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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA MEDIÇÃO E MODELAGEM DA RESPOSTA DE UM SENSOR DE PIG PERFILOMÉTRICO SOB DIFERENTES SOLICITAÇÕES DINÂMICAS JARBAS SANTOS MEDEIROS NATAL/RN, 2013.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

MEDIÇÃO E MODELAGEM DA RESPOSTA DE UM SENSOR DE PIG PERFILOMÉTRICO SOB DIFERENTES

SOLICITAÇÕES DINÂMICAS

JARBAS SANTOS MEDEIROS

NATAL/RN, 2013.

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JARBAS SANTOS MEDEIROS

MEDIÇÃO E MODELAGEM DA RESPOSTA DE UM SENSOR DE PIG PERFILOMÉTRICO SOB DIFERENTES

SOLICITAÇÕES DINÂMICAS

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte para obtenção do título de Mestre em Engenharia.

Orientador: Prof. Dr. Efrain Pantaléon Matamoros Co-Orientador: Prof. Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros

NATAL/RN, 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL

PROGRAMA DE POS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

MEDIÇÃO E MODELAGEM DA RESPOSTA DE UM SENSOR DE PIG

PERFILOMÉTRICO SOB DIFERENTES SOLICITAÇÕES DINÂMICAS

JARBAS SANTOS MEDEIROS

Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

sendo aprovada em sua forma final.

______________________________________________________ Dr. Washington Luiz da Silva Martins, IFRN

Examinador Externo

______________________________________________________ Dr. Wallace Moreira Bessa, UFRN

Examinador Interno

______________________________________________________ Dr. João Bosco da Silva, UFRN

Examinador Interno

______________________________________________________ Dr. João Telésforo Nóbrega de Medeiros, UFRN

Examinador Interno

______________________________________________________ Dr. Efrain Pantaléon Matamoros, UFRN

Orientador

_______________________________________________________ Jarbas Santos Medeiros

Mestrando

NATAL/RN, AGOSTO 2013

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DEDICATÓRIA

Ao Pai pelo sopro da vida e por ser presenteado com uma família e amigos queridos.

A meus pais, que me auxiliaram e motivaram nos dias difíceis.

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AGRADECIMENTOS

A minha família por compartilharem e dividir todos os momentos importantes

da minha vida através do apoio, confiança e incentivo ao estudo.

Aos meus orientadores Prof. Dr. Efrain Pantaleon Matamoros, Prof. Dr. João

Telésforo Nóbrega de Medeiros e o Prof. Dr. João Bosco da Silva pela amizade,

sensibilidade e incentivo ao crescimento pessoal e profissional.

Aos amigos e demais participantes da base de pesquisa Grupo de Estudos de

Tribologia e Integridade Estrutural (GET) pelos eventuais questionamentos e

colaborações no trabalho em geral.

A CAPES, Pró-Reitoria de Pós-Graduação e ao Programa de Pós-Graduação

em Engenharia Mecânica (PPGEM) pelo apoio financeiro.

A todos que direto ou indiretamente contribuíram para o desenvolvimento e

conclusão deste trabalho.

Muito Obrigado.

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RESUMO

MEDEIROS, J. S. - Medição e modelagem da resposta de um sensor de pig perfilométrico sob diferentes solicitações dinâmicas. Natal/RN, 2012. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal do Rio Grande do Norte Garantir a integridade da rede de dutos é um fator de extrema importância na

indústria de petróleo e gás. A engenharia de dutos utiliza sofisticadas ferramentas

robotizadas de inspeção in-line (durante operação) conhecidas como pigs

instrumentados. Vários fatores relevantes dificultam a inspeção de dutos,

especialmente em campos offshore onde se utiliza dutos com multi-diâmetros, raios

de curvatura acentuados, espessura de parede do duto acima do convencional,

escoamento multifásico e etc. Dentro deste contexto, surgiu um novo Pig

instrumentado, chamado de Pig perfilométrico, para detecção e dimensionamento de

perda de espessura em dutos com danos interno. Esta ferramenta foi desenvolvida

para superar diversas limitações que outros pigs instrumentados convencionais têm

durante a inspeção. Diversos fatores influenciam nos erros de medição do pig

afetando a confiabilidade dos resultados obtidos. O presente trabalho aponta

diferentes condições de operação e apresenta uma bancada para ensaiar sensores

perfilometricos de pig de inspeção sob diferentes solicitações dinâmicas. Os

resultados das medições dos danos do tipo ressaltos e rebaixos em uma superfície

plana cíclica são avaliados, assim como, um modelo matemático para a resposta do

sensor e seus erros em relação ao comportamento real.

Palavras-chave: Pig Perfilométrico, Pigs Instrumentados, Engenharia de Dutos, Inspeção de Dutos.

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ABSTRACT

MEDEIROS, J. S. - Measuring and modeling the response of a feeler pig sensor under different dynamic loads. Natal/RN, 2012. Masters Dissertation – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Ensure the integrity of the pipeline network is an extremely important factor in the oil

and gas industry. The engineering of pipelines uses sophisticated robotic inspection

tools in-line known as instrumented pigs. Several relevant factors difficult the

inspection of pipelines, especially in offshore field which uses pipelines with multi-

diameters, radii of curvature accentuated, wall thickness of the pipe above the

conventional, multi-phase flow and so on. Within this context, appeared a new

instrumented Pig, called Feeler PIG, for detection and sizing of thickness loss in

pipelines with internal damage. This tool was developed to overcome several

limitations that other conventional instrumented pigs have during the inspection.

Several factors influence the measurement errors of the pig affecting the reliability of

the results. This work shows different operating conditions and provides a test rig for

feeler sensors of an inspection pig under different dynamic loads. The results of

measurements of the damage type of shoulder and holes in a cyclic flat surface are

evaluated, as well as a mathematical model for the sensor response and their errors

from the actual behavior.

Keywords: Feller Pig, Instrumented Pigs, Pipeline Engineering, Pipeline Inspection.

