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i
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
SISTEMA ROBÓTICO PARA INSPEÇÃO OFFSHORE DAS LINHAS PRINCIPAIS DE
RISERS DE PERFURAÇÃO
Fernando Salztrager Benzecry
Projeto de Graduação apresentado ao curso
de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador: Max Suell Dutra
Rio de Janeiro
Dezembro de 2014
ii
SISTEMA ROBÓTICO PARA INSPEÇÃO OFFSHORE DAS LINHAS PRINCIPAIS DE
RISERS DE PERFURAÇÃO
Fernando Salztrager Benzecry
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Max Suell Dutra
________________________________________________
Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto
________________________________________________
Prof. Vitor Ferreira Romano
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
DEZEMBRO de 2014
i
Benzecry, Fernando Salztrager.
Sistema Robótico para Inspeção Offshore das
Linhas Principais de Risers de Perfuração/ Fernando
Salztrager Benzecry. – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola
Politécnica, 2014.
XIV, 124 p.: il; 29,7 cm.
Orientador: Max Suell Dutra
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2014.
Referencias Bibliográficas: p. 112-114.
1. Inspeção de risers de perfuração. 2. Sistemas
robóticos. 3. Testes não destrutivos. I. Max Suell Dutra. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Sistema
Robótico para Inspeção Offshore das Linhas Principais de
Risers de Perfuração.
ii
Dedico este trabalho em memória do meu
avô, Mendel Salztrager, que sempre tive
como exemplo de vida, caráter e dedicação.
iii
Agradecimentos
Ao Prof. Max Suell Dutra, pela atenção e apoio durante a orientação.
Aos meus pais, pelo apoio em toda minha trajetória.
Aos meus irmãos, pelo exemplo que sempre me foram.
Aos demais familiares, pelo constante apoio.
À minha namorada, pela compreensão e ajuda nos momentos difíceis.
Ao amigo Rodrigo Martins de Oliveira, por compartilhar seu vasto
conhecimento.
Ao amigo e companheiro de trabalho Ian Esper, por compartilhar este momento
e pelos incentivos durante o processo.
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
SISTEMA ROBÓTICO PARA INSPEÇÃO OFFSHORE DAS LINHAS PRINCIPAIS DE
RISERS DE PERFURAÇÃO
Fernando Salztrager Benzecry
Dezembro/2014
Orientador: Max Suell Dutra
Curso: Engenharia Mecânica
Devido à sua grande importância no processo de perfuração de poços marítimos de
petróleo, os investimentos em manter a integridade de risers de perfuração estão em
ascensão. Hoje em dia, grande parte destas inspeções é feita em terra, desmontando
o aparato e inspecionando a integridade de suas linhas através da superfície externa.
Este trabalho apresenta um projeto de um sistema robótico capaz de inspecionar
internamente a linha principal destes risers, podendo ser utilizado na plataforma, sem
a necessidade de desmontar a junta e economizando o custo de translado da mesma.
Ao longo do trabalho o processo de perfuração de poços é elucidado, em seguida são
apresentados os principais métodos de inspeção não destrutiva e a técnica escolhida
para o equipamento, mais profundamente discutida.
Posteriormente, é analisado o projeto do sistema, suas partes críticas,
dimensionamentos e funcionamento.
Palavras chave: Riser de perfuração, Inspeção, Testes não destrutivo, Equipamento
robótico.
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
ROBOTIC SYSTEM FOR OFFSHORE DRILLING RISER MAIN LINE INSPECTION
Fernando Salztrager Benzecry
December/2014
Advisor: Max Suell Dutra
Course: Mechanical Engineering
Due it great importance in the offshore wells drilling process, the investment in drilling
risers integrity maintenance are rising. Nowadays, most of these inspections are made
onshore, disassembling the equipment and inspecting the line integrity through the
external surface. The cost of this transfer is significantly high.
This paper presents a design of a robotic system able to inspect internally the riser
main line, it can be used in the rig, without the need to disassemble the joint and saving
the cost of transfer.
Throughout the thesis, the process of drilling wells is explained, and then it presents
the main methods of nondestructive inspection and the chosen technique for the
equipment is more profoundly discussed.
Subsequently, it’s analyzed the system design, critical parts, sizing and operation.
Keywords: Drilling Riser, Inspection, Nondestructive testing, Robotic equipments.
vi
Sumário Lista de Figuras .............................................................................................................................. x
Lista de Tabelas ........................................................................................................................... xiv
1 Introdução .................................................................................................................................. 1
2 A operação de perfuração .......................................................................................................... 3
2.1 Histórico .............................................................................................................................. 3
2.2 A perfuração ........................................................................................................................ 4
2.3 Os equipamentos ................................................................................................................ 5
2.3.1 Sistema de sustentação de carga ................................................................................. 5
2.3.2 Sistema de geração de energia .................................................................................... 6
2.3.3 Sistema de movimentação de carga ............................................................................ 6
2.3.4 Sistema de rotação ....................................................................................................... 7
2.3.5 Sistema de circulação ................................................................................................... 8
2.3.6 Sistema de segurança ................................................................................................... 8
2.3.7 Sistema de monitoração .............................................................................................. 9
2.3.8 Coluna de perfuração ................................................................................................... 9
2.3.9 Brocas ......................................................................................................................... 10
2.4 Perfuração marítima ......................................................................................................... 10
2.4.1 Plataformas fixas ........................................................................................................ 11
2.4.2 Plataformas auto-eleváveis ........................................................................................ 11
2.4.3 Plataformas semi-submersíveis ................................................................................. 12
2.4.4 Navios sonda .............................................................................................................. 13
2.4.5 Plataformas Tension Leg ............................................................................................ 13
2.5 Risers de perfuração .......................................................................................................... 14
2.5.1 Funções ...................................................................................................................... 14
2.5.2 Linha Principal ............................................................................................................ 15
2.5.3 Linhas de Choke, Kill e auxiliares ................................................................................ 15
2.5.4 Inspeções .................................................................................................................... 16
3 Testes não destrutivos (NDTs) ................................................................................................. 17
3.1 Partículas magnéticas: ....................................................................................................... 17
3.2 Líquido penetrante: ........................................................................................................... 18
3.3 Radiografia: ....................................................................................................................... 20
3.4 Ultrassom: ......................................................................................................................... 21
3.5 Eletromagnetismo ............................................................................................................. 22
vii
3.5.1 Eddy current ............................................................................................................... 22
3.5.2 “Alternating Current Field Measurement” (ACFM) .................................................... 23
3.6 Inspeção visual .................................................................................................................. 24
3.7 Emissão acústica ................................................................................................................ 25
3.8 Ondas guiadas ................................................................................................................... 25
3.9 Testes a laser ..................................................................................................................... 26
3.9.1 Teste holográfico ........................................................................................................ 26
3.9.2 Perfilamento a laser ................................................................................................... 27
3.10 Fuga de fluxo magnético (MFL) ....................................................................................... 27
3.11 Teste térmico a infravermelho ........................................................................................ 28
3.12 Conclusão: ....................................................................................................................... 29
4 Ultrassom ................................................................................................................................. 31
4.1 Histórico ............................................................................................................................ 31
4.2 Princípios básicos .............................................................................................................. 31
4.2.1 Frequência x comprimento de onda x velocidade ..................................................... 32
4.3 Regiões focais – Campo próximo e campo distante ......................................................... 33
4.4 Tipos de ondas .................................................................................................................. 34
4.4.1 Ondas longitudinais .................................................................................................... 34
4.4.2 Ondas transversais ..................................................................................................... 35
4.4.3 Superficiais ................................................................................................................. 36
4.4.4 De placas .................................................................................................................... 37
4.5 Acoplamento ..................................................................................................................... 37
4.6 Transdutores ..................................................................................................................... 38
4.6.1 Transdutores de contato monocristais ...................................................................... 39
4.6.2 Transdutores de duplo cristal..................................................................................... 39
4.6.3 Transdutores angulares .............................................................................................. 40
4.6.4 Transdutores de imersão ........................................................................................... 41
4.6.5 Transdutores “Phased Array” ..................................................................................... 42
4.7 Técnicas de inspeção ......................................................................................................... 42
4.7.1 Feixe reto .................................................................................................................... 42
4.7.2 Feixe angular .............................................................................................................. 42
4.7.3 Transmissão passante ................................................................................................ 43
4.7.4 “Phased Array” ........................................................................................................... 43
4.7.5 Time of Flight Diffraction (TOFD) ............................................................................... 44
viii
4.8 Variáveis ............................................................................................................................ 45
4.8.1 Frequência .................................................................................................................. 45
4.8.2 Tamanhos de cristal ................................................................................................... 46
5 Visão geral e módulo de tração e inspeção visual do sistema ................................................. 47
5.1 Premissas: .......................................................................................................................... 47
5.2 O Robô: .............................................................................................................................. 47
5.3 Módulo de tração e inspeção visual .................................................................................. 49
5.3.1 A câmera .................................................................................................................... 49
5.3.2 Tração necessária ....................................................................................................... 50
5.3.3 O motor ...................................................................................................................... 52
5.3.4 A transmissão ............................................................................................................. 53
5.3.5 A estrutura ................................................................................................................. 54
5.3.6 Os mancais ................................................................................................................. 55
5.3.7 Os eixos ...................................................................................................................... 56
5.3.8 As roda........................................................................................................................ 56
5.3.9 Os rolamentos e retentores ....................................................................................... 57
6 Módulo de medição de espessura ........................................................................................... 59
6.1 Equipamentos de ultrassom.............................................................................................. 59
6.1.1 Escolha dos Transdutores........................................................................................... 59
6.1.2 A cápsula do transdutor ............................................................................................. 61
6.2 Estrutura principal ............................................................................................................. 62
6.2.1 O projeto .................................................................................................................... 62
6.2.2 A barra principal ......................................................................................................... 63
6.2.3 Fixação de apoio da barra principal ........................................................................... 63
6.2.4 Os suportes ................................................................................................................. 63
6.2.5 Câmera frontal ........................................................................................................... 64
6. 3 Sistema de aproximação dos transdutores ...................................................................... 65
6.3.1 O conceito .................................................................................................................. 65
6.3.2 Diagrama de forças .................................................................................................... 65
6.3.3 As molas ..................................................................................................................... 70
6.3.4 As hastes ..................................................................................................................... 73
6.4 Sistema de rodas de apoio ................................................................................................ 74
6.4.1 O conceito .................................................................................................................. 74
6.4.2 Diagrama de forças .................................................................................................... 74
ix
6.4.3 As molas ..................................................................................................................... 78
6.4.4 As hastes ..................................................................................................................... 81
6.5 Os fusos ............................................................................................................................. 82
6.5.1 Transmissão de torque ............................................................................................... 87
6.5.2 Rolamentos dos fusos ................................................................................................ 95
6.6 Sistema de elevação .......................................................................................................... 97
6.6.1 Funcionamento .......................................................................................................... 97
6.6.2 As hastes ..................................................................................................................... 98
6.6.3 O Fuso ....................................................................................................................... 102
6.6.4 O servo motor .......................................................................................................... 105
6.7 Modelo físico ................................................................................................................... 106
7 Conclusões .............................................................................................................................. 110
7.1 Propostas para trabalhos futuros.................................................................................... 111
Referências Bibliográficas ......................................................................................................... 112
Apêndice A – Análises de tensões dos elementos mais críticos utilizando o método dos
elementos finitos com auxilio do software ANSYS ................................................................... 115
Apêndice A1: Estrutura do módulo de tração ....................................................................... 116
Apêndice A2: Mancal do módulo de tração .......................................................................... 117
Apêndice A3: Eixo do módulo de tração ............................................................................... 118
Apêndice A4: Barra principal do módulo de medição de espessura .................................... 119
Apêndice A5: Fixação do módulo de medição de espessura ................................................ 120
Apêndice A6: Hastes dos sistemas de aproximação dos transdutores e rodas de apoio do
módulo de medição de espessura: ....................................................................................... 121
Apêndice A7: Hastes do sistema de elevação ....................................................................... 124
x
Lista de Figuras
Figura 1: Torres de perfuração, Pensilvânia/EUA. (COPPE/UFRJ, 2014) ............................ 3
Figura 2: Fluxo de fluido de perfuração (PEREIRA, 2011) .................................................... 4
Figura 3: Desenho esquemático das diversas fases da perfuração de um poço. (MIRANDA,
2008) ............................................................................................................................................. 5
Figura 4: Torre de perfuração. (MANSANO, 2004) ............................................................... 6
Figura 5: Sistema de movimentação de cargas. (THOMAS, 2001) ....................................... 7
Figura 6: (a) Mesa rotativa à esquerda e (b) Kelly à direita. (MANSANO, 2004) .................. 7
Figura 7: Desenho esquemático de um "BOP". (THOMAS, 2001) ........................................ 9
Figura 8: Coluna de perfuração. Figura adaptada de (PLÁCIDO, 2009)............................. 10
Figura 9: Brocas (a) com diamantes naturais, (b) diamantes sintéticos e (c) tricônica com
inserto de tungstênio. (MANSANO, 2004) .................................................................................. 10
Figura 10: Plataformas: Fixa, autoelevável, semissubmersível e navio sonda (MORAIS,
2013) ........................................................................................................................................... 11
Figura 11: Plataforma Fixa. (PEREIRA, 2011) .................................................................... 11
Figura 12: Plataforma auto-elevável (BAI, et al., 2010) ....................................................... 12
Figura 13: Plataforma Semi-submersível. (BAI, et al., 2010) .............................................. 13
Figura 14: Navio Sonda. (BAI, et al., 2010) ......................................................................... 13
Figura 15: Plataforma Tension Leg no Mar do Norte. (PEREIRA, 2011) ............................ 14
Figura 16: Riser de perfuração e suas linhas ...................................................................... 15
Figura 17: Desvio do fluxo magnético em testes por partículas magnéticas. Figura
adaptada de (ASNT, 2012) ......................................................................................................... 18
Figura 18: Processo de inspeção por líquido penetrante. Figura adaptada de (ASNT, 2012)
..................................................................................................................................................... 19
Figura 19: Processo esquemático da inspeção por radiografia. Figura adaptada de
(NDT_EDUCATION) ................................................................................................................... 20
Figura 20: Eddy Current, figura adaptada de (NDT_EDUCATION) .................................... 22
Figura 21: Angulo mínimo para teste visual típico. Figura adaptada de (Hellier, 2003) ...... 24
Figura 22: Inspeção de tubulação por emissão acústica. (IB-NDT) .................................... 25
Figura 23: Funcionamento do equipamento de ondas guiadas. Figura retirada do folheto do
fabricante Olympus (Olympus, 2013) .......................................................................................... 26
Figura 24: Perfilamento de tubo com laser. (Gipson, 2012) ................................................ 27
Figura 25: Fuga de fluxo magnético. Figura adaptada de (ASNT, 2012) ............................ 28
Figura 26: Termografia aplicada a subestações de alta tensão. Retirada da publicação
Termografia [...] (2006) ................................................................................................................ 28
Figura 27: Princípios básicos de ultrassom. (Andreucci, 2008) ........................................... 32
Figura 28: Espectro sonónoro devidido em três faixa, sendo o Ultrassom subdividido em
outras três. Figura adaptada de (Olympus, 2011) ...................................................................... 32
xi
Figura 29: Regiões de campo próximo e campo distante. Figura adaptada de (Olympus,
2011) ........................................................................................................................................... 34
Figura 30: Oscilação das ondas longitudinais. (Andreucci, 2008) ....................................... 35
Figura 31:Oscilação das ondas transversais. (Andreucci, 2008) ........................................ 36
Figura 32: Partes de um transdutor. Figura adaptada de (Marks, 2014)............................. 38
Figura 33: Transdutor de contato monocristal. (Andreucci, 2008) ....................................... 39
Figura 34:Transdutor de contato duplo cristal. (Andreucci, 2008) ....................................... 40
Figura 35: Transdutor monocristal com cunhas angulares intercambiáveis. (Marks, 2014) 40
Figura 36: Relação entre angulo de incidência e tipo de onda refratada. Figura adaptada de
(Olympus, 2011) .......................................................................................................................... 41
Figura 37: Transdutor de imersão com borbulhador. Figura adaptada de (Marks, 2014) ... 41
Figura 38: Inspeção por feixe reto. (ASNT, 2012) ............................................................... 42
Figura 39: Inspeção de solda por feixe angular. Figura adaptada de(ASNT, 2012) ........... 43
Figura 40: Inspeção de solda por Phased Array. (Dubé, 2004) .......................................... 44
Figura 41: Inspeção de solda por TOFD. Figura adaptada de (Dubé, 2004) ...................... 45
Figura 42: Angulo de feixe. Figura adaptada de (Marks, 2014) .......................................... 46
Figura 43: Desenho esquemático de juntas de risers de perfuração armazenadas em
posição horizontal. ...................................................................................................................... 47
Figura 44: Conceito básico do projeto. ................................................................................ 48
Figura 45: Módulo de inspeção visual construído. ............................................................... 49
Figura 46: Câmera Acti B95. Figura retirada do catálogo (ACTI) ........................................ 50
Figura 47: Diagrama de forças horizontais atuantes no sistema ......................................... 51
Figura 48:Motor MidWest utilizado no módulo de tração..................................................... 53
Figura 49: Gráfico retirado do catálogo de transmissões (BONFIGLIOLI). ......................... 53
Figura 50: Exemplo da Transmissão Bonfiglioli utilizada. ................................................... 54
Figura 51: Projeto da estrutura do módulo de tração. ......................................................... 55
Figura 52: Projeto do mancal do módulo de tração. ............................................................ 55
Figura 53: Projeto do eixo do módulo de tração. ................................................................. 56
Figura 54: Projeto do cubo de roda, onde foi vulcanizada a borracha para confecção da
roda. ............................................................................................................................................ 56
Figura 55: Projeto da roda do módulo de tração, montada ao cubo de roda da Figura
54Figura 53. ................................................................................................................................ 57
Figura 56: Gráfico referente à norma DIN3761 para especificação de material do retentor.
Gráfico adaptado de (SABÓ, 2012) ............................................................................................ 58
Figura 57: Transdutores de imersão da Olympus. Figura retirada do catálogo do fabricante
..................................................................................................................................................... 60
Figura 58:Pocket-Scan da Technology Design. Figura retirada do catálogo do fabricante 60
Figura 59: Protótipo da cápsula do transdutor. .................................................................... 61
Figura 60: Corte do projeto da cápsula do transdutor ......................................................... 62
Figura 61: Projeto do módulo de espessura acoplado ao módulo de tração. ..................... 62
xii
Figura 62: Projeto da fixação de apoio do módulo de medição de espessura (a) e sua
alocação no módulo de tração (b). .............................................................................................. 63
Figura 63: Mancal de deslizamento JUM-02-50 (a) e porca trapezoidal JFRM-2525TR10x2
(b). Figuras retiradas dos arquivos 3D do fabricante IGUS ........................................................ 64
Figura 64: Câmera FlexMount da Mobotiz. Figura adaptada do catálogo do fabricante ..... 64
Figura 65: Sistema de aproximação dos transdutores e suas partes. ................................. 65
Figura 66: Diagrama de forças do sistema de aproximação dos transdutores. .................. 66
Figura 67: Diagrama de forças da haste B-C do sistema de aproximação dos transdutores.
..................................................................................................................................................... 67
Figura 68: Diagrama de forças da haste A-B do sistema de aproximação dos transdutores.
..................................................................................................................................................... 67
Figura 69:Diagrama de forças da haste C-D do sistema de aproximação dos transdutores.
..................................................................................................................................................... 68
Figura 70: Diagrama de forças da haste E-F do sistema de aproximação dos transdutores.
