A abordagem local estuda parâmetros e aspectos do desgaste abrasivo na interação de
uma única partícula com a superfície. A abordagem global analisa condições de desempenho
similares às de sua vida útil, quando submetido à abrasão (MISRA and FINNIE, 1980).
Na análise global, fazem-se duas avaliações do sistema, uma antes e uma depois de um
ensaio abrasivo, e as modificações são atribuídas ao processo experimentado pela amostra
(MISRA and FINNIE, 1980).
Na análise local, duas técnicas são utilizadas: a esclerometria e a indentação.
O princípio da esclerometria é um penetrador (elemento de geometria conhecida)
movimentando-se sobre a superfície da amostra. Parâmetros como carga, profundidade, e outros
são analisados e transcrevem informações para o estudo do desgaste. Assume-se que, no caso
do desgaste abrasivo, a degradação é decorrente de um processo de riscamento múltiplo, (DE
MELLO, 1983; LAMY, (1982).
Revisão Bibliográfica 11
Em abordagens locais é de grande importância a configuração do penetrador. Por mais que
sua geometria seja simplificada, ele representa a partícula abrasiva. Esta modelização, ainda que
distante da realidade, facilita sobremaneira a compreensão de fatores atuantes no desgaste
abrasivo, (ZUM GAHR, 1981).
Um parâmetro geométrico do elemento riscante que tem grande influência no mecanismo
de desgaste é o ângulo de ataque. Ele é o ângulo formado entre a superfície frontal do penetrador
e a superfície da amostra, (LAWN and FULLER, 1975, MULHEARN and SAMUELS, 1962,
SEDRIKS and MULHEARN, 1964). Na figura 2.3 esse ângulo está representado como α.
Segundo esses autores, o material da superfície é removido por microcorte quando o
ângulo de ataque da partícula dura é maior que um valor crítico. A figura 2.3 correlaciona este
ângulo de ataque de uma partícula dura com a taxa de desgaste. Dessa figura percebe-se, que,
quanto menor o ângulo de ataque, maior a tendência de se ter o micromecanismo de
microssulcamento, e, conseqüentemente, menores taxas de desgaste. Do mesmo modo, nota-se,
que, quanto maior o ângulo de ataque da partícula abrasiva, maior a probabilidade de se ter o
microcorte como micromecanismo de desgaste. A transição entre microcorte e microssulcamento
depende das propriedades do material riscado e de condições operacionais. Uma variável de
grande influência nessa transição é o ângulo de ataque. Observado pelo autor deste trabalho e
colaboradores em (FRANCO, 2002).
Figura 2.3 – Relação entre microcorte e microssulcamento em função da relação entre o
ângulo de ataque e o ângulo de ataque crítico (ZUM GAHR, 1987).
Revisão Bibliográfica 12
Outros fatores que influenciam a taxa de desgaste são a dureza relativa da partícula e a
sua geometria (tamanho e angulosidade).
A figura 2.4 apresenta, para dois materiais, a variação da taxa de desgaste abrasivo frente
à dureza do abrasivo H
A
. Nesse gráfico são notadas três regiões de desgaste, a saber: desgaste
moderado, desgaste severo e transição (WAHL, 1951; WELLINGER and UETZ, 1955; UETZ and
FÖHL, 1969).
HUTCHINGS (1992) também encontrou que partículas com durezas menores que a da
superfície analisada causam muito menos desgaste que partículas de maior dureza. Para
partículas significativamente mais duras, o valor exato dessa dureza tem menor influência. A taxa
de desgaste é muito sensível se a razão entre a dureza do abrasivo e a da superfície é próxima de
um.
Na prática, a relação de durezas H
M
/ H
A
deve ser superior a 1,3 para se garantir uma
operação na região de desgaste moderado. Para relações H
M
/ H
A
iguais a 1,0 ou imediatamente
menores que 1,0, as taxas de desgaste aumentam rapidamente. Este regime de desgaste é
comumente conhecido como regime de transição. O último regime de desgaste é conhecido como
regime severo. Este é caracterizado por altas taxas de desgaste, sendo também, como o regime
moderado, pouco sensível a mudanças nos valores da relação H
M
/ H
A
.
Figura 2.4 – Representação esquemática do efeito da dureza do abrasivo sobre a taxa de
desgaste abrasivo (M1–material 1, M2–material 2 e PD – partícula dura).
Revisão Bibliográfica 13
2.2 – Materiais Poliméricos
2.2.1 – Introdução
Existem inúmeras vantagens de se usar polímeros como materiais de engenharia. Graças
às suas propriedades de isolamento elétrico e térmico, sua estabilidade química em meios
diversos e, relativa facilidade de processamento, eles substituem ligas metálicas de alto
desempenho ou cerâmicos. A resistência à corrosão é uma das características mais marcantes
dos polímeros.
Uma de suas aplicações, como substrato ou revestimento, se dá em ambientes marinhos,
onde a utilização de aço comum é comprometida pela corrosão acentuada. Nessas aplicações, a
concorrência dos materiais poliméricos com ligas metálicas de bom desempenho à corrosão está
vinculada à resistência mecânica e ao custo.
Há de se convir, que existem limitações à sua utilização, porém ainda resta uma larga
faixa, onde sua utilização não deixa dúvidas. Porém, nesses últimos tempos, os grandes avanços
na direção de otimizar propriedades mecânicas desses materiais têm modificado a proporção de
sua utilização em relação aos metais na indústria em geral.
2.2.2 – Definições
Polímeros são macromoléculas formadas a partir de moléculas menores, os monômeros. A
palavra Polímero vem do grego poly = muitos e meros = partes. O processo de transformação
desses monômeros, formando o polímero, é chamado polimerização. A massa molecular de um
polímero varia muito, sendo que em uma porção de material polimerizado existem moléculas
maiores e menores; dessa forma fala-se sempre em massa molecular média. Por exemplo:
• Celulose: (C
6
H
10
O
5
)
n
onde, n varia de aproximadamente de 1500 a 3000.
• Polietileno: (CH
2
CH
2
)
n
onde, n varia de aproximadamente de 2000 a 10000, ou mais
no caso de polietilenos de ultra-alta-densidade.
Na fabricação de um polímero, a substância inicial constitui o monômero, e sua repetição 2,
3, ..., n vezes, da origem ao dímero, trímero, ..., polímero, respectivamente. Teoricamente, a
reação de polimerização pode prosseguir infinitamente, dando origem a uma molécula de massa
Revisão Bibliográfica 14
molecular infinita. Fatores práticos, no entanto, limitam a continuação da reação. A ligação entre
monômeros é feita através de pontos reativos, isto é, átomos ou grupos de átomos do monômero
capazes de efetuar uma ligação química, seja pelo rompimento de insaturações ou pela eliminação
de moléculas simples (H
2
O, NH
3
, etc.). Se existir três ou mais pontos reativos no monômero o
polímero será tridimensional.
Como conseqüência dessa formação molecular, as propriedades dessas macromoléculas
ganham características próprias, muito mais dominantes que as características que decorrem da
natureza química dos átomos que as constituem ou dos grupamentos funcionais presentes. Todos
os polímeros são intrinsecamente tenazes, desde que seu peso molecular seja suficientemente
elevado, formando uma rede física substancial, (MEIJER et al., 2000; WU, 1990; HAWARD, 1993).
Desta forma, suas propriedades decorrem de interações envolvendo segmentos da mesma
macromolécula ou outras; a forma e o comprimento das ramificações presentes na cadeia
macromolecular têm papel importante. Pontes de hidrogênio e interações dipolo-dipolo, ao lado de
forcas de Van der Waals, atuado nessas macromoléculas no estado sólido, criam resistência muito
maior do que no caso de moléculas de cadeia curta. Em solução, essas interações entre
moléculas de alto peso molecular acarretam um pronunciado aumento da viscosidade, que não se
observa com micromoléculas. Da mesma maneira, a evaporação do solvente dessas soluções
viscosas resulta na formação de filmes, enquanto que soluções de substâncias sólidas de baixo
peso molecular geram cristais em pó, (MANO, 1991).
2.2.3 – Classificação
2.2.3.1 – Quanto à ocorrência
Quanto à sua ocorrência, os polímeros podem ser classificados em:
Naturais – são polímeros que já existem na natureza. Dentre os mais importantes estão os
carboidratos, as proteínas e os ácidos nucléicos.
Sintéticos – são polímeros fabricados pelo homem, a partir de moléculas simples. Dentre
eles estão os poliuretanos, as poliamidas, os polietilenos, o PVC (Policloreto de vinil), etc.
Revisão Bibliográfica 15
2.2.3.2 – Quanto à natureza da cadeia
Polímeros de cadeia homogênea – quando o esqueleto da cadeia é formado apenas por
átomos de carbono.
Polímeros de cadeia heterogênea – quando no esqueleto da cadeia existem átomos
diferentes de carbono (heteroátomos).
2.2.3.3 – Quanto à disposição espacial dos monômeros
Polímero Tático – quando as unidades monoméricas dispõem-se ao longo da cadeia
polimérica segundo certa ordem, ou seja, de maneira organizada. Os polímeros táticos podem
ainda ser divididos em isotáticos e sindiotáticos. Nos polímeros isotáticos, os monômeros
distribuem-se ao longo da cadeia, de tal forma, que unidades sucessivas, após rotação e
translação podem ser exatamente superpostas. Nos polímeros sindiotáticos, a rotação e
translação de uma unidade monomérica, em relação à seguinte, reproduz a imagem especular
desta última.
Polímero Atático – quando as unidades monoméricas dispõem-se ao longo da cadeia
polimérica ao acaso, ou seja, de maneira desordenada.
2.2.3.4 – Quanto à estrutura final do polímero
Polímero linear – quando a macromolécula é um encadeamento linear de átomos.
Ex: Polietileno ...(CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
-CH
2
)…
Mesmo que a cadeia apresente ramificações, se estas ramificações não estão ligadas a
uma cadeia vizinha, o polímero continua sendo considerado linear.
Ex: Borracha sintética (neopreno) ...[-CH
2
-C(CH
3
)=CH-CH
2
-CH2-C(CH
3
)=CH-]...
Os polímeros lineares dão origem a materiais termoplásticos, isto é, plásticos que podem
ser amolecidos pelo calor infinitas vezes e, ao resfriarem, voltam a apresentar propriedades muito
próximas das iniciais.
Polímeros tridimensionais – Quando a macromolécula se desenvolve em todas as direções,
isto é, há uma ligação entre cadeias adjacentes, através de átomos localizados ao longo da
cadeia. Esses polímeros dão origem a materiais termofíxos ou materiais termoendurecíveis. No
primeiro caso, pelo menos a última fase de produção da macromolécula deve ser feita
Revisão Bibliográfica 16
simultaneamente com a modelagem do objeto desejado, pois uma vez pronto, esses polímeros
não podem ser novamente amolecidos pelo calor. Um aquecimento excessivo causará a
decomposição até a queima do material sem seu amolecimento. Conseqüentemente, esses
polímeros não podem ser reaproveitados industrialmente na modelagem de novos objetos. Os
polímeros termoendurecíveis, quando prontos, só podem ser fundidos uma vez, pois, durante a
fusão, as moléculas reagem entre si, aumentando a massa molecular do polímero e este,
endurecendo, torna-se insolúvel e infusível.
2.2.4 – O Poliuretano
Os Poliuretanos (PU’s) foram desenvolvidos por Otto Bayer, em 1937, sendo as matérias-
primas utilizadas na produção derivadas de petróleo. São produzidos pela reação de poliadição de
um isocianato (di ou polifuncional) com um poliol e outros reagentes como: agentes de cura ou
extensores de cadeia, contendo dois ou mais grupos reativos, catalisadores, agentes de expansão,
surfactantes (estabilizadores e controladores de reação), cargas, agentes antienvelhecimento,
corantes & pigmentos, retardantes de chama, desmoldantes, etc. Esta flexibilidade possibilita a
obtenção de materiais com diferentes propriedades físicas e químicas, e faz com que os PU’s
ocupem posição importante no mercado mundial de polímeros sintéticos de alto desempenho,
(VILAR, 2004).
Atualmente, os PU’s ocupam a sexta posição, com cerca de 5% do mercado dos plásticos
mais vendidos no mundo, comprovando ser um dos produtos mais versáteis empregados pela
indústria. Os maiores centros consumidores são América do Norte, Europa e o Continente
Asiático, figura 2.5 – (VILAR, 2002). A grande versatilidade deste material vinculada à relativa
facilidade de processamento contribui para que tome parcela no quadro de materiais de
engenharia.
Á
frica/Oriente
Médio
5%
Oeste Europeu
31%
Leste Europeu
3%
América do
Norte
34%
América do Sul
5%
Japão
6%
Ásia/Pacífico
16%
Figura 2.5 – Demanda mundial de PU por região em 2000 (VILAR, 2002).
Revisão Bibliográfica 17
Existem diversos tipos de fabricações e aplicações do poliuretano, sendo uma delas em
aplicações envolvendo desgaste abrasivo.
A poliuretana é obtida a partir do diisocianato de parafenileno e do etilenoglicol (1,2-
etanodiol). Possui resistência a abrasão e ao calor, sendo utilizado em isolamentos, revestimentos
internos de roupas, aglutinantes de combustível de foguetes e em pranchas de surfe (VILAR,
2002). Quando expandido a quente com injeção de gases, forma uma espuma cuja dureza pode
ser controlada de acordo com a finalidade.
2.2.4.1 – Isocianatos
A observação da estrutura eletrônica do grupo isocianato indica que são possíveis as
estruturas de ressonância da Figura 2.6. A densidade de elétrons é menor no átomo de carbono,
intermediária no nitrogênio e maior no oxigênio. Nos PU’s, a maioria das reações dos isocianatos
ocorre através da adição à dupla ligação C=N. Um centro nucleofílico (substância com elétrons
disponíveis, liga a uma parte positiva, deficiente de elétrons da molécula.) contendo um átomo de
hidrogênio ativo ataca o carbono eletrofílico (substância com falta de elétrons, íon positivo, liga a
uma parte da molécula com excesso de elétrons.) e o átomo de hidrogênio ativo é então
adicionado ao nitrogênio. Grupos aceptores de elétrons, ligados ao grupamento NCO, aumentam
sua reatividade e os doadores a reduzem, e por isso, os isocianatos aromáticos são mais reativos
do que os alifáticos. A ocorrência de impedimento estérico (interferência ou inibição de uma
reação, devido ao tamanho de uma ou de outra parte reativa) tanto no grupo isocianato, quanto no
composto com hidrogênio ativo provocam diminuição na reatividade, (VILAR, 2002).
Figura 2.6 – Estruturas de ressonância do grupamento isocianato, R representa um radical,
VILAR (2002).
Os isocianatos podem ser aromáticos ou alifáticos. Os compostos hidroxilados podem
variar quanto ao peso molecular, natureza química e funcionalidade.
Existem vários isocianatos e os mais conhecidos são os TDI’s (tolueno diisocianato) e os
MDI’s (difenil metano diisocianato).
Revisão Bibliográfica 18
Na tecnologia dos PU’s existem cinco reações principais dos isocianatos com: (1) polióis,
formando poliuretanos; (2) aminas, dando poliuréias; (3) água, originando poliuréia e liberando gás
carbônico que é o principal agente de expansão nas espumas de PU; (4) grupos uretano e (5)
uréia, resultando na formação de ligações cruzadas alofanato e biureto, respectivamente, figura
2.7.
Figura 2.7 – Principais reações dos isocianatos, (VILAR, 2002).
2.2.4.2 – Polióis
Os polióis podem ser dos seguintes tipos:
Polióis Poliéteres – os polióis poliéteres mais utilizados em elastômeros de PU são o poli
(óxido de tetrametileno) glicol (PTMEG) e o poli (óxido de propileno) glicol (PPG).
PTMEG’s – os elastômeros de PU feitos com PTMEG’s tem melhores propriedades
mecânicas do que os fabricados com PPG’s. Este fato pode ser atribuído pela funcionalidade 2,0 e
pela ausência do impedimento estérico, resultando em elevadas propriedades, como tensão de
ruptura, abrasão e resistência ao rasgo (VILAR, 2002).
PPG’s – os PPG’s são polióis de baixa viscosidade e melhores características de
processabilidade. Todavia as propriedades mecânicas desses elastômeros de PU normalmente
são inferiores, devido aos grupos metila, que dificultam o alinhamento dos segmentos flexíveis
(VILAR, 2002).
Polióis Poliésteres – os polióis poliésteres apresentam certas vantagens sobre os
poliéteres, como resistência estrutural a óleos, solventes e oxigênio. Além disso, a resistência ao
Revisão Bibliográfica 19
rasgo e ao corte dos elastômeros de PU a base de poliol poliéster é significativamente maior que
os fabricados com PPG’s. Por outro lado,
o grupo éster é sensível à hidrólise (VILAR, 2002).
2.2.4.3 – Agentes de Cura
Os agentes de cura mais comuns são:
Diaminas – as diaminas são muito usadas como extensores de cadeias nos pré-polímeros
a base de TDI e nos sistemas de MDI de cura rápida. Devido ao maior tempo de processamento,
são empregados sistemas a base de pré-polímeros de TDI, curados normalmente com a diamina
4,4’-metileno-bis-(orto-cloroanilina) MOCA.
Dióis – o 1,4-butanodiol é um líquido com ponto de fusão de 20ºC, usado principalmente
em elastomeros à base de MDI. Com esses diisocianatos, ao contrário do que ocorre com o TDI, o
1,4-butanodiol forma PU’s com segmentos rígidos bem cristalizados que exibem elevadas
propriedades mecânicas.
2.2.5 – Tipos de Poliuretanos (PU)
Os Poliuretanos podem ser processados de diversas formas, cada uma com sua aplicação
e vantagem. As formas de aplicação mais conhecidas são: as espumas flexíveis e rígidas, o
poliuretano moldado, adesivos, revestimentos em pó, dispersões aquosas de PU (PUD’s) e
elastômeros de poliuretano.
2.2.5.1 – Elastômeros de Poliuretano
Os elastômeros de PU são empregados como materiais de engenharia e reconhecidos
pelas excelentes propriedades, como resistência mecânica, resistência à abrasão e resistência a
óleos, aliada à elevada resiliência. Eles são usados em aplicações como molas, lençóis, tarugos,
rodas, réguas para guilhotinas, gaxetas, luvas, coxins, acoplamentos, cilindros de impressão,
cintas, rolos para siderurgia e peças para mineração.
Os elastômeros podem ser de dois tipos, a saber:
Termoplásticos (TPU) – trata-se de um plástico de engenharia com reação reversível, ou
seja, que pode ser processado por várias vezes, com reciclagem e novas conformações. Seu
processamento é feito através de aquecimento, fusão, injeção, extrusão, prensagem ou
Revisão Bibliográfica 20
compactação. A cada processo ou ciclo perdem-se algumas propriedades e em geral a sua
aplicação é menos exigida.
Termofixos – trata-se de um plástico de engenharia com reação irreversível, ou seja, após
ser processado com seu devido balanço estequiométrico definido, sua cadeia carbônica é fechada
através de um bloqueio eletrônico, definindo suas propriedades físicas e químicas.
Os polímeros e/ou copolímeros podem ser misturados, obtendo-se blendas poliméricas.
Quando miscíveis, as propriedades das blendas derivam das propriedades dos polímeros
individuais, embora uma ação sinérgica possa vir a ocorrer, (ARCHONDOULI et al., 2001). De
acordo com a aplicação, pode-se preparar diferentes blendas, de distintas composições,
resultando em polímeros com diferentes propriedades físico-químicas. Produtos industriais incluem
homopolímeros, copolímeros, blendas homogêneas e blendas heterogêneas.
2.2.6 – Estrutura dos PU’s
Dependendo da preparação de cada PU (isocianatos e agente de cura), podem ser
encontradas configurações com propriedades correspondentes às das poliamidas de estruturas
semelhantes, até PU’s com estruturas amorfas, rígidas e transparentes de pouca estabilidade em
temperaturas elevadas. Por outro lado, têm-se as propriedades dos PU's formados por segmentos
flexíveis, obtidos pela reação de polióis lineares e difuncionais com a quantidade estequiométrica
de diisocianatos. Estes produtos são amorfos e exibem propriedades elastoméricas. As forças
intermoleculares são, essencialmente, as dos segmentos oriundos dos polióis e a dureza e
resistência mecânica são baixas, (BOUFI et al., 1995). Estes produtos têm uma única fase e não
apresentam estruturas segmentadas distintas.
Porém, existe uma configuração de excelentes propriedades, formada por uma estrutura
segmentada composta por segmentos rígidos e segmentos flexíveis.
Os PU's segmentados são formados pela reação de um poliol, um diisocianato e um
extensor de cadeia, que pode ser glicol, diamina ou água. Estes PU's representam uma classe de
produtos, caracterizados por sua estrutura segmentada (blocos poliméricos) e constituída de duas
ou mais fases poliméricas distintas. Esta estrutura segmentada é a responsável pelas excelentes
propriedades destes polímeros.
(TROFIMOVICH et al., 1987) estudaram a influência da estrutura dos poliuretanos no
desgaste por deslizamento. TPU’s MDI, BD (Butano Diol) e várias combinações de poliéster foram
testados e encontrou-se que uma concentração de BD entre 40% e 60% produz um segmento
Revisão Bibliográfica 21
duro de ótimas propriedades de desgaste por deslizamento. Foi proposto que nesta faixa ótima os
blocos duros formaram uma rede com fases rígidas, ao contrário de blocos individuais que foram
encontrados em PU’s com baixas concentrações de BD.
2.2.6.1 – Poliuretanos Segmentados
A configuração e composição dos componentes dos poliuretanos acabam por formar dois
segmentos bem distintos: um flexível e outro rígido.