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Pigs de limpeza.......................................................................................... 5

Figura 2: Parafina arrastada por um pig de limpeza ................................................... 5

Figura 3: Placa calibradora ........................................................................................ 6

Figura 4: Esboço esquemático de algumas geometrias de pigs e suas respectivas

diferenças de pressão (DP) necessária para movê-los .............................................. 8

Figura 5: Velocidades e trajetória real do pig ............................................................. 9

Figura 6: Curva 90º danificada (a) e partes do pig (b) .............................................. 10

Figura 7: Colisão de um pig ao passar por um conector de 10 graus ....................... 10

Figura 8: Deformação no duto .................................................................................. 11

Figura 9: Pig perfilométrico para dutos de 16 polegadas, aproximadamente 400 mm.

Tem 6 coroas de 30 sensores, total de 180 sensores. A eletrônica e as baterias são

alojadas internamente ao pig ................................................................................... 12

Figura 10: Componentes dos sensores de perfilagem. (a) Imas permanentes de

NdFeB, (b) base de fixação do sensor, (d) eixo fixo onde aloja o transdutor Hall, (c)

transdutor Hall .......................................................................................................... 13

Figura 11: Perdas de espessuras na superfície interna da parede do duto são

medidas pela variação da inclinação das hastes dos sensores ao passar por elas .. 13

Figura 12: Principio de funcionamento do sensor Hall.............................................. 14

Figura 13: Morfologia dos ressaltos e zonas cegas em relação à posição angular de

45° do sensor perfilométrico com o plano da superfície ........................................... 15

Figura 14: Morfologia dos rebaixos e zonas cegas em relação à posição angular de

45° do sensor perfilométrico com o plano da superfície ........................................... 16

Figura 15: Coroa de sensores de um pig perfilométrico (a), comparativo entre uma

ponta de contato usada e outra nova (b) .................................................................. 17

Figura 16: Parâmetros de desempenho em função de .......................................... 23

Figura 17: Desenho esquemático da bancada experimental .................................... 27

Figura 18: Motor de excitação de base .................................................................... 28

Figura 20: Quadro de acionamento com CLP .......................................................... 28

Figura 19: Conjunto motor-redutor ........................................................................... 28

Figura 21: Inversor de freqüência............................................................................. 28

Figura 22: Motor ¼ cv .............................................................................................. 29

Figura 24: Ensaio do sensor perfilométrico .............................................................. 29

Figura 23: Inversor de freqüência............................................................................. 29

Figura 25: Sensor perfilométrico .............................................................................. 30

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Figura 26: Morfologia dos ressaltos ......................................................................... 30

Figura 27: Disco de ensaio....................................................................................... 31

Figura 28: Sistema de aquisição de dados ............................................................... 31

Figura 29: Fenômeno de batimento ......................................................................... 34

Figura 30: Fontes de erro entre o sinal simulado e mensurado para velocidade de 2

m/s ........................................................................................................................... 37

Figura 31: Fontes de erro entre o sinal simulado e mensurado para velocidade de 1

m/s ........................................................................................................................... 40

Figura 32: Fontes de erro (v= 0,2 m/s) ..................................................................... 43

Figura 33: Fontes de erro (v= 0,2 m/s) ..................................................................... 43

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1: Gráfico da velocidade de varredura de um pig de perfilagem .................... 8

Gráfico 2: Sinal do sensor com velocidade de varredura de 1 m/s ........................... 17

Gráfico 3: Erro de medição normalizado .................................................................. 18

Gráfico 4: Resposta ao degrau unitário para diferentes amortecimentos ................. 22

Gráfico 5: Parâmetros de desempenho para resposta ao degrau ............................ 22

Gráfico 6: Resposta ao degrau do sensor ................................................................ 33

Gráfico 7: Sinal de entrada para as simulações de resposta do sensor ................... 35

Gráfico 8: Comparativo entre o sinal do sensor e simulado (v=2 m/s) ...................... 36

Gráfico 9: Comparativo entre os percentuais acumulados dos erros (v=2 m/s) ........ 38

Gráfico 10: Comparativo entre o sinal do sensor e simulado (v=1m/s) ..................... 39

Gráfico 11: Percentual acumulado dos erros (v=1m/s) ............................................. 41

Gráfico 12: Comparativo entre o sinal do sensor e simulado (v=0,2m/s) .................. 42

Gráfico 13: Percentual acumulado dos erros (v=0.2m/s) .......................................... 44

Gráfico 14: Detalhe do percentual acumulado dos erros (v=0.2m/s) ........................ 44

Gráfico 15: Detalhe do percentual acumulado dos erros (v=0.2m/s) ........................ 45

Gráfico 16: Simulação sensores com diferentes coeficientes de amortecimentos .... 46

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LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1 – Tranformada de Laplace ..................................................................... 20

Equação 2 – Função transferência ........................................................................... 20

Equação 3: Função transferência de segunda ordem .............................................. 21

Equação 4: Ciclos visíveis para faixa de ±2% do regime permanente ...................... 24

Equação 5: Tempo de acomodação ......................................................................... 25

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SUMÁRIO

DEDICATÓRIA ......................................................................................................... V

AGRADECIMENTOS ............................................................................................... VI

RESUMO ................................................................................................................ VII

ABSTRACT ........................................................................................................... VIII

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ IX

LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................. XI

LISTA DE EQUAÇÕES .......................................................................................... XII

CAPÍTULO UM: INTRODUÇÃO ................................................................................ 1

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................................................ 1

1.2. OBJETIVO GERAL ........................................................................................................................... 3

1.2.1. Objetivos específicos ........................................................................................................... 3

1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ........................................................................................................ 3

CAPÍTULO DOIS: REVISÃO DA LITERATURA ....................................................... 5

2.1. INSPEÇÃO DE DUTOS ...................................................................................................................... 5

2.4. COMPORTAMENTO DINÂMICO DO PIG .............................................................................................. 7

2.5. CONDIÇÕES FÍSICAS E DE PROJETO DO MODAL ................................................................................. 9