..................................................................................................................................................... 69
Figura 71: Mancal JFM-0405-03. Figura retirada dos arquivos 3D do fabricante IGUS ..... 73
Figura 72: Sistema de rodas de apoio e suas partes. ......................................................... 74
Figura 74: Diagrama de forças totais no sistema de rodas de apoio. ................................. 75
Figura 73: Diagrama de forças no módulo de medição de espessura. ............................... 75
Figura 75: Diagrama de forças em cada roda do sistema de rodas de apoio. .................... 76
Figura 76:Diagrama de forças na haste C-D do sistema de rodas de apoio. ...................... 76
Figura 77: Diagrama de forças na haste A-B do sistema de rodas de apoio. ..................... 77
Figura 78: Exemplo de fuso retirado do catálogo (IGUS, 2014) .......................................... 87
Figura 79: Diâmetro primitivo das engrenagens. ................................................................. 88
Figura 80: Fatores geométricos J de engrenagens cilíndricas de dentes retos. Figura
retirada de (BUDYNAS, et al., 2011)........................................................................................... 92
Figura 81: Servo motor modelo ISL. Figura retirada do catálogo do fabricante .................. 94
Figura 82: Sistema de elevação e suas partes. ................................................................... 97
Figura 83: Movimentação do sistema de elevação. ............................................................. 98
Figura 84: Forças de apoio do sistema de elevação. .......................................................... 98
Figura 85: Diagrama de forças nas hastes do sistema de elevação. .................................. 99
Figura 86:Diagrama de forças na haste A-B do sistema de elevação. .............................. 100
Figura 87: Diagrama de forças na haste C-D do sistema de elevação. ............................ 100
Figura 88: Corte do módulo de tração e suas partes......................................................... 106
Figura 89: Acoplamento do módulo de medição de espessura no módulo de tração através
da fixação de apoio. .................................................................................................................. 107
Figura 90: Visualisação do sistema de elevação do equipamento. ................................... 107
Figura 91: Visão geral do módulo de medição de espessura e suas partes. .................... 108
Figura 92: Visão geral do equipamento. ............................................................................ 109
Figura 93: Cargas aplicadas na estrutura em simulação feita no software ANSYS. ......... 116
xiii
Figura 94: Análise das tensões na estrutura em simulação feita no software ANSYS. .... 116
Figura 95: Cargas aplicadas no mancal em simulação feita no software ANSYS. ........... 117
Figura 96: Análise das tensões no mancal em simulação feita no software ANSYS. ....... 117
Figura 97: Cargas aplicadas no eixo em simulação feita no software ANSYS ................. 118
Figura 98: Análise das tensões no eixo em simulação feita no software ANSYS. ............ 118
Figura 99: Cargas aplicadas na barra principal em simulação feita no software ANSYS . 119
Figura 100: Análise das tensões na barra principal em simulação feita no software ANSYS.
................................................................................................................................................... 119
Figura 101: Cargas aplicadas na fixação do módulo de medição de espessura em
simulação feita no software ANSYS ......................................................................................... 120
Figura 102: Análise das tensões na fixação do módulo de medição de espessura em
simulação feita no software ANSYS. ........................................................................................ 120
Figura 103: Carga de compressão aplicada na haste A-B do sistema de aproximação dos
transdutores em simulação feita no software ANSYS .............................................................. 121
Figura 104: Análise das tensões na haste A-B do sistema de aproximação dos
transdutores em simulação feita no software ANSYS. ............................................................. 121
Figura 105: Carga lateral aplicada na haste A-B do sistema de rodas de apoio em
simulação feita no software ANSYS ......................................................................................... 122
Figura 106: Análise das tensões na haste A-B do sistema de rodas de apoio em simulação
feita no software ANSYS. .......................................................................................................... 122
Figura 107: Carga de compressão aplicada na haste C-D do sistema de rodas de apoio em
simulação feita no software ANSYS ......................................................................................... 123
Figura 108: Análise das na haste C-D do sistema de rodas de apoio em simulação feita no
software ANSYS. ....................................................................................................................... 123
Figura 109: Carga lateral aplicada na haste C-D do sistema de elevação em simulação
feita no software ANSYS ........................................................................................................... 124
Figura 110: Análise das tensões na haste C-D do sistema de elevação em simulação feita
no software ANSYS. .................................................................................................................. 124
xiv
Lista de Tabelas
Tabela 1: Velocidade de propagação das ondas longitudinais. (Andreucci, 2008) ............. 35
Tabela 2: Velocidade de propagação das ondas transversais. (Andreucci, 2008) ............. 36
Tabela 3: Impedância acústica de alguns materiais e acoplantes. (Andreucci, 2008) ........ 38
Tabela 4: Relação de frequência, Diâmetro do transdutor e ângulo do feixe. Tabela
adaptada de (Marks, 2014) ......................................................................................................... 46
Tabela 5: Forças relevantes ao sistema de aproximação dos transdutores em função da
situação. ...................................................................................................................................... 74
Tabela 6: Forças relevantes ao sistema de rodas de apoio em função da situação. .......... 81
Tabela 7: Forças relevantes para as situações de máxima e mínima altura..................... 101
1
1 Introdução
Risers de perfuração são conjuntos de tubos utilizados na indústria de óleo e gás
para conectar o poço de extração de petróleo à superfície durante a perfuração.
Dentro da linha principal percorre a broca, outros equipamentos necessários à
perfuração e fluidos como a lama de perfuração, enquanto que as linhas auxiliares são
utilizadas para controle de um sistema de emergência chamado “Blowout preventer”
(BOP). Estes risers operam com grandes carregamentos e em ambientes altamente
corrosivos, que somados ao grande risco da operação, sua vital importância no
processo e seu alto custo fazem com que os investimentos em garantir sua integridade
sejam altos. Por procedimento de segurança, todos os risers de perfuração devem ser
inspecionados e devidamente reparados ou trocados ao menos uma vez ao ano. Hoje
em dia esta inspeção é feita em terra, em grandes pátios onde o riser é desmontado e
inspecionado, o custo e a logística deste translado anual é significativamente alto.
Este estudo apresenta o conceito de uma ferramenta capaz de fazer a inspeção
offshore de risers de perfuração, determinando quais seções estão aptas para
continuar em operação, quais podem ser reparadas na própria plataforma, quais
necessitam de reparo em terra e quais estão condenadas, evitando o deslocamento da
maioria das seções e consequentemente reduzindo drasticamente o custo e o tempo
desta operação. Para isto, é proposto um sistema robótico equipado com técnicas de
testes não destrutivos, definidas ao longo do projeto, que percorrerá o interior da linha
principal do riser, inspecionando a espessura da parede ao longo do seu comprimento,
sua superfície interior e suas soldas.
Este trabalho está organizado em 7 capítulos e 1 apêndice.
No capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica do processo de perfuração de
poços, elucidando sua construção, seus principais equipamentos, as plataformas de
perfuração marítima e o funcionamento de um riser de perfuração.
O capítulo 3 trata dos métodos de inspeção não destrutiva, com uma breve
explicação de cada uma das técnicas mais utilizadas, suas vantagens e desvantagens.
Ao final do capítulo é eleita a técnica que melhor se adapta ao projeto e a mesma é
elucidada mais detalhadamente no capítulo seguinte.
No capítulo 4 é feito o detalhamento do método de inspeção não destrutiva
escolhido no capítulo anterior, fazendo uma revisão bibliográfica do seu histórico, seus
princípios básicos, equipamentos, técnicas e variáveis.
No capítulo 5 é iniciado o projeto do equipamento de inspeção com uma visão
geral do equipamento. Ainda neste capítulo, é elucidado o projeto do módulo de tração
2
e inspeção visual, que será responsável pela movimentação de todo o equipamento e
será autossuficiente em caso de necessidade de inspeção apenas visual.
No capítulo 6 é elucidado o projeto do módulo de medição de espessura e seu
acoplamento no módulo de tração. É feito um estudo das principais cargas envolvidas
no projeto e o dimensionamento das partes mais críticas. Ao final do capítulo é
visualizado o modelo físico do equipamento proposto.
No capítulo 7 a dissertação é concluída, analisando o que foi feito e propondo
passos futuro.
No apêndice A as tensões nas peças mais críticas do projeto são analisadas
utilizando o método dos elementos finitos com auxílio do software ANSYS.
3
2 A operação de perfuração
2.1 Histórico
Segundo Thomas (2001), o petróleo já é utilizado desde os tempos bíblicos. Na
antiga Babilônia, os tijolos eram assentados com asfalto e o betume era utilizado para
calefação de embarcações, os egípcios já o utilizavam para pavimentar estradas,
embalsamar as múmias e na construção das pirâmides, já os gregos e romanos o
utilizavam como combustível para chamas em suas lanças.
No mundo moderno, o primeiro poço de petróleo foi perfurado em 1859 pelo
Coronel Edwin Drake, na Pensilvânia, nos Estados Unidos (THOMAS, 2001). O poço
de Drake tinha pouco mais de vinte metros de profundidade, foi perfurado pelo método
percussivo, que consiste no golpeamento da rocha causando seu esmagamento e
fragmentação. Após a perfuração obteve-se uma produção de cerca de dois metros
cúbicos de petróleo por dia, o líquido era utilizado como combustível em lamparinas
substituindo o azeite e o óleo de baleia.
No Brasil, segundo Thomas (2001), a primeira tentativa de exploração de petróleo
foi em 1897 por Eugênio Ferreira Camargo, no estado de São Paulo, em um poço com
488 metros de profundidade, porém a produção deste não passou de 0,5m³. Durante o
início do século XX muitos outros poços foram perfurados sem sucesso, até que em
1938 iniciou-se a perfuração do poço DNPM-163, na Bahia, que se tornou produtivo
em 1939.
Ao longo do século XX os métodos de perfuração foram se aprimorando, assim
como os equipamentos utilizados, permitindo a construção de poços cada vez mais
profundos e com maiores produções. A popularização do automóvel movido à gasolina
foi um dos grandes propulsores da elevada demanda e o consequente investimento na
extração de petróleo durante este século.
Figura 1: Torres de perfuração, Pensilvânia/EUA. (COPPE/UFRJ, 2014)
4
2.2 A perfuração
O petróleo é encontrado na natureza em rochas porosas chamadas rochas
reservatório. Para extraí-lo, é necessária a perfuração das camadas acima do
reservatório bem como da própria rocha reservatório, formando o poço de extração.
A grande maioria dos processos de perfuração nos dias atuais baseia-se no
método rotativo, que consiste na rotação e aplicação de peso a uma broca na
extremidade inferior de uma coluna de perfuração, que causa o esmagamento e a
trituração da rocha, os fragmentos desta são retirados por um fluxo de fluido de
perfuração, também chamado de “lama de perfuração”, que é injetado por dentro da
coluna e volta à superfície através do espaço anular entre esta e a parede do poço, no
caso de perfurações marinhas entre esta e o interior da linha principal do riser de
perfuração.
Este fluido de perfuração além de ter como objetivo o transporte dos fragmentos
de rocha, é responsável por fazer o resfriamento e lubrificação da broca e manter a
pressão hidrostática dentro do poço igual à pressão interna nas rochas, evitando a
saída precipitada de fluidos. Quando esta pressão não é mantida diz-se que o poço
está em “kick”.
Figura 2: Fluxo de fluido de perfuração (PEREIRA, 2011)
5
Atingida certa profundidade, um tubo de revestimento de diâmetro menor do que o
da broca é alocado no poço e o espaço entre a superfície externa do tubo e a rocha é
cimentado para garantir a estabilidade das paredes do poço, posteriormente uma nova
broca, de diâmetro menor, é utilizada para mais um percurso e assim,
sucessivamente, até ser alcançado o objetivo.
Figura 3: Desenho esquemático das diversas fases da perfuração de um poço. (MIRANDA, 2008)
2.3 Os equipamentos
De acordo com Thomas (2001), os equipamentos de uma sonda de perfuração
são divididos em oito sistemas, esta divisão é utilizada no presente trabalho para uma
breve explicação do funcionamento destes.
2.3.1 Sistema de sustentação de carga
Este sistema é responsável por sustentar o peso da coluna de perfuração e
demais equipamentos que estão em processo de decida para o poço. Ele consiste
basicamente do mastro ou torre, da subestrutura e da base ou fundação.
Durante o processo de perfuração, diversas vezes a coluna deve ser retirada e
recolocada, seja para a troca de brocas, descida de sapatas ou outros procedimentos,
este processo é chamado de manobra. Para agilizar a manobra é possível fazer a
desmontagem da coluna retirando duas a três juntas de cada vez, porém para
possibilitar este processo são necessários mastros ou torres maiores, chegando até a
45 metros.
O mastro é uma estrutura pré-fabricada, dividida em 3 a 4 peças montadas em
campo, que apesar do seu alto custo inicial e menor estabilidade tem sido muito
utilizado em estruturas terrestres devido ao ganho no tempo de montagem. Enquanto
que a torre é montada peça por peça no local.
6
Figura 4: Torre de perfuração. (MANSANO, 2004)
2.3.2 Sistema de geração de energia
Sistema responsável pela geração de energia necessária para o funcionamento
dos demais equipamentos da sonda. Normalmente esta energia é fornecida por
motores a diesel nas sondas terrestres e turbinas a gás nas marítimas.
2.3.3 Sistema de movimentação de carga
Sistema responsável por içar ou abaixar a coluna de perfuração ou qualquer outro
equipamento para dentro do poço.
Deste fazem parte o bloco de coroamento, o guincho, a catarina, o cabo de
perfuração, o gancho e o elevador.
O bloco de coroamento é um conjunto de polias, montadas num eixo sobre dois
mancais, localizado no topo da torre de perfuração por onde passam cabos de aço
chamado de cabos de perfuração.
O Guincho é responsável pela movimentação e freio dos cabos de perfuração.
A Catarina é um conjunto de polias móveis por onde passam os cabos de
perfuração alternando com o bloco de coroamento. Pela movimentação destes cabos
a catarina é movimentada permitindo a descida e içamento dos equipamentos que são
ligados à catarina pelo gancho. Este possui um sistema de amortecimento para evitar
grandes impactos e é conectado a parte inferior da catarina por uma alça.
7
Figura 5: Sistema de movimentação de cargas. (THOMAS, 2001)
2.3.4 Sistema de rotação
O sistema de rotação é responsável pela rotação da broca de perfuração. Existem
três métodos distintos, o método convencional com mesa rotativa, “top drive” e motor
de fundo.
No método convencional a rotação é feita pela mesa rotativa, que consiste em um
conjunto de engrenagens e travas, localizado na base da sonda e responsável por
transmitir torque ao “kelly”, este é um tubo de seção poligonal encontrado no topo da
coluna de perfuração. Acima destes, existe a cabeça de injeção, também chamada de
“swivel” que consiste em um equipamento capaz de permitir rotação em sua parte
inferior e manter-se estático na parte superior, onde é injetado o fluido de perfuração.
Figura 6: (a) Mesa rotativa à esquerda e (b) Kelly à direita. (MANSANO, 2004)
8
No método top drive, um motor é instalado no topo da coluna de perfuração, logo
após o swivel, transmitindo tração diretamente à coluna sem necessidade do kelly e
agilizando a perfuração.
Outro método de rotação é através do motor de fundo, da mesma forma que o top
drive, é um motor acoplado diretamente à coluna de perfuração, porém na sua base,
logo acima da broca, mantendo as partes anteriores estáticas e permitindo, por
exemplo, mudanças de direção na trajetória da perfuração. O motor de fundo funciona
hidraulicamente sendo acionado pelo próprio fluido de perfuração.
2.3.5 Sistema de circulação
O sistema de circulação é responsável pela injeção, retorno e tratamento do fluido
de perfuração. O fluido é succionado do tanque e injetado por bombas de lama na
cabeça de injeção, percorre por dentro da coluna de perfuração até a broca onde faz o
resfriamento e a lubrificação desta e volta pelo espaço anular entre a coluna de
perfuração e a parede do poço ou entre a coluna e a parede da linha principal do riser
de perfuração no caso de perfurações marítimas, neste retorno ele tem a função de
equilibrar as pressões no interior do poço e remover o cascalho produzido no processo
de perfuração. Ao retornar à superfície os sólidos e gases que foram carregados em
conjunto são separados e em alguns casos são adicionados produtos químicos para
regular suas propriedades.
2.3.6 Sistema de segurança
O sistema de segurança é responsável pelo controle do poço caso haja qualquer
irregularidade na perfuração.
O principal equipamento de segurança do poço é o Blowout preventer (BOP), este
consiste em um conjunto de válvulas capazes de fechar o poço através do
estrangulamento do espaço anular entre a coluna de perfuração e o poço. As válvulas
podem ser do tipo anular onde um pistão ao ser acionado comprime um anel de
borracha contra a coluna de perfuração ocupando o espaço entre esta e o poço, ou do
tipo gaveta onde duas gavetas acionadas hidraulicamente se movimentam uma de
encontro a outra fechando a passagem do poço. Um equipamento de Blowout
preventer pode possuir diversos arranjos destas válvulas sobrepostas para aumentar a
segurança e são acionadas por linhas hidráulicas chamadas de choke e kill.
O Blowout preventer é acionado quando é detectado um fluxo indesejado de
dentro das rochas reservatório para a tubulação de perfuração, esta ocorrência é
chamada de “kick” e caso o fluxo não seja controlado rapidamente pode ocorrer o que
9
é chamado de “blowout” e consiste na perda de controle do poço causando sérios
acidentes.
Figura 7: Desenho esquemático de um "BOP". (THOMAS, 2001)
2.3.7 Sistema de monitoração
O sistema de monitoração é responsável por monitorar todos os parâmetros da
perfuração e consiste de equipamentos como manômetros, tacômetros, indicadores de
peso, torquímetros, entre outros.
2.3.8 Coluna de perfuração
A coluna de perfuração é composta de juntas rosqueadas uma na outra por
conexões cônicas, elas têm como funções principais conduzir o fluido de perfuração,
fornecer peso e transmitir rotação à broca e garantir a direção do poço conforme
projetado.
As juntas de haste quadrada chamadas de kelly têm a função de apoio na mesa
rotativa e possuem uma válvula responsável pelo fechamento do interior da coluna em
caso de kick.
Os comandos de perfuração têm como função aplicar peso sobre a broca, se
localizando na parte inferior da coluna. Sendo um elemento sob constante
compressão, possui paredes grossas e normalmente são fabricadas de liga de aço
cromo molibdênio forjadas.
Os tubos de perfuração são normalmente tubos de aço sem costura de menor
peso que se localizam na parte superior da coluna e têm como principais funções
transmitir tração ao restante da coluna e conduzir o fluido de perfuração.
Os tubos pesados são elementos intermediários entre os comandos e os tubos de
perfuração e possuem principalmente a função de transição da rigidez entre os
elementos.
10
Diversas ferramentas podem ser acopladas à coluna como estabilizadores,
escareadores, alargadores e amortecedores de vibração.
Figura 8: Coluna de perfuração. Figura adaptada de (PLÁCIDO, 2009)
2.3.9 Brocas
O principal objetivo das brocas é causar o esmagamento e a ruptura das rochas a
serem perfuradas. A correta escolha do tipo de broca a ser utilizado é de extrema
importância na otimização do processo.
As brocas podem ser do tipo sem partes móveis, sendo sua estrutura cortante de
lâminas de aço, diamantes naturais, pastilhas de diamantes aglutinados com cobalto
ou com partes móveis, possuindo um a quatro cones dotados de diversos elementos
cortantes.
Figura 9: Brocas (a) com diamantes naturais, (b) diamantes sintéticos e (c) tricônica com inserto de tungstênio. (MANSANO, 2004)
2.4 Perfuração marítima
Devido à escassez dos reservatórios terrestres no mundo, especialmente no
Brasil, e à grande quantidade de petróleo alocado debaixo do solo marinho, grandes
investimentos têm sido feitos na construção de sondas marítimas capazes de perfurar
poços cada vez mais profundos.
Conexão fêmea Tubo de
perfuração
Conexão
macho
11
Os tipos de plataformas marítimas são escolhidos de acordo com o tamanho da
lâmina d’água, nível de ondas no local e custo benefício da construção. Os principais
tipos são:
Figura 10: Plataformas: Fixa, autoelevável, semissubmersível e navio sonda (MORAIS, 2013)
2.4.1 Plataformas fixas
As plataformas fixas foram os primeiros tipos de plataforma utilizados em
perfurações marítimas. Limitadas a uma lâmina d’água de até 300 metros(THOMAS,
2001), normalmente são estruturas instaladas no local de operação com estacas
cravadas no fundo do mar e BOP na superfície.
Devido ao seu alto custo de construção e instalação, normalmente são
construídas em campos já conhecidos, com objetivo de permanêcia de longos
períodos e que de um mesmo local, diversos poços serão ramificados. São projetadas
para receber toda a estrutura de produção dos poços.
