Composite repair. CITADEL presentation.

1. Reparación Estructural de
Tuberías Utilizando
Compuestos No-Metálicos
Diamond Wrap®

2. Materiales Compuestos
• Dos o más materiales disímiles
combinados para crear un material
completamente diferente
• Los materiales compuestos han sido
producidos por el hombre desde hace
muchos años, ejemplo de esto es el adobe
fabricado con paja y lodo
• En tiempos mas recientes, el concreto y las
llantas radiales

3. Materiales Compuestos Avanzados
• Dos Componentes
• Fibras de refuerzo (Carbón, Kevlar, Vidrio)
• Matriz Polimérica (Epóxico, Éster de Vinilo,
Uretano)
• Las fibras deben ser el componente que asume
la carga.
• El material matricial une las fibras en formas
que permitan que éstas asuman la carga.

4. Algunos usos de los Materiales
Compuestos
• Satélites
• Autos (Corvette)
• Equipos Deportivos
(raquetas, palos de
golf, cascos, etc.)
• Aviones (Boeing
787, Airbus 380)

6. • Reparación de tuberías

7. • Encamisado externo o interno de un
tubo o tanque capaz de hacer sólida la
estructura
• Las cargas estructurales pueden o no
ser “compartidas” entre la presión del
tubo y el sistema
¿Qué es un Sistema de Reparación
Estructural?

8. Sistemas Compuestos vs.
Reemplazo de Componentes
• Su aplicación no requiere libranza
• Sin soldaduras – Sin riesgos de
trabajos calientes en tuberias vivas
• Requiere de menos tiempo para instalar
• Menor costo global

9. Sistema de Reparación
Estructural Diamond Wrap®
• Material de refuerzo de fibra de carbón
• Material adhesivo de matríz epóxica
(primario)
• El sistema puede compartir la carga con
el remanente de la pared del tubo
• El sistema puede soportar la carga en
presencia de un 100 % de defecto
activo

10. Propiedades de la Fibra de
Carbón
• Alto Módulo
• Alto Esfuerzo
• Tejido Bidireccional
• Envejecimiento Despreciable
• Fácil de Manejar
• Alta Temperatura de Trabajo
• Arquitectura de Tejido Plano
• Conteo de Múltiples Filamentos

11. Fotos microscópicas de fibra de
carbono (diam: 7 micrones)

12. Características del Sistema
Epóxico
• Altas Cualidades Adhesivas
• Adecuado en Condiciones Húmedas
• Excelente Rango de Resistencia Química
• Sin VOCs – No inflamable –Puede viajar en avión
• Bajo Olor
• Fácil Manejo / Instalación Rápida
• Epóxico del tipo Éter diglicérido de bisfenol-A
(DGEBA) curado con endurecedor amino alifático

13. Juego de Reparación Diamond Wrap®
Tela de Carbón
Primario
Epóxico
Tubo Dañado a
ser Reparado
Epóxico para
Saturación de la
Tela

14. Se Mezcla y Aplica el Epóxico de Restauración
Dimensional al Tubo Dañado, Se Mezcla y Aplica
el Primario

15. Saturación de la Tela de
Carbón con Resina Epóxica

16. Aplicación de la Tela de Carbón
Saturada con Epóxico

17. Reparación Diamond Wrap®
Terminada

18. Normatividad para Reparaciones
con Materiales Compuestos
• Los siguientes códigos o normas consideran como permanentes las
reparaciones con materiales compuestos.
• ASME B31.4 párrafo 451.6.2
• ASME B31.8 párrafo 851.42
• ASME PCC-2 Art 4.1, 4.2
• API 570, Section 8.1.4- Non-welding Repairs (On-Stream)
• NRF-030-PEMEX-2006 párrafo 8.4.2.4.6
• NRF-0187-PEMEX-2007 párrafo 8.6.2.5
• El Departamento de Transporte de EEUU (DOT) lo considera como
uno de los tres métodos primarios para reparación de tuberías con
defectos sin fuga.

19. CODIGO ASME PCC-2-2006
• El Estándar ASME para reparaciones no
metálicas se diseñó para regular las
reparaciones mediante compuestos.
• Actualmente hay muchas compañías
operando a nivel mundial que están
aplicando compuestos sin pruebas, o con
pruebas mínimas.
• Esto crea problemas gravísimos y
potenciales porque gente con conocimientos
mínimos (no-ingenieros) está diseñando
soluciones de reparaciones con compuestos.