2.7. PIG PERFILOMÉTRICO................................................................................................................... 11

2.8. TRANSDUTOR DE EFEITO HALL...................................................................................................... 14

2.9. FONTES DE ERROS DE MEDIÇÃO.................................................................................................... 15

2.9.1. Zonas cegas ...................................................................................................................... 15

2.9.2. Característica dinâmica do sensor ..................................................................................... 17

2.10. MODELAGEM DE SISTEMAS......................................................................................................... 19

2.10.1. Função Transferência ...................................................................................................... 20

2.10.2. Métodos determinísticos de identificação ........................................................................ 21

2.10.3 Sistemas de segunda ordem ............................................................................................ 21

2.10.4. Validação do modelo ....................................................................................................... 25

CAPÍTULO TRÊS: MATERIAIS E MÉTODO ........................................................... 27

3.1. BANCADA DE ENSAIO ................................................................................................................... 27

3.2. MORFOLOGIA DOS DANOS ............................................................................................................ 30

3.3. SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS ................................................................................................ 31

3.4. ETAPAS DA METODOLOGIA............................................................................................................ 32

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CAPÍTULO QUATRO: RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................ 33

4.1. CARACTERIZAÇÃO DO SENSOR ............................................................................................... 33

4.2. ENSAIOS E SIMULAÇÕES ......................................................................................................... 35

4.2.1. Velocidade de Varredura 2.0 m/s ............................................................................... 36

4.2.2. Velocidade de Varredura 1.0 m/s ............................................................................... 39

4.2.3. Velocidade de Varredura 0.2 m/s ............................................................................... 42

4.3. SIMULAÇÃO PARA DIFERENTES COEFICIENTES DE AMORTECIMENTOS......................................... 46

CAPÍTULO CINCO: CONCLUSÃO ......................................................................... 48

REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 50

APÊNDICE I ............................................................................................................ 52

CÓDIGO DO PROGRAMA EM MATLAB PARA GERAR AS RESPOSTAS DA FUNÇÃO TRANSFERÊNCIA DE SEGUNDA

ORDEM. ............................................................................................................................................. 53

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CAPÍTULO UM: INTRODUÇÃO

1.1 Considerações iniciais

A indústria petrolífera utiliza intensamente o modal dutoviário para transportar

seus produtos, semi-produtos ou resíduos. Os dutos sofrem continuamente a ação

triboquímica devido aos processos de desgaste corrosivo, erosivo, por cavitação,

abrasão e fadiga, levando-os à deterioração e diminuição da sua resistência

mecânica. Para investigar metodologicamente a integridade, funcionalidade e

segurança necessárias aos dutos, é essencial limpá-los e inspecioná-los

internamente em períodos estatisticamente bem definidos.

Entre as ferramentas eficazes para a limpeza e inspeção do modal dutoviário,

encontram-se os pigs (pipeline inspection gauge), onerosas, mas justificáveis, pois

acidentes com dutos podem ser catastróficos gerando enormes danos econômicos,

ambientais e humanos, principalmente nas instalações de petróleo e gás.

Os pigs são equipamentos impulsionados pela própria vazão do fluido da

linha de produção para realizar tarefas específicas dentro dos dutos. Eles podem ser

classificados em pigs de limpeza, com essa função, ou instrumentados, utilizados na

detecção, localização e dimensionamento de defeitos nas paredes dos dutos que

impliquem na redução da vida remanescente dos mesmos em relação à vida

originalmente projetada. Esses equipamentos instrumentados também conhecidos

como in-line inspection tools possuem um aparato eletrônico destinado a fazer

inspeções no interior dos dutos, a fim de detectar danos como amassamentos,

trincas e sinais de danos decorrentes do sinergismo erosão-fadiga-abrasão-

cavitação-corrosão.

Os vários tipos de pigs instrumentados apresentam acurácias

dessemelhantes e diferentes técnicas de medição, por exemplo, fluxo magnético,

óptico, ultrassônico, perfilométrico e etc. A escolha da aplicação dessas ferramentas

depende da necessidade de cada inspeção.

O aumento na demanda de petróleo tem incentivado sua busca em águas

cada vez mais profundas, assim como, nas regiões do pré-sal onde se torna

necessário a utilização de tubulações com espessuras maiores do que o

convencional e com multi-diâmetros na mesma linha de produção.

O pig perfilométrico representa um avanço tecnológico por ser capaz de atuar

nas condições na qual, por exemplo, o pig magnético (Magnetic Flux Leakage)

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possui a limitação quanto à capacidade de magnetizar as tubulações com espessura

de parede acima de 18 mm (BUSCHINELLI, 2007).

O pig ultras-sônico necessita de um fluido acoplante homogêneo com boa

propriedade acústica entre os sensores e as paredes da tubulação para realizar a

inspeção e obter bons resultados. A utilização desse equipamento é muito criteriosa

em linhas de produção multifásica, principalmente em instalações de petróleo cuja

produção contem gases, petróleo, água, etc.

O pig perfilométrico se destaca em relação ao pig ultra-sônico, pois não

necessita de líquido acoplante e em relação ao óptico não exige visibilidade ou meio

transparente. Na área de inspeção ele se enquadra em uma faixa de atuação

distinta das tecnologias convencionais, identificando e localizando defeitos

geométricos e volumétricos nos dutos.

O pig perfilometrico ainda é uma inovação recente, com baixo custo se

comparado com as ferramentas convencionais de inspeção de dutos, possui

características distintas e potenciais já confirmados por estudos recentes, motivando

assim, o desenvolvimento de pesquisas a fim de contribuir com o aperfeiçoamento

continuo desta ferramenta. Resultados experimentais desta tecnologia foram

apresentados por Franzoi et al. (2005).