Segmentos Flexíveis - Os segmentos flexíveis controlam as propriedades de flexibilidade
em temperaturas baixas e a resistência química a solventes e intempéries, e usualmente são
formados pela reação do diisocianato com polióis poliésteres ou poliéteres, como nos elastômeros
fundidos.
Segmentos Rígidos - A escolha do extensor de cadeia e do diisocianato determina as
características do segmento rígido e numa larga extensão as propriedades físicas dos TPU. São
formados pela reação do diisocianato com grupo uretano.
Existe uma incompatibilidade devido à polaridade entre os segmentos rígidos (polares) e os
flexíveis (apolares). Como conseqüência dessa diferença de energia coesiva ocorre uma
separação de fases, formando microfases unidas por ligações covalentes.
Quanto maior for a diferença de polaridade entre os segmentos flexíveis e rígidos, maior
será esta segregação. Assim, a segregação será maior nos PU's de hidrocarbonetos, seguida dos
de poliéter e menor nos de poliéster. A matriz polimérica consiste de segmentos flexíveis
enovelados e de segmentos rígidos agrupados e fixados por interações físicas, figura 2.8A.
Dependendo da natureza e tamanho dos segmentos rígidos e do grau de segregação, são
formadas zonas tridimensionais, arranjadas espacialmente e predominantemente amorfas, e no
caso de resfriamento bastante lento e de comprimento suficiente dos segmentos rígidos, podem
ser formados microcristalitos, figura 2.8B. As ligações secundárias dependem da proximidade e
do arranjo espacial entre os segmentos rígidos, e são principalmente pontes de hidrogênio entre
os grupos uretânicos adjacentes. Outra interação importante é a existente entre os elétrons p dos
anéis aromáticos dos isocianatos (VILAR, 2002).
Revisão Bibliográfica 22
A)
B)
Figura 2.8 – Esquema de formações rígidas e flexíveis, VILAR (2002).
a – segmentos flexíveis
b – segmentos rígidos
a b
2.2.6.2 – Efeito dos segmentos rígidos
A configuração da estrutura segmentada promove interações entre as cadeias e,
conseqüentemente, produz propriedades termomecânicas substancialmente diferentes das
apresentadas pelos produtos com ligações cruzadas, VILAR (2002).
O produto final é um material que une alta resistência mecânica e mobilidade molecular.
Assim, a deformação em resposta a solicitações mecânicas envolve mudança de orientação e de
mobilidade das estruturas dentro dos domínios dos segmentos rígidos, dependendo da
temperatura. Neste processo, as pontes de hidrogênio iniciais são rompidas e outras,
energeticamente mais favoráveis, são formadas. Ocorre então, uma mudança na estrutura do PU
na direção da tensão aplicada, figura 2.9. Como conseqüência, a tensão é mais bem distribuída e
como resultado, a resistência do material é aumentada. Este efeito contribui para o aumento da
tensão de ruptura, alongamento, resistência ao rasgo e deformações permanentes.
A estabilidade térmica provém dos segmentos rígidos, ou seja, se a faixa de fusão destes
segmentos está abaixo da temperatura de decomposição do material ele se comportará como um
termoplástico. Assim, acima do ponto de fusão dos segmentos rígidos o PU linear forma um líquido
homogêneo viscoso que pode ser processado como termoplástico. Todavia, muitas vezes a faixa
de fusão é acima de 250ºC e superior à temperatura de decomposição do PU, o que significa que
mesmo PU's lineares podem não ser termoplástico.
Revisão Bibliográfica 23
I - Estrutura relaxada (s/ esforço) II - Estrutura estirada
Figura 2.9 – Efeito da tensão aplicada na estrutura do PU segmentado. a) Segmento
flexível, b) Segmento rígido, c) segmento flexível cristalizado pelo esforço, segundo Bonart (UETZ,
1986).
c
b
a
2.2.6.3 – Efeito dos segmentos flexíveis
A natureza química e o tamanho dos segmentos flexíveis controlam as propriedades de
flexibilidade e resistência a solventes a baixas temperaturas, (VILAR, 2002).
Já a temperatura de Tg (temperatura de transição vítrea) é função do grau de segregação
entre as fases dos segmentos rígidos e flexíveis. Pela solvatação seletiva de PU's aromáticos e de
segmentos poliéster, com diferentes solventes, foi possível demonstrar que uma associação dos
segmentos rígidos no estado sólido (domínio dos segmentos rígidos) é um pré-requisito para a
existência de uma temperatura de transição elevada, (VILAR, 2002).
O aumento do comprimento das cadeias dos segmentos flexíveis e o decréscimo do teor de
segmentos rígidos, bem como a linearidade das cadeias do PU, favorecem a cristalização da fase
flexível.
2.2.6.4 – Poliuretanos com ligações cruzadas
Ligações entre grupos isocianatos residuais com grupamentos uréia e uretano formando
ligações cruzadas biureto e alofanato modificam drasticamente as propriedades dos PU’s. Outras
formas de se formar ligações cruzadas é através de álcoois ou animas, tri ou poli-funcionais.
Enquanto o alongamento e as taxas de deformações permanentes decrescem com o aumento da
densidade de ligações cruzadas, a tensão de ruptura inicialmente cresce, mas depois decresce,
Revisão Bibliográfica 24
(VILLAR, 2004). Quando um PU linear segmentado é reticulado os efeitos das ligações cruzadas
predominam sobre os efeitos oriundos da segregação de fases.
Em situações onde o número de ligações cruzadas é grande, a fixação espacial da
estrutura pode impedir a segregação dos domínios rígidos.
2.2.7 – Propriedades mecânicas de materiais poliméricos
A avaliação das propriedades mecânicas de materiais poliméricos é geralmente realizada
por meio de ensaios, que na maioria dos casos indicam dependências de tensão-deformação.
Porém, esses ensaios são insuficientes para descrever materiais poliméricos também a nível
molecular.
Para esses materiais, as propriedades mais importantes são aquelas decorrentes de
processos de grandes deformações e relaxações moleculares, como relaxação sob tensão,
escoamento sob peso constante e histerese.
Essas propriedades são afetadas diretamente por parâmetros, tais como: temperatura,
quantidade de deformação reversível dentre outros que interagem entre si, determinando a
resposta final do material a deformação.
2.2.7.1 – Propriedades elásticas
A dificuldade com que as cadeias se movem uma em relação às outras é um fator
determinante para que haja maior ou menor alongamento, além de interferir na força necessária
para que haja deformação. Polímeros com ligações cruzadas possuem maior resistência, porém
devido à sua rede tridimensional são mais quebradiços. Elastômeros se alongam mais antes da
ruptura, (VILLAR, 2004).
A estrutura dos polímeros pode influenciar diretamente a resistência à tração, bem como
propriedades de alongamento.
As propriedades elásticas são avaliadas através de testes, onde um corpo de prova padrão
é estendido a uma velocidade padrão constante até a sua ruptura (ASTM D 412). Durante a
aplicação da carga podem ser medidos os módulos de deformação relacionados com a
porcentagem de alongamento, muito utilizados na avaliação de elastômeros. Durante a ruptura são
colhidos a carga máxima e o alongamento máximo do material, e a resistência à tração é avaliada
Revisão Bibliográfica 25
pela carga aplicada por unidade de área durante a sua ruptura, sendo a área a seção do corpo de
prova durante o início do teste, figura 2.10a.
Em uma curva tensão versus deformação, pode–se observar uma parte inicial em linha
reta, onde o material exibe perfeita elasticidade, nessa fase existe um desenovelamento e
alinhamento das cadeias macromoleculares longas e flexíveis. Extensão posterior do polímero
acarreta deslizamento das macromoléculas com o rompimento de ligações secundárias entre
cadeias adjacentes, podendo resultar em deformações permanentes, figura 2.10b.
A figura 2.11 mostra, a nível molecular, a resposta de um material polimérico com regiões
cristalinas e amorfas a um esforço de tração.
A deformação se processa em regiões seqüenciais de acordo com os níveis energéticos
das uniões. Assim, regiões com energia de ligação mais baixa (interações dipolo-dipolo, pontes de
hidrogênio, etc.) são as primeiras a permitirem movimentação das macromoléculas, até
deformações envolvendo altas energias e rompimento de ligações nas cadeias.
a)
b)
Figura 2.10 – Propriedades Elásticas. a) Diagramas tensão x deformação; b) Curvas
típicas de tensão x deformação: a - Material duro quebradiço; b - Material duro e resistente; c -
Material elástico; d - Material macio e de baixa resistência mecânica; e - Material macio e
resistente, (VILAR, 2002).
Revisão Bibliográfica 26
Esforço
a)
e
)
d
)
c)
b
)
Esforço
a)
e
)
d
)
c)
b
)
Figura 2.11 – Resposta de um segmento a um esforço de tração. a) aplicação do esforço;
b) desenovelamento e alinhamento das cadeias macromoleculares longas e flexíveis; c)
alinhamento da parte cristalina; d) deslizamento das macromoléculas com o rompimento de
ligações secundárias entre cadeias adjacentes; e) colapso do material com rompimento de
ligações e macromoléculas, (SILVA, 2003).
A resistência à deformação estará, então, vinculada à proporção de fases cristalina e
amorfa e a existência de ligações cruzadas, que impedem movimentação de estruturas
enoveladas.
2.2.7.2 – Resistência ao rasgo
O teste de resistência ao rasgo para elastômeros é descrito pela norma ASTM D 624. Um
corpo de prova com geometria específica é tracionado, de forma que a força aplicada é distribuída
apenas em uma linha, Figura 2.12. O teste mede a energia necessária para rasgar o corpo de
prova numa velocidade específica de separação. Nesse teste, a velocidade de estiramento é de
grande influência no resultado final, visto que, a energia necessária está associada a propriedades
viscoelásticas do material.
Revisão Bibliográfica 27
b) c) d)
a)
Figura 2.12 – Tipos de corpos de prova para ensaios de resistência ao rasgo; a) Bastão; b)
Calcas; c) Angular; d) Entalhe, (VILAR, 2002).
2.2.7.3 – Resiliência
A resiliência de um material polimérico pode ser determinada através de um teste segundo
a norma ASTM D 2632 e é a medida da quantidade de energia devolvida após a deformação por
aplicação de uma tensão. Para um elastômero e espumas flexíveis, esse valor é determinado pela
quantidade de energia devolvida após o impacto do material com uma massa conhecida, sendo
medida pelo ricochete resultante. Essa medida é dada de forma percentual.
2.2.7.4 – Histerese
A histerese pode ser medida pela perda de energia durante um ciclo de deformação e
recuperação do material (ASTM D 2231). Ela é um fenômeno observado em alguns materiais,
onde certas propriedades, em determinado estado, dependem de estados anteriores.
Mesmo que o material seja elástico, são freqüentes as situações em que as curvas de
deformação e de relaxamento não coincidem. O valor da energia por unidade de volume pode ser
determinado a partir da área entre as curvas de tensão em função da deformação (MÜTZENBERG
et al., 2004).
2.2.7.5 – Dureza
A dureza mede a resistência à penetração, ou ao risco em um material. Para a
caracterização da dureza dos PU's sólidos é normalmente utilizado o teste de dureza na escalas
Shore A e Shore D, (ASTM D 2240).
Revisão Bibliográfica 28
Várias são as modificações estruturais que interferem na medida do valor da dureza.
Ligações cruzadas, aumento das forças coesivas intramoleculares, teor de segmentos rígidos em
PU’s, etc. (ViILLAR, 2004).
2.2.7.6 – Técnica de Indentação-Esférico-Instrumentada (IEI)
A Indentação-Esférico-Instrumentada (IEI) é uma metodologia de teste baseada na
penetração cíclica de um corpo esférico na superfície do material com monitoramento constante da
carga e da profundidade, (CARDOSO et al., 2005).
A profundidade de indentação é monitorada e sua aquisição é feita de forma constante e
associada à carga que gerou aquela deformação.
A técnica permite, através de carregamentos e descarregamentos parciais, obter
propriedades mecânicas em metais, tais como dureza, limite de escoamento, limite de resistência,
etc., (CARDOSO, 2004).
No caso de polímeros, o acesso a essas propriedades ainda não está consolidado. Neste
trabalho foi utilizada a técnica para buscar uma correlação entre curva tensão-deformação e as
propriedades tribológicas.
A área sob a curva da tensão-deformação pode ser considerada uma medida para a
tenacidade, (MERGLER et al., 2005).
2.2.8 – Resistência ao desgaste por partículas duras
Materiais como poliuretano e polietileno têm sido estudados e demonstram um bom
desempenho em situações de abrasão, (THORP, 1982; Mano, 1991; VILAR, 2002; BUDINSKI,
1997; FRANCO, 2001, 2002; RAMOS NETO, 2003).
Uma das aplicações recentes, onde a sua utilização tem gerado bons resultados, é na
exploração de petróleo em águas profundas. Nessa condição, a utilização de materiais poliméricos
devido à sua resistência à corrosão em água do mar é de vital importância, porém, propriedades
de resistência ao desgaste abrasivo e resistência mecânica são necessárias.
Vários autores tentaram correlacionar resistência ao desgaste erosivo com propriedades
mecânicas dos polímeros, porém, pouca informação pode ser encontrada na literatura
correlacionando essas propriedades e resistência ao desgaste abrasivo. A seguir são
Revisão Bibliográfica 29
apresentados alguns resultados obtidos em situações envolvendo desgaste abrasivo e erosivo em
polímeros.
RATNER et al. (1964) encontraram uma dependência direta do desgaste abrasivo com o
coeficiente de atrito e carga aplicada e uma relação inversamente proporcional ao produto entre a
dureza, a tensão de ruptura e a deformação máxima. FRIEDRICH and CYFFKA (1985)
conseguiram uma boa correlação direta com um fator de probabilidade à fratura e a dureza, e
inversamente proporcional à energia de fratura. (BRISCOE, 1981) aplicou uma relação semelhante
em vários polímeros e observou que a taxa de desgaste é inversamente proporcional à tensão de
ruptura (σu) multiplicada pela deformação de ruptura (εu). Esse produto é a área abaixo do gráfico
e dá uma idéia de energia de fratura.
FRIEDRISH (1986) estudou o desgaste erosivo em superfícies poliméricas por
bombardeamento de esferas de aço e encontrou que uma boa indicação de um material resistente
à erosão foi dada pela relação H/G
IC
onde, H é a dureza e G
IC
é a tenacidade à fratura. Quanto
maior o valor dessa fração menor a resistência ao desgaste.
SOUTHERN and THOMAS (1978) modelaram a abrasão em lâminas de borrachas usando
uma aproximação do mecanismo de fratura baseado na equação de Paris, usada amplamente
para descrição de problemas de propagação de fraturas por fadiga. ARNOLD and HUTCHINGS,
1992 estenderam essa aproximação para estudo do desgaste erosivo em elastômeros. Eles
desenvolveram uma expressão que correlaciona taxa de desgaste, tamanho do abrasivo,
velocidade do abrasivo, elasticidade, ângulo de impacto e propriedades de atrito e fratura do
elastômero.
Essa expressão tem dado um bom resultado qualitativo, concordando com os resultados
experimentais, mas de uma maneira mais relevante, enfatizam a importância do mecanismo de
geração de trincas no processo de desgaste.
Outros trabalhos têm complementado estudos com alguns tipos de poliuretano e suas
estruturas de cadeia.
LI e HUTCHINGS, 1990 estudaram poliuretanos a base de éster com dureza nominal de 20
a 90 IRHD (International Rubber Hardness Degree). Esses materiais foram testados quanto à
erosão e encontrou-se que, para materiais de mesma resiliência, aumento de dureza acarretava
em aumento da taxa de desgaste erosivo. Os mecanismos de erosão eram similares ao
mecanismo de fadiga de erosão observado para outros elastômeros.
KURACHENKOV et al. (1990) avaliaram diversos poliuretanos quanto à resistência à
abrasão, e observaram que materiais de menor dureza foram altamente elásticos, com
Revisão Bibliográfica 30
deformações elastoplásticas na superfície. O aumento da dureza introduziu microcorte
aumentando o desgaste, enquanto que sólidos que se ajustam à penetração do abrasivo na
superfície têm melhor desempenho.
HUTCHINGS et al. (1987) estudaram a erosão em borrachas e em um poliuretano e
encontraram uma relação entre a resistência ao desgaste e a resiliência, isso foi atribuído a
absorção de uma parcela da quantidade da energia cinética da partícula erosiva pela borracha.
Materiais com alta resiliência têm boa resistência ao desgaste e apresentam o padrão de abrasão
de Shallamach, enquanto os de baixa resiliência não, sendo fundamental a análise dos
mecanismos de desgaste (BECK and TRUSS, 1998).
HUTCHINGS (1992) sugeriu que, talvez, devido à significativa deformação elástica durante
o teste de dureza em polímeros, provavelmente mais importante sejam os mecanismos de
desgaste que podem envolver trincas de fadiga, ao contrário de processos de deformação
plásticas observados em metais.
Partido, então, para uma análise dos mecanismos que atuavam nos processos de desgaste
abrasivo em polímeros, BRISCOE (1981) classificou o desgaste em dois tipos: desgaste coesivo,
que inclui a abrasão e fadiga superficial, e desgaste interfacial que inclui a adesão e a reação
triboquímica. A abrasão e a fadiga de contato são influenciadas pela resistência coesiva ou
tenacidade do material.
Desta forma, verificou que o desgaste abrasivo em materiais poliméricos ocorre segundo
dois mecanismos bem distintos: a deformação plástica e o microcorte da superfície e a
deformação elástica convergindo em desgaste por fadiga. A deformação plástica e microcortes são
gerados através de protuberâncias afiadas das superfícies do abrasivo (particularmente em
polímeros rígidos) e o resultado é o surgimento de riscos longitudinais no sentido do deslizamento
na superfície desgastada. Já a deformação elástica é proveniente da interação de asperidades
arredondadas das partículas duras, particularmente em elastômeros, e perfis na forma de
escamas, perpendiculares a direção de deslizamento podem ser observados, THORP (1982).
Esses perfis foram observados primeiramente por SCHALLAMACH (1971) e
posteriormente, abordados por (SOUTHERA and THOMAS, 1978; BHOWMICK, 1982; UCHIYAMA
and ISHINO, 1992), onde um padrão de sulcos perpendiculares à direção de deslizamento é
formado na passagem do abrasivo. O estudo deste padrão de desgaste abrasivo estabeleceu que
microtrincas são iniciadas devido ao forte atrito na interface do abrasivo e da superfície do
material. Inicialmente essas trincas crescem para o interior do material, mas quando a dobra de
Revisão Bibliográfica 31
deformação cresce, a trinca se propaga para cima na região próxima de menor carga, com
crescimento e destacamento.
KOUDINE et al. (1997) demonstraram o comportamento destes perfis de desgaste
abordados por Schallamach estudando diagramas da evolução do espaço-tempo de seções
transversais da área de contato de uma esfera de vidro deslizando contra a superfície de um
elastômero. Foram estudados os mecanismos de deslizamento a níveis microscópicos, figura
2.13. Existe uma velocidade crítica de deslizamento do penetrador esférico a partir da qual uma
dobra começa a ser formada através da área de contato, como uma onda do destacamento. Essas
pequenas dobras podem ser observadas em toda área de contato (da zona de compressão à zona
de tração), espaçadas de forma regular, (KOUDINE et al., 1997).
Figura 2.13 – Diagrama esquemático mostrando perfil criado entre uma esfera de vidro e
uma superfície plana de uma borracha natural. V
e
é a velocidade de deslizamento da esfera de
vidro; F é a força tangencial. O início da região de baixo ângulo do lado oposto ao contato é
representado pelo ponto N. Um micro-cume é formado na vizinhança da protuberância
viscoelástica na borda principal, próximo ao ponto K, (KOUDINE et al., 1997).
O tempo é uma variável que pode influenciar significativamente as modalidades da
deformação por isso a velocidade de solicitação pode ter uma influência direta na resposta de um
material polimérico. (MEIJER et al., 2000) mostrou que para o policarbonato existe falha de
maneira frágil quando o mesmo é testado sob circunstâncias do impacto.
Na indentação, as variações principais no comportamento elástico e plástico são aparentes,
ou seja, a recuperação elástica está ligada ao tempo. Como exemplo, o policarbonato mostra uma
Revisão Bibliográfica 32
recuperação completa após aproximadamente três semanas; PMMA recupera-se em três dias,
enquanto o poliestireno se recupera em aproximadamente 30 minutos, (MEIJER et al., 2000).
Para abordagens de riscamento, o comportamento observado parece ser efeitos de
respostas adiabáticas ao carregamento, mesmo nas velocidades deslizantes mais modestas de 1
mm.s
-1
ou menos, por exemplo, (BISCOE, 1998). Um aumento na velocidade de riscamento
geralmente realçará a dutilidade, ou suprimirá ao menos as respostas frágeis, ou melhor, que
promova ruptura frágil, (BISCOE et al., 1996).
Além disso, métodos de riscamento correspondem mais diretamente à deformação
produzida por asperidades na prática, (BRISCOE, 1998). Ele estudou, para um policarbonato,
variáveis experimentais que influenciavam na resposta do sistema, como: o ângulo de ponta do
elemento riscante (β), a carga e a profundidade da penetração, o estado da lubrificação interfacial
e a velocidade de deslizamento.
Encontrou-se que a tensão imposta influencia diretamente à resposta elastoplástica
(excluindo outros efeitos tais como o tempo e a temperatura). Também foi mostrado que existem
vários regimes de deformação produzidos por geometrias de penetradores em cargas normais
diferentes, variando em comportamentos dútil e frágil.
