Tubos feitos de PA 12, uma alternativa para o transporte de hidrocarbonetos

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Como os tubos podem evoluir rumo a diâmetros cada vez maiores, visando a substituição de dutos feitos de outros materiais? Para responder a essa questão é necessário considerar toda a cadeia de processos e os transformadores de plásticos precisam desenvolver conhecimento especializado sobre a aplicação final se desejarem fabricar produtos adequados.

Markus Hartmann e Karl Kuhmann

Data: 10/08/2016

Edição: PI Agosto 2016 - Ano 18 - N^o 216

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As empresas gostam de se vangloriar de sua experiência ao desenvolver novas aplicações. “Décadas de experiência em plásticos”, “especialistas globais” ou “retro-integração até chegar ao monômero” são slogans frequentemente ouvidos sobre esse tema. Mas às vezes essas vantagens não são suficientes. Afinal, conhecimento especializado que não se estende além do estágio de extrusão não alcança a aplicação final. O desenvolvimento sustentável de produtos requer vários passos adicionais.

Em 2001 a indústria automotiva já utilizava amplamente a PA 12. Muitos fabricantes de automóveis ao redor do mundo estavam instalando tubos de PA 12 com mono ou múltiplas camadas em seus veículos, na forma de linhas de combustível, linhas de ar comprimido para freios e condutos hidráulicos. Em particular, a boa resistência química do material o conduz a outras aplicações envolvendo o contato com hidrocarbonetos. Uma aplicação de grande porte que até o momento só era feita de aço são as tubulações para gás. É verdade que o polietileno (PE) já vinha substituindo o aço nas conexões domésticas sob baixas pressões, de até 10 bar, mas esse material não supera o aço no caso das linhas para distribuição e conexões industriais na faixa de média pressão, de até 16 bar. O aço ainda era o único material adequado – e o uso da PA 12 era só uma alternativa promissora.

Os tubos de PA 12 apresentam diversas vantagens sobre suas contrapartes feitas de aço. Eles podem ser bobinados sobre um carretel em comprimentos que variam de 150 a 200 metros (ver figura no início do artigo). Tubos de aço, por sua vez, estão restritos ao comprimento de 18 metros, uma vez que este é o valor máximo que pode ser transportado por caminhão. Consequentemente, as tubulações feitas de plástico apresentam um número muito menor de uniões soldadas. Isso reduz tanto o tempo como os custos de instalação. Além disso, os custos de manutenção são menores, uma vez que não há necessidade de proteção catódica contra corrosão (corrente permanente ou “anodo de sacrifício”). Consequentemente, em razão da instalação mais simples, manipulação mais fácil e menores custos de manutenção, as despesas globais associadas às tubulações feitas com PA 12 são significativamente menores em relação às feitas de aço. Mas há um problema: tubulações de gás que operam na faixa de pressão média possuem diâmetro exterior igual ou superior a 160 mm. Tubos de PA 12 com tais dimensões nunca haviam sido extrudados antes. Isso representava um real desafio para os especialistas em pesquisa e aplicação.

Otimizando o processamento

Conforme já era esperado, os experimentos iniciais de extrusão rapidamente mostraram que a viscosidade e a resistência do material no estado fundido eram muito baixas. Isso faz com que o parison apresente manipulação difícil. Os parisons com distribuição irregular de espessuras de parede geralmente arqueiam após passarem pelo bocal de extrusão (figura 1). Portanto, era necessário desenvolver um novo tipo de PA 12. E foi aqui que a vasta experiência anunciada e a integração realmente ajudaram: por meio de uma cuidadosa seleção do monômero e de modificações no polímero conseguiu-se o balanceamento correto entre viscosidade e rigidez dentro de um prazo relativamente curto.

Contudo, o simples ajuste das propriedades do material não foi suficiente por si só. Ao mesmo tempo, deveria ser assegurado que o novo tipo de PA 12 poderia ser processado em extrusoras convencionais concebidas para polietileno. O objetivo foi evitar reformas dispendiosas nesses equipamentos para os fabricantes de tubos de plástico. Após os testes iniciais ficou claro que, dependendo do método de operação e das condições de processamento, o volume horário de material processado era menor do que o observado ao se transformar o polietileno. Isso, por um lado, se devia à maior viscosidade, o que faz com que ocorra um grande aumento de pressão no interior da extrusora. Por outro lado, a fusão dos grânulos na rosca requer maiores valores de torque. Foram conduzidos numerosos testes em vários transformadores, bem como experiências no Instituto de Engenharia de Produto da Universidade de Duisburg-Essen (Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen, IPE), na Alemanha, que, finalmente, promoveram alguns avanços. Não apenas os parâmetros de processamento foram otimizados como, entre outros fatores, as temperaturas foram significativamente aumentadas na zona de alimentação, de forma a reduzir o valor necessário de torque. Estas medidas compensaram, de forma aproximada, a menor quantidade horária de resina processada. Além disso, uma vez que a PA 12 apresenta menor contração do que o PE, o sistema de calibração precisa ser dimensionado de forma correspondente.