O comportamento dinâmico do pig é complexo e de fundamental importância,

pois influencia na confiabilidade das medidas obtidas. Durante a inspeção ele sofre

variação na velocidade de deslocamento, choques com válvulas, morsas e flanges

desalinhados interferindo assim nos resultados medidos. Essas condições propiciam

oscilações na resposta do sensor devido às suas características de amortecimento

que interferem na exatidão das medições. Dentro desse contexto é necessário

avaliar tal comportamento e mensurar os erros de medição a fim de contribuir com o

aperfeiçoamento dessa ferramenta de inspeção. A hipótese central norteadora

desse trabalho está associada a essa complexidade e é a seguinte: O sensor

perfilométrico de um Pig instrumentado pode ser modelado por um sistema linear

invariante no tempo de segunda ordem, permitindo assim, simular sua resposta sob

diferentes superfícies e velocidades de varredura.

A verificação da hipótese foi realizada através de ensaios de laboratório em

uma bancada experimental desenvolvida com esse fim, capaz de variar os

parâmetros velocidade de varredura e danos do tipo ressalto e rebaixo.

O modelo matemático para o sensor foi obtido a partir da sua resposta ao

degrau invertido e a monitoração foi realizada por um sistema de aquisição de dados

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que registra, via computador, o sinal do sensor perfilométrico ao inspecionar um

disco em rotação com danos conhecidos.

Os resultados dos ensaios são comparados com os valores reais e simulados,

gerados pelo programa MATLAB a partir do modelo matemático de segunda ordem

proposto.

Os objetivos do trabalho e sua estruturação são descritos na seção seguinte.

1.2. Objetivo geral

Modelar a resposta de um sensor perfilométrico de um Pig instrumentado em

operação sob uma superfície plana periódica e avaliar os erros de medição.

1.2.1. Objetivos específicos

Ensaiar e validar um modelo matemático que descreva respostas

dinâmicas obtidas experimentalmente considerando-se diferentes

o velocidades de inspeção;

o danos do tipo ressaltos e rebaixos;

Contribuir à confiabilidade da inspeção de superfícies por pigs através

do desenvolvimento de uma bancada experimental para simular o

processo de inspeção;

1.3. Estrutura da dissertação

Essa dissertação está subdividido em 6 capítulos e nesse primeiro capítulo foi

descrito uma breve contextualização do pig perfilométrico e os objetivos desse

trabalho.

No capítulo 2 é apresentada uma revisão da literatura sobre as diferentes

solicitações dinâmicas de operação dos pigs, assim como, uma descrição do

funcionamento do sensor perfilométrico e suas fontes de erro de medição. Nessa

seção também é discutido vários tipos de modelagem de sistemas dinâmicos e

descreve alguns métodos utilizados para validação de modelos.

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No capítulo 3 são apresentados os materiais e o método utilizado nesse

trabalho. Nele também é detalhado o sensor utilizado nos ensaios, assim como a

bancada desenvolvida para propiciar diferentes solicitações dinâmicas durante o

processo de perfilagem.

Os resultados dos ensaios e os erros de medição do sensor em relação à

superfície inspecionada são discutidos no capítulo 4, juntamente com as limitações

do modelo matemático proposto para descrever o comportamento do sensor. Os

erros são descritos pela distribuição em freqüência acumulada para as diferentes

solicitações dinâmicas e cinemáticas. Por fim, no capítulo 5, são apresentadas as

conclusões e no capítulo 6 as sugestões para trabalhos futuros.

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CAPÍTULO DOIS: REVISÃO DA LITERATURA

2.1. Inspeção de dutos

A grande importância dos pigs instrumentados tem incentivado diversas

pesquisas para aperfeiçoar a exatidão das medições realizadas em diversas

condições de serviços. Independentemente do princípio de funcionamento dos seus

sensores, sejam por ultra-som, fluxo magnético, óptico ou apalpador mecânico, as

condições dinâmicas operacionais e de projeto do modal dutoviário são

semelhantes, porém afetam diferentemente os seus respectivos resultados.

Antes da inspeção, as tubulações passam por varias etapas de preparação

nas quais os pigs de limpeza são introduzidos e lançados no interior dos dutos

removendo parafinas, incrustações e possíveis objetos metálicos (FRANZOI et al,

2001). Com isso, evitam-se danos nos equipamentos e melhora as condições de

operação para a posterior inspeção. A Figura 1 mostra vários tipos de pig de limpeza

e na Figura 2, evidencia-se um bloco de parafina arrastada por um pig de limpeza.

Figura 1 - Pigs de limpeza

Fonte: Franzoi et al (2005)

Figura 2: Parafina arrastada por um pig de limpeza

Fonte: Franzoi et al (2001)

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Os pigs de limpeza normalmente são feitos de poliuretano ou resina, alguns

possuem uma placa metálica de alumínio, denominada placa calibradora, com

diâmetro pouco menor do que o nominal do duto. A placa tem como objetivo sofrer

deformações caso se choque com amassamentos excessivos, conexões

desalinhadas ou válvulas parcialmente abertas (CORDELL e VANZANT, 2003). A

avaliação do grau de deformação da placa metálica indicará se é possível a

inspeção, pois sendo excessiva existe o risco do pig instrumentado ficar preso

dentro do duto, acarretando maiores custo com sua remoção, danos no

equipamento e principalmente com o corte dos insumos da linha de produção. Em

casos assim, a inspeção só e possível após a identificação e eliminação do

obstáculo. A Figura 3 mostra uma típica placa calibradora.

Figura 3: Placa calibradora

Fonte: Cordell e Vanzant (2003)

As diversas situações inerentes a inspeção de dutos requerem profissionais

qualificados e experientes para se obter resultados confiáveis.

O comportamento cinemático e dinâmico do pig dentro do duto é de natureza

complexa. Porém, sabe-se que um dano qualquer inspecionado em diferentes

velocidades terá resultados dessemelhantes na sua identificação, assim como, sob o

efeito de choques ou vibração do pig. Conhecer a influencia dessas questões é

fundamental para obter resultados confiáveis que garantam uma maior segurança na

decisão de parada e manutenção das tubulações.

As diversas tecnologias embarcadas relativa a cada tipo de pig têm

capacidades distintas em relação à detecção dos diferentes tipos de danos, assim

como, custos de operação e incertezas dos resultados. A Tabela 1 mostra um breve

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comparativo geral entre as principais tecnologias de inspeção de dutos e suas

incertezas de medição.

