Reservatórios em material compósito para fluídos sob pressão

Abstract

Neste trabalho, que se insere num projecto industrial mais amplo visando o desenvolvimento de uma nova gama de reservatórios em material compósito para armazenamento de fluidos sob pressão, projectaram-se depósitos a fabricar em série por enrolamento filamentar. Nesta primeira fase do projecto, os reservatórios foram projectados em resina termoendurecível reforçada com fibras de vidro dado estas matérias-primas se encontrarem em maior consonância com o estado de desenvolvimento tecnológico actual. De forma a reduzir o peso e a possibilitar a produção em série, optou-se por utilizar um mandril não-recuperável e em PEAD que se constitui como parede interna de contacto com o fluido a armazenar (liner) do reservatório final. Esta solução, para além de garantir uma boa resistência corrosiva ao contacto com a maioria dos fluidos a armazenar, permite reduzir significativamente os tempos de produção e eventualmente o fabrico em máquinas de enrolamento com eixos múltiplos. Utilizaram-se métodos avançados de cálculo por elementos finitos (FEM) para optimizar a orientação das camadas de fibras de vidro a depositar por enrolamento filamentar de modo a se obter um melhor desempenho mecânico do reservatório final. Análises FEM foram também utilizadas para optimização da parede estrutural em compósito e simulação do comportamento mecânico de reservatórios e “liners” para duas gamas de pressão que cumprissem os requisitos exigidos pelas normas internacionais actualmente em vigor (norma EN 13923: 2005). Fabricaram-se reservatórios-protótipo que foram submetidos a ensaios de pressão interna a fim de comparar o seu comportamento mecânico com as simulações obtidas por FEM. Os resultados dos ensaios de pressão interna efectuados no “liner” termoplástico demonstraram estar em grande concordância com os obtidos nas simulações FEM, nomeadamente quando as previsões foram obtidas a partir das propriedades do PEAD determinadas experimentalmente neste trabalho. Embora os resultados anteriormente referidos sejam bastante promissores, devido a uma avaria ocorrida na máquina de enrolamento filamentar usada neste trabalho não foi possível ainda tirar conclusões definitivas relativamente à concordância do comportamento mecânico do reservatório final com as simulações FEM já efectuadas. Pensa-se, proximamente, vir a usar na construção dos reservatórios uma matriz termoplástica em substituição da de termoendurecível até agora usada, estando para esse efeito, em curso, a instalação de uma nova máquina que possibilitará o fabrico de “towpregs” de matriz termoplástica que se prevê venham a ser utilizados na produção de novos reservatórios.

In this work, which is part of a larger industrial project that aims to develop new fluid storage pressure equipments, pressure composite vessels were designed to be produced in large series by filament winding. In this first stage of the project, the vessels were designed to be made by using a glass fibre reinforced thermosetting resin because these raw materials were supposed to be in much more agreement with the current industrial stage of technological development. In order to reduce the vessel weight and enabling higher production series, it was decided to use as filament winding mandrel a non-recoverable HDPE liner that will contact the stored fluid in the final vessel. Such solution not only guarantees a good corrosion resistance to almost fluids that are expected to be stored, but it also allows significant production cycle time reductions and enables employing multiple axis filament winding equipments in the vessel mass production. Advanced finite element methods (FEM) were used to optimise the orientation of the filament windng glass fibre reinforced layers deposition in order to improve the final vessel mechanical performance. FEM analyses were also made to optimise the composite structural wall and simulate mechanical behaviour of vessels and liners able to withstand two different working pressure classes by accomplishing all requirements of the current international standards (EN 13923:2005). Prototype vessels were also produced for being submitted to internal pressure tests that allow comparing their mechanical behaviour to the FEM simulations. The experimental results obtained from the internal pressure tests made on the thermoplastic liners were in very good agreement with the FEM predictions, particularly when the experimental HDPE properties determined in this work were used in the simulations. In spite of those quite promising results, the failure of the filament winding machine used in this work does not allowed to take definitive conclusions concerning the agreement of the final composite vessel’s mechanical behaviour with the already made FEM simulations. In a near future, it is planed to replace the thermosetting matrices by thermoplastic ones in the composite structural wall. With this purpose, a new equipment is now being installed to allow producing the fibre reinforced thermoplastic matrix towpregs that will be used in the new composite vessels as raw material.