Fixando uma carga e variando o ângulo de ataque (α) Briscoe observou a mudança na
natureza dos danos na superfície de um Policarbonato. A figura 2.14 apresenta um resumo da
relação entre ângulo de ataque e danos superficiais gerados a partir de MEV das superfícies
testadas nas várias condições de ângulo de ataque.
Para valores baixos de ângulos de ataque não há nenhuma deformação permanente
mensurável. Aumentos adicionais induzem alisamento das asperidades e depois os processos de
sulcamento. Os estágios finais do aumento progressivo no ângulo de ataque induzem uma
variedade de rasgos na superfície que são acompanhados por processos dúteis e frágeis de
arranque de material.
Revisão Bibliográfica 33
Figura 2.14 – Esboço da resposta típica para um policarbonato. Influência do ângulo de
ponta do cone β, nos tipos dos danos produzidos no riscamento, (BRISCOE, 1998), modificado.
Estudos realizados por MARDEL et al. (1994) em blendas, indicam que existe uma relação
entre separação de fases e resistência ao desgaste. Fundindo TPU’s em temperaturas acima de
100ºC, aumenta-se a separação de fases duras e moles e observa-se uma melhora nas
propriedades de desgaste.
RAMOS NETO (2003) estudou o desgaste abrasivo em materiais de proteção de linhas
flexíveis utilizadas na condução de petróleo por meio de um abrasômetro DIN 53.516. Ele
observou no estudo dos mecanismos de desgaste que o microcorte e o microsulcamanto levam a
maiores taxas de desgaste quando comparados com o microlascamento.
Revisão Bibliográfica 34
2.3 – Linhas Flexíveis
Nos últimos 23 anos, a Petrobras, pioneira no uso do conceito de produção flutuante,
enfatizou a inovação e o aperfeiçoamento, com base em sua experiência profissional. Para
alcançar melhores resultados, a Petrobras vem empreendendo grandes esforços no sentido
descobrir novas reservas em águas profundas (de 300 a 1500 m de profundidade), bem como,
viabilizar a exploração das mesmas. A empresa planeja alcançar, em 2006, uma produção de 1,9
milhão de barris de óleo por dia, com cerca de 70% provenientes de águas profundas e
ultraprofundas (a partir de 1550 m de lâmina d’água). Além disso, é provável que a maioria das
novas descobertas esteja localizada em águas ultraprofundas. (www.petrobras.com.br,
março/2005).
A extração do petróleo, nestas condições, tem sido feita através de plataformas móveis que
são conectadas aos poços através de linhas rígidas ou flexíveis, também chamadas risers. As
linhas rígidas são formadas por tubos de aço que são emendados e lançados em catenária (steel
catenary risers – SCR). As linhas flexíveis, também lançadas em catenária, são dutos fabricados
em grandes extensões, constituídos por várias camadas.
2.3.1 – Descrição
Linhas flexíveis são elementos que conectam as plataformas aos poços e são responsáveis
por levar o óleo até à plataforma. Esses componentes são constituídos por um intrincado sistema
de camadas concêntricas que intercalam variados materiais com funções distintas. Existem outros
componentes intermediários como manifold e Árvore de Natal, que também estão conectados
através de linhas de fluxo (flowlines). O manifold é instalado no fundo do mar para coletar a
produção de petróleo e depois redirecioná-la para uma Unidade de Produção Estacionária. Árvore
de Natal é instalada na cabeça de cada poço perfurado e controla o fluxo de óleo e/ou gás, figura
2.15.
Revisão Bibliográfica 35
Figura 2.15 – Esquema submarino dos equipamentos do processo de extração de
petróleo, Veja 2002.
2.3.2 – Problema
Constatou-se recentemente, que as linhas flexíveis ao tocarem o fundo do mar
experimentam um progressivo desgaste por abrasão. Esse desgaste é mais acentuado no ponto
de início do contato da tubulação com o fundo do mar: Touch Down Point – TDP, figura 2.16. Isso
se deve basicamente à movimentação da plataforma e às correntes marinhas, que determinam
uma movimentação do duto em relação ao relevo marinho (KAISER JR., 2003).
Como material da capa externa ou proteção das linhas flexíveis, a Petrobras tem utilizado
Nylon 11 (PA), Polietileno (PE) e Poliuretano (PU) com diferentes valores de dureza. Estes
materiais têm sido estudados e demonstram bom desempenho em situações de abrasão, além de
serem resistentes à corrosão (THORP, 1982; MANO, 1991; VILAR, 2002; BUDINSKI, 1997). Suas
propriedades de desgaste são dependentes de fatores como: estrutura química (ARCHONDOULI
and KALFOGLOU, 2001; LARSEN-BASSE and TADJVAR, 1988), quantidade de ligações
cruzadas (BECK and TRUSS, 1998), peso molecular (FALKNER et al., 1983), resistência ao
impacto (BRISCOE¸ 1981) e outros. Além disso, outros fatores como a hidrólise, oxidação e
degradação por microorganismos podem influenciar diretamente seu desempenho (FALKNER et
al., 1983; BRISCOE¸ 1981; MOTA, 2002). Portanto, é necessário explorar as condições ótimas de
fabricação, bem como outros materiais, como algumas borrachas desenvolvidas por fabricantes
Revisão Bibliográfica 36
nacionais que também apresentam potencial de aplicação nesse tribosistema (Petróleo Brasileiro
S.A., 2003; FRANCO, 2001).
Para reduzir esse problema, as linhas flexíveis vêm sendo revestidas externamente com
materiais poliméricos na forma de luvas bipartidas, figura 2.17, RAMOS NETO (2003).
Figura 2.16 – Linhas flexíveis na exploração de petróleo em águas profundas. a)
Representação esquemática e animação do movimento de uma linha flexível, I) plataforma móvel,
II) “riser” em balanço, III) TDP, IV) riser apoiado no solo marinho. (KAISER JR, 2003). b) Foto de
linha flexível com falha na camada externa.
b)
a)
TDP
A troca desses componentes de exploração de petróleo é um processo demorado,
complexo e oneroso. Outro aspecto é o tempo de parada de produção que contribui para o
aumento dos custos operacionais. Neste contexto, o aumento da resistência ao desgaste,
contribuindo para uma vida maior destes componentes para exploração de petróleo, é de grande
importância e está diretamente relacionado à lucratividade das companhias de exploração de
petróleo.
Revisão Bibliográfica 37
Figura 2.17 – Proteção das linhas flexíveis na forma de luvas bipartidas fabricadas em
material polimérico, (RAMOS NETO, 2003).
2.3.3 – Desgaste na região do TDP
Devido à interação das linhas flexíveis (LF) com solo marinho, que contem também areia,
há uma forte redução da espessura na parte inferior (geratriz). Os mecanismos de desgaste foram
analisados em amostras removidas após 40 meses de operação de uma LF com capa externa de
Poliamida, correspondente à região de TDP, (poço Marlin 37, plataforma P-19, linha de injeção de
água, φ 6 polegadas).
A análise dos mecanismos de desgaste de restos de uma capa externa de LF protegida
com Poliamida por PAES et al.,(2001) evidenciou riscos pronunciados nas laterais. Na parte
inferior, esses riscos são menos profundos. Além do riscamento foram verificadas indentações e
pequenas trincas geradas pela intensa deformação plástica do material na interação com o
abrasivo. Há evidências ainda de rotação da LF durante a operação.
Como podem ser notados da figura 2.18, os riscos gerados pela solicitação tribológica
apresentam-se perpendiculares ao eixo principal da linha. A figura 2.19 apresenta um segmento
da capa externa de Poliamida aplicado a uma das linhas em questão.
Revisão Bibliográfica 38
a)
b)
c)
d)
Figura 2.18 – Vista geral das dimensões dos danos causados pela movimentação das LF na
região do TDP, a) linha com capa externa de polietileno (PE), b) completa remoção da capa externa,
c) e d) linha com capa externa de Poliamida, FRANCO, (2001).
Figura 2.19 – Capa externa apresentando ruptura total da parede, FRANCO, (2001).
Revisão Bibliográfica 39
Também foram analisados segmentos de calhas protetoras fabricadas com um PU de
dureza 85 Shore A. Essas amostras foram retiradas após 44 meses de uso na plataforma P–19.
Um segmento dessa proteção pode ser observada na figura 2.20, FRANCO, (2002).
Figura 2.20 – Calha do PU após 44 meses de uso na plataforma P-19; segmento mais
significativamente desgastado na espessura (região indicada pela seta), FRANCO, (2002).
De forma geral, nota-se que as calhas apresentam-se praticamente inalteradas em suas
dimensões originais na geratriz, e, portanto, em excelente estado. Alguns riscos com comprimento
de até 60 mm foram observados, não comprometendo, todavia, as funções de proteção da calha.
A figura 2.21 apresenta alguns desses riscos com maior aproximação, onde se nota a presença
de pequenas marcas transversais à direção de riscamento. Nessa foto observa-se ainda a
presença de indentações ou impressões geradas por partículas duras do solo marinho. Contudo, a
contribuição desse mecanismo de degradação parece ser pequena para a perda localizada de
material. Essa constatação fica evidente na figura 2.21b. A redução de espessura nos dois
segmentos focados pela fotografia é significativa e foi gerada basicamente por um processo de
riscamento. Isso corrobora a hipótese de que os materiais utilizados na confecção de calhas
protetoras de linhas flexíveis possam ser razoavelmente classificados com relação à abrasão
através de ensaios de esclerometria pendular. A máxima redução na espessura chegou a
aproximadamente 18%, como mostrado na análise da seção longitudinal da região mais
desgastada da calha mostrada na figura 2.21c.
Revisão Bibliográfica 40
a)
b)
c)
Figura 2.21 – Detalhes das geratrizes de calhas protetoras após 44 meses trabalhando na
plataforma P-19, a) detalhes de riscos e indentações, b) geratriz com desgaste localizado e c)
seção longitudinal do segmento com maior desgaste abrasivo, notar cotas em mm (espessura
original de 40 mm), FRANCO, (2002).
Os mecanismos de desgaste a nível microscópico foram analisados em regiões contendo
riscos, indentações, trincas, etc. Ou seja, uma vasta quantidade de amostras foi observada, de tal
forma que todos os fenômenos ocorrentes pudessem ser analisados.
A figura 2.22 apresenta o aspecto típico de um risco observado na amostra da calha. O
risco apresenta-se relativamente liso sem evidências de deformação plástica. Além disso, nota-se,
especialmente na parte superior da figura 2.22a depressões dispostas de forma perpendicular à
direção de riscamento e, aparentemente, igualmente espaçadas. Em maiores aumentos, observa-
se que a superfície dessas amostras foi gerada através da propagação de trincas de forma frágil,
ou seja, constituídas de superfícies relativamente lisas, como mostrado na figura 2.22c.
Revisão Bibliográfica 41
Figura 2.22 – Calha, PU, a) vista geral, b), c) e d) detalhes, MEV, FRANCO, (2001).
1,0 mm
250
µ
m
a)
Direção transversal à LF
b)
d)
c)
100
µ
m
50
µ
m
A figura 2.23 apresenta o aspecto topográfico típico de um risco relativamente grande na
amostra de PU. Na suas imediações foram observadas marcas transversais. A remoção de
material se deu, como observado nas figuras anteriores, através da propagação das trincas sem
deformação plástica.
Revisão Bibliográfica 42
b)
a)
Figura 2.23 – Superfície de PU após 44 meses de uso na região de riscos. a) Vista geral, b) maior
aumento, c) detalhe de “b”, d) e e) detalhes de “c”, FRANCO, (2002).
c)
d)
50
µ
m
100
µ
m
1 mm
0,5 mm
Revisão Bibliográfica 43
Figura 2.23 – Continuação.
e)
50
µ
m
Nas regiões onde não foram observados riscos, pôde-se notar a presença de indentações
de dimensões relativamente pequenas, quando comparadas com as dimensões dos riscos (figura
2.24). Associado a essas impressões pôde-se notar a presença de microtrincas. Essas trincas
podem facilitar a remoção de fragmentos de desgaste pela ação dos corais, seja pela ação de
riscamento, seja pela indentação repetida. Ressalta-se ainda, que essa microtrincas só puderam
ser observadas com aumentos elevados, sugerindo que sua extensão seja bastante pequena no
material. Mesmo as trincas de maiores dimensões, observadas nas figuras 2.22d e 2.23d e 2.23e
têm uma profundidade de penetração bastante reduzida, como pode ser notado através da figura
2.25. Através de uma inspeção visual da seção longitudinal (ver figura 2.25), nenhum defeito ou
trinca pôde ser notada abaixo da superfície da região mais desgastada. A figura 2.26 apresenta
uma indentação, que resultou na formação de uma trinca de dimensões similares às observadas
nas figuras 2.24d e 2.24e. FRANCO (2001) sugere que essas trincas apareçam no caso de
esforços mais acentuados e/ou partículas duras agudas, ou seja, um caso posterior ao observado
na figura 2.26.
A ação de partículas pontiagudas pode não só gerar indentações com microtrincas, mas
também exercer uma ação incisiva e cortante a partir do momento que há movimento relativo entre
essa partícula e a calha. As micrografias da figura 2.27 ilustram esse tipo de evento. Vale
ressaltar, que esse tipo de evento não foi observado com freqüência, não devendo contribuir de
forma decisiva para o processo. Assim, o autor sugere, que o principal evento responsável pela
remoção de material nos segmentos da calha da figura 2.20, seja o riscamento com partículas
Revisão Bibliográfica 44
duras mais rombudas e resistentes mecanicamente, resultando em quantidades apreciáveis de
material removido.
Figura 2.24 – Calha, PU, região sem riscos, a) vista geral, b) c) e d) detalhes, FRANCO,
(2002).
a) b)
c)
0,5 mm
100
µ
m
d)
10
µ
m
25
µ
m
Revisão Bibliográfica 45
Figura 2.25 - Seção longitudinal mostrando que as microtrincas observadas na superfície
desgastada estão confinadas à região sub-superficial, FRANCO, (2002).
200 µm
Face ⊥ à superfície
desgastada e ⁄⁄ à
direção
longitudinal da LF
Trinca
superficial
Figura 2.26 – Evento gerado muito provavelmente pela indentação de asperidades duras
contra o PU, FRANCO, (2002).
200 µm
Revisão Bibliográfica 46
a) b)
1,0 mm
200
µ
m
d)
c)
Direção transversal à LF
200
µ
m
200
µ
m
Figura 2.27 – Superfície do PU após 44 meses de uso, aspecto de cortes,
FRANCO, (2002).
Anteriormente, a avaliação do desempenho destes materiais vem sendo feita, no
Laboratório de Tribologia e Materiais da Universidade Federal de Uberlândia, através de duas
abordagens: através de ensaios de desgaste abrasivo normatizados pela DIN 53.516 à
temperatura de 4ºC, (RAMOS NETO, 2003) e com ensaios de esclerometria pendular também a
4ºC, ambos com o propósito de simular os eventos de desgaste que ocorrem no fundo do mar,
(FRANCO, 2001), figura 2.28. A comparação dos resultados desses ensaios com amostras de
material utilizado em campo revelam semelhança entre os mecanismos de desgaste. Desta forma,
Revisão Bibliográfica 47
pôde-se determinar os parâmetros de teste que reproduzem os mecanismos de desgaste abrasivo
em águas profundas, (FRANCO, 2002 e PAES et al., 2002).
a)
b)
Figura 2.28 – Equipamentos utilizados atualmente para avaliação do desgaste abrasivo em
linhas flexíveis: a) Esclerômetro pendular e b) abrasômetro DIN 53.516.
Os ensaios de desgaste abrasivo via esclerometria pendular são conduzidos em pêndulos
dotados de um penetrador, que percute na amostra gerando um risco. O princípio de
funcionamento da técnica é apresentado na figura 2.28a. A energia específica de riscamento,
dada pela relação entre a energia necessária para gerar um risco e a massa removida, é um
parâmetro de rápida obtenção, e representativo da resistência à abrasão dos materiais para várias
situações práticas (BRYGGMAN et. al., 1985). Além disso, uma boa correlação entre ensaios de
desgaste abrasivos, inclusive no que concerne à morfologia da deformação, mecanismos de
desgaste e formação dos fragmentos de desgaste foram detectadas em trabalhos anteriores
(FRANCO e DE MELLO, 1992). Ou seja, através da esclerometria pendular é possível classificar
diferentes materiais com relação ao desgaste abrasivo, com custos de ensaios relativamente
baixos. A esclerometria pendular tem sido utilizada ainda para estudar os efeitos da profundidade
de riscamento, da geometria do elemento riscante, de variáveis associadas ao material, dentre
outros, sobre a energia específica de riscamento (LIU, 1996, BRYGGMAN et al., 1979,
SORDERBERG et al., 1985).
Ensaios realizados por PAES et al. (2002) indicam que alguns materiais têm
comportamentos diferentes para riscos grandes e pequenos, ou seja, para baixas profundidades
de risco a relação da energia absorvida em deformações elásticas e aquela destinada à remoção
de material (desgaste) é diferente em relação a grandes eventos. Embora a tensão do contato
esteja nominalmente fixada, desde que o ângulo de ataque seja constante, os danos também
variam extremamente com a profundidade. LAMY (1989) também encontrou resultados similares a
Revisão Bibliográfica 48
esta relação, usando um esclerômetro pendular com dispositivo onde a ação do pêndulo fornece
naturalmente uma escala das profundidades e também das modalidades dos danos
correspondentes.
PAES et al., 2002 estudou diversos polímeros usando a técnica de esclerometria pendular.
Como elementos riscantes foram utilizados penetradores piramidais confeccionados em metal duro
(WC-Co) de base quadrada e extremidades truncadas (0,5 x 0,5 mm²) com ângulos de ataque
(40º, 52,5º, 60º, 75º e 95º).
As figuras 2.29 e 2.30 mostram resultados de ensaios de esclerometria pendular realizado
pelo autor deste trabalho (PAES et al., 2002) e expressam a energia especifica de riscamento para
dois materiais em diferentes profundidades de risco ou perda de massa. Podem-se definir perdas
de volumes de até 20E-3 cm
3
como sendo eventos pequenos, e perdas maiores que esse valor
como sendo eventos médios e grandes. Para materiais tais como borrachas e PU’s, observou-se
um aumento considerável da energia específica com a redução da perda de volume. Esse efeito é
clássico e bastante conhecido em trabalhos envolvendo esclerometria pendular e usinagem, sendo
conhecido como efeito de escala, (BRYGGMAN, et al., 1979).
Para o Nylon 11, figura 2.29, não foram observadas grandes diferenças entre energias
específicas para os vários tamanhos de eventos, mantendo-se um comportamento praticamente
linear para baixos ângulos de ataque testados. Para ângulos de ataque maiores, notou-se uma
pequena tendência de aumento da energia especifica ao se caminhar em direção aos grandes
eventos. Esse inesperado resultado não foi explicado nesse trabalho.
Percebeu-se ainda que a
energia específica de riscamento é reduzida na medida em que o ângulo de ataque é
aumentado. Esse é um fenômeno bem conhecido e descrito por ZUM GAHR, (1988).
Revisão Bibliográfica 49
Energia Específica de Riscamento - Nylon11
10
100
1000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Perda de Volume [10-³.cm³]
e [J/cm³]
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 60 - 2'C)
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 52,5 - 2'C)
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 75 - 2'C)
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 95 - 2'C)
PA
PA
PA
PA
PA
Energia Específica de Riscamento - Nylon11
10
100
1000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Perda de Volume [10-³.cm³]
e [J/cm³]
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 60 - 2'C)
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 52,5 - 2'C)
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 75 - 2'C)
Log. (Nylon11 - Âng. Ataq. 95 - 2'C)
PA
PA
PA
PA
PA
95º
75º
52
,
2º
60º
Figura 2.29 – Resultados de esclerometria pendular (energia específica em função do
volume de material removido) para amostras de Poliamida (Nylon 11) utilizado em revestimento de
linhas flexíveis, (PAES et al., 2002). Ensaios realizados com amostras a 2ºC.
Recentemente, BRISCOE et al., 1999, analisaram os efeitos desse ângulo e da
velocidade de riscamento de poli-metacrilato de metila (PMMA) e poliestireno (PS) sobre a
energia específica de riscamento. Esses autores observaram, também, que quanto menor a
velocidade de riscamento, tanto maior é a energia específica.
Para o Nylon 11, os mecanismos de desgaste predominantes foram microcorte e
microsulcamento, diminuindo o microsulcamento à medida que se aumentava o ângulo de ataque,
(PAES et al., 2002). Para o PU-Ref, figura 2.30, observou-se uma diferença considerável entre
energias específicas para tamanhos de eventos pequenos e grandes, principalmente em baixos
ângulos de ataque (52.5º e 60º), podendo esse comportamento ser representado através de uma
função de potência.
Notou-se também, uma forte influência do ângulo de ataque sobre a
energia específica de riscamento (escala logarítmica).
Revisão Bibliográfica 50
Energia Específica de Riscamento - Poliuretano
100
1000
10000
100000
0 102030405
Perda de Volume [10-³.cm³]
e [J/cm³]
0
Poliuretano - Âng. Ataq. 52,5 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 60 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 75 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 95 - 2'C
PU-Ref.
PU-Ref
PU-Ref
PU-Ref
PU-Ref
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Energia Específica de Riscamento - Poliuretano
100
1000
10000
100000
0 102030405
Perda de Volume [10-³.cm³]
e [J/cm³]
0
Poliuretano - Âng. Ataq. 52,5 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 60 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 75 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 95 - 2'C
PU-Ref.
PU-Ref
PU-Ref
PU-Ref
PU-Ref
Energia Específica de Riscamento - Poliuretano
100
1000
10000
100000
0 102030405
Perda de Volume [10-³.cm³]
e [J/cm³]
0
Poliuretano - Âng. Ataq. 52,5 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 60 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 75 - 2'C
Poliuretano - Âng. Ataq. 95 - 2'C
PU-Ref.