Tabela 1: Comparação entre os métodos de inspeção de dutos

Fonte: Adaptado de Buschinelli (2007)

Observa-se na Tabela 1 que o pig mecânico, perfilométrico, se destaca em

relação às demais tecnologias por ter bom desempenho em relação à faixa tolerável

de diâmetro e por não exigir um alto grau de limpeza dos dutos.

A velocidade de inspeção torne-se um fator crítico, pois é necessário o

contato mecânico dos sensores com toda a superfície inspecionada.

2.4. Comportamento Dinâmico do Pig

Os fluidos presentes nas tubulações como gases, água, vapor ou petróleo,

característicos de cada indústria influenciam significativamente nas medições,

principalmente naquelas que apresentam escoamento multi-fásico. Além do mais, as

fases oferecem diferentes resistências ao deslocamento do pig, as linhas de

produção apresentam capacidades distintas para impulsioná-los e o pig também

exibe um movimento de rotação em relação ao próprio eixo longitudinal. O efeito

dessas questões é a variação da velocidade de inspeção do equipamento, assim

como, a exibição do movimento de “parada-partida” produzido pela queda da

pressão de linha para níveis baixos ou insuficientes.

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8

Estudos da dinâmica do pig em dutos com fluidos bifásicos, gás e líquido,

assim como pesquisas do comportamento transiente foram publicados por Minami e

Shoham (1996), Azevedo et al (2001) respectivamente. Simulações numéricas e

modelagem da dinâmica, também, foram publicadas por Hosseinalipour et al (2007).

Modelos matemáticos para o controle do movimento do pig em tubulações de gás

natural foram apresentadas por Nguyen et al (2001).

O Gráfico 1 mostra a variação da velocidade de varredura de pig e a Figura 4

às faixas de diferença de pressão necessária para deslocá-lo em função do tipo de

pig.

Gráfico 1: Gráfico da velocidade de varredura de um pig de perfilagem

Fonte: Sabino (2009)

Figura 4: Esboço esquemático de algumas geometrias de pigs e suas respectivas diferenças de pressão (DP) necessária para movê-los

Fonte: Cordell e Vanzant (2003)

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9

A velocidade real de inspeção deve ser interpretada como o somatório vetorial

das velocidades tangencial do sensor em relação ao movimento de rotação do pig e

a velocidade longitudinal. Essa velocidade longitudinal, normalmente, é registrada a

partir da variação de seu deslocamento em função do tempo por meio de um sensor

hodômetro. Comumente as literaturas não fazem referência a essa circunstância

exibindo apenas o valor da velocidade longitudinal que pode atingir 5 m/s. Esses

parâmetros dependem principalmente do peso do pig e da diferença de pressão

gerada na linha de produção. A Figura 5 mostra os vetores das velocidades e a

trajetória real do pig.

Figura 5: Velocidades e trajetória real do pig

Fonte: Adaptada de Tiratsoo (1992)

A rotação do pig dentro do duto é de fundamental importância para manter um

desgaste uniforme nos selos de vedação que mantêm o alinhamento do

equipamento de inspeção próximo ao centro do duto. Os selos são responsáveis por

manter a diferença de pressão a montante e a jusante do pig a fim de promover seu

deslocamento dentro do duto.

2.5. Condições físicas e de projeto do modal

Outros fatores que interferem na inspeção são as condições físicas e de

projeto do modal, pois dependendo dos componentes e dos danos presentes no

duto pode-se induzir choques, vibração e oscilações no corpo do pig. Muitas vezes,

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10

esses choques podem causar danos nos equipamentos, nos sensores e no modal,

comprometendo a integridade estrutural das instalações e todo o resultado da

inspeção. Entre esses danos e componentes pode-se destacar as morsas,

incrustações, conexões, flanges desalinhados, bifurcações, válvulas abertas

parcialmente e etc.

A Figura 6 mostra um caso raro onde o pig rompeu a tubulação em uma curva

de 90° e partes do equipamento de inspeção encontradas a uma distancia de 240 m

(HILTSCHER et al, 2003). A Figura 7 ilustra esquematicamente um pig colidindo com

um conector de 10 graus.

Figura 6: Curva 90º danificada (a) e partes do pig (b)

Fonte: Hiltscher et al (2003)

Figura 7: Colisão de um pig ao passar por um conector de 10 graus

Fonte 1: Franzoi et al (2001)

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11

A Figura 10 mostra esquematicamente um pig geométrico identificando um

amassamento. Esses danos estruturais modificam o alinhamento do pig e

introduzem oscilações no seu corpo ao passar por eles em operação.

Figura 8: Deformação no duto

Fonte: Tiratsoo (1992)

Os amassamentos ou morsas são causados por acidentes com máquinas de

escavar, âncoras de navios ou mudanças no relevo onde as tubulações ou dutos

estão soterrados.

É muito importante ter o máximo de conhecimento sobre as instalações do

modal dutoviário para que a atividade de inspeção possa ser realizada com

segurança e obtenha resultados confiáveis.

2.7. Pig perfilométrico

O Pig de Perfilagem, também conhecido como “pig espinho” ou “pig palito”,

utiliza o contato mecânico como meio de medição. Ele possui varias hastes

articuladas que deslizam em contato com a superfície interna do duto e assim

inspeciona o seu interior. Seu desenvolvimento tem como motivação produzir uma

ferramenta de baixo custo, se comparado com os pigs instrumentados tradicionais,

capaz de superar as limitações encontradas em pigs magnéticos e de ultra-som.

Entre essas limitações são as baixas tolerâncias a variações de diâmetro do modal

dutoviário e a necessidade de fluído de acoplamento (BUSCHINELLI, 2007).