Isto assegurou que mesmo as máquinas convencionais para polietileno são capazes de produzir tubos de PA 12 com grande volume, dimensionalmente estáveis e de forma econômica.

O produto finalmente foi lançado em 2004. O novo grau de PA 12 apresentava as propriedades necessárias, permitia a produção de tubos com diâmetro externo de até 300 mm e sua manipulação pelos transformadores de plástico era fácil – agora era tempo de começar o trabalho real.

Desenvolvimento sustentável de produto

Os primeiros anos durante e após o desenvolvimento do material foram consumidos principalmente por atividades visando continuar acumulando conhecimento. Tiveram de ser consideradas normas e padrões nacionais e internacionais. As questõeschave foram: quais métodos para depositar tubos de gás tinham de ser avaliados? Qual a melhor maneira para se unir os tubos uns com os outros? Quais verificações de sistemas deveriam ser efetuadas? Em resumo: como o sistema como um todo trabalha, e como a PA 12 se ajusta dentro dele?

Parte deste acúmulo de conhecimento envolveu colaboração intensa com numerosos operadores de redes para distribuição de gás e fabricantes de tubos, bem como envolvimento extensivo com associações e institutos de normalização. Desde o princípio o foco de todas as discussões foi segurança e uma longa vida útil para o tubo. Finalmente, foi estabelecido que uma tubulação subterrânea para gás deveria funcionar de maneira confiável durante, pelo menos, cinquenta anos.

Foram efetuados vários testes com materiais e sistemas, em cooperação com vários parceiros e institutos externos, tais como o Instituto de Tecnologia do Gás (Gas Technology Institute), com sede em des Plaines, Illinois/EUA. Os ensaios de propagação rápida da trinca e o de crescimento lento da trinca, por exemplo, confirmaram as propriedades excepcionais das tubulações de PA 12, bem como sua operação consistente sob pressões de operação de até 18 bar.

Nos anos seguintes foram completadas diversas instalações para execução de testes, inclusive na Alemanha e nos EUA (figura 2). Além de diferentes tipos de solo e condições climáticas, foram testadas várias técnicas de soldagem (figura 3) e métodos de instalação (figura 4). Essas instalações para testes foram cruciais para se conseguir um melhor entendimento sobre o sistema global – por exemplo, quais tecnologias de conexão foram aprovadas e quais delas são efetivamente usadas. Desde então algumas linhas de suprimento comerciais feitas com PA 12 já entraram em operação regular nos Estados Unidos e no Brasil. Essa experiência está beneficiando também os fabricantes de tubos e companhias que efetuam a sua instalação.

Além de fazer recomendações sobre o processamento, a empresa Evonik proporciona suporte de CAE (engenharia auxiliada por computador) para avaliar sistemas de tubos antes de sua instalação. Os ângulos de curvamento e de flexão podem ser simulados do ponto de vista da previsão da capacidade de bobinamento da tubulação sob determinadas condições externas, tais como temperatura e umidade do ar (figura 5). Também podem ser efetuadas simulações para derivar dados sobre o que acontece no subterrâneo – por exemplo, como a tubulação se comporta quando movimentos de pedras ou do solo fazem com que ela se deforme mais do que o originalmente planejado. Métodos numéricos, como a análise por elementos finitos, produzem previsões confiáveis, a partir das quais podem ser feitas recomendações. Dessa forma a Evonik apoia não apenas os fabricantes de tubos e conexões na concepção dos processos, como também as empresas que lidam com os processos subsequentes, como instalação e montagem.

Outras áreas de aplicação

Tubulações de gás não são o único tipo de conduto com grande volume que pode ser feito com o novo grau de PA 12. Além de seu uso em tubos totalmente feitos de plástico, a PA 12 pode ser usada como camada de revestimento em tubos flexíveis de óleo para plataformas marítimas. Novamente os fatores decisivos aqui são pro- priedades como resistência mecânica e ao impacto, resistência química e baixa absorção de água.

A PA 12 também pode servir como casca externa em tubos feitos de aço ou como revestimento para tubulações de óleo no leito do oceano. Cada uma dessas aplicações possui suas próprias normas e restrições para licenciamento. Portanto, cada área também requer que seja desenvolvido o apropriado conhecimento especializado.

Embora o desenvolvimento de novos graus de PA 12 sob a marca comercial Vestamid NRG tenha terminado há vários anos, ainda há atividades de otimização em andamento, as quais têm por objetivo sempre oferecer o melhor produto possível para todas as aplicações. Portanto, o desenvolvimento sustentável do produto significa, sobretudo, acúmulo intensivo de conhecimento e contatos próximos com a indústria – e maior fôlego.