PU-Ref
PU-Ref
PU-Ref
PU-Ref
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Figura 2.30 – Resultados de esclerometria pendular (energia específica versus volume de
material removido) para amostras em PU utilizados em calhas protetoras de linhas flexíveis.
(PAES et al, 2002). Ensaios realizados com amostras na temperatura de 2ºC.
Os mecanismos de desgaste passam de microtrincas para microcorte quando se aumenta
o ângulo de ataque, (PAES et al., 2002). A figura 2.31 mostra riscos produzidos no PU-Ref nos
dois valores de ângulos de ataque extremos (52,5º e 95º). Em “a” e “b” observa-se um risco, onde
predomina a retirada de material por fratura frágil, com destacamento de volumes por trincas
paralelas à direção do risco. Em “c”, o mecanismo predominante é o microcorte, com um pequeno
percentual de microsulcamento (PAES et al, 2002).
Os resultados de esclerometria pendular reproduzem bem a ação do subsolo marinho
no que se refere à capacidade de gerar riscos. Além disso, os mecanismos de desgaste são
reproduzidos na medida em que o ângulo de ataque é variado. No caso do PU, os
mecanismos variam desde o trincamento (baixos ângulos de ataque) até corte puro para
ângulos de 75° a 95°. Na Poliamida predomina o riscamento, tal como observado nos restos
da linha flexível. A melhor performance, com relação ao desgaste abrasivo, foi verificada no
PU.
A semelhança da superfície apresentada na figura 2.22 com a figura 2.31a e 2.31b é
notória. Essa figura mostra a morfologia do risco gerado pela esclerometria pendular do PU com
ângulo de ataque de 52,5º. A semelhança entre os aspectos das duas figuras é evidente,
Revisão Bibliográfica 51
sugerindo, portanto, que o citado ângulo possa reproduzir com razoável precisão os mecanismos
de desgaste do PU no sistema tribológico em questão.
Isso mostra que predominantemente no fundo do mar ocorrem interações dos risers com
superfícies de geometrias com baixos ângulos de ataque.
A limitação deste ensaio é não fornecer dados referentes a solicitações cíclicas. Desta
forma, mecanismos de falhas por fadiga de contato não podem ser identificados.
O ensaio DIN 53.516, apesar de ser um ensaio normatizado e poder identificar parâmetros
de fadiga, tem a desvantagem de trabalhar sempre com eventos de baixas profundidades, pois
utiliza uma lixa 60 mesh, com tamanho médio de partícula de aproximadamente 200µm.
Além disso, esses dois ensaios requerem a retirada de amostras com geometria e
topografia específica, bem como a pesagem das amostras antes e após os ensaios. Isso eleva o
tempo de duração dos ensaios, uma vez que as amostras têm que ser levadas a uma estufa para
a total retirada da água. No caso da esclerometria pendular, esse tempo pode chegar a três dias
nas borrachas já testadas, (FRANCO, 2002).
Dada a importância econômica e ambiental que o assunto representa para a exploração de
petróleo em águas profundas (Petróleo Brasileiro S.A., 2003; FRANCO, 2001), justifica-se um
trabalho que venha gerar conhecimentos adicionais nesse assunto, bem como contribuir com o
projeto da Petrobras.
a)
b)
Figura 2.31 – Aparência típica de um risco em PU – Ref.; a) ângulo de ataque 52,5º, b)
detalhe de “a” e c) ângulo de ataque 95º, (PAES et al., 2002).
50µm
20µm
Revisão Bibliográfica 52
c)
Figura 2.31 – Continuação.
100µm
Capítulo III
3. Procedimentos experimentais
O presente trabalho foi desenvolvido conforme seqüência de atividades apresentadas
na figura 3.1.
ENSAIOS DE DESGASTE
DIN 53.516
ENSAIOS DE DESGASTE
DIN 53.516
ENSAIOS DE RESILIÊNCIA
ENSAIOS DE RESILIÊNCIA
ESTUDO DE CASO COM BASE EM REGISTROS DE VÍDEO APRESENTADO
PELA EMPRESA
AVALIAÇÃO ADICIONAL DOS MECANISMOS
DE DESGASTE
AVALIAÇÃO ADICIONAL DOS MECANISMOS
DE DESGASTE
ESCLEROMETRIA
PENDULAR
ESCLEROMETRIA
PENDULAR
SELEÇÃO DOS ÂNGULOS DE ATAQUE CAPAZES DE REPRODUZIR
OS MECANISMOS DE DESGASTE
SELEÇÃO DOS ÂNGULOS DE ATAQUE CAPAZES DE REPRODUZIR
OS MECANISMOS DE DESGASTE
MEV
MEV
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE
INFRA-ESTRUTURA
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE
INFRA-ESTRUTURA
VALIDAÇÃO DO
EQUIPAMENTO
VALIDAÇÃO DO
EQUIPAMENTO
ENSAIOS
PRELIMINARES
ENSAIOS
PRELIMINARES
PRODUÇÃO DAS AMOSTRAS DE CALHAS DE PU
PRODUÇÃO DAS AMOSTRAS DE CALHAS DE PU
CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
ENSAIOS DE TRAÇÃO E
ALONGAMENTO
ENSAIOS DE TRAÇÃO E
ALONGAMENTO
VARIAÇÃO DA
CARGA
VARIAÇÃO DA
CARGA
ESTUDO DO
AMACIAMENTO
ESTUDO DO
AMACIAMENTO
ENSAIOS TRIBOLOGICOS NAS AMOSTRAS
ENSAIOS TRIBOLOGICOS NAS AMOSTRAS
PARAMETRIZAÇÃO DO
ENSAIO
PARAMETRIZAÇÃO DO
ENSAIO
ENSAIOS DE RASGAMENTO
ENSAIOS DE RASGAMENTO
MEV
MEV
REDAÇÃO DA
DISSERTAÇÃO
REDAÇÃO DA
DISSERTAÇÃO
ENSAIOS DE DESGASTE
DIN 53.516
ENSAIOS DE DESGASTE
DIN 53.516
ENSAIOS DE RESILIÊNCIA
ENSAIOS DE RESILIÊNCIA
ESTUDO DE CASO COM BASE EM REGISTROS DE VÍDEO APRESENTADO
PELA EMPRESA
AVALIAÇÃO ADICIONAL DOS MECANISMOS
DE DESGASTE
AVALIAÇÃO ADICIONAL DOS MECANISMOS
DE DESGASTE
ESCLEROMETRIA
PENDULAR
ESCLEROMETRIA
PENDULAR
SELEÇÃO DOS ÂNGULOS DE ATAQUE CAPAZES DE REPRODUZIR
OS MECANISMOS DE DESGASTE
SELEÇÃO DOS ÂNGULOS DE ATAQUE CAPAZES DE REPRODUZIR
OS MECANISMOS DE DESGASTE
MEV
MEV
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE
INFRA-ESTRUTURA
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE
INFRA-ESTRUTURA
VALIDAÇÃO DO
EQUIPAMENTO
VALIDAÇÃO DO
EQUIPAMENTO
ENSAIOS
PRELIMINARES
ENSAIOS
PRELIMINARES
PRODUÇÃO DAS AMOSTRAS DE CALHAS DE PU
PRODUÇÃO DAS AMOSTRAS DE CALHAS DE PU
CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
ENSAIOS DE TRAÇÃO E
ALONGAMENTO
ENSAIOS DE TRAÇÃO E
ALONGAMENTO
VARIAÇÃO DA
CARGA
VARIAÇÃO DA
CARGA
ESTUDO DO
AMACIAMENTO
ESTUDO DO
AMACIAMENTO
ENSAIOS TRIBOLOGICOS NAS AMOSTRAS
ENSAIOS TRIBOLOGICOS NAS AMOSTRAS
PARAMETRIZAÇÃO DO
ENSAIO
PARAMETRIZAÇÃO DO
ENSAIO
ENSAIOS DE RASGAMENTO
ENSAIOS DE RASGAMENTO
MEV
MEV
REDAÇÃO DA
DISSERTAÇÃO
REDAÇÃO DA
DISSERTAÇÃO
Figura 3.1 – Resumo das várias etapas adotadas no desenvolvimento do presente
trabalho.
A metodologia adotada inclui, numa primeira etapa, um estudo de caso complementar
ao já realizado em trabalhos passados, com objetivo de compreender os fenômenos, bem
como verificar quais são os mecanismos de desgaste atuantes e predominantes no sistema
tribológico em questão.
A próxima etapa refere se à investigação e seleção de configurações laboratoriais que
reproduzam os mecanismos de desgaste encontrados. Foram analisados trabalhos de ensaios
de esclerometria com vários ângulos de ataque em amostras de Poliamida e PU, realizados
Procedimentos experimentais 54
pelo autor deste trabalho em (PAES et al., 2002). A partir desses resultados foi selecionada
uma geometria de penetrador capaz de reproduzir aqueles mecanismos.
Determinada a geometria do elemento riscante, passou-se, então, para uma etapa de
projeto, onde foi desenvolvido um sistema que pudesse simular as interações mecânicas
experimentadas pelo componente em estudo.
Essa fase constituiu-se do projeto de um equipamento de desgaste abrasivo com
características específicas, necessárias para avaliar segmentos de calhas em tamanho
comercial e com boa repetibilidade e confiabilidade. Esse equipamento foi construído pelo
Laboratório de Tribologia e Materiais, LTM, da Universidade Federal de Uberlândia – UFU
(Convênio Petrobras/UFU). Sua configuração é a de um multi-esclerômetro e foi denominado
Simulador de Interações Marítimo-Mecânicas em Calhas - SIMMC. Na avaliação e validação do
equipamento foram realizados ensaios em materiais conhecidos e já utilizados na prática.
Nesses ensaios verificou-se a repetibilidade do ensaio e a reprodução dos mecanismos de
desgaste.
Em uma outra etapa foram produzidas amostras de quatro tipos de poliuretano que,
paralelamente, seriam estudadas como possíveis materiais para esta aplicação. Esses
materiais foram caracterizados através de ensaios mecânicos normatizados. Propriedades
como resistência à tração, alongamento, rasgamento, resiliência, dureza e densidade foram
obtidas. Também foram realizados ensaios de abrasometria DIN 53.516 para uma comparação
entre os ensaios de desgaste.
Foi realizado, ainda, ensaio de indentação instrumentada, buscando correlacionar
informações sobre os materiais e seu comportamento tribológico. Apesar de ser uma técnica
atualmente aplicada basicamente em metais, acredita-se que propriedades assim obtidas
possam facilitar o estabelecimento de correlações envolvendo propriedades mecânicas e
resultados de desgaste.
Na etapa de parametrização do ensaio SIMMC, variou-se, de forma sistemática, cargas
e quantidades de ciclos, procurando observar o comportamento do ensaio. A partir desses
resultados, foi possível determinar uma faixa ótima de operação do equipamento.
Foram, então, realizados ensaios de desgaste abrasivo no SIMMC nas condições
indicadas pelos resultados dos testes de parametrização e, assim, avaliada a resistência à
abrasão destes materiais.
Em toda etapa de caracterização tribológica, a microscopia eletrônica de varredura foi
intensamente utilizada na caracterização dos micromecanismos de desgaste atuantes.
A seguir, apresenta-se a metodologia das etapas desenvolvidas.
Procedimentos experimentais 55
3.1 – Avaliação dos Mecanismos de Desgaste e Seleção dos Ângulos de Ataque
Para identificar os mecanismos de desgaste que as calhas de proteção experimentam,
foi realizada microscopia eletrônica de varredura em elementos que tinham sido utilizados em
campo, figura 3.2. Os resultados encontrados foram semelhantes aos observados em estudos
anteriores (PAES et al., 2002) e os resultados obtidos indicam mecanismos envolvendo
propagação de trincas na formação de fragmentos de desgaste como mostrado na seção 2.3.3.
PAES et al., (2002) investigou geometrias através de esclerometria pendular buscando
encontrar parâmetros que reproduzissem o mecanismo de desgaste real.
Figura 3.2 – Regiões de desgaste em uma proteção de linha flexível retirada após
40 meses.
Com base em ensaios realizados pelo autor deste trabalho, a seleção dos ângulos de
ataque foi investigativa. PAES et al., (2002) realizaram um estudo de esclerometria pendular
com vários ângulos de ataque. Foram realizados ensaios com cinco diferentes ângulos, quais
sejam: 40º, 52,5º, 60º, 75º e 95º, Figura 3.3. As amostras utilizadas foram, entre outros
materiais, Poliamida e um PU, pois são materiais já utilizados nessas aplicações.
Figura 3.3 – Penetradores utilizados nos ensaio de esclerometria pendular, (PAES
et al., 2002), confeccionados em WC-Co.
52
,
5º
60º
40º
75º
95º
Procedimentos experimentais 56
Esses ensaios indicaram que ângulos de ataque baixos (52,5º e 60º) geram
mecanismos de desgaste semelhantes aos observados na prática. Desta forma, no escopo
desse trabalho procurou-se desenvolver um equipamento que fosse capaz de reproduzir esses
mecanismos, ou seja, utilizando penetradores em WC-Co, com ângulo de ataque de 55º.
3.2 – Concepção e construção da infra-estrutura de ensaios de desgaste abrasivo
3.2.1 – Método proposto
A nova metodologia proposta baseia-se no princípio da esclerometria (penetradores
riscando a superfície da amostra). Para tanto, é proposto um novo equipamento que permite
adicionar uma característica de multiplicidade dos eventos de riscamento, e assim, aumentar a
quantidade de material removido em cada ensaio. A esclerometria múltipla justifica-se ainda
pelo fato de que a interação entre eventos gerados pode ser importante no processo, pois na
situação de campo, tem-se um processo de riscamento alternado, e sempre transversal à linha
flexível, como mostrado na seção relativa a revisão bibliográfica (página37). Desta forma, o
ensaio aqui proposto baseia-se em um processo de riscamento alternado, e sobre uma mesma
região na amostra.
O princípio básico do ensaio proposto consiste em fixar uma amostra de calha em
tamanho comercial sobre um cilindro que trabalha em movimento alternado de rotação. A ação
abrasiva é exercida por um conjunto de penetradores com geometria conhecida. Sobre esse
conjunto é aplicada uma carga através de um braço rotulado e peso morto. A disposição destes
penetradores promove, com a movimentação relativa, um desgaste uniforme numa região com
largura de cerca de 60 mm. O ensaio é ser realizado de forma submersa em uma cuba com
água refrigerada a 4ºC.
3.2.2 – Projeto e desenvolvimento do equipamento
Para simular o desgaste abrasivo que as proteções das linhas flexíveis experimentam,
foi desenvolvido um equipamento de esclerometria múltipla (SIMMC – Simulador de Interações
Mecânico-Marítimas em Calhas). A figura 3.4 apresenta o equipamento desenvolvido,
projetado e construído, que é constituído, basicamente, das seguintes unidades:
• Cuba de teste;
• Sistema de refrigeração;
• Sistema de acionamento do cilindro porta-amostra;
• Sistema de movimentação do porta-penetradores;
Procedimentos experimentais 57
• Sistema de controle.
Figura 3.4 – Equipamento de esclerometria múltipla, desenvolvido, projetado e
construído no LTM (SIMMC).
3.2.2.1 – Cuba de Teste
A montagem da cuba foi feita de forma a proporcionar que os mancais do eixo ficassem
fora dela. Sua função é acomodar o fluido (água) responsável pelo resfriamento da amostra. A
vedação foi realizada através de retentores entre a cuba e o eixo do cilindro. Um isolamento
térmico foi incorporado para minimizar as trocas de calor com o ambiente, aumentando a
eficiência do processo de resfriamento. Como material construtivo foi selecionado o aço
inoxidável austenítico AISI 304. A cuba tem capacidade de 80 litros e a quantidade de água a
ser colocada é o suficiente para que toda a amostra seja submersa, figura 3.5.
a)
b)
Figura 3.5 – Cuba de teste. a) Detalhe do evaporador; b) Detalhe da fixação da
amostra.
Amostra
Evaporador
Cuba de
Teste
Sistema de
movimentação do
porta-penetradores
Sistema de
Refrigeração
Controle
Procedimentos experimentais 58
3.2.2.2 – Sistema de Refrigeração
O sistema de refrigeração tem como finalidade o controle da temperatura dentro da
cuba durante o ensaio. Esse sistema é constituído de um ciclo de refrigeração com R22, com
capacidade de variar a temperatura desde a temperatura ambiente até –15ºC. O controle é
feito através de um sistema termostatizado com mostrador digital, que mantém a temperatura
selecionada permitindo no máximo variações de ±1ºC, figura 3.6.
Figura 3.6 – Sistema de Refrigeração: a) Compressor hermeticamente fechado e
condensador; b) Controle e mostrador digital.
3.2.2.3 – Sistema de movimentação relativa entre calhas e penetradores
A movimentação relativa entre a amostra e os penetradores pode ser separada em dois
movimentos. O primeiro é responsável por promover efetivamente o riscamento e um segundo,
de caráter secundário, que tem como finalidade promover o revezamento dos penetradores,
além de promover uma redução uniforme da espessura das calhas.
Essa configuração é importante e tem como principal motivo manter poucos
penetradores em contato com a amostra e de maneira bem afastada, mantendo de forma
eficiente a pressão de contato em valores altos. Outro objetivo é, mesmo mantendo esse
espaçamento entre os penetradores que estão em contato, produzir no final do ensaio uma
região uniforme de desgaste. Essa cinemática pode ser observada na figura 3.7.
O primeiro sistema foi projetado para baixas velocidades relativas (100mm/s),
estimadas através de estudos da movimentação dos risers no fundo do mar. Esse sistema de
movimentação relativa é composto de um motor de indução de 1CV e um redutor do tipo
pinhão-coroa, com uma redução de 1:40. Seu acionamento é feito através de um inversor de
freqüência. Assim, a velocidade média do motor pode ser variada de forma contínua, desde
valores próximos a zero até cerca de 43 rpm. Isso gera velocidades médias de deslizamento
entre amostra e penetradores de 0 a 255 mm/s, figura 3.8. O movimento experimentado pela
a)
b)
Procedimentos experimentais 59
amostra é um movimento alternado de rotação, podendo ser em um arco de 90º ou 40º. Esse
movimento é proporcionado por um sistema de quatro barras do tipo biela-manivela, figura 3.9.
Figura 3.7 – Movimento relativo para distribuição da região de desgaste.
O segundo sistema movimenta a cama de penetradores na direção paralela aos riscos
é responsável por promover um desgaste uniforme na região de ensaio mesmo com os
penetradores afastados uns dos outros. Ele foi configurado de maneira que sua velocidade
fosse tão baixa (1-3 mm/s), que não alterasse de forma significativa a velocidade relativa do
ensaio. Esse sistema é constituído de um motor de passo, um redutor de engrenagens
helicoidais com redução de 1:15 e uma mesa de deslocamento linear. O acionamento deste
sistema é feito através de um drive de potência e duas chaves de fim-de-curso, figura 3.10a.
As figuras 3.10b e 3.10c mostram ainda detalhes do conjunto de penetradores,
dispostos de forma a solicitar uniformemente a calha polimérica. A chapa porta-penetradores é
composta de 90 penetradores confeccionados em WC-Co.
A geometria dos penetradores utilizados foi uma pirâmide de base quadrada e truncada,
e pode ser observada na figura 3.11 juntamente com uma distribuição normal referente ao
controle das medidas da base retangular.
Procedimentos experimentais 60
a)
b)
Figura 3.8 – Sistema de movimentação do cilindro porta-amostras. a) Moto-redutor; b)
Inversor de freqüência.
a)
b)
c)
Figura 3.9 – Vista mostrando sistema de acionamento do cilindro porta-amostra.
a)
b)
c)
Figura 3.10 – Sistema de revezamento dos penetradores, a) conjunto mesa de
deslocamento, b) e c) disposição dos penetradores na chapa porta-penetradores.
Chaves fim-de-curso
Procedimentos experimentais 61
Figura 3.11 – Curva de distribuição do valor médio da extremidade truncada dos penetradores.
3.2.2.4 – Sistema de Controle
Para controle e sincronização da partida e parada dos dois movimentos foi desenvolvido
um sistema a partir de um conta-ciclos e um PIC (Circuito Integrado Programável). O esquema
representativo desse controle é mostrado na figura 3.12, onde:
C1 é o circuito que aciona, simultaneamente, os sistemas 01 e 02 através de chave
mecânica e os interrompe no final do ensaio ao receber um sinal do conta-ciclos, e C2 é o
circuito capaz de:
• Injetar um pulso que determine a freqüência de chaveamento do “driver”
(rotação do motor);
• Inverter a rotação através de duas chaves fim de curso;
• Parar o motor eletronicamente ao receber um sinal de C1.
O sistema 01 é composto de um driver não programável controlado por C2 para
acionamento de um motor de passo. O sistema 02, por sua vez, é composto de um inversor de
freqüência com porta lógica on/off e um motorredutor (motor de indução). O sistema 03 é
composto de um conta-ciclos programável com porta de entrada que recebe sinal de um sensor
(indutivo, como pulso de ciclos) e porta de saída analógica, que envia sinal para C1.
A seqüência de acionamento é processada, então, da seguinte forma: determina-se no
conta-ciclos o valor de ciclos desejado para o ensaio e através do botão de partida é iniciado o
ensaio. Esse será encerrado automaticamente após a contagem dos ciclos pré-determinados,
ou manualmente, caso for necessário. O valor de ciclos desejados também pode ser alterado
durante o ensaio.