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Observam-se na Figura 9 as partes principais de um pig perfilométrico que

são descritas a seguir:

1. Selos de vedação, também conhecidos como pratos, cuja função é permitir o

alinhamento e devido ajuste do pig nas paredes do duto, a fim de promover o

deslocamento do equipamento quando impulsionado pelo fluido da linha de

produção;

2. Sensores perfilométricos responsáveis por mapear a superfície do duto;

3. Corpo central, onde se aloja internamente toda a eletrônica embarcada e

externamente os sensores apalpadores e hodômetros;

4. Hodômetros cuja função é registrar o deslocamento do pig, seu principio de

funcionamento é baseado em sensores do tipo encoder.

Figura 9: Pig perfilométrico para dutos de 16 polegadas, aproximadamente 400 mm. Tem 6 coroas de 30 sensores, total de 180 sensores. A eletrônica e as baterias são alojadas

internamente ao pig

Fonte: Sabino (2009)

O pig de perfilagem possui varias “coroas instrumentadas” ao longo do seu

corpo para atender uma resolução circunferêncial milimétrica. Essas coroas são

defasadas angularmente e possui uma distribuição uniforme de sensores ao longo

do perímetro da superfície interna do duto.

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13

A estrutura mecânica do sensor perfilométrico é basicamente uma haste

articulada de contato. O eixo de rotação da haste é fixo na base do sensor e aloja no

seu interior um transdutor de efeito Hall. Os Imãs que fornecem um campo

magnético constante ao conjunto, eixo e transdutor, são fixos dentro da haste

articulada do sensor palito, conforme ilustrado na Figura 10.

Figura 10: Componentes dos sensores de perfilagem. (a) Imas permanentes de NdFeB, (b)

base de fixação do sensor, (d) eixo fixo onde aloja o transdutor Hall, (c) transdutor Hall

Fonte: Sabino (2009)

Quando ocorre um movimento angular da haste articulada resultante do

contato da superfície do duto pelo palito, o ângulo de incidência do fluxo magnético

na face do transdutor muda proporcionalmente a este movimento. Assim, esta

variação de incidência de fluxo magnético produzirá um sinal analógico de saída

correspondente ao movimento angular da haste. A Figura 11 ilustra

esquematicamente o sensor palito perfilando uma superfície danificada.

Figura 11: Perdas de espessuras na superfície interna da parede do duto são medidas pela variação da inclinação das hastes dos sensores ao passar por elas

Fonte: Sabino (2009)

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2.8. Transdutor de efeito Hall

O elemento primário de medição do sensor palito é a medida de posição

angular da haste com imãs permanentes em torno do transdutor Hall. Portanto, a

medição efetiva é a intensidade de fluxo magnético incidente na face do transdutor

Hall que está dentro deste eixo. Segundo Salcedo (2009) os fatores que

determinaram a escolha desse tipo de transdutor foram às características de

operação e condições de serviços dos pigs de inspeção. Destaca-se a seguir

algumas características:

• Alta confiabilidade

• Baixo Custo

• Ausência de partes móveis de contato

• Tamanho pequeno

• Versatilidade

O efeito Hall ocorre quando uma placa fina de um material semicondutor,

conduzindo uma corrente (I) é colocada em um campo magnético (B) perpendicular

à sua superfície. Desta forma, gera-se uma diferença de potencial elétrico

perpendicularmente a corrente e ao campo magnético. Observa-se na Figura 12

esse principio de funcionamento.

Figura 12: Principio de funcionamento do sensor Hall

Fonte: Salcedo (2009)

O campo magnético e a densidade de fluxo magnético são relacionados

através da constante de permeabilidade magnética do ar. A tensão de saída do

elemento Hall é diretamente proporcional à densidade do fluxo magnético.

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2.9. Fontes de erros de medição

2.9.1. Zonas cegas

O sensor perfilométrico não é capaz de tocar todo o perfil da superfície

inspecionada por várias questões. Um dos motivos é devido às relações

geométricas entre os danos e a ponta de perfilagem. Costa (2013) mensurou a

região de zona cega para alguns danos do tipo ressalto e rebaixo com geometrias

simples, manufaturados por processos de usinagem. Esses danos usinados são de

baixíssima probabilidade de ocorrência nos dutos reais em operação, pois

apresentam vértices e arestas bem definidas, entretanto é possível evidenciar as

limitações do contato mecânico no processo de perfilagem.

As medidas de zonas cegas foram obtidas a partir de uma condição quase

estática na qual o sensor muito lentamente perfilou os diferentes tipos de danos.

Nesses experimentos a posição angular do sensor perfilométrico com o plano da

superfície inspecionada era aproximadamente 45°. Os resultados são esboçados na

Figura 13 e 14. A escala das medidas é o milímetro (mm).

.

Figura 13: Morfologia dos ressaltos e zonas cegas em relação à posição angular de 45° do sensor perfilométrico com o plano da superfície

Fonte: Costa (2013)

Observa-se na Figura 13 que as zonas cegas a esquerda dos ressaltos

apresentam valores entre 3,5 e 5 mm. O lado direito dos ressaltos apresentam

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valores entre 1 e 1,3 mm de região não perfilada. A Figura 14 mostra que o sensor

também não consegue perfilar a profundidade máxima dos rebaixos e apresenta

valores entre 1,5 e 2,09 mm menores. Os ressaltos são análogos aos cordões de

solda que unem os dutos e os rebaixos são análogos aos alvéolos típicos do

processo de corrosão.

Figura 14: Morfologia dos rebaixos e zonas cegas em relação à posição angular de 45° do

sensor perfilométrico com o plano da superfície

Fonte: Costa (2013)

O sensor perfilométrico também sofre ação dos processos tribologicos

desgastando a ponta de contato após a inspeção em condições reais de operação,

modificando sua geometria e dificultando uma caracterização detalhada das zonas

cegas.

A mudança geométrica da ponta do sensor devido os mecanismos de

desgaste que atuam durante a perfilagem, gera diferentes zonas cegas em relação

às condições iniciais. Essas questões e os efeitos do amortecimento do sensor e da

velocidade de varredura tornam variáveis importantes que influenciam na

confiabilidade das inspeções por pigs de perfilagem.