Figura 11: Plataforma Fixa. (PEREIRA, 2011)
2.4.2 Plataformas auto-eleváveis
As plataformas auto-eleváveis são balsas flutuantes equipadas com estrutura de
apoio de 3 a 4 pernas, que ao serem acionadas, movimentam-se para baixo até atingir
12
o fundo do mar, posteriormente são elevadas acima do nível do mar a uma altura em
que não sofrem interferência das ondas. Este acionamento pode ser feito
mecanicamente ou hidraulicamente. São utilizadas em lâminas d’água de até 200
metros [3] e possuem BOP na superfície.
Estas sondas podem ser transportadas para outros locais depois de terminada a
perfuração, por rebocadores ou propulsão própria. São consideravelmente estáveis
devido à não influência das ondas, porém as operações de levantamento e
abaixamento são críticas, tendo grande risco de acidentes.
Figura 12: Plataforma auto-elevável (BAI, et al., 2010)
2.4.3 Plataformas semi-submersíveis
As plataformas semi-submersíveis são estruturas montadas sobre flutuadores
submersos, por ser uma unidade flutuante sofre influencia das ondas, correntezas e
ventos tendo que possuir sistema de compensação deste movimento. Esta
compensação pode ser feita por um sistema de ancoragem, onde âncoras com cabos
atuando como molas produzem esforços que restauram a posição da plataforma ou
por um sistema dinâmico, onde não existem ligações físicas desta com o fundo do mar
e o posicionamento é garantido por propulsores acionados por sensores que
controlam e restauram a posição da plataforma.
Estas sondas são utilizadas em águas profundas, possuem BOPs submersos e
são mais estáveis que os “navios sonda” e podem ser alocadas em águas revoltas.
13
Figura 13: Plataforma Semi-submersível. (BAI, et al., 2010)
2.4.4 Navios sonda
Os navios sonda são embarcações projetadas para o processo de perfuração, seu
casco possui um furo no centro por onde passa a coluna de perfuração. São menos
estáveis que as plataformas semi-submerssíveis, porém também utilizadas em águas
profundas. Possuem propulsão própria e alguns são ancorados para auxiliar na
restauração do posicionamento.
Figura 14: Navio Sonda. (BAI, et al., 2010)
2.4.5 Plataformas Tension Leg
As plataformas Tension Leg são similares às semi-submerssíveis, porém são
ancoradas por cabos tubulares fixados no fundo do mar, mantendo-se tensionados
pela flutuação da plataforma e dando maior estabilidade à sonda.
Propulsores
14
2.5 Risers de perfuração
2.5.1 Funções
O riser de perfuração funciona como uma extensão do furo do poço, ligando o
BOP no leito marinho até a plataforma na superfície.
Suas principais funções são:
Permitir a troca de fluidos entre a superfície e o poço através da linha
principal durante a operação normal de perfuração, através das linhas de
choke e kill em caso de necessidade de acionamento do BOP e através
das linhas auxiliares como as linhas hidráulicas e de impulso de lama.
Guiar ferramentas para o poço.
Controlar o BOP.
Figura 15: Plataforma Tension Leg no Mar do Norte. (PEREIRA, 2011)
15
Figura 16: Riser de perfuração e suas linhas
2.5.2 Linha Principal
A coluna de perfuração desce até o poço através da linha principal do riser de
perfuração. Por esta, são guiadas também todas as demais ferramentas até a cabeça
do poço. Durante o processo de perfuração a lama de perfuração que desce pela
coluna volta à superfície pelo espaço anular entre esta e a superfície interna da linha
principal.
As linhas principais possuem grande importância estrutural, pois nestas são
aplicados os maiores carregamentos e possuem os maiores riscos de falha.
2.5.3 Linhas de Choke, Kill e auxiliares
Estas linhas percorrem todo o comprimento do riser carregando fluidos ou gases.
Na maioria dos risers, elas fazem parte das juntas e são anexadas às linhas principais
por suportes.
Estas linhas são divididas em:
“Choke and Kill”:
Permite um fluxo controlado de óleo, gases ou lama entre o poço e a superfície
em caso de acionamento do BOP.
“Mud Boost” (Impulsionador de lama):
É utilizado para conduzir fluido de perfuração que é injetado no riser logo acima do
BOP para aumentar a velocidade do fluxo no espaço anular entre a linha principal e a
coluna de perfuração.
Linha Principal
Linhas Hidráulicas Linhas de “Choke & Kill” Linha Impulsionadora de lama
16
Injeção de Ar:
Fornece ar para aumentar a flutuabilidade do riser.
Hidráulicas:
Transportam fluidos de controle para operar o sistema de controle submarino do
BOP. A maioria dos BOP’s possui uma linha hidráulica flexível dentro do umbilical de
controle.
2.5.4 Inspeções
De acordo com a API RP 16Q (1993), itens 4.8.1 e 4.8.2 é recomendada a
realização de:
4.8.1 Inspeção Visual após manuseio.
“Após cada manuseio, a junta de riser deve ser inspecionada visualmente para
detecção de corrosão, rachaduras e desgaste. A caixa e o pino do conector devem ser
totalmente limpos antes da inspeção. Outras áreas críticas e especificadas pelo
fabricante devem ser checadas mais minuciosamente e ações corretivas tomadas
quando necessário.”
4.8.2 Inspeção Anual.
“Inspeção por líquido penetrante ou partícula magnética deve ser utilizada para
investigar áreas críticas a rachaduras. Ultrassom ou outro método adequado deve ser
utilizado para checar a espessura da linha principal. Os critérios de aceitação devem
ser acordados entre os operadores e as empresas de perfuração. Esta inspeção deve
ser conduzida ao menos uma vez ao ano, a menos que os resultados de inspeções
anteriores garantam um maior intervalo entre inspeções.”
“Uma inspeção é recomendada após condições anormais como sobre
tensionamento, sub tensionamento ou colisões durante a utilização ou manuseio dos
risers. Inspeções ou ações corretivas devem estar de acordo com as recomendações
do fabricante.”
17
3 Testes não destrutivos (NDTs)
“Teste não destrutivo (NDT) é o processo de inspeção, teste ou avaliação de
materiais, componentes ou montagens, buscando descontinuidades ou divergências
de suas características sem danificar a utilidade da peça ou sistema.” (ASNT, 2012).
A grande vantagem da utilização de técnicas NDT é a possibilidade de avaliar a
integridade de equipamentos em operação, ou anteriormente à operação, sem alterar
seu funcionamento.
Visto isto, este capítulo estará focado em pesquisar as técnicas de NDT mais
utilizadas hoje em dia para encontrar aquelas que melhor se adaptem ao projeto.
As técnicas eleitas para serem elucidadas neste capítulo são:
Emissão Acústica (AE)
Eletromagnetismo (ET)
Método Laser (LM)
Fuga de fluxo magnético (MFL)
Líquido penetrante (PT)
Partícula magnética (MT)
Radiografia (RT)
Infravermelho (IR)
Ultrassom (UT)
Visual (VT)
Ondas Guiadas (GW)
3.1 Partículas magnéticas:
O teste por partícula magnética utiliza campos magnéticos para detectar
descontinuidades na superfície ou próximo à superfície de materiais ferromagnéticos.
O fluxo magnético é induzido no material permanentemente ou por
eletromagnetismo, quando o fluxo magnético encontra uma falha transversal à sua
direção, há uma fuga das linhas de fluxo, como mostrado na Figura 17:
18
Figura 17: Desvio do fluxo magnético em testes por partículas magnéticas. Figura adaptada de (ASNT, 2012)
Partículas magnéticas são então aplicadas na superfície do material e acumulam
no local onde há descontinuidade, produzindo uma indicação visível da falha.
As partículas podem ser pó seco ou estarem em suspensão em uma solução
líquida e podem ser coloridas com corantes visíveis ao olho humano ou fluorescentes
visíveis apenas com luz ultravioleta.
Vantagens:
Fácil operação e interpretação
Fácil visualização do defeito
Resultado instantâneo
Facilidade na aplicação em campo
Econômico
Desvantagens:
Capaz apenas de encontrar falhas na superfície ou próximo à superfície
Utilizado apenas em materiais ferromagnéticos
Revestimentos podem influenciar na precisão dos resultados
Utilização de consumível
Dificuldade em automatizar o processo
3.2 Líquido penetrante:
O teste por líquido penetrante é baseado no princípio da capilaridade, que permite
que líquidos sejam atraídos para pequenas ranhuras em uma peça. Um produto de
muito baixa viscosidade é aplicado à superfície do material, este penetra em fissuras
na superfície e após o excesso ser removido da mesma, é colocado um revelador, o
restante que penetrou na fissura irá sobressair e indicará onde há defeitos. O líquido
pode ser visível à luz ambiente ou apenas à luz ultravioleta.
Falha Partícula magnética
Fluxo de
partícula
magnétic
a
19
O processo é mostrado na Figura 18:
Figura 18: Processo de inspeção por líquido penetrante. Figura adaptada de (ASNT, 2012)
Vantagens:
Fácil operação
Fácil visualização do defeito
Equipamentos simples e extremamente portáteis
Baixo custo
Versátil quanto ao tipo de material a ser inspecionado
Desvantagens:
Capaz apenas de encontrar falhas na superfície
Não funciona bem em materiais porosos
Utilização de consumível
Variações na temperatura podem afetar o processo
Necessidade de fácil acesso
Necessidade de preparação da superfície
Dificuldade em automatizar o processo
Falha Penetrante
Aplicação
Limpeza Revelador
Desenvolvimento
Indicação
Interpretação
20
3.3 Radiografia:
A inspeção por radiografia consiste na penetração de radiação através do material
a ser inspecionado e sua posterior gravação em um meio receptor colocado após o
objeto.
Em materiais mais finos ou menos densos, normalmente, são utilizados raios X, já
para materiais mais grossos ou mais densos, utiliza-se radiação “gama”.
O meio receptor pode ser um filme de material sensível à radiação ou digital, em
ambos é possível detectar os defeitos a partir da coloração final do meio, regiões que
ficam mais escuras significam que mais radiação ultrapassou a placa, indicando
descontinuidade, locais mais claros significam que mais radiação foi absorvida pela
placa, indicando excesso de material conforme visto na Figura 19.
Figura 19: Processo esquemático da inspeção por radiografia. Figura adaptada de (NDT_EDUCATION)
Vantagens:
É possível encontrar defeitos internos no material
Pode ser usado para peças de variadas formas e tamanhos
É possível ter uma estimativa do tamanho da descontinuidade
Técnica simples e de fácil operação
Filme receptor
Vista superior do filme receptor
21
Desvantagens:
Necessita de acesso às duas superfícies do material
Emissão de radiação no ambiente pode ser prejudicial aos operadores
Possui limitações de espessura
Alto custo de equipamento e materiais consumíveis
Necessidade de profissional qualificado
Necessária etapa de revelação dos filmes após a inspeção
3.4 Ultrassom:
Ondas sonoras de alta frequência são introduzidas no material e quando
encontram um meio com diferente impedância acústica, parte delas é refletida de volta
à unidade sonora, que funciona também como um receptor, sendo visualizada em um
display.
Sabendo a velocidade do som no material a ser inspecionado, é possível obter
informações como espessura do material e ocorrência de descontinuidades.
Normalmente são utilizadas frequências entre 0,1 e 50 MHz (Olympus, 2011).
Sendo muito altas para trafegar no ar, necessitam sempre de um meio de
acoplamento entre o transdutor e o material a ser inspecionado para garantir a
passagem das ondas. Quanto menor a frequência maior o poder de penetração,
porém menor a sensibilidade a defeitos pequenos.
Os transdutores são equipamentos que transformam pulsos elétricos em ondas
sonoras e depois convertem as respostas sonoras em impulsos elétricos novamente
para serem lidos em equipamentos apropriados.
Vantagens:
É possível encontrar defeitos internos no material
Capaz de detectar defeitos pequenos
Possui equipamentos capazes de inspecionar em altas temperaturas
Capaz de informar a profundidade da descontinuidade
Equipamento pode ser portátil
É necessário acesso apenas por uma das superfícies
Quantidade mínima de consumível
Não são necessárias etapas anteriores nem posteriores ao processo
Desvantagens:
Necessidade de técnicos especializados para operação dos equipamentos
Equipamentos normalmente de alto custo
Dificuldade no registro das informações
22
Necessidade de garantir acoplamento entre a superfície e o transdutor
Seções muito finas podem apresentar problemas de resolução
Descontinuidades paralelas à direção da emissão não são detectadas
Normalmente não pode ser utilizado em superfícies com alto índice de
corrosão ou incrustação devido à necessidade de acoplamento
3.5 Eletromagnetismo
Existem diversas técnicas de testes eletromagnéticos, que têm em comum o uso
de uma corrente elétrica ou um campo magnético em um material condutivo,
analisando seus efeitos resultantes. As principais técnicas são:
3.5.1 Eddy current
Quando uma bobina de corrente alternada induz um campo magnético em um
material condutivo, uma pequena corrente elétrica, chamada “eddy current”, é gerada
em volta deste campo conforme visto na Figura 20.
Esta corrente é afetada quando encontra alguma descontinuidade e fazendo a
leitura do eddy current, compara-se o resultado com padrões de defeitos a fim se
descobrir o tipo de defeito existente na peça.
Figura 20: Eddy Current, figura adaptada de (NDT_EDUCATION)
Vantagens:
Não possui consumível
Capaz de detectar defeitos internos a superfície de pequena espessura
Grande sensibilidade
Equipamento pode ser portátil
Bobina
“Eddy
Currents”
Campo magnético das
correntes da bobina
Material condutivo
Campo magnético
das “Eddy Currents”
23
Resultado instantâneo
Ideal para resultados qualitativos
Metodologia segura, sem riscos à saúde como a radiografia
Não necessita de limpeza da superfície
Desvantagens:
Somente pode ser utilizado em superfícies lisas
Baixa penetração, normalmente menos de 7mm (ASNT, 2012)
Necessária calibração para criar uma biblioteca de falhas
Sensível a diversos tipos de defeito, porém defeitos somados são
visualizados como somas vetoriais, podendo dificultar a interpretação
Necessário operador qualificado
Fraco para resultados quantitativos
O material a ser inspecionado deve ser condutor elétrico
3.5.2 “Alternating Current Field Measurement” (ACFM)
É introduzida uma corrente alternada na superfície do material a ser
inspecionado, criando um campo magnético. Não havendo nenhuma descontinuidade,
este campo será uniforme, porém havendo falha, o campo magnético irá envolver o
defeito sendo detectado através dos sensores.
Um software pode, posteriormente, determinar o comprimento e a profundidade
da descontinuidade.
Vantagens:
Capaz de detectar comprimento e profundidade da descontinuidade
Melhores resultados em superfícies ásperas que o “Eddy Current”
Não possui consumível
Grande sensibilidade
Equipamento pode ser portátil
Resultado instantâneo
Metodologia segura, sem riscos à saúde como a radiografia
Não necessita de limpeza da superfície
Desvantagens:
Necessário operador qualificado
Tecnologia patenteada por apenas uma empresa
24
3.6 Inspeção visual
A inspeção visual é a inspeção mais utilizada nos testes por NDT,
primeiramente, pois a maioria das demais necessita de acompanhamento visual e
também, pois a maioria das falhas superficiais pode ser detectada visualmente como
corrosão, desalinhamentos, perdas de material, buracos etc.
De acordo com a norma ASME, “o teste visual é possível em superfícies em que
se pode obter acesso a uma distância máxima de 25 polegadas, que equivalem a
610mm e a uma angulação de, no mínimo, 30º do plano da superfície inspecionada”
(Hellier, 2003).
Figura 21: Angulo mínimo para teste visual típico. Figura adaptada de (Hellier, 2003)
Hoje com a alta tecnologia de câmeras e boroscópios é possível obter
inspeções visuais remotas de altíssima qualidade, com câmeras de alta definição,
controle de movimentação, zoom, jogo de espelhos e lentes etc.
Equipamento de medição como paquímetros, micrometros, relógios
comparadores, dentre outros são de uso comum nas inspeções visuais.
Vantagens:
Fácil operação
Equipamentos simples
Acompanha outros testes
Resultado instantâneo
Desvantagens:
Capaz apenas de encontrar falhas na superfície
Não detecta falhas muito pequenas
Grande sensibilidade ao erro humano
Necessita de fácil acesso para a visualização direta
Necessita de iluminação adequada para garantir um bom resultado
Superfície testada
Faixa indicada de ângulo de visão
Local testado
Não menor que 150mm
Olho
25
3.7 Emissão acústica
Uma força externa, como um carregamento mecânico abrupto, uma rápida
mudança de temperatura ou de pressão, é aplicada ao material a ser testado, criando
uma região de tensão. Falhas e descontinuidades quando tensionadas criam ondas de
pressão, gerando pequenos deslocamentos elásticos ou plásticos que são medidos
por sensores ligados à superfície do material. A partir da análise destas ondas é
possível obter informações de descontinuidades no material testado.
Figura 22: Inspeção de tubulação por emissão acústica. (IB-NDT)
Vantagens:
Capaz de analisar o comportamento do material em carregamento
Fácil medição
Boa medição em materiais anisotrópicos
Medição instantânea
Bom custo benefício
Detecta e localiza falhas
Pouco sensível à geometria
Desvantagens:
Sensível a ruídos externos
O material atenua as ondas acústicas
Cada carregamento pode dar uma resposta diferente
Recomendável o conhecimento do histórico de carregamento do material
3.8 Ondas guiadas
Utilizado normalmente em tubos, consiste em excitações controladas, em forma
de ondas ultrassônicas, que atravessam todo o comprimento do tubo e são refletidos
caso encontrem mudanças na rigidez ou na área da seção transversal.
26
Figura 23: Funcionamento do equipamento de ondas guiadas. Figura retirada do folheto do fabricante Olympus (Olympus, 2013)
Vantagens:
Capaz de inspecionar a parede de tubos por grandes distâncias sem a
necessidade de retirar revestimentos
Capaz de detectar defeito nas superfícies internas e externas
Inspeção rápida
Bom para testes qualitativos
Capaz de inspecionar tubos subterrâneos
Não é necessário parar a produção
Desvantagens:
Apesar de ser capaz de detectar defeito nas superfícies internas e
externas, não é capaz de diferenciar em qual delas o defeito se encontra
Fraco para testes quantitativos
3.9 Testes a laser
Algumas técnicas utilizam o laser para inspecionar peças, as principais são:
3.9.1 Teste holográfico
Um feixe de laser é direcionado à superfície da peça a ser testada e refletido
de volta em sensores que são capazes de medir as diferenças encontradas nesta
distância ocasionadas por um carregamento externo induzido, como um carregamento
mecânico, aplicação de calor, pressão ou vibração.
A deformação da superfície é medida com uma precisão da ordem de 0,05 a
0,005 microns (ASNT, 2012). Comparando o resultado com exemplos de superfícies
não danificadas é possível localizar e estimar falhas.
Vantagens:
Medição precisa de falhas
Análise de tensões residuais
Desvantagens:
Necessária comparação com exemplos de outros materiais similares
27
Necessária aplicação de carregamentos, que nem sempre é possível ou
recomendado
Equipamento complexo
3.9.2 Perfilamento a laser
Um anel de laser é projetado na superfície interna de um tubo, percorrendo
todo o comprimento deste tubo com uma câmera no centro, e processando estas
imagens em um software, tem-se um perfilamento tridimensional de toda a superfície
interna do tubo conforme Figura 24. Desta forma, é possível identificar locais com
ovalização, corrosão, perda de material, fendas, buracos etc.
Figura 24: Perfilamento de tubo com laser. (Gipson, 2012)
Vantagens:
Boa visualização dos resultados após processamento
Detecta mudanças na geometria como ovalização
Pode ser feito um comparativo visual com resultados anteriores
Pode ser feita a reconstrução da geometria interna de um duto
Desvantagens:
Não detecta trincas internas no material
Resultados apenas após o processamento das imagens
3.10 Fuga de fluxo magnético (MFL)
O material a ser inspecionado é saturado por um fluxo magnético, no caso de
haver redução na espessura, perda de material por corrosão ou falhas, há a fuga de
parte deste fluxo, que ultrapassa a superfície da peça e é detectado por sensores,
conforme Figura 25.