Procedimentos experimentais 62
Motor de passoDriver
C2
Fim de Curso
Fim de Curso
Motoredutor
Inversor
de
freqüência
Conta-Ciclos
C1
Sensor
Sistema 02
Sistema 01
Sistema 03
Motor de passoDriver
C2
Fim de Curso
Fim de Curso
Motor de passoDriver
C2
Fim de Curso
Fim de Curso
Fim de Curso
Fim de Curso
Motoredutor
Inversor
de
freqüência
Motoredutor
Inversor
de
freqüência
Conta-Ciclos
C1
Sensor
Conta-Ciclos
C1
Sensor
Sistema 02
Sistema 01
Sistema 03
Figura 3.12 – Diagrama de blocos do sistema eletrônico de acionamento.
O equipamento foi projetado de maneira que se conseguisse uma reprodução do
movimento relativo e carregamentos do ensaio de esclerometria já realizado e estudado.
3.2.3 – Operacionalização do SIMMC
Após o desenvolvimento, projeto e construção do equipamento de desgaste abrasivo,
foram realizadas a montagem e operacionalização dos vários sistemas constituintes.
O surgimento de comportamentos não previstos no projeto, como vibração excessiva,
direcionou esforços no sentido de otimizar parâmetros de teste. Um deles foi a velocidade de
translação da mesa. O trabalho com baixas velocidades através do “drive” controlador diminuiu
de modo comprometedor o torque fornecido pelo motor. A solução para esse problema foi a
aquisição de um redutor que permitisse que o sistema trabalhasse em baixa velocidade de
translação, porém, com o motor de passo girando numa rotação que fornece um torque
suficiente.
Outro problema encontrado foi a vibração do sistema de aplicação de carga durante o
ensaio. A velocidade de oscilação do cilindro, acoplada com o atrito do par de materiais
excitava o sistema em freqüências muito próximas da freqüência natural, convergindo assim,
em ressonância, o que levava a grandes amplitudes de vibração. Essa problemática foi
solucionada diminuindo a velocidade de rotação do motor de indução através do controle do
inversor. Uma conseqüência dessa medida foi a perda de torque no movimento do cilindro,
limitando assim a carga máxima no ensaio.
Um terceiro problema foi a interferência do funcionamento do inversor de freqüência no
sistema de controle. O bloco responsável direto pelo fornecimento da forma de onda do tipo
PWM (Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso) de saída, através do
chaveamento dos circuitos IGBT´s (Insulated Gate Bipolar Transistor), injeta harmônicos na
Procedimentos experimentais 63
rede que comprometeram o funcionamento perfeito dos circuitos controladores e do “drive”.
Desta forma, fez-se necessária a utilização de um filtro a base de capacitores cerâmicos na
entrada da alimentação do circuito controlador.
3.3 – Validação do equipamento
Nessa etapa foram realizados ensaios com o objetivo de avaliar a superfície de
desgaste. O material utilizado para esses ensaios foi o PU-Ref (PU utilizado atualmente -
referência). A comparação das superfícies via MEV revelaram que a superfície encontrada
após o ensaio é semelhante à observada nas amostras de campo, sendo necessário a
parametrização do ensaio para estabelecimento de uma metodologia de teste.
3.4 – Produção das amostras
3.4.1 – Material
O material selecionado neste trabalho foi um tipo de poliuretano MDI poliéter, curado
com Butanodiol devido à tendência ambiental da indústria, que atualmente caminha no sentido
de substituir reagentes tóxicos. Foram escolhidas quatro formulações de modo a obter-se
durezas de 75, 85, 90 e 95 Shore A. Os valores de NCO (radical isocianato) teórico e real para
cada formulação são apresentados na tabela 3.1. As amostras foram diferenciadas através de
pigmentos orgânicos (cores). A temperatura da resina (pré-polímero) e do agente de cura (BD)
foram controladas para todas as formulações. Da mesma forma, o tempo de mistura foi
suficiente para que a reação inicial fosse homogênea e permitisse o vazamento no molde
dentro da fase de baixa viscosidade, denominada “pote life”.
Foi ensaiado, também, um PU de dureza 85 Shore A, que atualmente é usado na
fabricação de calhas de proteção de linhas flexíveis. Esse material foi denominado PU – Ref.
Tabela 3.1 – Constituição dos poliuretanos MDI’s poliéteres testados.
Nomenclatura NCO
teor
(%)
NCO
real
(%)
Pigmento/Cor
E-575A1 6,80 6,77
Ftalocianina Clorada / verde
E-585A1 8,16 8,15 Sem pigmento / Branco
E-590A1 10,22 10,20 Molibdato / Vermelho
E-595A1 11,90 11,87
Ftalocianina de Cobre / Azul
Procedimentos experimentais 64
3.4.2 – Dimensões
As amostras para o ensaio SIMMC foram produzidas na forma de calhas, cujas
dimensões são apresentadas na figura 3.13. Essa geometria é a mesma geometria de calhas
de proteção utilizadas atualmente, com exceção de detalhes de fabricação encontrado nas
calhas comerciais para fixação das mesmas nas linhas flexíveis. Paralelamente, foram
fabricadas placas com os mesmos materiais para caracterização destas amostras através de
ensaios destrutivos, figura 3.14. Os parâmetros de produção são mostrados na tabela 3.2.
a)
500
30
50
b)
Figura 3.13 – a) Amostra para ensaio de abrasão SIMMC; b) Dimensão, cotas em
mm.
a)
235
260
210
6
2
b)
Figura 3.14 – a) Produção de placas para a retirada dos corpos de prova de tração,
rasgamento e DIN 53.516; b) Dimensões, cotas em mm.
E-595A1 E-585A1
E-590A1
E-575A1
Procedimentos experimentais 65
Tabela 3.2 – Parâmetros do processo de fabricação das placas e calhas.
Nomenclatura Estequiométrica
(%)
Pot-life
(minutos)
Cura
(minutos)
PósCura
(horas)
E-575A1 100 20 180 48
E-585A1 100 11 120 48
E-590A1 100 6 90 48
E-595A1 100 4 60 48
Onde pot-life é o tempo de vida onde o PU tem fluidez suficiente para ser vazado.
3.5 – Caracterização das propriedades mecânicas das amostras
Para caracterização das amostras foram realizados ensaios destrutivos a partir de
placas vazadas na mesma rota de produção das amostras na forma de calhas. A seguir são
fornecidos os procedimentos experimentais para a realização de cada um dos ensaios de
propriedades mecânicas.
3.5.1 – Ensaios de tração e alongamento
Ensaio de Tração: O ensaio de tração foi realizado segundo a norma ASTM D412 –
“Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers –Tension”,
utilizando-se corpos de prova do tipo C. Os corpos de prova foram retirados através de uma
matriz a partir de placas confeccionadas para esse fim, figura 3.15a e b. A velocidade do
ensaio foi de 200 mm/min. A tensão sob tração expressa em MPa, foi calculada de acordo com
a equação 3.1. Na figura 3.15c vê-se a máquina de teste utilizada, EMIC modelo MEM 2000.
As medidas de espessura foram realizadas através de um medidor de espessura da
marca JSGUS, com relógio comparador com resolução de 0,01mm.
)*( Lh
F
=
σ
(3.1)
Onde:
F
é a força aplicada [N];
L é a largura da seção útil do corpo de prova [mm];
h
é a espessura do corpo de prova [mm];
σ
é tensão de tração [MPa].
Procedimentos experimentais 66
As medidas de alongamento foram acompanhadas através de uma régua e de
marcações iniciais no corpo de prova. Foram colhidos valores de resistência a 100% e 300%
de alongamento, e o alongamento máximo para a situação instantaneamente antes da ruptura.
Foram realizados também testes a 500 mm/min, onde o alongamento foi monitorado
durante o ensaio, gerando curvas de tensão deformação. Para cada material foram realizados
quatro ensaios.
a)
b)
c)
Figura 3.15 – a) Guilhotina e placa de poliuretano, b) Facas para corte e corpos de
prova de rasgamento e tração, c) Máquina de tração EMIC, modelo MEM 2000.
3.5.2 – Ensaio de rasgamento
Os ensaios de rasgamento foram realizados conforme a norma ASTM D624 – “Standard
Test Method for Tear Strength of Conventional Vulcanized Rubber and Thermoplastic
Elastomers”. O rasgamento da borracha é o processo mecânico de iniciação e propagação da
ruptura em uma região de alta concentração de tensão, causada por um corte, defeito ou
deformação localizada. Foi utilizado um corpo de prova tipo C, figura 3.16, aonde a resistência
ao rasgamento é dada como a força necessária para causar a ruptura, dividida pela espessura
do corpo de prova.
Figura 3.16 – Corpo de prova de rasgamento tipo C, cotas em mm.
Procedimentos experimentais 67
A velocidade utilizada foi de 500mm/min e os valores de limite de resistência ao rasgo
são obtidos através da expressão 3.2.
t
F
rasg
=
σ
(3.2)
Onde:
F
é força medida [N];
t
é a espessura da corpo de prova [mm];
rasg
σ
é a resistência ao rasgo [N/mm].
Foram ensaiados três corpos de prova para cada material.
3.5.3 – Ensaios de dureza
A medição de dureza foi realizada conforme a ASTM D2240 – “Standard Test Method
for Rubber Property – Durometer Hardness”. Este método de ensaio baseia-se na penetração
de um indentador quando forçado contra o material sob condições específicas. A dureza por
indentação é relacionada de forma inversamente proporcional à penetração e depende do
módulo elástico e do comportamento viscoelástico do material. A geometria do indentador e a
força aplicada influem no resultado e, portando, não há uma relação simples entre as diferentes
medidas obtidas com um durômetro e as medidas obtidas com outro tipo de durômetro ou outro
dispositivo usado para medir dureza. Os índices numéricos de dureza podem representar
profundidade de penetração, ou valores arbitrários convenientes, derivados dessa
profundidade de penetração.
Este é um teste empírico, que tem por objetivo, principalmente, o controle de qualidade.
Aparentemente, não existe nenhuma relação simples entre a dureza medida e qualquer
propriedade fundamental do material, DELAWARE (1957).
Foi utilizado um durômetro Shore A Zwick Materials Testing 3100 (ASTM D 2240, DIN
53505, ISO 868). A norma seguida foi a ASTM D 2240-03, figura 17a. Os valores
apresentados representam a média de dureza para cinco amostras.
3.5.4 – Ensaios de densidade
Os ensaios de densidade foram realizados conforme a norma ASTM D792 – “Standard
Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement”.
Neste ensaio, a densidade é determinada por deslocamento de um fluído baseado no princípio
de Arquimedes.
Procedimentos experimentais 68
3.5.5 – Ensaios de resiliência
Estes ensaios foram realizados conforme a norma DIN 53512 – “Testing of rubber -
Determination of rebound resilience (Schob pendulum)”, em um resiliômetro de impacto Maq
test, figura 3.17b. Os valores são expressos em porcentagem e representam a média de seis
medições.
a)
b)
Figura 3.17 – a) Durômetro Shore A, b) Resiliômetro Maq test.
3.5.6 – Fratura frágil
Amostras de materiais produzidos foram fraturadas em nitrogênio líquido a –176ºC. A
fratura foi obtida através de um carregamento dinâmico em pequenos blocos com entales
concentradores de tensão. A figura 3.18 mostra detalhes dessas regiões.
As amostras fraturadas foram, então, levadas ao MEV para visualização e análise da
fratura, principalmente no que tange à ocorrência de porosidade.
Carregamento
de impacto
Concentrador
de tensão
Figura 3.18 – Esquema das amostras fraturadas.
Procedimentos experimentais 69
3.5.7 – Indentação-Esférico-Instrumentada (IEI)
Foram realizados ensaios de indentação instrumentada nos polímeros com a finalidade
de obter, a partir das curvas de carga versus profundidade de penetração, a energia de
deformação. Para cada material foram realizados três ensaios de um único ciclo de
carregamento e descarregamento, utilizando uma esfera de 12,25 mm (½”), e com carga
máxima fixada em 500 N, figura 3.19. O equipamento utilizado foi desenvolvido, projetado e
construído por uma equipe coordenada pelo orientador desse trabalho, e encontra-se descrito
em CARDOSO, F. C., 2004.
Figura 3.19 – Ensaio de IEI de uma amostra de PU.
Para cada curva foi feito um ajuste polinomial de terceiro grau, figura 3.20. A energia de
deformação durante o carregamento e o descarregamento foi obtida com as equações 3.3 e
3.4. E a diferença entre essas energias é a energia envolvida no fenômeno de histerese.
n
dhhP
cE
n
h
tocarregamen
∑
∫
=
1
0
max
)(
(3.3)
n
dhhP
dE
n
h
mentodescarrega
∑
∫
=
1
0
max
)(
(3.4)
Onde:
cE
: Energia média de deformação durante o carregamento;
Indentador com
ponta esférica
Transdutor de
deslocamento
Amostra
Procedimentos experimentais 70
dE
: Energia média de deformação durante o descarregamento;
)(hP
tocarregamen
: Polinômio de ajuste sobre a curva de carga x profundidade obtida na
fase de carregamento;
)(hP
mentodescarrega
: Polinômio de ajuste sobre a curva de carga x profundidade obtida
na fase de descarregamento;
h
: profundidade de penetração;
n
: número de curvas para cada amostra.
Outros parâmetros do ensaio são descritos abaixo:
• Aceleração (mm/s
2
)=1000
• Passo (mm)=0,005
• Velocidade (mm/s)=0,15
• Carga máxima (N)=500
Figura 3.20 – Curva típica do ensaio de IEI para uma amostra de PU com
carregamento, descarregamento e ajustes polinomiais de terceiro grau.
(µm)
Procedimentos experimentais 71
3.5.8 – Ensaios de desgaste abrasivo DIN
Estes ensaios foram realizados conforme a norma DIN 53516 – “Testing of rubber and
elastomers; determination of abrasion resistance”. Os ensaios de abrasão foram realizados
num abrasômetro DIN 53.516. Duas abordagens foram utilizadas: a primeira com carga de
10N, a seco e numa lixa com grana 60 mesh de óxido de alumínio (Al
2
O
3
), e a segunda com
carga de 15N, submerso em água à temperatura ambiente e com uma lixa com grana 60 mesh
de carboneto de sílica (SiC), figura 3.21a. A pesagem das amostras foi realizada numa
balança Sartorius com resolução de 10
-5
g. Os resultados representam a média e o desvio
padrão de cinco amostras.
A escolha dessas duas abordagens teve como objetivo principal identificar o efeito do
tamanho do evento sobre os materiais testados.
As amostras foram retiradas com uma ferramenta de corte específica e podem ser
observadas na figura 3.21b.
a)
b)
Figura 3.21 – a) Abrasômetro DIN 53.516 adaptado para ensaio submerso; b)
Amostras do ensaio DIN 53.516.
3.6 – Parametrização do Ensaio de Abrasão SIMMC
A metodologia de teste tem como objetivo verificar faixas de operação do equipamento,
bem como, selecionar parâmetros ótimos de carga e número de ciclos capazes de gerar os
mecanismos de desgastes observados na prática.
Para isso foram realizados ensaios fixando alguns parâmetros e variando outros.
E-595A1
E-585A1
E-590A1
E-575A1
Procedimentos experimentais 72
3.6.1 – Seleção da velocidade de teste
A freqüência do inversor foi variada a partir de 15 Hz até 30 Hz, de maneira a atender a
questão de vibração e torque, citada anteriormente no item 3.3.3. Esses valores resultam em
velocidades médias de deslocamento de 63mm/s até 126 mm/s. Assim, a velocidade média de
deslocamento foi selecionada em 83 mm/s. O material das calhas utilizadas nos primeiros
ensaios é um poliuretano de dureza 85 Shore A (PU – Ref).
3.6.2 - Seleção da carga de teste
Em uma primeira seqüência de testes, fixou-se a velocidade e o número de ciclos,
variando a carga no contato em 250N e 350N. O número de ciclos fixado foi de 1500, levando a
um tempo de ensaio de duas horas e vinte e cinco minutos. Esses ensaios geraram perdas de
massa total de 7g e 10g, respectivamente. O material utilizado foi o mesmo citado no item
3.6.1.
Fez-se necessário um segundo levantamento, visto que, para outros materiais as
perdas para essa parametrização eram muito pequenas, comprometendo a medição. Assim,
variou-se a carga em 500N, 650N e 800N. O material utilizado para esse levantamento foi o E-
585A1.
3.6.3 – Seleção do número de ciclos de teste
Em outra abordagem fixou-se a carga e variou-se a quantidade de ciclos. Nessa
condição constatou-se a perda de massa total, porém, é necessário o estudo do amaciamento
(regime inicial do desgaste, onde a taxa de desgaste não é constante). Isso se faz necessário,
pois a determinação de taxas de desgaste só faz sentido se determinada após esse transitório
inicial.
3.6.3.1 – Estudo do amaciamento
O amaciamento é um fenômeno que acontece nos primeiros ciclos de um ensaio de
desgaste, onde há acomodação da superfície de desgaste com o elemento responsável pela
abrasão, podendo levar a grandes variações da taxa de desgaste nos instantes iniciais. A
seguir, essa taxa estabiliza-se (ZUM GAHR, 1987).
Procedimentos experimentais 73
Para o estudo do amaciamento foram realizados ensaios com paradas em pequenos
intervalos de tempo (baixo número de ciclos), para monitorar o comportamento da taxa de
desgaste durante o ensaio. Esses ensaios foram realizados em amostras do E-585A1.
3.7 – Ensaios de Desgaste Abrasivo
Os ensaios foram realizados com freqüência de 15 Hz, que corresponde a uma
velocidade média de 83 mm/s, carga de 500N, temperatura de 4ºC e duração de 1000 ciclos. O
ângulo de oscilação do cilindro foi de 90º, sendo 180º corridos a cada ciclo. A velocidade de
translação do conjunto dos penetradores foi de 2 mm/s. Foi realizado um pré-teste de 1000
ciclos nas amostras nessa carga. A taxa de desgaste foi calculada pela equação 3.5. As
perdas de massa foram medidas numa balança da marca BEL, modelo MARK 4100, com
resolução de 10 mg, após serem secas com ar comprimido.
d
m
w
material
*
ρ
∆
=
(3.5)
Onde:
wé a taxa de desgaste em mm
3
/m;
m∆ é a perda de massa durante o ensaio em gramas;
ρ
material
é a densidade do material em g/mm
3
;
d
é a distancia percorrida durante o ensaio em m.
Foram utilizadas quatro amostras de cada material. Os valores de taxa de desgaste são
referentes à média para cada grupo.
3.8 – Análise Matemática dos Resultados
Na tentativa de encontrar alguma correlação entre resistência ao desgaste abrasivo
experimentado no ensaio SIMMC e as propriedades mecânicas dos materiais testados, foi
realizada uma análise matemática do comportamento de algumas propriedades em relação à
taxa de desgaste. Para essa análise foi utilizado o programa MATLAB
®
R12.
Procedimentos experimentais 74
Capítulo IV
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 – Análise de Calhas via MEV
Com a finalidade de obter dados reais sobre o desgaste em linhas de extração de petróleo
foram retirados segmentos de calhas protetoras após 44 meses de uso na plataforma P19 e
analisados em um Microscópio Eletrônico de Varredura.
Os resultados obtidos na análise destas calhas, que experimentaram desgaste abrasivo no
fundo do mar, revelam desgaste por mecanismos com fratura frágil. O material de fabricação é um
poliuretano, denominado material de referência, PU – Ref. O resultado da análise via MEV pode
ser observado na figura 4.1.
As setas nas figuras 4.1a e 4.1c indicam a direção de movimentação da linha, causada
pela ação das correntes marítimas.
Pode-se observar na figura 4.1a um risco profundo e macroscópico. Aumentando-se a
ampliação, figuras 4.1b, c e d, notam-se trincas que adentram o material. Observa-se, que trincas
importantes são formadas em um plano aparentemente perpendicular à direção de riscamento e
caminham nos dois sentidos. Apesar de se observar microcorte em algumas regiões, o mecanismo
predominante é o de fratura frágil, onde há formação de fragmentos de desgaste pelo encontro de
trincas de sentidos opostos (figura 4.1c) ou ruptura de regiões em forma de “lingüetas” formadas
entre trincas, como mostrado na figura 4.1d.
Esses resultados são coerentes com os obtidos pelo autor deste trabalho e colaboradores
em trabalho anterior (FRANCO, et al. 2002). Nesse trabalho, foram observados os mesmos
mecanismos de desgaste para esses componentes. Uma análise das imagens conduziu à
realização de ensaios de esclerometria pendular, com objetivo de investigar qual ângulo de ataque
reproduziria em laboratório os mecanismos predominantes.
Resultados e Discussões
76
a)
b)
c)
d)
Figura 4.1 – Fotos de MEV mostrando a superfície de calhas expostas em campo: a) vista
geral de uma região desgastada, b) detalhes da formação de fragmentos de desgaste, c) detalhe
de ruptura de uma “lingüeta” formada pela propagação de uma trinca e d) região onde houve o
destacamento de um fragmento de desgaste, MEV.
4.2 – Comparação da Análise de Campo com Resultados de Esclerometria
Os ensaios de esclerometria realizados por FRANCO et al. (2002), com cinco ângulos de
ataque diferentes (40º, 52,5º, 60º, 75º e 95º), mostraram que, os mecanismos de desgaste passam
de microtrincas para microcorte quando se aumenta o ângulo de ataque, para o poliuretano usado
nessas calhas.
Fragmento
Direção de
movimentação
da linha
Direção de
movimentação da
linha
Resultados e Discussões
77
A comparação da análise do material de campo com esses resultados mostra que,
predominantemente, no fundo do mar ocorrem interações dos risers com superfícies de
geometrias com baixos ângulos de ataque.