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A Figura 15 mostra uma coroa de sensores desgastados e um comparativo

entre uma ponta de contato nova e outra usada em campo.

Figura 15: Coroa de sensores de um pig perfilométrico (a), comparativo entre uma ponta de

contato usada e outra nova (b)

As zonas cegas e o desgaste da ponta de contato do sensor de perfilagem

evidenciam a necessidade de ter critérios geométricos e taxa de desgaste

conhecidas que estabeleçam limites aceitáveis para possibilitar medidas confiáveis.

2.9.2. Característica dinâmica do sensor

Costa (2013) estudou a influência do parâmetro velocidade de varredura nos

erros de medição e identificou o comportamento oscilatório do sensor ao perfilar

ressaltos e rebaixos. No Gráfico 2 observa-se os danos e o sinal do sensor.

Gráfico 2: Sinal do sensor com velocidade de varredura de 1 m/s

Fonte: Costa (2013)

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Os erros de medição para os resultados apresentado por Costa (2013) são

resumidos no Gráfico 3 para os danos artificiais do tipo rebaixo, usinados por brocas

e com profundidade igual a metade do diâmetro.

Gráfico 3: Erro de medição normalizado

No Gráfico 3 Dd/Dp é a razão entre o diâmetro do dano e o diâmetro da ponta

de contato do sensor. O erro está normalizado em relação à profundidade real dos

rebaixos e inclui os efeitos das zonas cegas e da velocidade de varredura.

Observa-se no Gráfico 3 que a medida realizada com velocidade de varredura

de 2 m/s tem um erro de 80%, quando perfila um dano do tipo rebaixo com diâmetro

duas vezes o diâmetro da ponta de contato do sensor. Para uma velocidade de

varredura de 1 m/s o mesmo dano é identificado com um erro de aproximadamente

50% da profundidade. Quando ele é medido a uma velocidade de 0,2 m/s tem um

erro de aproximadamente 40%. Observa-se também que para razão Dd/Dp de 0.8 e

velocidade de varredura de 2 m/s o sensor não consegue identificar o dano e a

medida tem um erro de 100%.

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2.10. Modelagem de Sistemas

Modelagem matemática é a área que estuda os meios, metodologias,

formulas e algoritmos para implementar modelos matemáticos que descrevem

sistemas reais. Essas técnicas podem ser classificadas em três categorias

denominadas modelagem caixa branca, modelagem caixa preta e modelagem caixa

cinza (AGUIRRE, 2007).

A modelagem caixa branca é também conhecida como modelagem física, sua

abordagem exige o conhecimento detalhado do sistema em estudo e das leis físicas

que envolvem o fenômeno.

No atual sistema, sensor perfilométrico e superfície de contato seriam

necessários o conhecimento de varias características para determinar o seu

comportamento dinâmico, por exemplo, geometria detalhada do sensor, módulo de

elasticidade dos materiais em contato, rigidez da mola, massa da haste do sensor,

pressão de contato sobre a superfície de inspeção, características elétricas do

sensor Hall e etc. Determinar essas variáveis exige vários equipamentos para medir

essas grandezas e tempo de operação, assim como descrever as leis físicas que as

relacionam tornando o trabalho minucioso e sujeito a erros de medições.

Na maioria dos casos a obtenção de modelos seguindo esta abordagem é

muito difícil ou mesmo impossível em razão da complexidade inerente à maioria dos

processos reais.

A modelagem caixa preta, na qual pouco ou nenhum conhecimento prévio do

sistema é necessário, apenas informações de entrada e saída são ajustadas a

modelos matemáticos previamente definidos. Nessa modelagem estabelece-se uma

relação entre as variáveis de entrada e saída sem entrar nos detalhes do que ocorre

internamente ao sistema. Os parâmetros encontrados não possuem interpretação

física, pois são unicamente constantes matemáticas.

O modelo caixa cinza, embora as peculiaridades do que está ocorrendo

internamente ao sistema não sejam totalmente conhecidas é possível construir um

modelo parcial baseado na experiência e nos dados experimentais. Nessa

modelagem os parâmetros encontrados podem ter algum significado físico, tais

como resistência elétrica, capacitância, coeficiente de amortecimento, freqüência

natural e etc. O presente trabalho utiliza-se dessa modelagem e descreve o

comportamento do sensor em estudo pela função de transferência entre o sinal

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informado pelo sensor (sinal de saída) e o perfil da superfície de contato (sinal de

entrada).

O modelo matemático de um sistema pode ser representado por diferentes

equações ou mais de uma equação para regimes de trabalho distintos. Os sistemas

dinâmicos lineares invariantes no tempo, LTI, são aqueles que apresentam os

coeficientes das equações diferenciais constantes ou função apenas da variável

independente. Embora muitas relações físicas sejam representadas freqüentemente

por equações lineares, na maioria dos casos as relações reais não são exatamente

lineares. Elas normalmente são lineares apenas em faixas limitadas de operação.

O sistema também é dito linear quanto atende o principio da superposição o

qual estabelece que a resposta produzida pela aplicação simultânea de duas

excitações diferentes é igual à soma das duas respostas individuais a cada uma das

excitações (OGATA, 2003). O pig perfilométrico realiza inspeções em dutos com

mais de 400 km de extensão e ao final do processo a resposta dinâmica dos

sensores sofre variações tornando assim o modelo LTI apenas uma aproximação do

seu comportamento real.

2.10.1. Função Transferência

Uma das representações mais importantes na modelagem de sistemas

dinâmicos lineares é a função transferência (FT), pois descreve como uma

determinada entrada é dinamicamente transferida para a saída do sistema. Por

definição a função transferência de um sistema LTI é definida como a relação entre

a Transformada de Laplace do sinal de saída (função resposta) e a Transformada de

Laplace do sinal de entrada (função excitação), na hipótese de que todas as

condições iniciais são nulas.