28
Figura 25: Fuga de fluxo magnético. Figura adaptada de (ASNT, 2012)
Vantagens:
Permite a leitura de materiais com incrustação
Elevada velocidade de aquisição de dados
Não possui consumíveis
Equipamento pode ser portátil
Desvantagens:
Resultados qualitativos
Necessária calibração em padrões para cada material
3.11 Teste térmico a infravermelho
Todo corpo emite radiação térmica, normalmente esta radiação está numa
frequência abaixo da visível pelo olho humano. Quanto maior a temperatura do corpo
maior é a intensidade desta radiação, com câmeras infravermelhas é possível captar
estas emissões, ter um comparativo da temperatura do material testado e transformá-
lo em uma imagem das regiões de maior calor, identificando falhas através da
temperatura do material em muitos processos.
Figura 26: Termografia aplicada a subestações de alta tensão. Retirada da publicação Termografia [...] (2006)
Gerador de campo magnético
Falha
Linhas de fluxo
magnético
29
Vantagens:
Podem ser realizados durante operação
Fácil visualização
Fácil operação
Rápido
Desvantagens
Capaz apenas de visualizar a temperatura superficial do objeto
Detecta apenas defeitos de peças em operação que causam diferenciais
de temperatura
3.12 Conclusão:
Analisando as técnicas de ensaios não destrutivos mais utilizadas atualmente, foi
concluído que o uso do ultrassom na inspeção interna do riser de perfuração,
acompanhado de inspeção visual para os defeitos superficiais, seria o mais indicado
devido às seguintes vantagens:
Ser capaz de identificar defeitos internos ao contrário de técnicas como
partícula magnética, líquido penetrante e testes a laser
Capaz de fazer a medição de espessura com acesso apenas por uma das
superfícies ao contrário da radiografia
Ser um equipamento portátil
Ter quantidade pequena de consumíveis
Não necessitar de etapas posteriores ao processo como no caso da
radiografia
Ter grande precisão
Não necessitar carregamento mecânico como no teste por emissão
acústica
Possibilidade de ser adaptado a equipamentos remoto ao contrário de
testes como líquido penetrante e partícula magnética
Grande penetração ao contrario do “Eddy current” que se limita a uma
espessura de 7mm
Melhor em resultados qualitativos do que o “Eddy current”, MFL, campo
remoto e ondas guiadas
Tecnologia bem difundida e com grande número de fabricantes, ao
contrário do ACFM
30
Apesar da escolha, foram encontradas algumas desvantagens, tais como:
Necessidade de técnicos especializados
Equipamento de alto custo
Necessidade de acoplamento entre o transdutor e a superfície do riser, não
sendo possível a técnica padrão de utilização de gel à base de glicerina
Uso limitado em superfícies com alto índice de corrosão ou incrustação,
sendo o caso encontrado na maioria dos risers de perfuração, será
necessário uma solução para a limpeza dos mesmos antes de iniciar o
procedimento de inspeção
Dificuldade no registro das informações
O próximo capítulo será dedicado ao estudo desta técnica de forma que seja
possível adaptá-la ao sistema de inspeção de risers de perfuração.
31
4 Ultrassom
4.1 Histórico
O uso do som em testes de integridade de peças é provavelmente tão antigo
quanto os primórdios da metalurgia. Uma forte batida no material causa a vibração
deste na sua frequência natural e qualquer grande distorção na sua homogeneidade
irá modificar sua frequência natural indicando que a peça não está conforme
esperada, este procedimento já é quase instintivo no nosso dia a dia. O problema
desta técnica é que a descontinuidade na peça deve ser muito grande para causar um
efeito perceptível nestas frequências.
Durante o final do século XIX e início do século XX diversos estudos relacionados
às teorias sonoras foram realizados. Além disto, a descoberta do efeito piezelétrico em
1880 pelos irmãos Curies e por Lippmann(Hellier, 2003) foi de grande importância
para viabilizar o uso do ultrassom para verificação da integridade de materiais.
Sokolov, em 1929, foi o primeiro a sugerir o uso do ultrassom para detectar
descontinuidade em metais. Em 1935, projetou um transdutor piezelétrico capaz de
emitir e receber ultrassom e um método de acoplamento para teste em metais. Foram
utilizadas ondas contínuas com transdutores de cristal de quartzo e mercúrio como
acoplamento. Na década de 40, Firestone nos Estados Unidos e Sproule na Inglaterra
desenvolveram a técnica do pulse-eco, utilizada até hoje(Hellier, 2003).
4.2 Princípios básicos
São denominadas de Ultrassom ondas mecânicas que possuem frequência maior
que a audível pelo ouvido humano, o que equivale a 20khz. Estas ondas, e também as
demais ondas sonoras, são capazes de se propagar nos materiais através do
movimento das partículas. Sempre quando estas ondas encontram interfaces de
materiais com diferentes impedâncias, parte da sua energia é refletida, esta reflexão é
chamada de eco, as técnicas de testes não destrutivos por ultrassom utilizam este
princípio para mensurar descontinuidades internas e medir espessuras. Sabendo as
propriedades e temperatura do material, é possível adquirir a informação da
velocidade da onda na peça, quando um pulso de ultrassom é emitido e refletido, com
a informação do tempo entre estas duas etapas, é calculado o percurso da onda e,
consequentemente, a distância que esta encontrou alguma interface no material,
sendo esta uma descontinuidade no interior da peça ou a superfície oposta.
32
Figura 27: Princípios básicos de ultrassom. (Andreucci, 2008)
Em testes não destrutivos são utilizadas ondas entre 0,1 e 50 MHz (Olympus,
2011), podendo ser refletidas em descontinuidades significativamente pequenas,
quanto menor a frequência maior o poder de penetração, porém menor a sensibilidade
a defeitos pequenos. Devido ao curto comprimento de onda, há uma grande
dificuldade de propagação no ar, necessitando de um meio de acoplamento entre o
transdutor e o material inspecionado.
Figura 28: Espectro sonónoro devidido em três faixa, sendo o Ultrassom subdividido em outras três. Figura adaptada de (Olympus, 2011)
4.2.1 Frequência x comprimento de onda x velocidade
É denominada de frequência (f) de onda a quantidade de ciclos da sua oscilação
por unidade de tempo, normalmente calculada na unidade de Hertz (Hz) que equivale
a medida de ciclos por segundo.
Baixa frequência/
Propaga no ar/
Alta potência
Convencional
/ Industrial
Alta frequência/
microscópio
acústico
Faixa
sub
sônica
Faixa audível Faixa
ultrassônica
33
A velocidade de propagação (c) é a distância percorrida pela onda por unidade de
tempo, esta depende do tipo de onda e do meio em que está sendo propagada, porém
independe da frequência e do comprimento de onda.
O comprimento de onda (λ) é medido pela distância entre dois picos de onda, no
caso de ondas longitudinais é medida a distância entre duas zonas de compressão.
Estas três características da onda estão relacionadas pela seguinte fórmula:
(1)
Sendo a velocidade uma característica do meio e o comprimento e a frequência
características da fonte emissora.
O comprimento da onda é de extrema importância na escolha do transdutor a ser
utilizado, pois a partir dele é estimado o tamanho da descontinuidade capaz de
detectar, normalmente o diâmetro do menor defeito detectável é calculado como a
metade do comprimento da onda utilizada.
4.3 Regiões focais – Campo próximo e campo distante
O transdutor de ultrassom pode ser interpretado como infinitos pontos oscilantes
produzindo cada um uma onda de vibrações que se propaga no material testado, em
uma região próxima ao emissor, há uma grande interferência entre estas diferentes
ondas, enquanto que a medida que se distancia da fonte, as interferências vão
diminuindo.
A região próxima do emissor, onde ocorrem estas interferências, é chamada de
campo próximo ou também de zona de Fresnel, o tamanho desta região (N) pode ser
calculado em função do diâmetro do transdutor (Def) e do comprimento de onda (λ)
pela seguinte função:
(2)
Ou,
(3)
Sendo:
Def = Diâmetro efetivo do cristal. Equivale a área acusticamente efetiva do cristal e
depende do seu formato, para cristais circulares Def = 0,97*Dcristal.
λ = Comprimento da onda de ultrassom.
f = Frequência da onda de ultrassom.
34
c = Velocidade do som no material, sendo c = λ*f.
No campo próximo há dificuldades na detecção de pequenas descontinuidades,
normalmente menores que o diâmetro do transdutor.
No campo distante as ondas se tornam divergentes e diminuem sua intensidade
aproximadamente com o inverso do quadrado da distância.
A onda sonora ao atravessar o material sofre dispersão, devido a não
homogeneidade das peças que cria interfaces naturais, e absorção, devido à perda de
energia causada pela própria oscilação das partículas, resultando numa atenuação de
sua energia.
Figura 29: Regiões de campo próximo e campo distante. Figura adaptada de (Olympus, 2011)
4.4 Tipos de ondas
4.4.1 Ondas longitudinais
Também chamadas de ondas de compressão, são ondas transmitidas em sólidos,
líquidos e gases em que a oscilação das partículas coincide com a direção de
propagação da onda.
As ondas longitudinais possuem alta velocidade de propagação, conforme visto na
Tabela 1.
Campo Próximo
Variações de amplitude
no campo Próximo
Campo Distante
35
Figura 30: Oscilação das ondas longitudinais. (Andreucci, 2008)
Tabela 1: Velocidade de propagação das ondas longitudinais. (Andreucci, 2008)
MATERIAL VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO [m/s]
Ar 330
Alumínio 6300
Cobre 4700
Ouro 3200
Aço 5900
Aço Inoxidável 5800
Nylon 2600
Óleo (SAE30) 1700
Água 1480
Prata 3600
Titânio 6100
Níquel 5600
Tungstênio 5200
Magnésio 5800
Acrílico 2700
Aço Fundido 4800
4.4.2 Ondas transversais
Também chamadas de ondas de cisalhamento, consistem em ondas cuja
oscilação das partículas é perpendicular ao seu sentido de propagação. Este tipo de
propagação é basicamente exclusivo dos sólidos, sendo praticamente incapaz de ser
transmitida em líquidos e gases.
As ondas transversais possuem baixas velocidades de propagação quando
comparadas com as longitudinais, conforme Tabela 2.
36
Figura 31:Oscilação das ondas transversais. (Andreucci, 2008)
Tabela 2: Velocidade de propagação das ondas transversais. (Andreucci, 2008)
MATERIAL VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO [m/s]
Ar -
Alumínio 3100
Cobre 2300
Ouro 1200
Aço 3200
Aço Inoxidável 3100
Nylon 1100
Óleo (SAE30) -
Água -
Prata 1600
Titânio 3100
Níquel 3000
Magnésio 3000
Acrílico 1100
Aço Fundido 2400
4.4.3 Superficiais
Conhecidas como ondas de “Rayleigh”, se propagam na superfície de materiais
sólidos, suas velocidades são aproximadamente noventa por cento das velocidades
das ondas transversais e possuem uma penetração da ordem de um comprimento de
onda.
São normalmente utilizadas no teste de camadas finas que recobrem outros
materiais.
37
4.4.4 De placas
Denominada também como ondas de “Lamb”, são ondas superficiais cujo
comprimento de onda é maior do que a espessura do material a ser testado. Estas
podem ser geradas por ondas longitudinais incidindo com determinada angulação em
relação à superfície e é utilizada para testar placas finas.
4.5 Acoplamento
A parcela de energia refletida na interface de dois meios é proporcional à
diferença entre as impedâncias destes.
Devido à rugosidade das peças, no contato do transdutor com a superfície, uma
camada de ar é criada nesta interface. Esta camada impede a propagação das ondas
para o sólido, pois há uma significante mudança entre as impedâncias.
A impedância acústica (Z) pode ser definida como a resistência do material à
propagação da onda sonora e pode ser calculada através do produto da velocidade da
onda (c) no meio pela densidade (ρ) deste:
(4)
Dela é possível calcular a quantidade de energia acústica refletida (R) entre dois
meios e, consequentemente, a energia transmitida (T) a partir das seguintes fórmulas:
(5)
Consequentemente:
(6)
Assim, o acoplante a ser utilizado deve ser escolhido adequadamente de forma
que estas perdas sejam minimizadas.
38
Tabela 3: Impedância acústica de alguns materiais e acoplantes. (Andreucci, 2008)
Acoplante Densidade
[g/cm³]
Velocidade da onda
longitudinal [m/s]
Impedância
Acústica [g/cm²*s]
Óleo ( SAE 30) 0,9 1700 1,5*105
Água 1,0 1480 1,48*105
Glicerina 1,26 1920 2,4*105
Carbox Metil Celulose (15g/l) 1,2 2300 2,76*105
Aço 7,8 5900 46*105
Ar ou Gás 0,0013 330 0,00043*105
Aço Inoxidável 7,8 5800 45,4*105
Alumínio 2,7 6300 17,1*105
Acrílico 1,18 2700 3,1*105
Cobre 8,9 4700 41,6*105
4.6 Transdutores
Um transdutor de ultrassom é um equipamento capaz de converter energia elétrica
em energia mecânica e vice versa. Desta forma, quando o transdutor recebe pulsos
elétricos o mesmo emite pulsos de vibração, que são transmitidos como uma onda de
ultrassom por possuírem alta frequência.
O elemento ativo de um transdutor é um cristal piezelétrico. Estes materiais
possuem um efeito extremamente útil, quando suas faces opostas são carregadas
eletricamente estes têm o comportamento como se estivessem sob pressão,
diminuindo sua espessura, desta forma, com pulsos elétricos alternados a frequências
definidas é possível criar ondas de vibração na frequência desejada. Da mesma forma,
quando aplicada pressão ao material piezelétrico, este retorna uma carga elétrica,
podendo ser lida e interpretada como a resposta das ondas mecânicas.
Figura 32: Partes de um transdutor. Figura adaptada de (Marks, 2014)
Invólucro
Conexâo elétrica
Marterial amortecedor
Material condutor em ambas
as superfícies piezelétricas
Elemento piezelétrico
Face de proteção
Transdutor
39
A seguir é apresentado o funcionamento de alguns tipos de transdutores:
4.6.1 Transdutores de contato monocristais
Os transdutores de contato monocristais são projetados para transmitir ondas
através do contato com a peça, normalmente utilizando uma fina camada de
acoplante. Estes possuem apenas um elemento piezelétrico que hora está
funcionando como emissor e hora como receptor. Em sua grande maioria, emitem
ondas longitudinais direcionadas perpendicularmente à superfície com frequências
entre 0,5 e 20 MHz.
Sua construção normalmente consiste em um cristal piezelétrico, de 3 a 38 mm,
colado em um bloco rígido chamado de amortecedor e com uma membrana de
borracha ou resina para proteção na outra extremidade.
É ideal para peças com superfícies paralelas.
Figura 33: Transdutor de contato monocristal. (Andreucci, 2008)
4.6.2 Transdutores de duplo cristal
Transdutores de duplo cristal consistem em dois elementos piezelétricos alocados
na mesma carcaça, separados por uma barreira acústica, sendo um cumprindo a
função de emissor e o outro de receptor.
Quando há o interesse em encontrar descontinuidades próximas à superfície ou
medir materiais de espessura pequena, têm-se dificuldades em utilizar os transdutores
monocristais, pois o mesmo elemento é responsável por emitir e receber as ondas.
Sendo a resposta muito rápida, não há tempo suficiente das vibrações emitidas serem
adequadamente amortecidas. Para este fim, é aconselhável a utilização de
transdutores de duplo cristal.
40
Figura 34:Transdutor de contato duplo cristal. (Andreucci, 2008)
4.6.3 Transdutores angulares
Os transdutores angulares são transdutores de contato monocristais acoplados
em uma cunha inclinada. Desta forma, as ondas penetram o material com uma
angulação definida. Esta cunha pode ser fixa no transdutor ou removível, permitindo a
fácil modificação do ângulo utilizando o mesmo transdutor.
Figura 35: Transdutor monocristal com cunhas angulares intercambiáveis. (Marks, 2014)
Este equipamento é ideal para a inspeção de soldas, pois não há a necessidade
de posicionar o transdutor em cima da solda.
De acordo com a angulação da cunha utilizada e da velocidade das ondas no
material, obtêm-se ondas longitudinais, transversais ou de superfície com diferentes
ângulos de refração, de acordo com a equação (7):
(7)
Sendo:
= Ângulo de incidência da cunha
= Velocidade das ondas longitudinais no material da cunha
41
= Ângulo de refração das ondas longitudinais no material testado
= Velocidade das ondas longitudinais no material testado
= Ângulo de refração das ondas transversais no material testado
= Velocidade das ondas transversais no material testado
Figura 36: Relação entre angulo de incidência e tipo de onda refratada. Figura adaptada de (Olympus, 2011)
4.6.4 Transdutores de imersão
Transdutores de imersão são transdutores monocristais de ondas longitudinais
cuja face de proteção possui uma impedância aproximadamente igual à da água,
otimizando o uso deste fluido como meio acoplante. Esta técnica é de extrema
utilidade para inspeções em linha, sem a necessidade de contato. Estes transdutores
normalmente possuem uma cápsula à prova d’água para que possa ser submerso na
água.
Estes transdutores também podem ser utilizados com um borbulhador, onde uma
coluna d’água é mantida por um fluxo constante. Normalmente são utilizadas ondas
longitudinais transmitidas através da água até o material, porém também é possível
ajustar um ângulo para que sejam produzidas ondas transversais.
Figura 37: Transdutor de imersão com borbulhador. Figura adaptada de (Marks, 2014)
1o ângulo crítico Ângulo incidente
2o ângulo crítico
Transversal
S
Superficial
T T
Manipulador do transdutor
Suprimento de água
Transbordamento
Recipiente com água
Objeto de teste
42
4.6.5 Transdutores “Phased Array”
Em um transdutor “Phased Array” pode-se ter dezenas de pequenos cristais, cada
um podendo ser controlado separadamente, emitindo ondas defasadas e podendo
modelar diversos feixes de onda. Assim com apenas uma varredura, é possível
inspecionar com diferentes ângulos de refração.
Seu funcionamento será explicado na seção 4.7.4
4.7 Técnicas de inspeção
4.7.1 Feixe reto
Com transdutores de feixe reto são utilizadas ondas longitudinais, as ondas
atravessam o material e são refletidas na superfície posterior, caso alguma
descontinuidade seja encontrada, parte dos feixes serão refletidos em um tempo
inferior aos demais, dando a localização da falha, conforme Figura 38:
Figura 38: Inspeção por feixe reto. (ASNT, 2012)
Vantagens:
Equipamento mais simples
Pode ser utilizado para medição de espessura
Baixa transmissão de dados
Desvantagens:
Não é capaz de encontrar trincas perpendiculares à superfície
Fraco para inspeção de soldas e superfícies irregulares
4.7.2 Feixe angular
O transdutor é o mesmo utilizado no feixe reto, porém é montado em uma cunha
com um ângulo pré-definido de maneira que passando o transdutor para trás e para
43
frente é possível, por exemplo, cobrir todo o volume de uma solda, como mostrado na
Figura 39:
Figura 39: Inspeção de solda por feixe angular. Figura adaptada de(ASNT, 2012)
Vantagens:
Pode ser utilizado para inspecionar soldas sem a necessidade de passar
por cima da mesma
Equipamento relativamente simples
É capaz de encontrar trincas perpendiculares à superfície
Desvantagens:
Menor precisão quando comparado com Phased Array
Necessidade de movimentação em duas direções para inspecionar todo o
volume da solda
4.7.3 Transmissão passante
São utilizados dois transdutores, um de cada lado do material, um deles transmite
os sinais de ultrassom e o outro funciona como um receptor, no caso de haver alguma
descontinuidade no caminho, o montante que chega ao receptor é menor.
Vantagens:
Equipamento mais simples
Pode ser utilizado para medição de espessura
Desvantagens:
Não é capaz de encontrar trincas perpendiculares à superfície
Deve haver acesso às duas superfícies do material
Não é capaz de informar a localização da descontinuidade
4.7.4 “Phased Array”
O transdutor de phased array possui diversos elementos que podem ser ativados
individualmente, ativando estes em tempos diferentes, é possível fazer a varredura de
uma região e transformar esta informação em um corte do material inspecionado.