20. Cálculos ASME
• Los cálculos de diseño se basan en la teoría de esfuerzo
contínuo - El esfuerzo permanece constante a lo largo de las
fronteras de los materiales.








 s
c
c
repair st
PD
E
t
2
1

repair
layer
t
n
t

= espesor de capa del material de reparación compuesto (pulgada)
t layer
= tensión circunferencial permisible
εc
ts = espesor de pared mínimo remanente del tubo (pulgada)
s = SMYS (Specified Minimum Yield Strength)(psi)
P = presión interna (psi)
D = diámetro externo del tubo (m) (pulgada)
Ec = módulo tensil para el laminado compuesto en la dirección circunferencial
= espesor de diseño de la reparación (pulgada)
trepair

21. Pruebas Requeridas por ASME
PCC-2-2006
• Tensión
• Modulo de Elasticidad
• Dureza (Shore D)
• Razgado Longitudinal
• Transición de vidrio (Tg)
• Módulo de Rigidez (G)
• Tensión a Largo Plazo
• Coeficiente de Expansión Térmica

22. Diamond Wrap Cumple con ASME
• Todas las pruebas requeridas en ASME
PCC-2 han sido llevadas a cabo de forma
independiente por la Universidad de Tulsa
para Diamond Wrap.

23. Resultados Típicos de Pruebas de
Compresión
Compressive Modulus = 242,163 psi
-8000
-7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
-0.0275 -0.0225 -0.0175 -0.0125 -0.0075 -0.0025 0.0025
Strain
Stress
(psi)
y
x
Load
Esfuerzo de Compresión: 8.8 ksi
Módulo de Compresión: 364 ksi
ASTM D695
Constant cross-section of 0.5 in diameter and 1.0 in tall

24. Prueba de Tensión
• Preparación de Probeta –ASTM D5687
• Prueba de Tensión – ASTM D3039
Cloth Type Stress Modulus G12 Strain
psi psi psi
1 109,575 9,720,455 236,817 0.011664
2 83,646 7,132,620 100,619 0.012651
3 55,424 4,057,470 118,651 0.016354
4 39,412 5,031,504 109,635 0.009695
5 59,838 4,759,843 135,719 0.013299
6 132,300 9,900,000 N/A 0.0189
Cloth Type Stress Modulus Strain
psi psi
1 27,311 2,131,753 0.014935
2 35,930 3,463,741 0.012971
3 55,424 4,057,470 0.016354
4 64,434 4,586,913 0.014341
5 59,838 4,759,843 0.013299
6 N/A N/A N/A
HOOP DIRECTION
AXIAL DIRECTION

25. Razgado Longitudinal
• ASTM D903 y D905
• Substrato: Acero
sandblasteado
• Fuerza de Razgado
Longitudinal
>1,250 psi
Teflon tape Steel substrate
Steel substrate
Putty
Primer
Epoxy-wetted
carbon fabric
Sandblasted surfaces
Plexiglass
caul plate

26. Pruebas de Ruptura
6.0 in.
(15.2 cm)
6.0 in.
(15.2 cm)
Hydraulic Power Unit
P
Pressure Transducer
S-1
100 Psi
Air Compressor
Rupture Vessel
City Water
(36.20)
5.25
(12.96)
1.88
80%
(43.09)
6.25
(30.34)
4.40
50%
Cuadrado en
forma de
parche
(35.30)
5.12
(12.96)
1.88
80%
(43.78)
6.35
(29.99)
4.35
50%
Axi-Simétrico
N/A
N/A
(45.85)
6.65
N/A
Sin Falla
(Mpa)
ksi
(Mpa)
ksi
Reparado
Sin Reparación
Presión de Falla
Pérdida de
Par
ed
Tipo de Defecto
SMYS: 2.96 ksi; MAOP: 2.13 ksi 5.0’ Long, 6” Nominal Dia., A-106,
Grade B, Schedule 40

