Este documento describe los materiales compuestos de fibra de carbono y resina epoxi utilizados en el sistema de reparación estructural Diamond Wrap para tuberías. Explica que Diamond Wrap ha superado pruebas requeridas como resistencia a la tracción, fatiga, corrosión y análisis por elementos finitos. El documento concluye que Diamond Wrap cumple con los códigos ASME para reparaciones permanentes de tuberías de manera segura y efectiva.
Problemas con corrosión son un costo muy elevado para las fabricas de cemento.
Problemas de la corrosión:
Reparación de paredes, techos y componentes de filtros
Costo de reemplazo de filtros severamente dañados
Paradas de planta por filtros defectuosos
Daños y costo de reemplazo de mangas filtrantes
Mantenimiento, reparación y reemplazo de chimeneas
Reducción en la producción por entrada de aire externo
Mantenimiento y reparación de ventiladores de tiro inducido
Reparaciones y reemplazo de secciones del horno
Paradas imprevistas
Reducción de recursos para la producción de cemento
Tendencias Recientes en Corrosión
Mayor contenido de azufre en el combustible
Aumenta la acidez de los gases
Conversión de precipitadores a filtros de mangas
Reduce el polvo en las paredes
Mejor filtración del polvo
Mas corrosión del lado de gases limpios
Incremento en uso de combustibles alternativos
Fuente adicional de azufre y cloruros
Menor temperatura de los gases
Mayor condensación en las paredes
Presentamos productos que dan soluciones a problemas severos de corrosión en ambientes industriales.
Para mas información consultar PRICAST en
www.pricast.es o llamar a +3493 439 24 91
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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)
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
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
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
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
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
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
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
49. Investigaciones Actuales
• Pruebas adicionales de tensión a largo plazo.
• Pruebas de reparaciones a alta temperatura
(343C).
• 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
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