Varredura
44
Figura 40: Inspeção de solda por Phased Array. (Dubé, 2004)
Vantagens:
Grande precisão na detecção e medição de falhas
Alta velocidade de varredura
Consegue identificar trincas em qualquer direção
Poder ser utilizado para inspecionar soldas sem necessitar estar em cima
delas
Desvantagens:
Equipamento muito mais complexo
Maior quantidade de dados trafegando
Limitações no tamanho do cabo, normalmente a um máximo de 20 metros
Necessidade de operadores qualificados
4.7.5 Time of Flight Diffraction (TOFD)
Os testes por TOFD normalmente são utilizados para inspecionar soldas, são
colocados dois transdutores, um antes da solda funcionando como transmissor e outro
depois da solda funcionando como receptor, ambos devem se mover ao longo da
solda mantendo a distância entre o transmissor e o receptor.
Duas ondas são geradas pelo transdutor emissor, uma que atravessa a solda na
altura da superfície dos dois transdutores e outra que reflete na superfície oposta e
volta para o receptor.
Quando é encontrado algum defeito interno, parte da onda é difratada gerando
uma onda sonora de baixa potência que pode ser capturada pelo receptor,
amplificando este sinal e analisando em um software adequado, é possível determinar
o tamanho e a localização deste defeito com uma precisão maior do que a das
técnicas comuns de ultrassom.
45
Figura 41: Inspeção de solda por TOFD. Figura adaptada de (Dubé, 2004)
Vantagens:
Grande precisão na detecção e medição de falhas
Poder ser utilizado para inspecionar soldas
Detecta a posição e o tamanho das falhas
Desvantagens:
Equipamento complexo
Não inspeciona bem a superfície que está em contato com os transdutores
Necessidade de operadores qualificados
4.8 Variáveis
Para criar um procedimento de inspeção por ultrassom é necessário determinar
algumas variáveis. Além da técnica utilizada, do tipo de onda transmitida, do tipo de
transdutor e do meio de acoplamento, já elucidados nos capítulos anteriores, deve-se
definir a frequência da onda e o diâmetro do cristal.
4.8.1 Frequência
Para definir a frequência a ser utilizada, leva-se em conta que quanto maior a
frequência menor o comprimento de onda, logo maior a sensibilidade do transdutor a
pequenos defeitos, porém menor é a penetração no material e maior a atenuação da
onda.
Ondas Laterais
Ondas Laterais Extremidade superior
Extremidade inferior
Superfície traseira
46
Normalmente o diâmetro do menor defeito detectável é calculado como sendo a
metade do comprimento de onda utilizado. Assim, sabendo a sensibilidade que o
projeto requer, é possível especificar uma frequência mínima a ser utilizada.
4.8.2 Tamanhos de cristal
Após o início do campo distante o feixe de ultrassom torna-se divergente, a
angulação desse feixe pode ser estimada pela Equação (8):
(8)
Sendo:
ϴ = metade do ângulo do feixe
λ = Comprimento de onda
D= Diâmetro do transdutor
Desta forma quanto maior o diâmetro do transdutor menor é a angulação da
dispersão do seu feixe.
Além disto, quanto maior o diâmetro do transdutor mais energia sonora é
transmitida, logo maior é a sua penetração.
Figura 42: Angulo de feixe. Figura adaptada de (Marks, 2014)
Tabela 4: Relação de frequência, Diâmetro do transdutor e ângulo do feixe. Tabela adaptada de (Marks, 2014)
Frequência [MHz]
Diâmetro do transdutor
9,5mm 12,7mm 19mm 25,4mm
1 0,2287 48o 0’ 34o 0’ 21o 52’ 16o 13’
2,25 0,102 19o 23’ 14o 25’ 9o 33’ 7o 9’
5 0,0457 8o 34’ 6o 25’ 4o 16’ 3o 12’
Transdutor
Objeto de teste
or or
or
Campo próximo Campo distante
ϴ
47
5 Visão geral e módulo de tração e inspeção
visual do sistema
5.1 Premissas:
Este protótipo deve ser capaz de inspecionar o interior das linhas principais de
juntas de risers de perfuração, inspecionando a espessura da parede a fim de detectar
perda de massa e corrosão e a superfície interna do tubo, para identificar
descontinuidades como trincas, buracos, corrosão em excesso e deformações de
forma. A limpeza da superfície interna do riser é crucial para o bom funcionamento
das técnicas utilizadas no projeto.
A ferramenta focará risers de perfuração cuja linha principal tenha de 17” a 20” de
diâmetro interno, sendo cada junta de até 60 metros de comprimento e inspecionadas
separadamente.
Estas juntas deverão estar armazenadas na plataforma, em posição horizontal.
Figura 43: Desenho esquemático de juntas de risers de perfuração armazenadas em posição horizontal.
Ao final de cada perfuração, estas juntas são retiradas da água e armazenadas na
plataforma, normalmente em posição horizontal, estando prontas para a próxima
perfuração. Neste intervalo entre perfurações se torna viável a inspeção das mesmas.
5.2 O Robô:
O sistema será modular para facilitar a adequação do mesmo a diferentes
demandas do mercado, podendo embarcar com a configuração necessária para a
inspeção dos risers de perfuração da plataforma.
48
A ferramenta será dividida em três módulos:
O módulo de tração e inspeção visual consistirá em um robô motorizado, movido a
energia elétrica que será responsável pela movimentação de todos os demais módulos
ao longo do riser, nele será acoplado um sistema de iluminação artificial e uma câmera
com movimentação pan e tilt e zoom para detectar os defeitos superficiais e
acompanhar o andamento da ferramenta ao longo do duto. Caso seja necessária
inspeção visual, este módulo é suficiente.
O módulo de medição de espessura será acoplado ao módulo de tração, nele oito
transdutores de ultrassom farão a leitura contínua da espessura do duto em oito
pontos ao longo de todo seu comprimento, detectando perda de massa, corrosão e
certos defeitos internos. Este módulo também possuirá um sistema de rodas com o
objetivo de centralizar a ferramenta no interior do riser e dar mais um apoio à
estrutura.
O módulo de inspeção das soldas não fará parte do presente estudo, porém há a
previsão do acréscimo de um módulo capaz de inspecionar internamente as soldas
longitudinais e radiais do riser, este terá um sistema de posicionamento que
acompanhará a solda longitudinal, sistema de movimentação circular para percorrer a
solda radial e equipamentos de ultrassom para averiguar a integridade interna das
soldas.
Quanto aos materiais utilizados na fabricação do equipamento, devido ao seu uso
em ambiente altamente corrosivo, será priorizada a utilização de materiais de alta
resistência à corrosão, como ligas de aço inoxidável ou alumínio, sendo o aço
inoxidável priorizado em situações em que se necessite de alta resistência mecânica e
o alumínio quando o baixo peso é essencial. Quando comparadas as ligas de aços
inoxidáveis, o uso da liga 304 em altas temperaturas acarreta em uma diminuição da
resistência à corrosão, não sendo este o caso do equipamento, priorizaremos a
utilização desta liga devido ao seu menor custo. A liga de alumínio escolhida foi para
fabricação foi a 5052, devido ao menor custo quando comparadas com ligas especiais
como 6061 e 7075 e razoável resistência mecânica. Quando a utilização de outro
material se fizer necessária, os motivos serão elucidados ao longo do trabalho.
Figura 44: Conceito básico do projeto.
49
5.3 Módulo de tração e inspeção visual
O Módulo de tração e inspeção visual consiste em uma carcaça feita em chapa de
aço inoxidável cortada, dobrada e soldada, quatro mancais, quatro eixos, oito
rolamentos, quatro retentores, quatro cubos de roda, quatro rodas de borracha
vulcanizada, um motor elétrico de corrente contínua, uma transmissão angular com
dois eixos de saída, dois sistemas de iluminação com LED e uma câmera.
Este módulo foi construído e testado durante o decorrer do projeto, e está em
funcionamento. Sendo assim, será feita a elucidação de sua construção e calculados
os esforços em suas partes mais críticas, modificando apenas o necessário para
garantir uma vida útil longa e evitar problemas em sua operação.
Figura 45: Módulo de inspeção visual construído.
5.3.1 A câmera
Para uma adequada inspeção visual do duto é necessária uma câmera com
movimento de pan e tilt, cobrindo toda a superfície interna, zoom para melhor
visualização dos defeitos e boa qualidade de imagem.
Foi decidido buscar no mercado uma câmera que atendesse aos requisitos e foi
eleita a câmera B95 do fabricante “ACTI Corporation” devido as seguintes
características de acordo com a ficha de dados técnicos do fabricante (ACTI):
Ótima qualidade de imagem, com dois megapixels e 30 quadros por
segundo em resolução de 1920 x 1080.
Zoom de dez vezes
Pan e tilt
À prova de água, de acordo com grau de proteção a poeira e água IP66
50
À prova de vandalismo de acordo com grau de proteção a impacto IK10
Comunicação IP, facilitando a transmissão de dados e evitando a
necessidade de uso de um decodificador de vídeo.
Dimensões de 152,8mm de diâmetro e 115,7mm de altura se adequando
ao projeto
Figura 46: Câmera Acti B95. Figura retirada do catálogo (ACTI)
5.3.2 Tração necessária
Para calcular a tração necessária no equipamento, foi levada em conta a
resistência ao rolamento das rodas do módulo de tração e das rodas de apoio do
módulo de medição de espessura, o atrito nas cápsulas dos transdutores e a força de
arrasto causada pelo cabo umbilical do equipamento.
5.3.2.1 Atrito do umbilical:
De acordo com o fabricante (Nexans), o cabo utilizado possui um peso de
1930N/Km. Sendo o tamanho máximo da junta de 60m, a força normal da extensão do
cabo [ ] é:
(9)
Revestindo o cabo com uma jaqueta de Teflon, têm-se um coeficiente de atrito
[Cteflon.-aço] de até 0,08 (WIEBECK, et al., 2005). Logo, a força de arrasto causada pelo
atrito do cabo [ ] é de:
(10)
51
5.3.2.2 Atrito nas cápsulas dos transdutores:
De acordo com os cálculos feitos na seção 6.3, Tabela 5, é observado que a maior
força de aproximação [Ft] entre a cápsula do transdutor e a superfície do tubo vale
82,6N e sendo o coeficiente de atrito do Teflon de até 0,08 (WIEBECK, et al., 2005), a
força de atrito causada pelo somatório do atrito das 8 cápsulas de transdutor é de:
(11)
5.3.2.3 Resistência ao rolamento das rodas do módulo de tração:
Sendo o peso suportado pelas rodas do módulo de tração [FNT] de 750N e
supondo o coeficiente de resistência ao rolamento [Cf] entre a roda de borracha
vulcanizada com o aço menor que 0,02. A força de resistência ao rolamento das rodas
do módulo de tração [ ] é:
(12)
5.3.2.4 Resistência ao rolamento das rodas de apoio do módulo de medição de
espessura:
De acordo com os cálculos feitos na seção 6.4, visualizados na Tabela 6, a maior
força de aproximação [FR] entre a roda de apoio e a superfície do tubo vale 120N.
Sendo 6 rodas, o somatório das forças normais nas rodas de apoio têm o
valor de:
(13)
Sendo o coeficiente de resistência ao rolamento entre as rodas de silicone com o
aço suposto menor que 0,02. A força de resistência ao rolamento das rodas de apoio
do módulo de medição de espessura é:
(14)
Assim, as forças atuantes na movimentação do sistema são:
Figura 47: Diagrama de forças horizontais atuantes no sistema
52
Logo, a força motora mínima deve ser:
(15)
Tendo as rodas um diâmetro [Droda] de 0,2m, o torque mínimo necessário para
obter-se uma força motora conforme especificada na equação (15) é de:
(16)
Supondo o coeficiente de atrito entre a borracha vulcanizada e o aço [Cborracha-aço]
de 0,4, A força motora máxima [ ] capaz de ser entregue pelas rodas
motoras antes de patinar, levando em consideração que o centro de massa do
equipamento está alinhado com estas, valem:
(17)
Sendo:
= Força normal total do equipamento.
Esta força nos dará um torque máximo [ ] de:
(18)
5.3.3 O motor
O motor será de corrente contínua alimentado por 24V. O fabricante escolhido foi
o MidWest Motors devido a grande gama de motores em catálogo, com diferentes
torques e rotações, além de possuírem opções com enconder e freio acoplado.
Limitando a velocidade máxima a 60 m/min, como o diâmetro da roda é de 0,2m, a
rotação [n] máxima do motor após redução é de:
(19)
O torque contínuo necessário, calculado na Equação (16), é de 9,16N.m e é
desejado um torque de pico acima de 30Nm, de acordo com a equação (18), para que
o motor não seja um fator limitante na passagem por obstáculos.
Com isto, foi eleito o motor MMP D22-376E-24V GP52-093 devido ao seu torque
contínuo de 11,4Nm, torque de pico de 50Nm e rotação com carga completa de
41rpm, conforme catálogo (MIDWEST).
53
Figura 48:Motor MidWest utilizado no módulo de tração
5.3.4 A transmissão
Foi decidido utilizar apenas um motor acoplado a uma transmissão com duas
saídas para evitar que diferenças entre os motores impeçam a garantia de uma
trajetória retilínea.
A transmissão de potências entre o motor e o eixo das rodas será por
engrenagens cônicas devido à sua alta eficiência e a possibilidade de movimentos
reversíveis.
Foi escolhido utilizar engrenagens comerciais do fabricante Bonfiglioli. De acordo
com o catálogo (BONFIGLIOLI), o torque nominal [TN] da transmissão deve ser maior
que o torque [TR] no eixo de entrada multiplicado por um fator de serviço [fS].
Supondo uma utilização de 16 horas por dia, com carregamentos de choque
médio e uma quantidade de acionamentos de até 50 vezes por hora, de acordo com o
gráfico x retirado do catálogo do fabricante é encontrado um fator de serviço de 1,58.
Figura 49: Gráfico retirado do catálogo de transmissões (BONFIGLIOLI).
Acionamentos por hora
54
Desta forma, o torque nominal [ ] da transmissão deve ser de:
(20)
De acordo com o catálogo (BONFIGLIOLI), o modelo RAN18.14 possui um torque
nominal de 22Nm para rotações menores que 500rpm, sendo desta maneira escolhido
para ser utilizado no módulo de tração.
Segundo o fabricante (BONFIGLIOLI), o torque máximo em caso de pico [ ] de
carregamento deve ser de até 200% o torque nominal:
(21)
Sendo assim, como o máximo torque antes da roda patinar é de 30Nm, a
transmissão não será um limitante de torque em caso de obstáculos e picos de
carregamentos.
Figura 50: Exemplo da Transmissão Bonfiglioli utilizada.
5.3.5 A estrutura
Sendo o alumínio um material de baixa soldabilidade e devido à alta resistência
mecânica das ligas de aço inoxidável, a estrutura foi fabricada de uma chapa dobrada
e soldada deste aço. Neste caso, a liga utilizada foi de aço inoxidável 304L a fim de
evitar a corrosão intergranular causada pelo aporte de calor no momento da solda. A
liga de 304L possui um teor de carbono abaixo de 0,03%, estando desta forma abaixo
do limite de solubilidade do cromo e evitando a corrosão intergranular(ABINOX, 2014).
A estrutura deve suportar uma carga de 370N distribuída nas suas abas
superiores, referente ao apoio do módulo de medição de espessura e uma carga de
380N na sua base inferior referente ao peso do próprio módulo de tração.
Estes dois módulos foram projetados para quando em conjunto, possuírem seu
centro de massa na direção dos eixos de tração, desta forma o somatório destas
cargas devem ser suportadas pela região de fixação dos mancais das rodas de tração.
A análise das tensões nesta estrutura foi efetuada utilizando o método dos
elementos finitos através do software ANSYS (Apêndice A1).
55
Figura 51: Projeto da estrutura do módulo de tração.
5.3.6 Os mancais
Cada mancal foi fabricado em aço inoxidável 304, devido ao seu significativo
carregamento e ao contato direto com a estrutura em aço inoxidável, acomodando
dois rolamentos e um retentor para garantir a vedação do equipamento, este será
aparafusado à estrutura para evitar possíveis empenos caso fosse soldado. Uma junta
de borracha nitrílica fará a vedação dos furos da estrutura e arruelas de vedação farão
a vedação dos parafusos.
Estando o centro de massa do somatório dos módulos alinhados com os eixos de
tração, cada mancal deve suportar metade das cargas verticais em questão, que
valem 750N.
Logo, a força em cada mancal [ ] é igual a:
(22)
Sendo:
Carga total.
As tensões referentes a esta carga nos mancais foram analisados utilizando o
método dos elementos finitos com auxílio do software ANSYS (Apêndice A2).
Figura 52: Projeto do mancal do módulo de tração.
56
5.3.7 Os eixos
O eixo foi fabricado em aço inoxidável 304, devido ao seu significativo
carregamento, formando uma ligação entre o cubo de roda e o eixo da transmissão, é
apoiado por dois rolamentos e possui um retentor para garantir a vedação do interior
do sistema mesmo em situação dinâmica.
Uma chaveta de 5x5mm, de acordo com especificações da transmissão, une o
eixo em questão com o da transmissão.
Os eixos devem ser capazes de suportar um torque de 15N.m, referente à metade
da tração máxima antes do equipamento patinar [Equação(18)] e uma carga radial de
375N [Equação(22)].
As tensões referentes às cargas requisitadas acima foram analisadas utilizando o
método dos elementos finitos com auxilio do software ANSYS (Apêndice A3).
Figura 53: Projeto do eixo do módulo de tração.
5.3.8 As roda
Os cubos de roda foram fabricados em aço inoxidável 304, devido ao seu
significativo carregamento e contato estático com o eixo em aço inoxidável, sendo
ligados diretamente aos eixos por quatro parafusos M6.
Nestes foram enxertadas rodas de borracha vulcanizada para garantir uma boa
aderência com a superfície do duto, estas rodas possuem uma angulação de 40º para
aumentar a superfície de contato com a parede interna do duto e garantir uma
trajetória retilínea no seu interior através do seu escorregamento em caso de
tendência de desvio.
Figura 54: Projeto do cubo de roda, onde foi vulcanizada a borracha para confecção da roda.
57
Figura 55: Projeto da roda do módulo de tração, montada ao cubo de roda da Figura 54Figura 53.
5.3.9 Os rolamentos e retentores
Os cálculos apresentados neste trabalho para o dimensionamento dos rolamentos
foram obtidos das informações técnicas do catálogo da SKF (2003) e seguem a seguir:
Possuindo o eixo um diâmetro externo de 25mm, primeiramente será analisado o
uso do rolamento de uma camada de esferas, devido ao seu baixo custo e baixo
torque de atrito, modelo 61805, pois este possui o diâmetro interno requerido e o
menor diâmetro externo dentre os demais da serie padrão.
Segundo catálogo do fabricante (SKF, 2003), este modelo possui dimensões de
25mm de diâmetro interno, 37mm de diâmetro externo, 7mm de largura, capacidade
de carga dinâmica [C] de 4360N e capacidade de carga estática [C0] de 2600N.
O fator de segurança para carga estática [s0] deste rolamento, para uma carga
radial [P0] de 375N, como calculada na equação (22) equivale a:
(23)
Neste caso é possível estimar a vida [L10] do rolamento 61805, com uma
confiabilidade de 90%, a uma velocidade [n] de 41rpm e uma força radial de 375N,
segundo catálogo (SKF, 2003), como sendo:
(24)
Para uma velocidade de 41rpm, esta vida em horas de uso equivale a:
(25)
Foram utilizados retentores nos eixos do módulo de tração a fim de garantir sua
estanqueidade dinâmica.
40o
58
Para o dimensionamento dos retentores foi utilizado como referência o catálogo do
fabricante SABÓ (2012).
Utilizando o gráfico da Figura 56, é encontrado que o material indicado pela norma
DIN 3761, para eixos de 25mm e rotações abaixo de 500rpm é o NBR.
Desta forma o retentor especificado para o eixo do módulo de tração foi o
01892BRG.