27. Fatiga
• MAOP de tubo es 2.13 ksi
• Rango del ciclo de presión
de 1.17 ksi a 2.13 ksi
(55% a 100% MAOP)

28. Resultados de Prueba de Fatiga
Repair
Defect 1.3" x 2.76" 1.13" x 5.26" 1.3" x 2.76" 1.06" x 5.19" 1.13" x 5.26"
Wall Loss 80% 80% 80% 70% 80%
Cycles 52,461 3 Infinite Infinite Infinite
None Repaired with Diamond Wrap
Fatigue Data
Repair
Defect 1.3" x 2.76" 1.06" x 5.19" 1.13" x 5.26"
Wall Loss 80% 70% 80%
Failure(psi) 7,000 6,700 5,770
Rupture Tests of Fatigued Vessels
Repaired Vessels after 110,000 Cycles
Nota: 110,000 ciclos es considerado Infinito

29. Análisis de Elemento Finito
(FEA)
• ANSYS 6.1
• Geometria del Defecto
• Axi-Simetrica, 6” de Ancho
• 50% Pérdida de Pared
6.0 in.
(15.2 cm)

30. FEA
• Varios defectos con distintas
geometrías han sido estudiados
• Ejemplo de una tubería simulada
V1
DEC
11
2004
13:58:31

31. FEA (cont.)
6,350
6,351
Axisimetrica
6,250
6,487
6x6
Prueba
FEA
Presión de ruptura
Tipo de defecto
Comparación de resultados de
ruptura

32. Tensión a Largo Plazo (Creep)
• Sin falla a 65% del UTS aplicado por 1,000 horas, sin falla a 77% del
UTS aplicado por 1,600 horas.
• Las proyecciones muestran que el material no fallará en 100 años bajo
estas cargas vivas.
• Esta cargas son superiores al límite elástico
Load Multiplier/Fixture
S = 1/E = /σ

33. Analizador Mecánico Dinámico
(DMA)
para Pruebas de Transición Vítrea Tg
F
F
Time

34. Temp. de Transicion de Vidrio
Tg 280 F

35. Coeficiente de Expansión Térmica
• Idénticos indicadores de deformación
fueron colocados en el material de
referencia y la fibra de carbón
• Cuarzo fundido (ref.) α = 0.59 ppm/ºC
• La temperatura fue incrementada mientras
se monitoreaban los indicadores de
deformación.
• La temperatura fue medida a través de un
termopar Tipo-K

36. Resultados de Prueba CTE
Fibra de Vidrio Fibra de Carbón
• El acero tiene un rango de CTE entre
11.3 and 17.8 ppm/ºC
• El sistema de Fibra de Carbono Iguala el CTE
del acero en la dirección axial y es menor
que éste en la dirección circunferencial
proporcionando un ajuste adicional
10.7
18.1
35
22
> Tg
< Tg
> Tg
< Tg
α2 [ppm/ºC]
α1 [ppm/ºC]

37. Modelo Cinético de Curado con
Calorimetría Exploratoria Diferencial
(DSC)
DSC: Mettler –
Toledo DSC822e
• Las cinéticas de reacción son usadas para
predecir los tiempos de curado.
• El DSC verifica que la sustancia no es
volátil.
• El grado de curado se caracteriza a través
de su entalpía
• Se asume que la relación de
polimerización se comporta de acuerdo a
la expresión de Arrhenius
R
H
t
H
t
)
(
)
( 

)
(

f
e
A
dt
d RT
Ea











38. Modelo Cinético de Curado a
25oC
2000 4000 6000 8000 100001200014000
Seconds
0.2
0.4
0.6
0.8
1
versus Time
Tasa de polimerización a 25ºC (77 oF)
Completamente curado en 4.17 horas (15,000 segundos)

39. Cure-Time Predictions vs Temperature
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Cure Tem perature (o
C)
Cure-Time
Prediction
(hours)
Predicción de Tiempos de
Curado

40. Mediciones de Viscosidad
• La importancia radica en determinar el tiempo durante
el cual se pueden trabajar los epóxicos una vez
mezclados.
• Un incremento en la viscosidad indica
mayor curado.
• Cuatro temperaturas de superficies
10, 25, 33, y 58 oC.
Brookfield Cone and Plate
Viscometer
CAP 2000+
q
w

41. Workable Time
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70
Ambient Temperature (
o
C)
Workable
Time
(Minutes)
Maleabilidad