Baseado nesses resultados foi desenvolvido, projetado e construído um equipamento para
desgaste abrasivo baseado no princípio da esclerometria, capaz de gerar os mecanismos de
desgaste observados na prática. Esse equipamento tem um conjunto de noventa penetradores,
com ângulos de ataque de 55º, distribuídos de forma conhecida sobre uma placa, simulando numa
ótica tribológica, o solo marítimo. A seguir apresentam-se os resultados preliminares obtidos com
esse equipamento.
4.3 – Infra-estrutura para Ensaio de Desgaste Abrasivo SIMMC
Determinado o ângulo de ataque que reproduziria na superfície o desgaste observado em
campo, desenvolveu-se um equipamento de desgaste abrasivo que ensaie amostras de calhas em
tamanho comercial, como descrito na seção 3.3.2.
A figura 4.2 mostra o equipamento em sua configuração final.
Figura 4.2 – Equipamento de esclerometria múltipla desenvolvido, projetado e construído
no LTM. Abrasômetro SIMMC.
Cuba de
Teste
Sistema de
movimentação do
porta-penetradores
Sistema de
Refrigeração
Controle
Resultados e Discussões
78
4.3.1 – Ensaios de validação do equipamento
Os primeiros ensaios foram realizados com a finalidade de verificar o funcionamento do
equipamento, bem como, se reproduziria de forma satisfatória os mecanismos de desgaste
observados na prática. Eles foram realizados em amostras de PU – Ref, Figura 4.3.
a)
b)
Figura 4.3 – Amostra a superfície desgastada durante um ensaio no SIMMC; amostra de
PU – Ref. 250N, velocidade média de deslocamento 125 mm/s, imerso em água doce a 4ºC.
As fotos via MEV da região de desgaste das calhas após o ensaio são apresentadas na
figura 4.4. Riscos formados pela passagem dos penetradores podem ser observados e uma
análise com maiores aumentos revelam os mecanismos pelo qual se da a retirada de material
durante o ensaio, figura 4.5.
Observam-se trincas e formações de fragmentos de desgaste. O aspecto da superfície
também é semelhante àquela observada nas amostras de campo (figura 4.1) e revela o
rompimento do material por fratura frágil, porém com vales e picos provenientes da configuração
dos penetradores (figura 4.5c e 4.5d).
Resultados e Discussões
79
a)
b)
Figura 4.4 – Aspecto da superfície desgastada durante um ensaio no SIMMC numa
amostra de PU–Ref, 250N, velocidade média de deslocamento 125 mm/s, a) aspecto geral da
região de contato com os penetradores e b) vale de um risco. As setas representam a direção de
riscamento, MEV.
A figura 4.5b mostra a formação de um fragmento de desgaste através da propagação de
uma trinca superficial, semelhante ao visto na figura 4.1b.
Na figura 4.5d podem ser observadas várias trincas e também o rompimento do material
de uma forma muito semelhante ao observado na figura 4.1c.
Esses resultados mostram que o ensaio é capaz de reproduzir os mecanismos de desgaste
através do qual se dá a retirada de material na situação de campo.
4.4 – Ensaios de Caracterização das Amostras
Foram ensaiados quanto à dureza, tração, alongamento, rasgamento, resiliência,
densidade e abrasão quatro tipos de poliuretanos (MDI-BD) com diferentes formulações, além de
um PU de dureza 85 Shore A, utilizado atualmente na fabricação de calhas protetoras de linhas
flexíveis. Esse material foi denominado PU – Ref.
Os resultados obtidos são apresentados nas seções seguintes.
Resultados e Discussões
80
a)
b)
c)
d)
Figura 4.5 – Aspecto da superfície desgastada durante um ensaio no SIMMC; amostra de
PU–Ref. 250N, velocidade média de deslocamento 125 mm/s. b) região de início dos riscos, b)
detalhe de um fragmento de desgaste, c) aspecto típico da superfície após a remoção de material
e e) pico de desgaste com formação de trincas, MEV.
4.4.1 – Ensaio de dureza
Os resultados de dureza dos materiais podem ser observados na Tabela 4.1. Para esse
ensaio foi utilizada a escala Shore A.
Fragmento
Trincas e
rompimento
frágil
Resultados e Discussões
81
Tabela 4.1 – Resultados do ensaio de dureza Shore A para os PU’s produzidos.
Dureza
Shore A
Amostra
ASTM D2240
E-575A1
77±0
E-585A1
87±1
E-590A1
90±0
E-595A1
94±0
PU – Ref. 85 *
* - Dado fornecido pelo fabricante.
A escolha dessa faixa de dureza se deu de forma a investigar a influência dessa
propriedade e a referência para isso foi o PU-Ref, de dureza 85 Shore A. A partir daí escolheu-se
PU’s com durezas abaixo e acima desse valor.
As durezas medidas e os valores esperados para cada material não ultrapassam a 3
pontos. Isso verifica que os materiais trabalhados abrangem de forma satisfatória a faixa de dureza
esperada. O material que mais se distanciou foi o E-585A1, onde a dureza esperada era de 85
Shore A.
4.4.2 – Ensaios de tração e alongamento
Os resultados do ensaio de tração são apresentados na tabela 4.2. Nas figuras 4.6, 4.7,
4.8 e 4.9 podem ser observadas as curvas de tensão versus deformação correspondentes.
A resistência à deformação nos PU’s está vinculada à proporção de fases cristalinas e
amorfas e à existência de ligações cruzadas, que impedem movimentação de estruturas
enoveladas. A influência da forma e composição das cadeias é também de grande importância no
grau de mobilidade entre as cadeias. Os quatros primeiros PU’s da tabela têm a mesma
composição de pré-polímero e agente de cura, porém com porcentagens de NCO diferentes, ver
tabela 3.1.
Pode-se observar na tabela 4.2, considerando os desvios, que os valores de resistência à
tração para os materiais da série E-500 e para o PU-Ref são praticamente iguais e são da ordem
de 30MPa. Os alongamentos máximos para esses materiais, também considerando os desvios,
Resultados e Discussões
82
são próximos e da ordem de 430%. Contudo, percebe-se uma pequena vantagem do E-575A1 e
do PU-Ref em relação aos demais, e uma menor capacidade de deformação parece ser observada
para o E-595A1. Os módulos a 100%, 200% e 300% também são apresentados na tabela 4.2.
Esses materiais possuem uma grande capacidade de deformação, chegando a alongarem-
se quase cinco vezes em relação ao comprimento inicial, antes de romper. A resistência ao
desgaste abrasivo e a capacidade de deformação estão ligadas à resistência a tração, porém, é de
se esperar, que essas propriedades não influenciem diretamente na diferenciação da taxa de
desgaste para esse grupo de materiais, haja vista que os valores máximos, considerando os
desvios, são muito próximos.
Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de tração.
Módulo a
100%
[MPa]
Módulo a
200%
[MPa]
Módulo a
300%
[MPa]
Limite de Resistência
[MPa] (PSI)
Alongamento
Máximo
(%)
Amostra
ASTM D412 ASTM D624
E-575A1 3,8 6,2 9,4
33,4±1,7(4846±255) 468±8
E-585A1 6,9 10,0 15,0
30,6±6,4(4437±937) 430±35
E-590A1 8,7 12,4 17,4
34,1±0,9(4972±132) 423±38
E-595A1 11,5 15,6 20,9
30,0±5,1(4353±738) 403±50
PU – Ref. 9,7 13,8 17,4
26,3±3,7(3808±538) 480±20
No entanto, observa-se que os módulos, ou resistências mecânicas medidas a 100, 200 e
300%, divergem bastante. Isso pode ser explicado pela seqüência de deformação que esses
materiais experimentam. No início da deformação, a disposição e restrição das cadeias, mesmo
que tenham a mesma composição, afeta diretamente a resistência à deformação. Porém, na
situação de rompimento, como as macromoléculas têm a mesma composição, a resistência
oferecida à ruptura é muito próxima para os materiais, como mostrado na figura 4.10.
Isso leva a crer, que os materiais da série E-500 apresentam um aumento das
configurações de maior resistência mecânica (fases cristalinas e estruturas tridimensionais
travadas), na medida que se aumenta o valor porcentual de NCO, como mostrado na seção
2.2.6.3 e 2.2.6.4.
Resultados e Discussões
83
Figura 4.6 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-575A1.
Figura 4.7 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-585A1.
Resultados e Discussões
84
Figura 4.8 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-590A1.
Figura 4.9 – Curvas Tensão/Deformação das amostras E-595A1.
Resultados e Discussões
85
Em comparação com o PU-Ref, pode-se observar que a resistência ao deslocamento das
cadeias desse material até 300% de deformação, assemelha-se muito à do E-590A1, porém, a
resistência à ruptura da cadeia que o constitui é menor que os demais.
Figura 4.10 – Curvas Tensão/Deformação da amostra E-595A1 e E-590A1.
4.4.3 – Ensaio de Rasgamento
Os resultados do ensaio de rasgamento podem ser observados na Tabela 4.3. Nas
Figuras 4.11, 4.12, 4.13 e 4.14 podem ser observadas as curvas de resistência ao rasgamento,
bem como as deformações correspondentes. O alongamento mostrado na tabela 4.3 refere-se ao
deslocamento experimentado pela amostra durante o ensaio de rasgamento. Dessa tabela, nota-
se que os valores de resistência ao rasgo dos PU’s MDI-DB têm uma correlação inversa com o
alongamento, ou seja, materiais que se alongam mais, resistem menos a esforços numa condição
de rasgo. Comparando-se agora os PU’s da série E-500 com o PU–Ref, percebe-se que o PU-Ref
tem um alongamento equivalente ao PU E-585A1, cuja dureza é 87 Shore A. A resistência do PU-
Ref é, todavia, pouco mais da metade da medida do E-585A1.
Isso está ligado à configuração do ensaio. Diferente do ensaio de tração, a resistência ao
carregamento se restringe a uma linha da amostra e as cadeias desta linha são solicitadas antes
Resultados e Discussões
86
que possíveis movimentações entre as macromoléculas possam acontecer. Assim, uma
concentração de tensão leva ao colapso do material e propaga o rasgo.
Tabela 4.3 – Resultados do ensaio de rasgamento, segundo a norma ASTM D624.
Amostra
Resistência ao Rasgamento
[N/mm] (PLI*)
Alongamento
(%)
E-575A1
70,8±1,5(404,1±8,3) 200,9±8,1
E-585A1
94,7±0,6(541,0±3,3) 133,8±0,8
E-590A1
107,3±1,2(612,6±6,7) 112,0±16,8
E-595A1
121,4±7,3(693,0±42,0) 83,5±6,4
PU – Ref
54,0±1,1(308,3±6,3) 133,3±2,0
PLI – libra por polegada de espessura.
Figura 4.11 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-575A1.
Resultados e Discussões
87
Figura 4.12 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-585A1.
Figura 4.13 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-590A1.
Resultados e Discussões
88
Figura 4.14 – Curvas Resistência ao rasgamento/Deformação das amostras E-595A1.
4.4.4 – Ensaio de Resiliência
Os resultados de resiliência podem ser observados na Tabela 4.4. Nota-se, que a
resiliência se comporta, para esses materiais, numa função inversa com a dureza. Os materiais de
dureza próxima (E-585A1 e PU-Ref) também revelam um valor de resiliência próximos.
Tabela 4.4 – Resultados do ensaio de resiliência, segundo a norma DIN 53.512.
Amostra Resiliência [%]
E-575A1
51,0±1,5
E-585A1
45,0±1,5
E-590A1
37,0±0,9
E-595A1
35,0±0,3
PU – Ref.
41,0±0,4
Resultados e Discussões
89
4.4.5 – Ensaio de densidade
Os resultados de densidade podem ser observados na Tabela 4.5. Os resultados
expressam a média de três medições. Observa-se que as densidades dos materiais testados são
muito próximas.
Tabela 4.5 – Resultados do ensaio de densidade, obtidos segundo a norma
ASTM D1817.
Amostra
Densidade
(g/cm
3
)
E-575A1 1,05
E-585A1 1,07
E-590A1 1,10
E-595A1 1,11
PU – Ref. 1,12
4.4.6 – Fratura frágil
A figura 4.15 mostra o aspecto da região fraturada a –196ºC. As fraturas em todas as
amostras ocorreram com tendência a formação de pequenos planos e sem deformação plástica, o
que caracteriza uma fratura frágil, FERREIRA, et al., (2002).
Ao observar a superfície da fratura na figura 4.15, percebe-se, que as amostras E-575A1 e
E-585A1 têm um aspecto com mais degraus, que, a princípio pode apenas ser reflexo das
condições da aplicação do carregamento dinâmico. O aspecto das fraturas revela também
ausência de vazios ou bolhas, nesses aumentos.
Esses materiais apresentam, via de regra, as seguintes características na superfície de
fratura: origem da fratura, espelho de fratura (mirror), névoa (mist) e região de ramificação das
trincas (hackle), figura 4.16, FERREIRA, et al., (2002).
Resultados e Discussões
90
a)
b)
c)
d)
Figura 4.15 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; a) E-575A1, b) E-585A1; c) E-590A1 e
d) E-595A1, MEV.
Outros aspectos podem ser observados nas ampliações, figuras 4.17, 4.18, 4.19 e 4.20.
Nessas figuras fica mais claramente evidenciada a não existência de porosidades. Observa-se
que, apesar da existência de degraus na superfície da fratura (ver figura 4.15), o aspecto da
fratura nos degraus é o de um material frágil.
Início da fratura
Início da
fratura
Início da
fratura
Início da
fratura
Resultados e Discussões
91
a)
b)
Figura 4.16 – Regiões características típicas de uma fratura em material amorfo na
condição de fragilidade. a) representação esquemática de uma fratura iniciada na superfície/borda
do material e b) observação no MEV da superfície de fratura de um policarbonato (Mag. X21).
FERREIRA, et al., (2002).
Existe, para os quatro PU’s, uma morfologia semelhante e descrita pela literatura como
como de “papel de parede” ou “colcha de retalhos” (patch pattern), FERREIRA, et al., (2002). Essa
morfologia pode ser observada na figura 4.17b, 4.19b e 4.20b. Apesar dessa semelhança, na
figura 4.17b percebe-se uma característica peculiar ao material E-575A1. Essa característica pode
ser melhor observada na figura 4.21 e refere-se a regiões de formato esférico de prováveis vazios
da ordem de 1 a 3 µm. Esses vazios aparecem distribuídas na região entre a zona de ramificação,
e ao redor das mesmas podem ser notadas estruturas semelhante a núcleos. A princípio não se
pode afirmar nada a respeito da origem. Muito provavelmente são provenientes da diferença de
energia coesiva que gera uma separação de fases pela segregação durante a formação de
segmentos rígidos e flexíveis, como mostrado na sessão 2.2.6.1.
Resultados e Discussões
92
a)
b)
Figura 4.17 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-575A1. a) região de
desenvolvimento de ramificações, b) detalhe da morfologia da superfície, MEV.
a)
b)
Figura 4.18 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-585A1. a) região característica de
desenvolvimento da fratura com visualização de ramificações primárias e secundárias, b) detalhe
de uma região de ramificação, MEV.
Ramificações
Região de
ramificações
Resultados e Discussões
93
a)
b)
Figura 4.19 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-590A1. a) região característica de
desenvolvimento da fratura com visualização de ramificações primárias e secundárias, b) detalhe
da morfologia da superfície entre as ramificações primárias, MEV.
a)
b)
Figura 4.20 – Aspecto da região fraturada a -196ºC; E-595A1. a) região de
desenvolvimento de espelho, b) detalhe da morfologia da superfície, MEV.
Resultados e Discussões
94
Figura 4.21 – Aspecto da região fraturada a -196ºC. Detalhe das regiões de formato
esférico de prováveis vazios para E-575A1, MEV.
A comparação entre os cinco materiais mostra que não existem grandes diferenças de
comportamento quanto à fratura a –196ºC. Esse ensaio não mostrou a existência de poros em
nenhum material. Apenas a amostra E-575A1 revela a existência de possíveis vazios, porém, de
dimensões microscópicas.
A figura 4.22 mostra aspectos da região fraturada do PU–Ref por FERREIRA, et al.,
(2002). Nela fica evidente a característica plana e em escamas.
4.4.7 – Ensaio de Indentação-Esférico-Instrumentada – IEI
A figura 4.23 mostra as três curvas de carga versus profundidade de indentação
característica do ensaio de IEI para o E-585A1.
A figura 4.24 mostra o comportamento da curva carga versus profundidade para cada
material. Foi selecionada aleatoriamente uma curva de cada material, visto que os desvios entre
os três ensaios, para cada material, são pequenos, como observado na figura 4.23.
Regiões de
possíveis vazios
Resultados e Discussões
95
É interessante observar, que a ordem de profundidade máxima não obedece à ordem de
dureza Shore A. A definição de dureza é exatamente a dificuldade de se penetrar na superfície de
um material. Todavia, nos materiais estudados, para os dois ensaios, observaram-se diferenças de
resistência à penetração.
Figura 4.22 – Aspecto da fratura do PU–Ref fraturado a –196ºC, MEV, FERREIRA, et al.,
(2002).
Associa-se esse comportamento diferenciado principalmente à geometria do penetrador.
No ensaio de dureza Shore A tem-se um penetrador com um raio de ponta muito menor do que a
esfera utilizada no IEI. Conseqüentemente, o ensaio IEI está mais distante de perfurar o material.
Isso leva ao entendimento que, durante o ensaio IEI, existe uma solicitação da propriedade
de resistência a deformação, semelhante à resposta elástica do material durante o ensaio de
tração. Nota-se que, apesar dos valores de alongamento máximo durante a tração (tabela 4.2)
serem muito próximos, o E-595A1 tem a menor capacidade de deformar e mostra a menor
profundidade máxima de penetração, enquanto os materiais E-575A1 e PU-Ref demonstram
serem mais elásticos e mostram as maiores profundidades de penetração.
No ensaio de dureza Shore A, existe uma tendência a perfurar o material, solicitando assim
a propriedade de resistência à deformação, porém numa condição de rasgamento.
Resultados e Discussões
96
Observa-se, ainda, que para os materiais de mesma dureza (E-585A1 e PU-Ref), os
valores de alongamento máximo durante o rasgamento (tabela 4.3), também são os mesmos, mas
as profundidades máximas de penetração para o ensaio IEI são diferentes. Isso confirma que a
resposta do material durante a medida de dureza Shore A está muito mais ligada, então, a uma
condição de rasgamento.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
100
200
300
400
500
600
Profundidade (micra)
Carga (N)
E-585A1
1
E-585A1
2
E-585A1
3
Figura 4.23 – Curvas de indentação instrumentada. Carga versus profundidade. O gráfico
retrata a repetibilidade nas curvas geradas nos três ensaios para o material E-585A1.
As energias de deformação, calculadas a partir da área abaixo das curvas, para o
carregamento e descarregamento para cada material são mostradas na tabela 4.6 e na figura
4.25. A energia de carregamento é representada por Ec, a energia de descarregamento por Ed e a
diferença entre elas é a energia envolvida na histerese do material.
No carregamento (Ec), o material E-575A1 tem maior energia de deformação enquanto o
material E-590A1 tem a menor energia. Durante o descarregamento (Ed) observa-se que a
energia é menor que no carregamento para todos os materiais. Esse fato está associado à
histerese do material, (GUIZZO, 1999). Porém, nota-se que para o E-595A1 isso ocorre com maior
intensidade, chegando a mudar a ordem de classificação, devido à pronunciada deformação
residual, ver figura 4.24.
(µm)
Resultados e Discussões
97
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
-100
0
100
200
300
400
500
600
E-575A1
E-585A1
E-590A1
E-595A1
PU-Ref
Figura 4.24 – Curva de indentação instrumentada característica carga versus profundidade
para os materiais testados.
Tabela 4.6 – Energia de deformação para o ensaio de indentação instrumentada
comparada com outras propriedades mecânicas. Ec energia durante o carregamento, Ed energia
durante o descarregamento e Ec-Ed histerese.
Amostra
Ec [J] Ed [J]
Ec-Ed
[J]
Histerese
Limite de
Resistência
[MPa]
Alongamento
Máximo
(%)
Resiliência
(%)
Resistência ao
Rasgamento
[N/mm]
E-575A1
761,8±45,7 680,1±40,8 81,7±4,9 33,4±1,7 468±8 51,0±1,5 70,8±1,5
E-585A1
547,1±8,2 452,7±6,8 94,4±1,4 30,6±6,4 430±35 45,0±1,5 94,7±0,6
E-590A1
503,3±10,1 406,3±8,1 97,0±1,9 34,1±0,9 423±38 37,0±0,9 107,3±1,2
E-595A1
581,4±20,3 367,7±12,9 213,6±7,5 30,0±5,1 403±50 35,0±0,3 121,4±7,3
PU - Ref.
563,5±22,5 450,3±18,0 113,2±4,5 26,3±3,7 480±20 41,0±0,4 54,0±1,1
Profundidade (µm)
Carga (N)
90
85
95
85
75
PU-Re
f
Resultados e Discussões
98
82
547
453
94
503
406
97
368
214
113
762
680
581
564
450
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Ec Ed Ec-Ed
Energia (J)
Figura 4.25 – Energia de deformação para o ensaio de indentação instrumentada. Ec –
energia durante o carregamento, Ed – energia durante o descarregamento e Ec-Ed – histerese.
A histerese é uma propriedade que não está diretamente relacionada a nenhuma outra
propriedade mecânica, porém, observa-se que existe um compromisso entre capacidade de
alongamento e resiliência. O material de menor capacidade de alongamento e menos resiliente
teve a maior histerese. E o de menor histerese reúne boa resiliência e capacidade de
alongamento.
4.4.8 – Ensaio de Abrasão DIN 53.516
Os resultados de abrasão a seco com carga de 10N, bem como os submersos com carga
de 15N, podem ser observados na Tabela 4.7. As figuras 4.26 e 4.27 mostram os resultados da
perda de volume em forma de gráfico de barra para os ensaios DIN com carga de 10N e 15N,
respectivamente. Amostras do PU – Ref também foram ensaiadas para as duas condições.