Figura 56: Gráfico referente à norma DIN3761 para especificação de material do retentor. Gráfico adaptado de (SABÓ, 2012)
Diâmetro do eixo [mm] 25
500
NBR
RPM
59
6 Módulo de medição de espessura
6.1 Equipamentos de ultrassom
6.1.1 Escolha dos Transdutores
Conforme elucidado no capítulo 4, seção 4.5, deve ser utilizado um elemento
acoplante entre a superfície do material a ser testado e o transdutor, pois sendo
impedância do ar muito baixa, praticamente toda a energia acústica é refletida na
interface ar metal, como é possível observar na seguinte equação, retirada da
equação (5) deste trabalho:
(26)
Sendo,
R= Proporção de energia refletida
Zar = Impedância acústica do ar = 0,00043x105
Zaço = Impedância acústica do aço = 46x105
Logo, da equação (26):
Com os meios acoplantes tradicionais, como a glicerina, haveria grande
dificuldade em manter um fluxo constante vindo de um recipiente externo ao riser até o
ponto de ação do transdutor, além de custos consideráveis. Por este motivo, foi
decidido utilizar água como elemento de acoplamento, em transdutores de imersão. A
diminuição da reflexão na interface entre a água e o aço é considerável em relação ao
ar, como é observado na equação (27):
(27)
Sendo,
R= Proporção de energia refletida
Zágua = Impedância acústica do ar = 1,48x105
Zaço = Impedância acústica do aço = 46x105
Logo, da equação (27):
60
Da equação (6), a parcela de energia transmitida é de:
(28)
Assim, é observado que 88% da energia é refletida e 12% transmitida.
Foi eleito também utilizar ondas do tipo longitudinais, pois são ideais na medição
de espessura em peças com superfícies opostas paralelas.
Para atender aos requisitos, foi escolhido no mercado o uso dos transdutores de
imersão da Olympus. Estes transdutores podem ser utilizados em imersão ou
mantendo uma coluna de água constante entre o transdutor e a superfície. Como o
uso de água doce é restrito na plataforma e o gasto deste recurso seria grande para
alagar todo o interior dos risers, optou-se pela técnica da coluna de água.
Figura 57: Transdutores de imersão da Olympus. Figura retirada do catálogo do fabricante
A fim de diminuir a quantidade de cabos, que acarretariam em um aumento
significativo na força de arrasto contrária ao movimento do sistema, será utilizado o
equipamento “Pocket-Scan” da “Technology Design” embarcado no robô, que possui
oito entradas de cabos coaxiais, faz a leitura dos dados recebidos dos transdutores e
envia para um computador através de apenas um cabo.
Figura 58:Pocket-Scan da Technology Design. Figura retirada do catálogo do fabricante
61
6.1.2 A cápsula do transdutor
Um protótipo da cápsula do transdutor foi construído para testar o conceito e medir
o tamanho de coluna de água ideal. Foram obtidos ótimos resultados nos testes com
uma coluna de água entre meia polegada e uma polegada (12,7 e 25,4 mm).
Figura 59: Protótipo da cápsula do transdutor.
Esta cápsula servirá como suporte para os transdutores e irá manter uma coluna
de água homogênea entre o transdutor e a superfície interna do riser, tendo a fincão
de meio acoplante.
Quatro parafusos M5 x 0.8 farão o suporte da cápsula no restante da estrutura, o
transdutor será alocado em um furo com suas dimensões, dois anéis de vedação
impedirão o vazamento de água na parte inferior da cápsula e um parafuso M5 x 0.8
na parte inferior central irá fixar o transdutor para não haver deslocamento através do
furo. Uma coluna de água de 18,5 milímetros será mantida entre a face superior do
transdutor e a superfície interna da linha principal por uma entrada conectada a uma
mangueira que constantemente estará injetando água no sistema para compensar as
perdas.
Esta peça será fabricada em alumínio e uma peça de Teflon será alocada na face
superior da cápsula a fim de fazer o contato dinâmico com a superfície do riser, e
funcionando como um material consumível de menor custo que a cápsula em caso de
desgaste.
O Teflon com adição de bissulfeto de molibdênio foi escolhido como material de
contato devido às seguintes características:
Baixo coeficiente de atrito, tendo valores em contato com o aço entre 0,04
(NORTON, 2011) e 0,08 (WIEBECK, et al., 2005).
Impermeabilidade, mantendo suas características mesmo em ambiente úmido
Substância inerte
62
A adição de bissulfeto de molibdênio reduz o seu desgaste mantendo sua ótima
propriedade de deslizamento de acordo com DIAS (2011)
Figura 60: Corte do projeto da cápsula do transdutor
6.2 Estrutura principal
6.2.1 O projeto
Com a finalidade de adaptar um mesmo equipamento para linhas principais de 17
até 20 polegadas, foi projetado um sistema de hastes e fusos para aproximar os
transdutores e rodas à superfície interna do riser. Um servo motor transmite torque aos
fusos através de engrenagens, rotacionando os mesmos. Uma das extremidades do
sistema é composta por um suporte que possui porcas especiais que transformam o
movimento rotacional do fuso em movimento linear, se aproximando do suporte fixo e
aumentando o diâmetro de ação do equipamento.
Figura 61: Projeto do módulo de espessura acoplado ao módulo de tração.
Anel de vedação
Transdutor
Entrada de água
Consumível de teflon
63
6.2.2 A barra principal
A Barra principal será um tubo estrutural de aço inoxidável, devido às significativas
cargas que suportará. Este possuirá um diâmetro externo de cinquenta milímetros e
três milímetros de parede.
Nesta serão alocados os suportes fixos e será percorrida pelos suportes móveis.
Esta será fixada ao módulo de tração por uma fixação de apoio acoplada a um
sistema de elevação a fim de centralizar a barra principal no interior do riser.
A barra principal deve ser capaz de resistir à flexão causada pelo peso dos demais
equipamentos acoplados a ela. Os cálculos referentes foram realizados utilizando o
método de elementos finitos (Apêndice A4).
6.2.3 Fixação de apoio da barra principal
A fixação de apoio da barra principal será fabricada em alumínio e deverá ser
capaz de suportar o módulo de medição de espessura em balanço.
Nesta peça será fixado o servo motor que movimentará os fusos e estará alocada
entre as abas da estrutura do módulo de tração.
Figura 62: Projeto da fixação de apoio do módulo de medição de espessura (a) e sua alocação no módulo de tração (b).
6.2.4 Os suportes
Os suportes serão feitos de alumínio e acoplados à barra principal do módulo de
medição de espessura, estes serão responsáveis pela sustentação e movimentação
das hastes do sistema de rodas de apoio e do sistema de aproximação dos
transdutores.
Dentre eles, haverão os suportes fixos, que serão aparafusados na barra principal,
e os suportes móveis, que se movimentarão ao longo da barra através da rotação do
fuso em sua lateral.
Mancal do módulo de
medição de espessura
Servo motor
64
Os suportes móveis possuirão mancais plásticos de deslizamento, a fim de
diminuir o atrito entre estes e a barra principal, fabricados pela IGUS, modelo JUM-02-
50, o qual não necessita de lubrificação, possui baixo atrito e baixa absorção de água
conforme catálogo (IGUS, 2014).
Para o acoplamento entre os fusos e os suportes móveis haverão porcas
trapezoidais com flanges, fabricadas pela IGUS, modelo JFRM-2525TR10x2,
possuindo as mesmas vantagens dos mancais descritos acima e suportando uma
carga de 1408N de acordo com o catálogo (IGUS, 2014).
Figura 63: Mancal de deslizamento JUM-02-50 (a) e porca trapezoidal JFRM-2525TR10x2 (b). Figuras retiradas dos arquivos 3D do fabricante IGUS
6.2.5 Câmera frontal
Será alocada uma câmera na parte frontal do módulo de medição de espessura a
fim de acompanhar a movimentação do sistema e antever obstáculos e defeitos.
A inspeção visual será feita com a câmera traseira especificada no capítulo
anterior.
A câmera frontal não necessita de movimentação no seu eixo contanto que
possua uma grande angulação do seu campo de visão, deve possuir boa imagem,
dimensões pequenas e ser resistente à água.
Buscando dentre as opções de mercado optou-se por utilizar a câmera S14
FlexMount da Mobotix, que possui uma visão panorâmica de 180º, dimensão externa
de 50mm de diâmetro, resistente à água de acordo com o padrão IP65, imagens de
6Mpixel e iluminação própria, de acordo com catálogo (Mobotix).
Figura 64: Câmera FlexMount da Mobotiz. Figura adaptada do catálogo do fabricante
LEDs
65
6. 3 Sistema de aproximação dos transdutores
6.3.1 O conceito
Para garantir o contato de todos os transdutores com a superfície da linha
principal, mesmo com a ocorrência de irregularidades, soldas ou demais obstáculos,
foi incluído um sistema de molas individuais para cada transdutor, assim, o contato é
sempre garantido e permite que o equipamento ultrapasse pequenos obstáculos.
Figura 65: Sistema de aproximação dos transdutores e suas partes.
6.3.2 Diagrama de forças
Para garantir o contato entre a cápsula e a superfície interna do tubo, será incluído
um sistema de molas capaz de produzir uma força maior do que o peso dos
transdutores, suas cápsulas, hastes de suporte, parafusos, cabos e da coluna d’água
acumulada na região e um curso capaz de transpor obstáculos.
Este peso foi estimado em 15N:
8 Hastes com uma média de 0,7N cada (5,6N)
20 Parafusos com uma média de 0,04N cada (0,8N)
1 Cápsula de aproximadamente 1,5N
1 Consumível de teflon de aproximadamente 0,1N
1 Transdutor de aproximadamente 1N
1 cabo UHF de aproximadamente 4N
1 mangueira de água de aproximadamente 2N
Ao peso do equipamento será somado o peso referente à pressão da água
tendendo a empurrar o transdutor na direção oposta à parede.
Fuso
Transdutor
Capsula do transdutor
Consumível de teflon
Suporte fixo 2
Haste da mola
Mola
Suporte móvel
Porca
Hastes de apoio
Suporte fixo 1
66
Limitando a pressão da água no equipamento a 2Kg/cm², têm-se que:
(29)
Sendo:
Fágua = Força da água contra a parede do tubo
Págua = Pressão da água
Astrans = Área da seção transversal do transdutor
(30)
,
Da equação (29):
Fágua = Págua * Astrans = 2kgf/cm² * 2cm² = 4kgf = 40N
Assim, deve ser garantida uma força de contato na superfície do duto de ao
menos 55N na situação em que a mola esteja no seu curso de funcionamento sem
obstáculo.
Cada um dos oito sistemas obedecerá ao seguinte diagrama de forças:
Figura 66: Diagrama de forças do sistema de aproximação dos transdutores.
Somatório das forças externas horizontais:
(31)
Somatório das forças externas verticais:
(32)
FT
RAV
RAH
RDV RFV
RDH RFH D
A
B C
E
F
α α β
67
Analisando a haste B-C:
Figura 67: Diagrama de forças da haste B-C do sistema de aproximação dos transdutores.
Somatório das forças horizontais:
(33)
Somatório das forças verticais:
(34)
Somatório dos momentos em relação ao ponto B:
(35)
Analisando a haste A-B:
Figura 68: Diagrama de forças da haste A-B do sistema de aproximação dos transdutores.
Somatório das forças horizontais:
(36)
FT
RBV
RBH RCH
RCV
C B
d
L
α
RAV
A
B
RBV
RAH
RBH
68
Somatório das forças verticais:
(37)
Somatório dos momentos em relação ao ponto A:
(38)
Analisando a haste C-D:
Figura 69:Diagrama de forças da haste C-D do sistema de aproximação dos transdutores.
Somatório das forças horizontais:
(39)
Somatório das forças verticais:
(40)
Somatório dos momentos em relação ao ponto E:
(41)
α
RDV
D
C
RCV
RDH
RCH
E
REV
REH
69
Analisando a haste E-F:
Figura 70: Diagrama de forças da haste E-F do sistema de aproximação dos transdutores.
Somatório das forças horizontais:
(42)
Somatório das forças verticais:
(43)
Somatório dos momentos em relação ao ponto F:
(44)
A partir das equações 31 a 44 são encontradas as seguintes reações:
Componente vertical da reação no ponto de apoio A:
(45)
Componente horizontal da reação no ponto de apoio A:
(46)
Componente horizontal da reação no ponto de apoio F, referente à força de
compressão da mola:
(47)
Componente vertical da reação no ponto de apoio F:
(48)
β
RFV
RFH
REH
REV
F
E
A
70
Componente horizontal da reação no ponto de apoio D:
(49)
Componente vertical da reação no ponto de apoio D:
(50)
6.3.3 As molas
As molas terão um curso de funcionamento de 10mm a 15mm, para os diâmetros
máximo e mínimo, respectivamente, e a fim de absorver desvios na superfície do tubo
ou obstáculos, mantendo o contato, terão um curso máximo de 25mm.
Para o cálculo da mola é necessário estimar a força para que na situação de
menor esforço, com a mola em seu curso de funcionamento, seja capaz de exercer
uma força de contato de pelo menos 55N na superfície do tubo.
Esta situação equivale ao momento em que o equipamento está operando no
menor diâmetro de tubo e com a mola em um curso de 15mm.
Os ângulos das hastes nesta situação equivalem a:
Desta forma:
(51)
Logo cada mola deve exercer uma força de pelo menos 91,5N, com 15 mm de seu
comprimento livre.
Assim, a constante de mola [K] tem o valor de:
(52)
Sendo:
K = Constante de mola
F = Força atuante na mola
x = Deflexão da mola
Desta forma, da equação (52):
71
Premissas para o dimensionamento das molas:
Comprimento livre [L0] = 60mm
Curso de funcionamento [Δf] = 10 a 15mm
Curso máximo [Δm] ≥ 25mm
Comprimento Solido [LS]= L0 - Δm
Diâmetro médio [D] =13+d ≤D≤ 24 – d
Constante de mola [K] ≥ 6,05N/mm
A teoria para o dimensionamento das molas apresentado neste trabalho foi obtida
de (BUDYNAS, et al., 2011).
Algumas recomendações de projeto são dadas por BUDYNAS (2011), são elas:
Sendo o índice de mola:
(53)
E = número de espiras ativas
4 ≤ C ≤ 12
3 ≤ Na ≤ 15
Fator de segurança nS > 1,2
De acordo com BUDYNAS (2011), para molas apoiadas por superfícies planas, é
recomendado utilizar molas com extremidades esquadradas e esmerilhadas. Para
estas as seguintes relações são válidas:
Número total de espiras [ ]:
(54)
Comprimento livre [L0]:
(55)
Comprimento Sólido [LS]:
(56)
Passo [p]:
(57)
Sendo:
d = Diâmetro do fio
72
Analisando uma mola de d=2,3mm, OD=18mm e 12 espiras ativas, fabricado em
aço A228, as seguinte propriedades são encontradas:
Propriedades físicas:
Módulo de cisalhamento [G] = 81000MPa
Propriedades geométricas da mola:
Diâmetro nominal [D]:
(58)
Outras propriedades geométricas da mola:
[Equação (54)]
[Equação (56)]
[Equação (57)]
[Equação (54)]
Segundo BUDYNAS (2011), a constante de mola [K] é obtida por:
(59)
O limite de escoamento [SSY] de uma mola de aço A228:
(60)
E sendo o fator de curvatura e cisalhamento [KB] igual a:
(61)
É possível encontrar a tensão de cisalhamento [ na mola pela equação (62):
(62)
Sendo = força de fechamento, que equivale a:
(63)
Têm-se da equação (62):
73
O fator de segurança quando a mola é totalmente comprimida é:
(64)
6.3.4 As hastes
Os transdutores serão suportados por três hastes de aço inoxidável 304, de seção
25,4 x 3mm, sendo duas delas paralelas, ligando a cápsula do transdutor aos suportes
fixos, garantindo a perpendicularidade dos transdutores em relação à parede do riser e
uma unindo o suporte móvel ao centro da haste maior com a finalidade de controlar a
angulação das demais, diminuindo ou aumentando o diâmetro de ação do
equipamento.
Na junção entre as hastes e demais partes móveis onde haverá grande fricção,
será alocado um mancal de plástico, do fabricante IGUS, de material iglidur J, devido
ao seu baixo coeficiente de atrito, não necessidade de lubrificação e baixa absorção
de água (IGUS, 2014), a fim de diminuir o atrito entre as superfícies.
Figura 71: Mancal JFM-0405-03. Figura retirada dos arquivos 3D do fabricante IGUS
De acordo com a mola especificada, foram calculadas as forças no sistema,
através das equações 45 a 50 da seção 6.3.2.
Cálculo destas forças para quatro situações distintas:
1. Diâmetro máximo de tubo e mola em curso de funcionamento de 10mm.
2. Diâmetro máximo de tubo e mola em seu curso máximo de 25mm.
3. Diâmetro mínimo de tubo e mola em curso de funcionamento de 15mm.
4. Diâmetro mínimo de tubo e mola em seu curso máximo de 25mm.
74
Para estas situações, foi montada a Tabela 5 (levando em consideração que cada
mola distribuirá sua força em dois conjuntos paralelos de haste):
Tabela 5: Forças relevantes ao sistema de aproximação dos transdutores em função da situação.
Sit. Xmola Fm= k*x FH=
1 10mm 61N 30,5N 52o 55o 82,6N 41,3N 53,2N 32,9N
2 25mm 152,5N 76,25N 47o 49o 169,2N 84,6N 116,2N 145,6N
3 15mm 91,5N 45,75N 30o 32o 55,4N 27,7N 54N 69,8N
4 25mm 152,5N 76,25N 24o 25o 70,2N 35,1N 84,1N 108,7N
As tensões nas hastes críticas, de acordo com os maiores carregamentos
mostrados nesta seção, foram analisadas utilizando o método dos elementos finitos,
com auxilio do software ANSYS (Apêndices A6).
6.4 Sistema de rodas de apoio
6.4.1 O conceito
Com a finalidade de aumentar a estabilidade do sistema será incluído um sistema
de apoio na extremidade frontal do mesmo. O sistema possui adaptabilidade similar ao
sistema de aproximação dos transdutores a diferentes diâmetros de riser e mola
individual para cada roda a fim de possibilitar a passagem por obstáculos.
Figura 72: Sistema de rodas de apoio e suas partes.
6.4.2 Diagrama de forças
As molas do sistema de rodas de apoio foram calculadas de forma que o peso do
módulo de medição de espessura pudesse ser suportado por sua fixação de apoio em
Suporte fixo
Roda
Hastes
Fuso
Haste da mola
Mola
Suporte móvel
Porca
75
conjunto com as duas rodas inferiores do sistema no momento em que o curso da
mola esteja na sua distância de funcionamento.
Sendo o peso deste módulo de 270N e supondo que as forças serão divididas
igualmente entre a fixação no modulo de tração e o sistema de rodas de apoio, é
obtido o seguinte diagrama de forças:
Dividindo esta carga entre as duas rodas de apoio inferiores, é obtido o seguinte
diagrama de forças:
Figura 74: Diagrama de forças totais no sistema de rodas de apoio.
Desta forma, para igualar as forças verticais, a força mínima em cada roda deve
ser de:
(65)
Logo:
270N
135N 135N
Peso do módulo
Reação do mancal de apoio Reação das rodas de apoio
30o
135N
FR FR
Figura 73: Diagrama de forças no módulo de medição de espessura.
76
Em cada um dos seis conjuntos de roda, hastes e mola, o seguinte diagrama de
forças é obtido:
Figura 75: Diagrama de forças em cada roda do sistema de rodas de apoio.
Somatório das forças externas horizontais:
(66)
Somatório das forças externas verticais:
(67)
Analisando a haste C-D:
Figura 76:Diagrama de forças na haste C-D do sistema de rodas de apoio.
FR
α β
B D
C
A A
RBV RDV
RBH
RDH
β
RDV
RDH
RCH
RCV
D
C
A
77
Somatório das forças horizontais:
(68)
Somatório das forças verticais:
(69)
Somatório dos momentos em relação ao ponto D:
(70)
Analisando a haste A-B:
Figura 77: Diagrama de forças na haste A-B do sistema de rodas de apoio.
Somatório das forças horizontais:
(71)
Somatório das forças verticais:
(72)
Somatório dos momentos em relação ao ponto C:
(73)
α
RBV
B
C
A
A
FR
RCH
RCV
RBH
78
A partir das equações 66 a 73, são encontradas as seguintes reações:
Componente horizontal da reação no ponto de apoio D, referente à força de
compressão da mola:
(74)
Componente vertical da reação no ponto de apoio D:
(75)
Componente vertical da reação no ponto de apoio B:
(76)
6.4.3 As molas
As molas terão um curso de funcionamento de 10mm a 15mm, para os diâmetros
máximos e mínimos, respectivamente, e a fim de absorver desvios na superfície do
tubo ou obstáculos, mantendo o contato, terão um curso máximo de 25mm.