42. Desprendimiento Catódico
• ASTM G 8 – 96
• 30 días de prueba
• Electrolitos
• Agua, Cloruro de Sodio, Sulfato de
Sodio, Sosa
• Especimenes
• Tubo de acero A-106, Grado B con
tapones soldados
• 4 capas de Diamond Wrap
• (3) defectos de 0.75” Dia. A través
de las capas hasta el sustrato
• 1.65 Volts
NaOH NaOH
O2
H2O
permeation
Na+ Na+
cell formation
pipe wall
disbonding
2NaOH
2e-
Fe2+
4Cl-
½O2 + H2O + 2Na+ + 2e-

43. Resultados de la Prueba de
Desprendimiento Catódico
• Ningun tipo de
desprendimiento

44. 3’-0”
Fuga
activa
1’- 6”
Tubo de 6” ǿ acero A106 grado B
Diámetro de agujeros: 0.40”, 0.60”, 1.00”, 1.50” y 2.00”
Vessel
C/E Composite
Pruebas de Liberación de Energía

45. MÉTODO G ASME PCC
Composite
Substrate
Thru-Hole

46. Composite
Substrato
MÉTODO G ASME PCC

47. ASME PCC G-Metodo

48. Avg. Leaking Pipe Failure Pressure
(Repaired by 4 layers of Diamond Wrap®)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Hole Dia. (inches)
Failure
Pressure
(psi)

49. Investigaciones Actuales
• Pruebas adicionales de tensión a largo plazo.
• Pruebas de reparaciones a alta temperatura
(343C).
• Verificación de los modelos isótermicos.
• Simulación en computadora de pruebas de
liberación de energía .
• Acabado epóxico retardante al fuego.
• Tapones epóxicos para tubos con fugas
activas.

50. Evaluaciones de Ingeniería
Datos Requeridos:
Datos de Diseño
Historial de Operación y Mantenimiento
Condiciones de Servicio Requeridas
Con estos datos se calcula espesor requerido y se
selecciona el material adecuado

51. Instalación
La instalación debe ser
realizada por técnicos
certificados por CITADEL
TECHNOLOGIES.

52. Soluciones Diamond Wrap® –

53. Central Nuclear
Antes de reparación - linea de agua
de Enfriamiento de 7’
CN# 401
• Corrosión por fuga de
empaque de brida
• Taponamiento en
línea de agua

54. Línea de agua de
Enfriamiento de 7’
CN# 401
Después de
limpieza con
chorro de
arena…
Brida recubierta
para reparación
estructural
Tubería
recubierta para
detener la
corrosión

55. CN# 198
• Tubería de
concreto de 12’
Ø - 100 psi con
corrosión
externa
• Evaluación de
Ingeniería DW ®
de áreas
identificadas
Soluciones para una variedad de materiales
y aplicaciones…como el concreto

56. CN# 198
Después de la evaluación de Ingeniería
…el proceso comienza con la limpieza

57. CN# 198
• EL sistema
epóxico es
aplicado
después del
relleno de
grietas
• La tela 100%
de carbón bi-
direccional
es instalada
Instalación de Diamond Wrap®

58. Terminal de Arribo – Aplicación de Diamond
Wrap® en tuberías con soldaduras defectuosas

59. Tubería reparada
en planta nuclear
durante servicio

60. Aplicación de Diamond Liner a
tubería de 12’ de diámetro
Planta de Energía
Nuclear

61. Inspección final de tubería de 12’
de diámetro
Diamond Liner  - Aplicación de SLS-30 sobre la
fibra de carbono.

62. Tubería de 36”Ø Dos Bocas

63. Tubería de 24”Ø Abkatum/A

64. Tee de Fibra de Vidrio de
12”x12”x6”Ø Ku-M

65. 7.5ft diameter Blind Flange –
Nuclear Power Plant
Before Repair After Repair

66. High Temperature Repairs with
Diamond Wrap®.
600 oF Elbow
Repair – 50 ft
Above Ground
Level

67. Elbow Repair / Diamond Wrap®

68. Valve Repair / Diamond Wrap®

69. Crude Line Repair in Colombia

70. City of Stillwater water line repair.

71. Aplicaciones
• Lineas de Transporte de Productos
Petrolíferos
• Plantas Químicas
• Refinerías
• Acueductos
• Sistemas de Drenaje
• Plantas Eléctricas