E-575A1
E-585A1
E-590A1
E-595A1
PU – Re
f
E-575A1
E-585A1
E-590A1
E-595A1
PU – Re
f
E-575A1
E-585A1
E-590A1
E-595A1
PU – Re
f
Resultados e Discussões
99
Tabela 4.7 – Perda de volume médio nos ensaios de desgaste abrasivo DIN 53.516.
Amostra
Abrasão 10N - seco
[mm
3
]
Abrasão 15N - submerso
[mm
3
]
E-575A1
28,0±1,1 172,1±5,0
E-585A1
31,0±2,0 217,2±5,2
E-590A1
32,2±3,0 240,3±2,0
E-595A1
48,0±1,0 275,5±4,0
PU - Ref.
114,5±8,0 294,1±4,0
Observa-se, que o desgaste é significativamente afetado com a variação do valor da carga
e do abrasivo. No ensaio com carga de 10 N, a lixa utilizada é de um óxido de Alumínio, enquanto
o realizado com carga de 15 N, utilizou-se uma lixa de carboneto de Silício. Sabe-se da literatura,
que abrasivos a base de Silício são mais pontiagudos, enquanto os a base de óxido de Alumínio
são mais arredondados. Essa diferença geométrica pode levar a redução nas perdas de massa ou
volume na abrasão, da ordem de até 3 a 4 vezes, como mostrado por LARSEN-BASSE(1988).
Existe também variação da taxa de desgaste em função das propriedades dos materiais.
Para os PU’s da série E-500, o aumento da dureza diminui a resistência à abrasão. A literatura
indica, que o aumento da dureza induz o surgimento de mecanismos de microcorte em alguns
sistemas tribológicos semelhantes aos aqui abordados, (KURACHENKOV et al., 1990). Apesar
dos resultados apontarem uma relação da taxa de desgaste com a dureza para estes materiais,
essa mudança de mecanismos de desgaste não é visível nas fotos de microscopia de varredura
eletrônica (Figura 4.28). O aspecto da superfície desgastada é semelhante para os quatro PU’s.
Os materiais de menor dureza (E-575A1 e E-585A1, figura 4.28a e 4.28b) apresentam um
aspecto topográfico um pouco mais acentuado em relação aos de maior dureza (E-575A1 e E-
585A1, figura 4.28c e 4.28d). Notam-se nas duas primeiras figuras (4.28a e 4.28b) riscos,
aparentemente, maiores que os observados nas duas outras micrografias.
Resultados e Discussões
100
28,0
30,8
32,2
47,9
114,5
0
20
40
60
80
100
120
140
E-575A1 E-585A1 E-590A1 E-595A1 PU - Ref.
Desgaste (mm
3
)
Figura 4.26 – Perda de volume médio nos ensaios de desgaste abrasivo segundo a norma
DIN 53.516, com carga de 1 N, a seco, abrasivo 60 mesh, Al
2
O
3
.
A diferença nas taxas de desgaste está, muito provavelmente, ligada ao comportamento
elástico dos materiais testados. Na figura 4.28a observa-se, que alguns fragmentos de desgastes
permanecem aderidos à superfície, apesar do rasgamento da mesma, sugerindo a ocorrência de
deformação e recuperação elástica do material durante a passagem do abrasivo (ver
alongamentos no ensaio de tração, tabela 4.2, e de resistência ao rasgamento, tabela 4.3). Em
contrapartida, para materiais mais duros, parece existir uma maior facilidade de remoção destes
fragmentos. A amostra E-595A1 apresenta uma superfície com menor quantidade de material
aderido, figura 4.28d.
As figuras 4.29, 4.30, 4.31 e 4.32 mostram em maiores aumentos os quatro PU’s
ensaiados. Nelas ficam evidenciados os mecanismos de microcorte e observam-se, nas figuras
4.29b, 4.30b, 4.31b e 4.32b, regiões características de fratura frágil, com presença de trincas e
superfícies planas.
Resultados e Discussões
101
240,3
172,1
217,2
275,5
294,1
0
50
100
150
200
250
300
E-575A1 E-585A1 E-590A1 E-595A1 PU- Ref.
Desgaste (mm
3
)
Figura 4.27 – Resultado do ensaio DIN 53.516, com carga de 15N, submerso em água a
25ºC. Desvio padrão para quatro amostras, SiC, 60 mesh.
A existência de corte está, muito provavelmente, ligada à característica agressiva do
abrasivo da lixa deste ensaio (SiC). O carboneto de Silício é pontiagudo (altos ângulos de ataque),
levando ao processo de corte do material. Esse mecanismo parece ser bastante importante na
retirada de material durante o ensaio de desgaste abrasivo DIN 53.516. Além disso, regiões com
trincas e rompimento de forma frágil são observadas.
Durante o processo de corte é essencial que haja resistência ao rasgamento, porém, a
capacidade de deformar elasticamente é fundamental, pois a elasticidade permite a passagem da
partícula abrasiva sem, ou com mínima remoção de material. Em outras palavras, o polímero
“foge” à ação do abrasivo, retornando a posição inicial após a passagem do abrasivo. Para um
material com grande capacidade de se alongar, é de se esperar que haja maior deformação
elástica antes que surjam falhas ou trincas, consumindo energia sem gerar desgaste. Essa
propriedade é geralmente, inversamente proporcional à resistência ao rasgo, ou seja, materiais
que alongam mais, geralmente necessitam de menores forças para serem rompidos, ver tabela
4.3. Isso mostra que, a propriedade de alongamento tem maior influência na resistência ao
desgaste abrasivo DIN 53.516, visto que o PU E-575A1 tem menos desgaste e maior capacidade
de se alongar.
Resultados e Discussões
102
a)
b)
c)
d)
Figura 4.28 – Aspecto da superfície de desgaste para ensaio DIN 53.516, 15 N, submerso.
a) E-575A1, b) E-585A1, E-590A1 e d) E-595A1, amostras inclinadas de 30º, MEV.
Ao se comparar os materiais da série E-500 com o PU-Ref, observa-se a superioridade
daqueles em relação a esse. A figura 4.33 mostra a micrografia da região ensaiada do PU-Ref.
Nela fica evidente a existência de microcorte e regiões de fratura frágil, assim como observado nos
PU’s da série E-500. Considerando a topografia desses materiais, o PU-Ref se comporta de forma
semelhante ao E-575A1, porém com maiores evidências de corte com grande retirada de material,
figura 4.32b. Em relação ao alongamento máximo no rasgamento, o PU-Ref tem a mesma
capacidade de deformação do E-585A1, porém sua resistência ao rasgo é muito menor. Isso
Resultados e Discussões
103
indica que, a capacidade de alongar-se é importante nesse ensaio, mas a resistência ao
rasgamento também.
a)
b)
Figura 4.29 – Amostra E-575A1, ensaio DIN 53.516, carga de 15N, submerso em água a
25ºC. a) aspecto geral, b) detalhe de a), MEV.
a)
b)
Figura 4.30 – Amostra E-585A1, ensaio DIN 53.516, carga de 15N, submerso em água a
25ºC. a) aspecto geral, b) detalhe de a), MEV.
Resultados e Discussões
104
a)
b)
Figura 4.31 – Amostra E-590A1, ensaio DIN 53.516 carga 15N/submerso em água. a)
aspecto geral, b) detalhe de uma trinca, MEV
a)
b)
Figura 4.32 – Amostra E-595A1, ensaio DIN 53.516 carga 15N/submerso em água. a)
aspecto geral, b) detalhe topográfico, MEV.
Trinca
Resultados e Discussões
105
a)
b)
Figura 4.33 – Amostra de PU-Ref, ensaio DIN 53.516 carga 15N/submerso em água. a)
aspecto geral, b) detalhe de uma região de trinca e de um corte, MEV.
4.5 – Parametrização do Ensaio SIMMC
Com o objetivo de encontrar faixas ótimas de operação do novo equipamento de desgaste
abrasivo, parâmetros, tais como: velocidade, carga e número de ciclos, foram realizados ensaios
variando-se alguns parâmetros, fixando os demais.
4.5.1 – Seleção da velocidade de teste
A velocidade média de deslocamento de uma linha flexiva em relação ao solo marinho foi
estimada baseado em estudos das marés. Esse valor, definido em relatórios internos da Petrobrás,
está próximo a 100 mm/s.
Devido ao problema de vibração, citado na seção 3.3.3, onde a velocidade de oscilação do
cilindro, associada com o atrito do par de materiais excitava o sistema em freqüências muito
próximas da freqüência natural, convergindo assim, em ressonância, levando a grandes
amplitudes de vibração, estabeleceu-se um valor máximo para esse parâmetro. O valor mínimo foi
determinado pela capacidade mecânica de acionamento do sistema (potência mecânica).
A figura 4.34 mostra o aspecto de uma amostra de PU-Ref após 1000 ciclos em duas
freqüências, 15Hz e 30Hz, o que representam velocidades médias de riscamento iguais a 63 mm/s
e 126 mm/s, respectivamente. A primeira onde não houve vibração durante o ensaio, e a segunda
onde ocorreu vibração.
50µ
m
2
0µ
m
Corte
Trincamento
Resultados e Discussões
106
A velocidade onde o ensaio começa a apresentar vibração é de aproximadamente 105
mm/s (25Hz no inversor). Velocidades mais altas levam a vibrações importantes do sistema no
momento de inversão do movimento, onde a velocidade de deslocamento instantânea diminui até
chegar a zero. Velocidades mais baixas fogem dessa zona de vibração. Dessa forma, quanto
menor a velocidade, mais distante estar-se-á do efeito da vibração. Porém, quando se diminui
esse valor, existe uma perda no torque do motor e é necessária também uma análise em virtude
da carga a ser utilizada, otimizando esse parâmetro.
Com uma velocidade de 63 mm/s a carga máxima fica restrita a 400 N. Assim, para
estudos de cargas mais altas, uma velocidade maior deve ser utilizada.
a)
b)
Figura 4.34 – Aspecto macroscópico de amostras de PU-Ref ensaiadas no SIMMC; a)
Velocidade média de deslocamento 63 mm/s (15 Hz no inversor), ausência de vibração; b)
Velocidade média de deslocamento 126 mm/s (30 Hz no inversor), com vibração.
A velocidade adotada no presente trabalho foi a de 83 mm/s, o que equivale a 20Hz no
inversor de freqüência. Essa velocidade permite uma utilização de maiores cargas e com um nível
de vibração aceitável.
4.5.2 – Seleção da carga de teste
A figura 4.35 mostra a perda de massa em gramas para intervalos de 1000 ciclos para as
cargas de 500N, 650N e 800N. As figuras 4.36, 4.37 e 4.38 mostram fotos nos vários estágios de
desgaste, destacando as características de cada período.
Resultados e Discussões
107
Para esses ensaios foi adotada a velocidade média 83 mm/s como mencionado na seção
anterior. Essa velocidade foi escolhida por estar abaixo da zona de vibração e preservar uma boa
capacidade de torque do motor, permitindo assim, investigar valores de cargas maiores.
0.89
2.89
4.36
10.59
2.08
5.63
17.49
31.99
66.41
41.44
21.05
3.94
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1000 2000 3000 4000
Nº ciclos
W [g]
500N 650N 800N
Figura 4.35 – Ensaio SIMMC investigação da carga. Material E-585A1, cargas de 500N,
650N e 800N, velocidade média de deslocamento 83 mm/s.
A figura 4.36 apresenta o aspecto da região desgastada em alguns diferentes estágios do
ensaio para a carga de 500N. Fica evidente que existe uma homogeneidade na retirada de
material, mesmo após 4000 ciclos. Isso não é observado para as cargas de 650N e 800N.
O aspecto da superfície de desgaste em diferentes momentos, para a carga de 650N é
apresentada na figura 4.37. Nota-se que o desgaste não mais se processa de forma homogênea a
partir de um certo número de ciclos.
Para a carga de 800N, a figura 4.38 retrata a região de desgaste, onde se percebe que,
antes dos 2000 ciclos, o desgaste já não é homogêneo.
Resultados e Discussões
108
b)
a)
c)
Figura 4.36 – Aspecto macroscópico de uma amostra confeccionada em E-585A1,
ensaiada no SIMMC, carga de 500 N, velocidade média de deslocamento 83 mm/s; a) vista geral
após 2000 ciclos; b) perfil após 2000 ciclos; c) início da região de desgaste após 4000 ciclos.
Ao associar o aspecto do desgaste observado em cada intervalo do ensaio com a perda de
massa, percebe-se nas duas situações (desgaste homogêneo e não homogêneo), que a perda de
massa se comporta de forma linear em relação ao número de ciclos, porém com taxas
(inclinações) diferentes para cada configuração, ver figura 4.35.
Para todas as cargas é observado esse comportamento, porém, nota-se, que essa
condição é atingida mais cedo (em menores números de ciclos) com o aumento da carga.
Na situação não homogênea de desgaste, existe a perda de material em forma de cavacos,
mais evidentes na figura 4.38b. Esses são fragmentados de uma forma que não é representativa
do desgaste observado na prática. Esse fenômeno contribui para uma maior dispersão dos
resultados além de não retratar o experimentado em campo.
Resultados e Discussões
109
b)
a)
c)
Figura 4.37 – Aspecto macroscópico de amostra de E-585A1 ensaiada no SIMMC, carga
de 650N, velocidade média de deslocamento 83 mm/s; a) vista geral após 2000 ciclos; b) detalhe
de a); c) início da região de desgaste após 4000 ciclos.
Para cada carga, a passagem de um desgaste homogêneo para uma condição envolvendo
falha mecânica se dá num estágio do ensaio. Quanto maior é carga, mais rapidamente ocorre essa
mudança (baixos números de ciclos). Para a carga de 500N, figura 4.35 e figura 4.36, esse
estágio é atingido após 3000 ciclos, enquanto para a carga de 650N, esse momento está próximo
a valores de 2000 ciclos, figura 4.35 e figura 4.37. Para a carga de 800N, figura 4.35 e figura
4.38, esse estágio é atingido nos primeiros 1000 ciclos.
Apesar de, para as três cargas, obterem-se resultados de desgaste numa condição
homogênea de retirada de material, a carga de 500N parece ser a melhor configuração para
realização do ensaio de desgaste. Entretanto, é necessário que o número de ciclos máximo do
ensaio esteja abaixo dos 3000 ciclos, ver figura 4.35.
Resultados e Discussões
110
b)
a)
c)
Figura 4.38 – Aspecto macroscópico de amostra de E-585A1 ensaiada no SIMMC, carga
de 800N, velocidade média de deslocamento 83 mm/s; a) vista geral após 2000 ciclos; b) detalhe
de a); c) início da região de desgaste após 4000 ciclos.
4.5.3 – Seleção do número de ciclos
A análise da quantidade de ciclos a ser utilizada no ensaio foi baseada na região do gráfico
que compreende a configuração homogênea de desgaste, discutida no item anterior. Observando
a figura 4.35, esse valor está localizado nos primeiros 3000 ciclos para a carga de 500N. Porém,
pode-se observar que existe uma região, no inicio do ensaio (primeiros 1000 ciclos), onde a
inclinação da reta é diferente, muito provavelmente pelo efeito amaciamento (regime não
permanente de desgaste).
4.5.4 – Estudo do amaciamento
A figura 4.39 mostra a perda de massa em função do tempo para o material de referência.
Observa-se, que nos primeiros 700 ciclos existem variações aleatórias da perda de massa,
retratando a presença de uma fase de regime não permanente no início do ensaio. Após esse
Resultados e Discussões
111
valor, a taxa de desgaste permanece constante, sendo dada pela inclinação da reta. A figura 4.40
retrata a mesma análise para o material E-585A1.
15.84
0.18
0.3
0.85
1.8
3.4
7.18
9.09
11.1
12.97
0
4
8
12
16
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
nº ciclos
W [g]
Figura 4.39 – Evolução da perda de massa acumulada no ensaio SIMMC, material PU-Ref,
350N, velocidade média de deslocamento 63 mm/s.
0.01
0.03
0.06
0.35
0.42
0.53
0.83
1.33
2.24
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
nº ciclos
W [g]
Figura 4.40 – Dinâmica da perda de massa no ensaio SIMMC, material E-585A1, 350N,
velocidade média de deslocamento 83 mm/s.
Resultados e Discussões
112
Observa-se nas figuras 4.39 e 4.40, que existe um regime não permanente de desgaste e
ele é percebido por volta dos primeiros 800 ciclos.
Essa fase de variação da taxa de desgaste não é interessante para uma comparação entre
materiais. Portanto, se faz necessário um condicionamento inicial da amostra antes da realização
do ensaio (pré-teste). Esse condicionamento foi feito em todas as amostras, tendo sido adotada a
realização de 1000 ciclos antes da execução dos ensaios finais, sob as mesmas condições de
temperatura, de velocidade e de carga, definidas para o ensaio. Após esse esses 1000 ciclos, as
amostras foram limpas com ar comprimido e pesadas numa balança da marca Bel, modelo MARK
4100, com carga máxima de 4100g e resolução de 10 mg.
4.6 – Ensaios de Desgaste - SIMMC
Os ensaios realizados no SIMMC tiveram a configuração de carga e velocidade indicada
pelos ensaios das seções anteriores, a saber: carga 500N, velocidade média de deslocamento 83
mm/s e temperatura 4ºC. Como pré-teste, foi realizado um ensaio com 1000 ciclos de duração,
com objetivo de levar o tribosistema a condição de regime permanente de desgaste. Logo após, as
amostras foram pesadas, e realizados mais 1000 ciclos. A diferença de massa medida nesses
últimos 1000 ciclos foi utilizada para o cálculo da taxa de desgaste.
Essa taxa foi calculada através da divisão do volume retirado durante o ensaio (perda de
massa [g] dividido pela densidade [g/mm
3
]) pelo comprimento total deslizado. Optou-se por esse
cálculo para que o valor da taxa de desgaste seja específico e não esteja ligado diretamente ao
diâmetro da calha.
A figura 4.41 mostra a taxa de desgaste para o ensaio SIMMC para as amostras testadas.
Esses valores também podem ser observados na tabela 4.8. O material E-595A1 teve o pior
desempenho, enquanto o material E-585A1 foi o melhor no desempenho.
Os materiais E-575A1, E-590A1 e PU-Ref tiveram praticamente o mesmo desempenho,
considerando os desvios-padrão.
Pode-se observar que a classificação segundo a resistência ao desgaste é um pouco
diferente daquela observada no ensaio de desgaste DIN 53.516. Para compreender melhor essa
diferença é necessária uma investigação mais profunda dos mecanismos de desgaste e das
propriedades que estão envolvidas nessas solicitações.
A figura 4.42 mostra o aspecto da superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a
amostra E-575A1 em vários aumentos. Em baixos aumentos, figura 4,42a, percebe-se uma
Resultados e Discussões
113
localização preferencial do desgaste, resultando numa formação com altos e baixos, ou picos e
vales. Isso é uma conseqüência do fato de que a cinemática imposta pelo sistema não foi
suficiente para fazerem os penetradores “varrerem” igualmente toda a superfície da calha na
região de teste.
SIMMC - 500N 1000 Ciclos
14,17
8,45
14,90
27,49
17,98
0
5
10
15
20
25
30
35
E-575A1 E-585A1 E-590A1 E-595A1 PU-Ref
W [mm
3
/m]
][*]/[
][
][
][
3
3
mdcmg
gm
m
mm
Taxa
∆
∆
=
ρ
Figura 4.41 – Taxa de desgaste para os vários materiais testados. Ensaio SIMMC, 500N,
velocidade média de deslocamento 83 mm/s, 1000 ciclos.
Observa-se ainda, que o mecanismo de desgaste predominante é o microtrincamento, com
destacamento de porções de material por fratura frágil. Percebe-se na figura 4.42b a formação de
um fragmento de desgaste. A figura 4.42c mostra uma região onde houve o destacamento de um
fragmento de desgaste. A figura 4.42d revela o aspecto de uma região onde houve o
destacamento de material. Essa superfície tem aspecto semelhante ao da fratura frágil, observado
na figura 4.17b.
Resultados e Discussões
114
a)
b)
c)
d)
Figura 4.42 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra
E-575A1. a) aspecto geral; b) detalhe de uma trinca; c) detalhe de uma região com destacamento
de material; d) detalhe de “c”, MEV.
A figura 4.43 mostra o aspecto da superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a
amostra E-585A1 em vários aumentos. Existe uma menor disposição em formar e propagar
trincas, conseqüentemente, analisando micrografia dos materiais testados, para os mesmos
aumentos, os fragmentos de desgaste parecem ser menores.
Formação de
fragmento de
desgaste
Resultados e Discussões
115
a)
b)
c)
d)
Figura 4.43 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra
E-585A1. a) vista geral; b) detalhe dos sulcos no material; c) vales dos sulcos; d) detalhe de “c”,
MEV.
A figura 4.44 mostra o aspecto da superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a
amostra E-590A1 em vários aumentos. Na figura 4.44d, nota-se novamente o aspecto típico de
uma fratura frágil, como observado na figura 4.18.
Resultados e Discussões
116
a)
b)
c)
d)
Figura 4.44 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra
E-590A1. a) vista geral; b) detalhe dos sulcos no material; c) detalhe de um vale; d) detalhe de “c”,
MEV.
A figura 4.45, por sua vez, apresenta o aspecto da superfície desgastada após o ensaio
SIMMC para a amostra E-595A1, em vários aumentos. Da mesma forma, a figura 4.46 mostra o
aspecto da superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a amostra PU – Ref.