Para o cálculo da mola é necessário calcular a força para que na situação de
menor esforço, com a mola em seu curso de funcionamento, seja capaz de exercer
uma força de contato de ao menos 78N na superfície do tubo.
Esta situação equivale ao momento em que o equipamento opera no menor
diâmetro de tubo e com a mola em um curso de 15mm.
Os ângulos das hastes nesta situação equivalem a:
Desta forma:
(77)
Logo, cada mola deve exercer uma força de ao menos 129,8N, quando a 15mm
de seu comprimento livre.
Tendo a constante de mola [K] o valor de:
(78)
79
Sendo:
F = Força atuante na mola
x = Deflexão da mola
Assim da equação (78):
Premissas para o dimensionamento das molas:
Comprimento livre [L0] = 60mm
Curso de funcionamento [Δf] = 10 a 15mm
Curso máximo [Δm] ≥ 25mm
Comprimento Sólido [LS]= L0 - Δm
Diâmetro interno mínimo [D] =13+d ≤D≤ 24 – d
Constante de mola [K] ≥ 8,85N/mm
A teoria para o dimensionamento das molas apresentado neste trabalho foi obtida
de (BUDYNAS, et al., 2011).
Algumas recomendações de projeto são dadas por BUDYNAS (2011), são elas:
Sendo o índice de mola:
(79)
E = número de espiras ativas
4 ≤ C ≤ 12
3 ≤ Na ≤ 15
Fator de segurança nS > 1,2
De acordo com BUDYNAS (2011), para molas apoiadas por superfícies planas, é
recomendado utilizar molas com extremidades esquadradas e esmerilhadas. Para
estas, as seguintes relações são válidas:
Número total de espiras [ ]:
(80)
Comprimento livre [L0]:
(81)
Comprimento Sólido [LS]:
(82)
80
Passo [p]:
(83)
Sendo:
d = Diâmetro do fio
Analisando uma mola de d=2,5mm, diâmetro externo [OD] = 18 mm e 12 espiras
ativas, fabricado em aço A228, as seguintes propriedades são encontradas:
Propriedades físicas:
Módulo de cisalhamento [G] = 81000 MPa
Diâmetro nominal [D]:
(84)
Outras propriedades geométricas da mola:
[Equação (80)]
[Equação (82)]
[Equação (83)]
[Equação (79)]
Segundo BUDYNAS (2011) a constante de mola [K] é obtida por:
(85)
O limite de escoamento [SSY] de uma mola de aço A228:
(86)
Sendo o fator de curvatura e cisalhamento [KB] igual a:
(87)
É possível encontrar a tensão de cisalhamento [ na mola pela equação (88):
(88)
81
Sendo = força de fechamento, que equivale a:
(89)
Da equação (88):
O fator de segurança quando a mola é totalmente comprimida é então:
(90)
6.4.4 As hastes
As rodas de apoio serão suportadas por duas hastes de aço inoxidável 304, de
3mm de espessura, sendo uma delas ligando a roda ao suporte fixo, e outra unindo o
suporte móvel ao centro desta haste com a finalidade de controlar sua angulação,
diminuindo ou aumentando o diâmetro de ação do equipamento.
Na junção entre as hastes e demais partes móveis onde haverá grande fricção,
será alocado um mancal de plástico a fim de diminuir o atrito entre as superfícies.
De acordo com a mola especificada foram calculadas as forças no sistema, de
acordo com as equações 74 a 76 da seção 6.4.2.
Forças para quatro situações distintas, de acordo com os itens a seguir:
1. Diâmetro máximo de tubo e mola em curso de funcionamento de 10mm.
2. Diâmetro máximo de tubo e mola em seu curso máximo de 25mm.
3. Diâmetro mínimo de tubo e mola em curso de funcionamento de 15mm.
4. Diâmetro mínimo de tubo e mola em seu curso máximo de 25mm.
Para estas situações foi montada a Tabela 6 (levando em consideração que cada
mola distribuirá sua força em dois conjuntos paralelos de haste):
Tabela 6: Forças relevantes ao sistema de rodas de apoio em função da situação.
Item Xmola Fm= FH=
1 10mm 88,5N 44,25N 52o 55o 120N 60N 77,1N
2 25mm 221,25N 110,63N 47o 49o 243,4N 121,7N 168,6N
3 15mm 132,75N 66,38N 30o 32o 80,4N 40,2N 78,3N
4 25mm 221,25N 110,63N 24o 25o 101,8N 50,9N 122,1N
82
As tensões nas hastes críticas, de acordo com os maiores carregamentos
mostrados nesta seção, foram analisadas utilizando o método dos elementos finitos,
com auxílio do sotware ANSYS (Apêndice A6).
6.5 Os fusos
Para permitir a movimentação linear dos suportes móveis e com isto a
consequente adaptação do equipamento a diferentes diâmetros, será utilizado um fuso
trapezoidal unido aos suportes móveis por uma porca flangeada, isto permitirá que
através da rotação transmitida por um servomotor, estes suportes movimentem-se ao
longo do fuso aproximando-se dos suportes fixos e aumentando o raio de ação do
equipamento.
As forças significativas que atuarão nos filetes dos fusos serão referentes à
compressão das molas do sistema de rodas de apoio e do sistema de aproximação
dos transdutores conforme o diagrama a seguir:
As forças referentes ao sistema de rodas de apoio são:
Força máxima em cada mola quando atravessando o maior obstáculo permitido
[ ]:
(91)
Força máxima em cada mola quando em funcionamento normal [ ]:
(92)
Sendo:
Curso máximo da mola = 25mm
Assim, de acordo com dados da Tabela 6, equação (91):
E equação (92):
Como há 6 molas e 2 fusos a força total por fuso [ ] equivale a:
(93)
83
Assim, a força total nos filetes referentes ao sistema de rodas de apoio, quando
atravessando o maior obstáculo possível [ ]:
(94)
Força total nos filetes referentes ao sistema de rodas de apoio, quando em
funcionamento normal [ ]:
(95)
Para o sistema de aproximação dos transdutores:
Força máxima em cada mola quando atravessando o maior obstáculo permitido
[ ]:
(96)
Força máxima em cada mola quando em funcionamento normal [ ]:
(97)
Sendo:
Curso máximo da mola = 25mm
Assim, de acordo dados da Tabela 5, equação (96):
E equação (97):
Como há 8 molas e 2 fusos a força total por fuso equivale a:
(98)
Assim:
Força total nos filetes referentes ao sistema de aproximação dos transdutores,
quando passando pelo maior obstáculo possível [ ]:
(99)
84
Força total nos filetes referentes ao sistema de rodas de apoio, quando em
funcionamento normal [ ]:
(100)
Utilizando o maior valor, de 663,75N, para dimensionar o fuso de acordo com o
catálogo do fabricante (IGUS, 2014), para roscas trapezoidais são obtidos os
seguintes cálculos:
(101)
Sendo:
Área de contato requerida.
= Força axial nos filetes = = N
= Pressão máxima permitida, dependente do material (para o material Iglidur
J, a pressão máxima permitida equivale a 4MPa).
Logo da equação (101):
Desta forma, será analisada a utilização do fuso trapezoidal de 10x2 mm, cuja
porca utilizada possui uma área de contato efetiva de 352mm².
A pressão real [Preal] nos filetes equivalente a:
(102)
Assim, o fator de segurança [FS] para o fuso, de acordo com (IGUS, 2014) é de:
(103)
O torque estimado para transmitir este esforço axial equivale a:
(104)
Sendo:
= Força axial referente ao sistema de rodas de apoio = 663,75N
= Força axial referente ao sistema dos transdutores = 610N
T = torque
85
p = avanço do fuso = 2mm
= eficiência = 0,25
Logo, da equação (104):
Sendo o curso de 50mm, podendo ser completo em 10 segundos, é calculada a
velocidade de avanço [s] em 5mm/s = 0,005m/s.
Logo, a rotação [n] do fuso será de:
(105)
De acordo com o catálogo do fabricante (IGUS, 2014), o valor PV, dado pela
multiplicação da pressão real [Preal] e a velocidade de superfície [v] deve ser menor do
que 0,4 para serviços onde o ciclo de operação é de 10%, e menor do que 0,2 para
serviços onde o ciclo de operação é de 50%.
Sendo:
(106)
Diâmetro nominal da barra
Então, a velocidade de superfície vale:
E o valor pv:
(107)
O que valida a escolha para ciclos de operação de 50%.
A análise das tensões no fuso, apresentada neste trabalho, foi obtida de
(BUDYNAS, et al., 2011) e segue a seguir:
Torque [TR] necessário no fuso para aplicar a carga.
(108)
Sendo:
= diâmetro médio = dn – p/2 = 10-1 = 9mm
f = Coeficiente de atrito = 0,18 de acordo com o catálogo do fabricante (IGUS,
2014)
86
Assim, da equação (108):
Portanto a eficiência será de:
(109)
A tensão nominal máxima de cisalhamento [τ] na torção do corpo do parafuso
pode ser expressa por:
(110)
Sendo:
dn – p = 10 – 2 = 8mm
A tensão axial [σ] no corpo do parafuso devido à carga é:
(111)
A tensão de sustentação [ na rosca é dada pela equação (112):
(112)
Sendo:
= Número de roscas atuantes na porca de maior esforço
= força axial na porca de maior esforço
Como há deformação elástica no fuso durante a carga, as roscas atuantes não
dividem a mesma carga. Segundo Budynas(2011), alguns experimentos mostram que
a primeira rosca conduz 38% da carga, a segunda 25%, a terceira 18% e assim em
diante, logo ao estimar a tensão de sustentação na rosca será utilizada a equação
(112) com F = e
Desta forma:
(113)
87
A tensão de flexão na raiz da rosca é obtida com a equação (114):
(114)
As seguintes tensões ortogonais e de cisalhamento foram encontradas:
25,3MPa
Desta forma, a tensão de Von Mises é escrita como:
(115)
Utilizando um fuso em aço inoxidável 304, com tensão limite de escoamento [SY]
de 265MPa (MISCHKE, 1992), o fator de segurança [FS] do fuso de acordo com
BUDYNAS (2011) é de:
(116)
Figura 78: Exemplo de fuso retirado do catálogo (IGUS, 2014)
6.5.1 Transmissão de torque
A fim de aplicar torque aos fusos será utilizado um servo motor, que através de
uma engrenagem central transmitirá potência a ambos os fusos.
Para encontrar o torque máximo de operação dos fusos foram utilizadas as forças
das molas em seu curso de operação. Sendo assim segundo Tabela 5 e Tabela 6:
A força referente ao sistema de aproximação dos transdutores é de:
A força referente ao sistema de rodas de apoio é de:
88
Logo, a força axial total máxima de operação [ ] é de:
(117)
Assim, de acordo com BUDYNAS (2011), o torque de em cada fuso é de:
(118)
A transmissão desta potência para os fusos será feita por engrenagens. A
engrenagem com carga motora, sendo a mais crítica, será dimensionada a seguir
utilizando a metodologia proposta pela American Gear Manufectures Association
(AGMA) e obtida de (BUDYNAS, et al., 2011) e as demais seguirão seu módulo e
tamanho de face:
Analisando as medidas do equipamento foi obtido, como melhor combinação,
os seguintes diâmetros primitivos de engrenagem:
Figura 79: Diâmetro primitivo das engrenagens.
Centro do eixo do servo motor
Centro do fuso
Centro da barra principal
89
Desta forma, obedecendo à relação de redução criada pela diferença nos
diâmetros primitivos são obtidas a seguintes relações:
Velocidade da engrenagem motora:
(119)
Torque na engrenagem motora:
(120)
Sendo dois fusos será necessário um torque de:
(121)
Analisando primeiramente engrenagens de módulo [m]=4, os seguintes cálculos
são obtidos:
Número de dentes das engrenagens [Nd]:
(122)
Sendo:
dp= diâmetro primitivo
m=módulo
Para as engrenagens dos fusos:
Para a engrenagem motora:
Para a engrenagem intermediária:
A força transmitida [Wt] da engrenagem motora para a engrenagem intermediária
equivale a:
(123)
90
A potência transmitida [H] é igual a:
(124)
Analisando as tensões de flexão [σf] na engrenagem, segundo a metodologia
AGMA:
(125)
Sendo:
= Força transmitida = 54,6N
= Fator de sobrecarga:
De acordo com BUDYNAS (2011), o fator de sobrecarga para uma fonte de
potência e equipamentos com cargas uniformes, sem sobrecargas significativas é
igual a um.
Logo,
= Fator dinâmico:
Sendo Qv o número referente à qualidade da engrenagem, estando entre 3 e 7
para engrenagens comerciais e supondo nossa engrenagem como de baixa qualidade,
com Qv igual a 3:
(126)
Sendo:
V= velocidade tangencial em metros por segundo.
(127)
(128)
(129)
Desta forma das equações (126), (127), (128) e (129):
91
A máxima velocidade suportada por uma engrenagem de padrão de qualidade
Qv=3 é:
(130)
Sendo significantemente maior que a velocidade da engrenagem.
= Fator de tamanho:
O fator de tamanho será considerado igual a uma unidade, pois já está incluído no
fator geométrico AGMA da resistência à flexão [J].
= Fator de distribuição de carga:
(131)
Sendo:
para engrenagens não coroadas = 1;
para engrenagens com largura de face menor que 25,4:
(132)
Porém para engrenagens em que
é recomendado utilizar 0,05.
Assim:
= 1,1;
(133)
Sendo para engrenamento aberto:
A=0,247
B=0,0167
C= -0,765*10-4
F [polegadas] =
polegadas
Desta forma da equação (133):
= 1.
Então, substituindo os valores na equação (131):
92
= Fator de espessura de aro, cujo valor é igual a uma unidade quando a
espessura do aro é mais de 20% maior que o tamanho do dente.
Logo,
J = Fator geométrico da resistência à flexão = 0,315 segundo gráfico da Figura 80:
Figura 80: Fatores geométricos J de engrenagens cilíndricas de dentes retos. Figura retirada de (BUDYNAS, et al., 2011)
Assim, substituindo os valores encontrados na equação (125):
A tensão admissível à flexão do material é calculada a partir da equação (134):
(134)
Sendo:
para aço AISI 4340 Grau 1, com dureza Brinell de HB = 200:
(135)
= Fator de ciclagem de tensão, para uma vida estimada [Nciclos] de 108 ciclos:
(136)
= 1 para temperaturas menores que 120ºC
= 1 para uma confiabilidade de 99%
93
Desta forma, da equação (134):
MPa
Logo, o fator de segurança AGMA para flexão [SF] encontrado pela presente
análise é de:
(137)
Analisando o desgaste das engrenagens segundo a metodologia AGMA, foi obtida
a tensão de contato [ ] a partir da equação (138):
(138)
Sendo:
= Coeficiente elástico para engrenagens de aço
= Fator de condição superficial = 1
=Fator geométrico para resistência de crateramento:
(139)
Sendo a razão de velocidades:
(140)
Logo, incluindo a equação (140) na equação(139):
Desta forma, de acordo com a equação (138):
94
A tensão de contato admissível [ ] é:
(141)
= 1 para temperaturas menores que 120ºC
= 1 para uma confiabilidade de 99%
=0,93
para aço AISI 4340 Grau 1, com dureza Brinell de HB = 200:
(142)
Desta forma, da equação (141):
Logo, o fator de segurança AGMA para desgaste superficial [SF] encontrado pela
presente análise é de:
(143)
Para aplicar potência a engrenagem motora, será necessário um servo motor que
permita um torque de ao menos 1,96N, de acordo com a Equação (121), a uma
velocidade de rpm, de acordo com a Equação (119), seja resistente a água,
robusto, tenha rotação contínua e alimentação de 24V.
Foi eleito o servo motor ISL-24-1000 do fabricante Acuity Technologies devido às
seguintes características segundo catálogo (Technologies):
Velocidade máxima: 174rpm
Torque contínuo: 2,31Nm
Torque máximo: 5,73Nm
Grau de proteção IP65
Permite rotação contínua
Alimentação 24V
Figura 81: Servo motor modelo ISL. Figura retirada do catálogo do fabricante
95
6.5.2 Rolamentos dos fusos
Os cálculos para o dimensionamento dos rolamentos apresentados neste trabalho
foram obtidos das informações técnicas do catálogo da SKF (2003).
Possuindo o fuso um diâmetro externo de 10mm, será feito um rebaixo de 6mm
para o rolamento. Analisando primeiramente o uso do rolamento de uma camada de
esferas, devido ao seu baixo custo e baixo torque de atrito, modelo 626, pois este
possui o diâmetro interno requerido e a maior capacidade de carga dentre os demais
da serie padrão.
Segundo catálogo do fabricante (SKF, 2003), este possui dimensões de 6mm de
diâmetro interno, 19mm de diâmetro externo, 6mm de largura, capacidade de carga
dinâmica [Cr] de 2340N, capacidade de carga estática [C0r] de 950N e fator [f0] = 13.
Para uma engrenagem de dentes retos, de ângulo de pressão de 20º, com um
torque de 1040Nmm e um diâmetro primitivo de 84mm, a carga radial no rolamento
[Feng.] equivale a:
(144)
Somado a esta força o peso do fuso [ ] dividido por dois rolamentos e o peso da
engrenagem [ ]:
(145)
A máxima carga axial estática P0a será o somatório das máximas cargas de pico
dos sistemas de rodas de apoio [Equação (94)] e aproximação dos transdutores
[Equação (99)]:
(146)
E a máxima carga axial dinâmica [Pa] o somatório das máximas cargas de
funcionamento dos sistemas de rodas de apoio [Equação (95)] e aproximação dos
transdutores [Equação (100)]:
(147)
De acordo com o catálogo (SKF, 2003), a força equivalente para carregamentos
mistos é de:
(148)
96
Sendo X0 e Y0 o coeficiente de carga radial e axial estática, respectivamente, que
para rolamentos de esferas de uma carreira valem:
Sendo assim:
Desta forma, o fator de segurança para carga estática é de:
(149)
Para o cálculo da carga dinâmica equivalente teórica:
(150)
Sendo que, para:
(151)
Segundo catálogo (SKF, 2003), os coeficientes de carga radial e axial dinâmica, X
e Y, valem:
Desta forma:
(152)
Neste caso, a vida [L10] do rolamento 626, com uma confiabilidade de 90%, a uma
velocidade [n] de 126rpm e uma força equivalente de 1506,4N, segundo catálogo, é
estimada como:
(153)
Para uma velocidade de 126rpm, a vida calculada na equação (153) em horas de
uso equivale a:
(154)
97
6.6 Sistema de elevação
Será construído um sistema para elevação do módulo de medição de espessura, a
fim de que este possa ser centralizado em diferentes diâmetros linha principal.
Este sistema deverá ser capaz de elevar uma carga de 370N.
Ele consistirá de:
1. Dois suportes, um acoplado à aba traseira do módulo de tração onde será
fixada a câmera principal e a iluminação e outro alocado na aba frontal,
possuindo a fixação do módulo de medição de espessura e local para a
fixação do servo motor dos fusos.
2. Uma chapa interligando os dois suportes, esta será apoiada pelo sistema
elevatório e fará a movimentação das demais peças do equipamento.
3. Quatro Hastes, com seus respectivos suportes, que farão a movimentação
do sistema.
4. Um Fuso.
5. Dois Cubos onde será fixado o fuso, sendo um fixo no equipamento e outro
móvel ao longo do fuso.
6. Um servo motor com a finalidade de transmitir potência ao fuso.
Figura 82: Sistema de elevação e suas partes.
6.6.1 Funcionamento
Um servo motor transmitirá torque a um fuso. Neste fuso haverá uma base
retangular com uma porca que percorrerá linearmente seu curso, se aproximando de
outra base fixa à extremidade oposta. Em cada uma destas bases haverão duas
hastes, que terão suas extremidades opostas interligadas à chapa principal e seu
centro fixado a outra haste cruzando-a. Ao rotacionar o fuso as bases se aproximarão
2
1 3
5 5
1
6 4
98
aumentando a angulação das hastes e por consequência elevando a plataforma de
elevação e todo o equipamento.
Figura 83: Movimentação do sistema de elevação.
6.6.2 As hastes
Figura 84: Forças de apoio do sistema de elevação.
Analisando o diagrama de forças da Figura 84, são encontradas as forças F1 e F2
aplicadas nas hastes do sistema.
100N 270N
F1 F2 α
Movimentação do
suporte móvel
Movimentação da
plataforma de
elevação
47,5mm
200mm
337mm
mm
350mm
50mm
99
Para a situação em que a altura é máxima:
Somatório de força na vertical:
(155)
Somatório de momentos em relação ao ponto de aplicação de F1:
(156)
Logo, as forças F1 e F2 são:
Para a situação em que a altura é mínima:
Somatório de força na vertical:
Somatório de momentos em relação ao ponto de aplicação de F1:
(157)
Logo, as forças F1 e F2 são:
Analisando o diagrama de forças nas hastes:
Figura 85: Diagrama de forças nas hastes do sistema de elevação.
Somatório das forças externas horizontais:
(158)
F2
α
F1
A
D B
C
RCV RAV
RCH RAH
100
Somatório das forças externas verticais:
(159)
Analisando a haste A-B:
Figura 86:Diagrama de forças na haste A-B do sistema de elevação.
Somatório das forças horizontais:
(160)
Somatório das forças verticais:
(161)
Somatório dos momentos em relação ao ponto E:
(162)
Analisando a haste C-D:
Figura 87: Diagrama de forças na haste C-D do sistema de elevação.
Somatório das forças horizontais:
(163)
α
α
F1
RCV
RCH
RAV
RAH
F2
REV
REH
EH
REH
EH REV
101
Somatório das forças verticais:
(164)
Somatório dos momentos em relação ao ponto E:
(165)
A partir das equações 158 a 165 são encontradas as seguintes reações:
Componente vertical da reação no ponto de apoio A:
(166)
Componente vertical da reação no ponto de apoio C.
(167)
Componente horizontal da reação nos pontos de apoio A (referente à força axial
no fuso) e C e na junção das hastes:
(168)
Componente vertical da reação no ponto de apoio E.
(169)
Força resultante na junção entre as hastes (ponto E):
(170)
Tabelando as forças para os ângulos máximos e mínimos:
Tabela 7: Forças relevantes para as situações de máxima e mínima altura.
F1 F2
21o -140N 510N 964N 650N 964N 1163N 581,5N
47o -191N 561N 345N 752N 345N 827N 413,5N Foi realizada análise das tensões na haste quando na situação mais crítica
utilizando o método dos elementos finitos através do software ANSYS (Apêndice A7).
102
6.6.3 O Fuso
As forças axiais máximas [ ] exercidas no fuso equivalem à resultante
no momento de menor ângulo, logo:
(171)
Para dimensionar o fuso, de acordo com o cátalogo do fabricante (IGUS, 2014), foi
calculada a área de contato requerida [Ae] no caso de uma força axial de 964N em
fusos trapezoidais, conforme calculado na Equação (171):
(172)
Sendo:
Área de contato requerida.
= Força axial nos filetes =
= Pressão máxima permitida, dependente do material (para o material Iglidur
J, a pressão máxima permitida equivale a 4MPa).
Logo:
Desta forma, será analisada a utilização do fuso de 12x3 mm, cuja porca utilizada
possui uma área de contato efetiva de 576mm².
Sendo assim, a pressão real [Preal] nos filetes equivale a:
(173)
Assim, o fator de segurança [FS] para o fuso, de acordo com (IGUS, 2014), é de:
(174)
O torque necessário para transmitir este esforço axial equivale a:
(175)
Sendo:
T = torque
p = avanço do fuso = 3mm
= eficiência = 0,25
103
Logo, da equação (175):
Sendo o curso de 50mm, podendo ser completo em 10 segundos, é calculada a
velocidade de avanço [s] em 5mm/s = 0,005m/s.
Logo, a rotação [n] do fuso será de:
(176)
De acordo com o catálogo do fabricante (IGUS, 2014), o valor PV, dado pela
multiplicação da pressão real [Preal] pela velocidade de superfície [v] deve ser menor
do que 0,4 para serviços onde o ciclo de operação é de 10% e menor do que 0,2 para
serviços onde o ciclo de operação é de 50%.
Sendo:
(177)
Diâmetro nominal da barra
Então, a velocidade de superfície vale:
E o valor pv:
(178)
O que valida a escolha para ciclos de operação de até 50%.
A análise das tensões no fuso, apresentada neste trabalho, foi obtida de
(BUDYNAS, et al., 2011) e segue a seguir:
Torque [TR] necessário no fuso para aplicar a carga.
(179)
Sendo:
= diâmetro médio = dn – p/2 = 12-1,5 = 10,5mm
f = Coeficiente de atrito = 0,18 de acordo com o catálogo do fabricante (IGUS,
2014)
104
Assim, da equação (179):
(180)
Portanto a eficiência será de:
(181)
A tensão nominal máxima de cisalhamento [τ] na torção do corpo do parafuso
pode ser expressa por:
(182)
Sendo:
dn – p = 12 – 3 = 9mm
A Tensão axial [σ] no corpo do parafuso devido à carga é:
(183)
A tensão de sustentação [ na rosca é dada pela equação (184):
(184)
Sendo:
Número de roscas atuantes na porca de maior esforço
= força axial na porca de maior esforço
Como há deformação elástica no fuso durante a carga, as roscas atuantes não
dividem a mesma carga. Segundo BUDYNAS (2011), alguns experimentos mostram
que a primeira rosca conduz 38% da carga, a segunda 25%, a terceira 18% e assim
em diante, logo ao estimar a tensão de sustentação na rosca será utilizada a equação
(184) com F = e
Desta forma:
(185)
105
A tensão de flexão na raiz da rosca é obtida com a equação (186):
(186)
As seguintes tensões ortogonais e de cisalhamento foram encontradas:
MPa
Desta forma, a tensão de Von Mises é escrita como:
(187)
Utilizando um fuso em aço inoxidável 304, com tensão limite de escoamento [SY]
de 265MPa (MISCHKE, 1992), o fator de segurança [FS] de acordo com BUDYNAS
(2011), é de:
(188)
6.6.4 O servo motor
Para a rotação do fuso, será utilizado um servo motor unido por acoplamento
elástico a fim de compensar pequenos desalinhamentos.
Será necessário um servo motor que permita um torque de ao menos 1,4Nm a
uma velocidade de rpm, seja resistente a água, robusto, rotação contínua e
alimentação de 24V.
Foi escolhido o servo motor ISL-24-1000 do fabricante Acuity Technologies,
devido às suas características já elucidadas na seção 6.2.7 e as características
específicas do modelo segundo catálogo(Technologies):
Velocidade máxima: 174rpm
Torque contínuo: 2,31Nm
Torque máximo: 5,73Nm
106
6.7 Modelo físico
Após os devidos dimensionamentos, nesta seção será apresentada uma
visualização geral do modelo físico do equipamento proposto.
O módulo de tração será responsável pela força motora requerida pelo
equipamento e calculada na seção 5.3.2, neste estará alocada toda a eletrônica
embarcada do controle do sistema, enviando informações para uma central controlada
por operador.
Um motor elétrico proverá potência, que será transmitida por engrenagens cônicas
às duas rodas dianteiras.
O dimensionamento das principais partes deste módulo foi realizado ao longo do
capítulo 5 deste trabalho.
Figura 88: Corte do módulo de tração e suas partes.
O módulo de medição de espessura, completamente visualizado na Figura 91,
será acoplado ao módulo de tração e suportado por um sistema de elevação, que será
montado na tampa superior do módulo de tração.
Freio Encoder
Motor (5.3.3)
Redutor
Transmissão angular (5.3.4)
Eixo (5.3.7) Mancal (5.3.6) Roda (5.3.8)
Eletrônica embarcada
Estrutura (5.3.5)
107
Figura 89: Acoplamento do módulo de medição de espessura no módulo de tração através da fixação de apoio.
O sistema de elevação será responsável por suportar e centralizar o módulo de
medição de espessura em diferentes diâmetros de linha principal.
O funcionamento deste sistema, detalhado na seção 6.6.1, consiste em um servo
motor, que aplicará torque a um fuso movimentando linearmente o suporte de suas
hastes. Com esta movimentação, há um aumento do ângulo entre as hastes e a
consequente elevação do sistema.
Na parte traseira do equipamento, unida ao sistema de elevação, foi adicionada
uma câmera, descrita na seção 5.3.1.
Figura 90: Visualisação do sistema de elevação do equipamento.
A medição de espessura da linha principal será realizada através de um sistema
de ultrassom. Um módulo dedicado a esta função foi apresentado ao longo do capítulo
6 deste trabalho.
Este módulo estará suportado em uma extremidade pela fixação de apoio do
módulo de tração e em outra por seis rodas defasadas em 60o que auxiliarão na
centralização do módulo dentro do tubo, evitando a deflexão da barra principal.
Oito transdutores, conforme especificados na seção 6.1.1, farão a leitura contínua
da espessura da parede do tubo ao longo do seu comprimento.
Mancal de apoio do módulo de
medição de espessura (6.2.3)
Sistema de elevação (6.6)
Guia do mancal na estrutura
Câmera (5.3.1) Servo motor (6.6.4) Fuso (6.6.3) Hastes (6.6.2)
Iluminação
108
Cada transdutor estará em uma cápsula, apresentada na seção 6.1.2, com a
finalidade de manter uma coluna de água entre o equipamento de ultrassom e a
superfície interna do duto, funcionando como meio acoplante.
Tanto o sistema de rodas de apoio, apresentado na seção 6.4, quanto o sistema
de aproximação dos transdutores, seção 6.3, estarão ligados a um mecanismo que
adaptará o equipamento a linhas principais de diâmetros entre 17 e 20 polegadas,
mantendo o contato de suas extremidades com a parede interna do duto e permitindo
a transposição de obstáculos através de molas.
Este mecanismo foi projetado de forma que um servo motor proverá potência a
dois fusos através de um jogo de engrenagens. Nestes fusos estarão acoplados os
suportes móveis de ambos os sistemas, que se movimentarão linearmente,
aproximando-se dos suportes fixos e distanciando os transdutores e rodas de apoio da
barra principal.
Cada conjunto de hastes, suportando tanto os transdutores (seção 6.3.4) quanto
às rodas de apoio (seção 6.4.4), estará ligado a uma mola que permitirá a
transposição por obstáculos e deformações na superfície sem perder o contato.
Uma câmera fixa, conforme especificada na seção 6.2.5, é acoplada à frente deste
sistema.
Figura 91: Visão geral do módulo de medição de espessura e suas partes.
Servo motor (6.5.1)
Cápsula do transdutor (6.1.2)
Engrenagens (6.5.1)
Transdutor (6.1.1)
Roda de apoio
Barra principal (6.2.2)
Mola do sistema de aproximação
dos transdutores (6.3.3) Fuso (6.5)
Mola do sistema de
rodas de apoio (6.4.3)
Câmera frontal (6.2.5)
109
Na Figura 92, é visualizada a montagem final dos itens anteriormente descritos,
compondo o modelo físico do equipamento proposto.
Figura 92: Visão geral do equipamento.
Máximo tamanho de linha principal
Mínimo tamanho de linha principal
110
7 Conclusões
Neste trabalho, foi apresentado o projeto de um sistema robótico capaz de
inspecionar a linha principal de juntas de riser de perfuração sem a necessidade de
desmontar a estrutura, podendo ser realizada na própria plataforma onde é utilizada e
estocada e consequentemente reduzindo os custos do procedimento.
Primeiramente, foi apresentada uma revisão bibliográfica do processo de
perfuração de poços para que seja possível entender melhor o contexto onde estão
inseridas estas juntas. Neste trabalho também foram apontados os principais
equipamentos da operação, as plataformas de perfuração marítima e o que são os
risers de perfuração.
Diversas técnicas de inspeção não destrutiva foram apresentadas e comparadas,
mostrando suas vantagens e desvantagens. Neste capítulo, foi concluído que a
técnica que melhor se adaptaria aos objetivos deste trabalho, seria a inspeção por
ultrassom acompanhada de inspeção visual, devido às vantagens como sua
capacidade de identificar defeitos internos, fazer medição de espessura com acesso
apenas por uma das superfícies, ser portátil, com possibilidade de acoplamento em
sistemas remotos e obter resultados precisos.
Foi realizada uma revisão bibliográfica mais detalhada da inspeção por ultrassom,
analisando seus princípios básicos, comparando as técnicas, os diferentes tipos de
onda utilizados, os transdutores e as dificuldades que seriam encontradas neste uso,
como por exemplo, a necessidade de um meio acoplante entre o transdutor e a
superfície a ser inspecionada. Desta forma, foi decidido utilizar a técnica de feixe reto
para a medição de espessura, com transdutores de imersão e água como meio
acoplante. Para isto, foi projetada uma cápsula a fim de manter uma coluna de água
constante entre o transdutor e a superfície interna da linha principal.
O equipamento foi projetado dividido em módulos, o primeiro módulo elucidado foi
o de tração e inspeção visual, este deve ser capaz de movimentar o módulo de
medição de espessura e em caso de realização de inspeção visual ser suficiente.
O módulo de medição de espessura foi projetado para ser acoplado ao módulo de
tração, este é composto pelo sistema de aproximação dos transdutores e o sistema de
rodas de apoio.
O sistema de aproximação dos transdutores é responsável por manter as cápsulas
dos transdutores em contato com a superfície interna da linha principal, inclusive com
eventuais obstáculos.
111
O sistema de rodas de apoio tem a função de apoiar parte do peso do módulo de
medição de espessura.
Um sistema de elevação suportará os demais sistemas a fim de centralizar o
módulo de medição de espessura em diferentes diâmetros de dutos.
Todos estes sistemas são adaptáveis a linhas principais de 17 a 20 polegadas. O
projeto deste módulo foi analisado e suas principais peças dimensionadas. Ao final do
capítulo 6 foi visualizado o modelo físico do equipamento proposto.
O estudo em questão mostra que a construção de uma solução para inspeção de
risers de perfuração na plataforma é viável, esta ferramenta deve ser desenvolvida em
conjunto com outras soluções que não estão englobadas neste projeto e serão
indicadas como propostas para trabalhos futuros na seção 7.1.
7.1 Propostas para trabalhos futuros
Em alguns casos, há a necessidade de uma inspeção mais minuciosa nas soldas
das linhas do riser de perfuração. Para estes casos é proposto o projeto de um módulo
para inspeção de soldas, capaz de inspecionar internamente as soldas longitudinais e
radiais da linha principal, este deverá ter um sistema de posicionamento que
acompanhará a solda longitudinal, sistema de movimentação circular para percorrer a
solda radial e equipamentos de ultrassom para averiguar a integridade interna destas
soldas.
Além da linha principal, as linhas auxiliares também devem ser inspecionadas,
para isto é indicado o desenvolvimento de uma solução robótica para a inspeção das
linhas auxiliares. No mercado, existem equipamentos para inspeção de trocadores de
calor que fazem inspeções de dutos de pequenos diâmetros e que podem ser utilizado
como base para este projeto.
Outro fator importante é a limpeza das linhas dos risers de perfuração, para a
utilização de técnicas de ultrassom, a superfície deve estar limpa, sem incrustações ou
resquícios de lama, esta limpeza hoje em dia é um desafio. Foi estudada a
possibilidade de utilizar hidrojateamento para este fim, porém devido à escassez de
água doce na plataforma e a necessidade de tratamento da água de descarte após o
processo, é indicado o desenvolvimento de um sistema de hidrojateamento que faça o
reaproveitamento da água utilizada, filtrando esta e trabalhando em ciclo.
112
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115
Apêndice A – Análises de tensões dos elementos
mais críticos utilizando o método dos elementos
finitos com auxilio do software ANSYS
Todas as peças deste apêndice foram simuladas através do método dos
elementos finitos, com auxílio do software ANSYS, utilizando o elemento sólido
“SOLID 186” de 3mm.
Os respectivos resultados seguem a seguir:
116
Apêndice A1: Estrutura do módulo de tração
A estrutura foi simulada através do software ANSYS, com um carregamento de
370N nas abas superiores, referentes ao peso do módulo de medição de espessura e
380N na parte inferior, referente ao peso do próprio módulo de tração, conforme
Figura 93.
Figura 93: Cargas aplicadas na estrutura em simulação feita no software ANSYS.
De acordo com os resultados vistos na Figura 94, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 103,42MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304L, com uma tensão mínima de escoamento de 170MPa
(ASTM, 2007).
Figura 94: Análise das tensões na estrutura em simulação feita no software ANSYS.
117
Apêndice A2: Mancal do módulo de tração
O mancal foi simulado através do software ANSYS, com um carregamento de 375N na
superfície interna, referente à metade do peso do equipamento conforme Figura 95.
Figura 95: Cargas aplicadas no mancal em simulação feita no software ANSYS.
De acordo com os resultados vistos na Figura 96, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 9,39MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 96: Análise das tensões no mancal em simulação feita no software ANSYS.
118
Apêndice A3: Eixo do módulo de tração
O eixo foi simulado através do software ANSYS, com um carregamento de 375N
referente à metade do peso do equipamento e um momento de 15N.m referente à
metade do torque máximo antes da roda patinar, conforme Figura 97.
Figura 97: Cargas aplicadas no eixo em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 98, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 18,63MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 98: Análise das tensões no eixo em simulação feita no software ANSYS.
119
Apêndice A4: Barra principal do módulo de medição de
espessura
A barra principal foi simulada através do software ANSYS, com carregamentos
somados em 270N referente ao próprio peso do módulo de medição de espessura,
conforme Figura 99.
Figura 99: Cargas aplicadas na barra principal em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 100, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 31,9MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 100: Análise das tensões na barra principal em simulação feita no software ANSYS.
120
Apêndice A5: Fixação do módulo de medição de
espessura
A fixação do módulo de medição de espessura foi simulado através do software
ANSYS, com um momento de 1,161*105 N.mm, refrentes a uma carga de 270N do
peso do módulo de medição de espessura, com seu centro de massa a uma distância
de 430mm, e uma força do mesmo valor na direção –y, conforme Figura 101.
Figura 101: Cargas aplicadas na fixação do módulo de medição de espessura em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 102, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 27,3MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de alumínio, liga 5052, com uma tensão de escoamento de 65,5MPa (ASTM,
2009).
Figura 102: Análise das tensões na fixação do módulo de medição de espessura em simulação feita no software ANSYS.
121
Apêndice A6: Hastes dos sistemas de aproximação dos
transdutores e rodas de apoio do módulo de medição
de espessura:
A haste A-B do sistema de aproximação dos transdutores foi simulada através do
software ANSYS, com uma carga de compressão de 145,6N, refrentes a máxima
carga suportada pela mesma de acordo com a Tabela 5, conforme Figura 103.
Figura 103: Carga de compressão aplicada na haste A-B do sistema de aproximação dos transdutores em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 104, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 11,09MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 104: Análise das tensões na haste A-B do sistema de aproximação dos transdutores em simulação feita no software ANSYS.
122
A haste A-B do sistema de rodas de apoio foi simulada através do software
ANSYS, com uma carga lateral de 168,6N, refrentes a máxima carga suportada pela
mesma de acordo com a Tabela 6, conforme Figura 105.
Figura 105: Carga lateral aplicada na haste A-B do sistema de rodas de apoio em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 106, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 87,88MPa menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 106: Análise das tensões na haste A-B do sistema de rodas de apoio em simulação feita no software ANSYS.
123
A haste C-D do sistema de rodas de apoio foi simulada através do software
ANSYS, com uma carga de compressão de 168,6N, refrentes a máxima carga
suportada pela mesma de acordo com a Tabela 6, conforme Figura 107.
Figura 107: Carga de compressão aplicada na haste C-D do sistema de rodas de apoio em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 108, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 12,67MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 108: Análise das na haste C-D do sistema de rodas de apoio em simulação feita no software ANSYS.
124
Apêndice A7: Hastes do sistema de elevação
A haste C-D do sistema de elevação foi simulada através do software ANSYS, com
uma carga lateral de 581,5N, referentes a máxima carga suportada pela mesma de
acordo com a Tabela 7, conforme Figura 109.
Figura 109: Carga lateral aplicada na haste C-D do sistema de elevação em simulação feita no software ANSYS
De acordo com os resultados vistos na Figura 110, a maior tensão equivalente de
Von misses encontrada foi de 43,3MPa, menor que a tensão admissível, sendo esta
fabricada de aço inoxidável 304, com uma tensão mínima de escoamento de 265MPa
(MISCHKE, 1992).
Figura 110: Análise das tensões na haste C-D do sistema de elevação em simulação feita no software ANSYS.