Resultados e Discussões
117
a)
b)
c)
d)
Figura 4.45 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra
E-595A1. a) vista geral; b) detalhe de “a”; c) detalhe de um vale; d) detalhe da superfície do
material, MEV.
Resultados e Discussões
118
a)
b)
c)
d)
Figura 4.46 – Aspecto típico de superfície desgastada após o ensaio SIMMC para a mostra
PU-Ref. a) vista geral; b) detalhe dos sulcos no material; c) detalhe de trincas em um vale; d)
detalhe de da superfície do material, MEV.
Para todas as amostras, é observado que os mecanismos de desgaste predominantes são
microtrincas e em alguns casos cortes em maiores dimensões. Os mecanismos de desgaste
observados para o ensaio DIN 53.516, inferidos das figuras 4.29, 4.30, 4.31, 4.32 e 4.33, retratam
Micro
fragmento de
desgaste
Resultados e Discussões
119
a existência de microcorte, o que parece não estar presente nos ensaios SIMMC. Esse fato está,
muito provavelmente, ligado à angulosidade das partículas que promovem o desgaste.
O autor deste trabalho constatou que realmente existe uma mudança de mecanismo a
partir de um ângulo de ataque críitico, a partir do qual microcorte começa a predominar, (FRANCO
et al., 2002). Além disso, ressalta-se aqui, que os eventos de desgaste nos ensaios SIMMC são
muito maiores que os observados nos ensaios abrasivos com lixa de SiC e Al
2
O
3
. Isso torna a
comparação entre essas duas configurações de teste complicada. Assim, pode-se afirmar, que os
ensaios de desgaste DIN 53.516 servem apenas como uma avaliação preliminar de materiais a
serem utilizados em proteções de linhas flexíveis.
Em situações de abrasão onde se predominou microcorte (DIN 53.516, figura 4.26 ou
4.27), o material E-575A1 teve o melhor desempenho, enquanto o material de referência, PU-ref
teve o pior desempenho. Os valores de taxa de desgaste, para essa configuração, não são direta
ou inversamente proporcionais a nenhuma propriedade mecânica. Porém observa-se que o
material E-575A1 (melhor desempenho) tem o maior alongamento durante o rasgo (tabela 4.3) e é
o mais resiliente (tabela 4.4), mesmo tendo os menores módulos de tração a 100%, 200% e
300%. O pior desempenho (PU-Ref) tem propriedades de alongamento durante o rasgo e
resiliência medianos dentre os materiais estudados, porém, tem a menor resistência ao
rasgamento.
Tabela 4.8 – Taxa de desgaste para o ensaio SIMMC.
Amostra
W
SIMMC
[mm
3
/m]
E-575A1
14.17±4.30
E-585A1
8.45±0.89
E-590A1
14.90±1.25
E-595A1
27.49±3.69
PU - Ref.
17.98±2.87
Em situações envolvendo basicamente microtrincas e fratura frágil (SIMMC) o material E-
585A1 teve o melhor desempenho, enquanto o material E-595A1 teve o pior desempenho. Não
houve uma correlação linear direta ou inversa com nenhuma propriedade mecânica. Porém,
relacionando algumas propriedades com o desgaste, notam-se tendências. Os módulos de tração
a 100%, 200% e 300% comportam-se de maneira semelhante a um polinômio de grau dois, se
Resultados e Discussões
120
relacionados com o desgaste, figura 4.47. A resistência ao rasgo também tem um valor médio que
está relacionado com o desgaste mínimo, figura 4.48.
y = 0,6666x
2
- 8,3501x + 35,904
R
2
= 0,9768
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25
Propriedade [MPa]
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Tensão a 100%
Tensão a 200%
Tensão a 300%
E-595A1
PU-Ref
E-590A1
E-585A1
E-575A1
Figura 4.47 – Correlação entre os valores dos módulos à tração e o desgaste obtido no
ensaio SIMMC.
E-595A1
E-590A1
E-585A1
PU-Ref
E-575A1
0
5
10
15
20
25
30
35
0 20 40 60 80 100 120 140
Resistência ao Rasgamento [N/mm]
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Resist. Rasgo [N/mm]
Figura 4.48 – Correlação entre os valores de resistência ao rasgamento e o desgaste
obtido no ensaio SIMMC.
Resultados e Discussões
121
A propriedade de resistência ao rasgamento parece não interferir de maneira decisiva, pois
o material de melhor desempenho tem o segundo menor valor de resistência ao rasgo do conjunto
de materiais testados. Porém, observa-se na tabela 4.3, que parece haver um compromisso entre
alongamento durante o rasgo e resistência ao desgaste, sendo de grande importância, a
capacidade de alongamento. Isso fica mais evidente ao analisar o material com menor resistência
ao desgaste (E-595A1). Ele tem a maior resistência ao rasgamento, mas tem o menor capacidade
de alongamento.
A figura 4.49 mostra a correlação entre os valores de alongamento máximo durante o
rasgamento e o desgaste. Nela, percebe-se que existe um valor ótimo que minimiza o desgaste.
A figura 4.50 mostra resultados de dureza em função da resistência ao desgaste SIMMC.
Nela fica evidente que não há uma correlação entre essas duas propriedades.
E-595A1
E-590A1
E-585A1
PU-Ref
E-575A1
0
5
10
15
20
25
30
35
50 100 150 200 250
Alongamento máximo ao rasgo [%]
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Along. Max. ao Rasgo (%)
Figura 4.49 – Correlação entre os valores de alongamento máximo no rasgamento e o
desgaste obtido no ensaio SIMMC.
As propriedades de resistência à tração e o alongamento máximo durante a tração
encontram-se correlacionadas com o desgaste nas figuras 4.51 e 4.52, respectivamente. Os
valores de resistência e alongamento, considerado os desvios são muito próximos de forma que
nenhuma indicativa pode ser observada.
Resultados e Discussões
122
E-595A1
E-590A1
E-585A1
PU-Ref
E-575A1
0
5
10
15
20
25
30
35
75 80 85 90 95
Dureza Shore A
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Dureza Shore A
Figura 4.50 – Correlação entre os valores de dureza Shore A e o desgaste obtido no
ensaio SIMMC.
Nota-se, na figura 4.53, uma tendência de materiais com alta histerese terem menor
resistência ao desgaste abrasivo, principalmente para o material de pior desempenho (E-595A1).
De forma que, se tratando de grandes taxas de deformação, como as que ocorrem em ângulos de
ataque baixos, o aumento na resistência ao desgaste abrasivo parece estar ligada ao conjunto das
propriedades para cada material.
As propriedades de resistência mecânica estão amarradas umas as outras e mostram que
uma análise mais profunda deve ser feita para afirmar a influência de cada uma.
No entanto, pode-se notar que materiais que têm um bom desempenho ao desgaste
abrasivo têm uma boa capacidade de alongamento e uma boa resiliência, aliadas a uma alta
resistência ao rasgamento. Muito provavelmente isso influencia na formação e propagação de
trincas. Como a falha nesses materiais é basicamente por microtrincas e ruptura frágil,
propriedades que reprimam esses processos colaboram para uma maior resistência ao desgaste
abrasivo. Isso colabora para a busca de uma relação entre propriedades mecânicas e resistência
ao desgaste.
Resultados e Discussões
123
E-595A1
E-590A1
E-585A1
PU-Ref
E-575A1
0
5
10
15
20
25
30
35
15 20 25 30 35 40 45
Resistência à tração [MPa]
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Resistência à
tração [MPa]
Figura 4.51 – Correlação entre os valores de resistência à tração e o desgaste obtido no
ensaio SIMMC.
E-595A1
E-590A1
E-585A1
PU-Ref
E-575A1
0
5
10
15
20
25
30
35
300 350 400 450 500 550 600
Alongamento máximo à tração [%]
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Along. Max. à tração (%)
Figura 4.52 – Correlação entre os valores de alongamento máximo na tração e o desgaste
obtido no ensaio SIMMC.
Resultados e Discussões
124
E-595A1
E-590A1
E-585A1
PU-Ref
E-575A1
0
5
10
15
20
25
30
35
50 100 150 200 250
Histerese [E-06*J]
W
SIMMC
[mm
3
/m]
Histerese [E-06*J]
Figura 4.53 – Correlação entre os valores de histerese (IEI) e o desgaste obtido no ensaio
SIMMC.
4.7 – Análise matemática dos resultados
A figura 4.54 apresenta, em forma de gráfico de barras, as propriedades mecânicas
medidas nos materiais testados, bem como os resultados de desgaste abrasivo. Pode-se observar,
mais uma vez, que nenhuma propriedade correlaciona-se de forma direta com o desgaste; porém
é possível notar tendências.
Alguns autores já verificaram (RATNER et al.,1964, FRIEDRICH and CYFFKA, 1985), que
alguma correlação entre taxa de desgaste abrasivo e propriedades mecânicas para polímeros
pode ser encontrada. Porém, essa relação não parece ser tão clara, isso, porque muito mais
influentes são os mecanismos de desgaste (HUTCHINGS, 1992).
Para a configuração dos ensaios realizados no presente trabalho, observa-se que os
mecanismos de desgaste foram os mesmos para todos os materiais testados, alcançados a partir
da escolha do ângulo de ataque dos penetradores e condições do ensaio, de forma que, a
equação obtida é representativa apenas para essa configuração e esses materiais.
A principio é razoável supor, a partir dos fenômenos que acontecem no contato, que as
propriedades de resistência à tração, alongamento, resiliência, e resistência ao rasgo têm uma
influência significativa na resistência ao desgaste abrasivo de materiais poliméricos.
Resultados e Discussões
125
Dessa suposição, pode-se sugerir uma equação que “carregue” a influência de cada uma
dessas propriedades, mais um termo que adicione fatores de sinergia de uma propriedade sobre
as outras na taxa de desgaste.
Porém, para essa abordagem deve haver uma uniformização dos valores dessas
propriedades tornando-os relativos. Considerando o menor valor de cada propriedade igual a zero
e o maior igual a um, pode-se ter idéia da influência de cada um sem fatores de grandezas
numéricas. O mesmo procedimento foi adotado para os valores de taxa de desgaste do ensaio
SIMMC. Para esses valores, à menor taxa desgaste atribuiu-se o valor zero e à maior o valor um.
A quantidade de dados de entrada restringe, numericamente, a quantidade de propriedades
relacionadas na analise numérica. Na seção anterior foram apresentadas correlações de cada
propriedade com o desgaste separadamente, e percebeu-se que as propriedades de dureza,
resistência a tração e alongamento máximo na tração, não apresentam uma tendência clara de
comportamento. Desta forma, supôs-se a linearidade da equação de influência sobre a taxa de
desgaste SIMMC, utilizando-se das propriedades de resistência ao rasgamento, alongamento
durante ao rasgo, histerese e resiliência.
Assim é proposta a equação 4.1:
silaistHarasglongAaasgRaaW eR_
43210
++++=
(4.1)
Onde:
W
: Taxa de desgaste relativo, [mm
3
/m];
0
a
: constante que supõe resumir a influências das outras propriedades, [mm
3
/m];
1
a
: constante que multiplica o módulo a 100%, [mm
3
/(m*N)];
2
a
: constante que multiplica a resistência ao rasgo, [mm
3
/(m*N/mm)].
3
a
: constante que multiplica o alongamento, [mm
3
/(m*%)];
4
a
: constante que multiplica a resiliência, [mm
3
/(m*%)].
Resultados e Discussões
126
Figura 4.54 – Resultados de todos os ensaios para as amostras testadas. Cada valor
representa a média para o número de ensaios determinado pela norma seguida. No caso dos
ensaios de desgaste DIN, seis repetições, no ensaio SIMMC quatro repetições.
Resultados e Discussões
127
Montando um sistema linear para o conjunto de dados, pode-se escrever,
matematicamente, esse problema da seguinte forma:
S
1
= a
0
+ a
1
* E
11
+ a
2
* E
21
+ a
3
* E
31
+ ... + a
4
* E
n1
(4.2)
S
2
= a
0
+ a
1
* E
12
+ a
2
* E
22
+ a
3
* E
32
+ ... + a
4
* E
n2
(4.3)
S
3
= a
0
+ a
1
* E
13
+ a
2
* E
23
+ a
3
* E
33
+ ... + a
4
* E
n3
(4.4)
...
S
m
= a
0
+ a
1
* E
1m
+ a
2
* E
2m
+ a
3
* E
3m
+ ... + a
4
* E
nm
(4.5)
Onde, E
nm
é um vetor que contém o valor relativo das propriedades para cada material; n
designa a propriedade e m o material. S
m
é o valor do desgaste relativo obtido no ensaio SIMMC
para cada material.
Substituindo as constantes obtidas na equação 4.1, tem-se:
silistHrasglongAasgRW eR2011,19907,0_4128,11053,046,11 −++−=
(4.6)
O coeficiente de correlação da equação 4.6 (R
2
) é aproximadamente igual a um, que pode
ser observado na figura 4.55.
A equação 4.6 supõe que o comportamento ao desgaste é dependente das propriedades
relativas de resistência ao rasgo, ao alongamento máximo do ensaio de rasgamento, e histerese e
a resiliência. Ela mostra o peso com que cada uma dessas propriedades contribui na taxa de
desgaste para esses materiais nesse tribositema.
A análise para essa equação deve ser feita através dos coeficientes que acompanham as
variáveis. Coeficientes negativos levam a uma redução na taxa de desgaste, enquanto coeficientes
positivos a aumentam, na proporção de sua grandeza.
Porém, ao se analisar a equação 4.6, e baseado na tendência de cada propriedade
separada descrita no item anterior, percebe-se uma incoerência entre os resultados. Espera-se
que a histerese tenha um coeficiente negativo, visto que, materiais mais resistentes ao desgaste
têm baixa histerese. O mesmo ocorre de maneira inversa para a resiliência.
Isso indica que, a abordagem proposta de uma equação linear de relação entre as
propriedades mecânicas e o desgaste, não se aproxima da relação que existe na realidade. Muito
provavelmente, essa relação, na prática, deve envolver produtos cruzados ou mesmo variáveis
Resultados e Discussões
128
não lineares. Dessa forma, torna-se impossível, com a quantidade de dados de entrada disponível,
propor um modelo matemático satisfatório.
y = x + 7.47E-06
R
2
= 9.98E-01
0
20
40
60
80
100
0 20406080100
W
num
mm
3
/m
W
SIMMC
mm
3
/m
silistHrasglongAas gRW
num
eR2011,199 07,0_4128,11053,046,11 −++−=
Figura 4.55 – Correlação entre os valores de desgaste calculados numericamente através
das propriedades mecânicas e os valores obtidos nos ensaios SIMMC.
Capítulo V
5. CONCLUSÕES
Com o objetivo de ampliar os conhecimentos sobre desgaste abrasivo em equipamentos de
proteção de linhas flexíveis foram avaliadas e abordadas em laboratório condições similares as
que ocorrem durante a extração de petróleo em águas profundas.
Foram analisados os mecanismos de desgaste através de amostras de componentes que
já haviam sido usados na prática e encontrou-se, mais uma vez, que a degradação desses
componentes se dá, basicamente, pela ocorrência de grandes eventos de riscamento por
deslizamento de partículas. Nesse processo, ocorre, predominantemente, microtrincas e ruptura
frágil ao longo dos riscos.
Através de esclerometria pendular encontrou-se uma geometria que fosse capaz de
reproduzir esses eventos mantendo as características tribológicas. Essa geometria foi utilizada
para reproduzir tribologicamente o subsolo marítimo.
Para simular esses eventos numa condição laboratorial, foi desenvolvido, projetado e
construído um equipamento que permitisse a reprodução de condições de movimento,
temperatura, e também reproduzisse os mecanismos de desgaste em secções nesses
componentes. Esse equipamento foi denominado Simulador de Interações Marítimo Mecânicas em
Calhas (SIMMC), que reproduziu satisfatoriamente os mecanismos nas calhas atualmente
utilizadas na proteção de linhas flexíveis. A parametrização do ensaio indicou que a melhor
velocidade média de deslizamento na amostra para o ensaio é de 83 mm/s (conseguida
configurando o inversor de freqüência em 20 HZ) e a carga ótima de 500 N. A quantidade de ciclos
foi fixada em 1000 para um pré-teste (eliminação do regime não permanente de desgaste) e mais
1000 ciclos para o ensaio final.
Na seqüência, foram fabricadas amostras de quatro poliuretanos (MDI-BD). Esses novos
materiais e o material utilizado atualmente em proteções foram caracterizados segundo testes de
tração, alongamento, resistência ao rasgo, resiliência, densidade, dureza e abrasão DIN 53.516.
Foi realizado ainda um ensaio de desgaste abrasivo semelhante ao DIN 53.516 via úmida e com
carga de 15N. Todos os materiais foram ensaiados no equipamento SIMMC. Os resultados obtidos
permitem concluir, que:
Conclusões 130
• A classificação obtida foi um pouco diferente daquela indicada no ensaio de
desgaste DIN 53.516. Observa-se que os mecanismos de desgaste gerado nos
ensaios DIN 53.516 são basicamente, microcorte e microsulcamento, diferente
daqueles observados no ensaio SIMMC, que são microtrincas com rompimento por
fratura frágil;
• Uma análise dos micromecanismos de desgaste é determinante antes de qualquer
busca de correlação entre propriedades mecânicas e resistência ao desgaste;
• Em condições de corte, materiais que se alongam mais durante o rasgo têm um
melhor desempenho vinculado a uma boa resistência ao rasgamento. No ensaio
DIN 53.516 o material E-575A1 teve o melhor desempenho, enquanto o material de
referência, PU – Ref teve o pior desempenho;
• Em casos de basicamente microtrincas e rompimento por fratura frágil, quando se
trata de grandes taxas de deformação, como as que ocorrem em ângulos de ataque
baixos parece existir uma combinação das propriedades mecânicas de forma a
otimizar a propriedade de resistência ao desgaste. Nessas condições propriedades
de deformação e resistência ao rasgo são muito importantes, e a histerese parece
também influenciar na classificação. Materiais de baixa histerese são mais
resistentes ao desgaste abrasivo. Para o ensaio SIMMC o material E-585A1 teve o
melhor desempenho, enquanto o material E-595A1 teve o pior desempenho. Não
houve, para esse tribosistema, uma correlação linear direta ou inversa com
nenhuma propriedade;
• A resiliência também exerce um papel importante em ambos os casos;
• O material E-585A1 (melhor desempenho) tem o segundo maior alongamento, é o
segundo mais resiliente e tem o segundo menor módulo de tração a 100%, 200% e
300%. Em contra partida, o material E-595A1 (pior desempenho), é o menos
resiliente, apresentou o menor alongamento, tem o maior módulo de tração a 100%
e maior resistência ao rasgo;
• Isso leva a um entendimento que a análise isolada da resistência ao rasgo não é
determinante para escolha de um material com boa resistência ao desgaste
abrasivo num tribosistema produzido pelo SIMMC. As propriedades de resistência
mecânica estão amarradas umas as outras e mostram que uma análise mais
profunda deve ser feita para afirmar a influência de cada uma. No entanto, pode-se
notar que materiais que têm um bom desempenho ao desgaste abrasivo têm uma
Conclusões 131
boa capacidade de alongamento durante o rasgo e uma alta resiliência, aliado a
uma boa resistência ao rasgamento;
• Muito provavelmente, isso influencia na formação e propagação de trincas. Como a
falha nesses materiais é basicamente por microtrincas e ruptura frágil, propriedades
que reprimam esses processos colaboram para uma maior resistência ao desgaste
abrasivo;
• Através de uma abordagem matemática obteve-se uma equação linear que
relaciona valores relativos de propriedades mecânicas e a taxa de desgaste do
ensaio SIMMC. A análise dos coeficientes que acompanham cada propriedade
mostra que essa equação não é representativa da condição real. Alguns
coeficientes contradizem a tendência da relação do que acontece na prática. Muito
provavelmente essa relação não é tão simples e envolve variáveis não lineares ou
mesmo produtos cruzados de propriedades;
Conclusões 132
Capítulo VI
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como sugestões com o objetivo de otimizar a técnica de seleção de materiais para a
aplicação apresentada nessa dissertação segue-se alguns itens:
• Modificação no equipamento para que haja um deslocamento dos penetradores
também na direção perpendicular ao risco de modo a gerar sulcos/riscos em toda
região ensaiada e não de dois em dois mm, como processado anteriormente. O
esquema dessa modificação pode ser observado na figura 6.1, e um ensaio
preliminar nessa configuração, na figura 6.2.
• Verificação da correlação do desgaste para vários diâmetros de calha. Se existir
possibilidade, encontrar uma equação que correlaciona esses parâmetros.
• Formulação de novos materiais que possam ser aplicados nessas condições
otimizando custo e resistência.
• Testar outros materiais para gerar um modelo matemático mais abrangente quanto
a propriedades e relações entre elas.
2mm2mm
Figura 6.1 – Esquema de mudança de movimentação do conjunto de penetradores para
que exista uma diminuição do tamanho dos picos e vales formados durante o ensaio.
Sugestões para Trabalhos Futuros 134
Figura 6.2 – Vista geral de uma calha testada com a nova cinemática do SIMMC, ou seja,
1.000 ciclos de pré-teste e 1.000 ciclos de teste. Notar remoção uniforme de material.
• Submeter novas calhas, bem como, as já estadas a testes de hidrolise e, na
seqüência, a ensaios de desgaste abrasivo. Espera-se dessa forma, poder
identificar a susceptibilidade dos materiais testados a alterações induzidas pela
exposição a pressões de 200 bar e temperaturas de até 80ºC. Sugere-se ainda, que
essas alterações sejam avaliadas através de ensaios de caracterização estrutural,
tais como: espectroscopia no infravermelho, composição química (MEV-EDS),
análise termogravimétrica, etc.
Capítulo VII
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