Equação 1 – Tranformada de Laplace

Equação 2 – Função transferência

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A FT do sistema em estudo pode ser obtida aplicando-se a transformada de

Laplace à equação diferencial que o descreve, a qual é encontrada a partir das leis

físicas envolvidas no sistema. Ela, também, pode ser estabelecida

experimentalmente introduzindo-se sinais de entrada conhecidos e estudando-se o

sinal de saída do sistema. Uma vez obtida, a função transferência fornece uma

descrição completa das características dinâmicas do sistema (OGATA, 2003).

2.10.2. Métodos determinísticos de identificação

Nos casos mais simples de modelagem, os sinais de entrada e saída são

conhecidos e tem uma forma fixa do tipo degrau, impulso, senóide e etc. Os outros

parâmetros são constantes fixas ou variáveis porem sem a necessidade do uso de

funções de distribuição de probabilidades para especificá-los (AGUIRRE, 2007).

Dentre os métodos determinísticos são encontrados alguns procedimentos gráficos

e experimentais para obtenção dos parâmetros da função transferência que

descrevem o sistema dinâmico.

A resposta ao degrau em regime permanente é obtida a partir da curva de

reação do sistema quando se aplica uma excitação em degrau na entrada do

sistema em estudo. Este procedimento obtém bons resultados no entorno da região

que contem o ponto de operação no qual foram realizados os ensaios experimentais.

2.10.3 Sistemas de segunda ordem

Conforme Aguirre (2007), a FT de segunda ordem (Equação 3) pode ser

usada para modelar sistemas oscilatórios. O parâmetro n é a freqüência natural do

sistema e é o seu coeficiente de amortecimento.

Equação 3: Função transferência de segunda ordem

O sistema de segunda ordem pode ser classificado de acordo com o

coeficiente de amortecimento, ou seja, superamortecido, quando criticamente

amortecido, quando =1, e subamortecido, para 0<<1.

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As oscilações identificadas por Costa (2013), após perfilar rebaixos e

ressaltos evidenciam que o sensor perfilométrico em estudo tem características de

um sistema subamortecido. Observa-se no Gráfico 4 diferentes respostas ao degrau

unitário em função do coeficiente de amortecimento.

Gráfico 4: Resposta ao degrau unitário para diferentes amortecimentos

Segundo Ogata (2003) conhecendo-se a resposta a uma excitação em

degrau é possível encontra-se a resposta para qualquer outra excitação. O sinal do

tipo degrau é de fácil aplicação prática e suficiente severa para gerar oscilações

necessárias a identificação do sistema em estudo. O Gráfico 5 mostra alguns

parâmetros de desempenho característico do sistema de segunda ordem para uma

excitação em degrau unitário.

Gráfico 5: Parâmetros de desempenho para resposta ao degrau

Fonte: Dorf (2001)

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O parâmetro máxima ultrapassagem é o valor máximo em percentual

correspondente ao maior pico da resposta ao degrau unitário (overshoot). Ele é de

grande importância para caracterizar sistemas onde se deseja ter mínima oscilação.

No caso do sensor perfilométrico, deseja-se que o sistema seja suficientemente

rápido para perfilar o máximo dos ressaltos e rebaixos com o menor overshoot

possível.

O amortecimento crítico permite que o sensor não apresente oscilações após

uma excitação qualquer, ou seja, o valor máximo de ultrapassagem é zero. Em

contrapartida, o aumento do amortecimento acarreta em um maior tempo de

acomodação. A Figura 16 mostra a relação entre o coeficiente de amortecimento,

tempo de acomodação e o máximo valor de ultrapassagem.

Figura 16: Parâmetros de desempenho em função de

Fonte: Ogata (2006)

Observa-se na Figura 16 que o menor tempo de acomodação ocorre para

adotando-se uma tolerância de 2%, e para tolerância de 5%. Sistemas

com tais amortecimentos têm máxima ultrapassagem de 2% e 5% respectivamente.

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Conforme Dorf (2001), descreve-se a seguir um método para estimar n e da

Equação 3, a partir do gráfico de sua resposta ao degrau no caso subamortecido. A

resposta temporal ao degrau unitário é:

A freqüência amortecida é igual a:

A constante de tempo para o decaimento exponencial é igual a:

O número de ciclos amortecido durante o decaimento exponencial é igual a:

Admitindo-se que decaiam n constantes de tempo visíveis no gráfico

experimental:

Sabe-se que, para a função transferência como a Equação 3, a resposta ao

degrau se mantém dentro da faixa de ±2% do valor em regime permanente após

quatro constantes de tempo, ou seja, nesse caso n= 4.

Equação 4: Ciclos visíveis para faixa de ±2% do regime permanente

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O tempo de acomodação é de grande importância para alguns sistemas onde

se deseja respostas rápidas e pode ser calculado pela Equação 5 a seguir. Ele é

inversamente proporcional ao produto da freqüência natural e o coeficiente de

amortecimento do sistema.

Equação 5: Tempo de acomodação

2.10.4. Validação do modelo

Para validar um modelo ou outro é importante utilizar uma medida de erro

com a finalidade de se encontrar aquele que melhor atenda os resultados

esperados.

Existem na literatura diversas medidas de erro disponíveis entre as quais

podemos citar comparação gráfica, diagramas de dispersão, coeficiente de

correlação, erro quadrático acumulado, raiz do erro médio quadrático (RMSE), erro

percentual médio absoluto (MAPE), entre outros.

Para avaliar o modelo proposto, será utilizado o coeficiente de correlação,

pois representa uma medida do grau de semelhança e correlação linear entre a

resposta do modelo de segunda ordem e o sinal experimental do sensor em estudo.

O coeficiente de correlação é obtido pela Equação 6.

Equação 6 - Coeficiente de correlação

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O coeficiente de correlação pode ser interpretado de forma qualitativa de

acordo com o Quadro 1.

O RMSE é calculado pela Equação 7 e sua interpretação está associado a um

valor médio efetivo durante todo o processo de perfilagem. É importante destacar

que os erros calculados são exclusivos para os dados dos experimentos desse

trabalho.

Quadro 1: Interpretação do valor de ρ

Equação 7: Raiz do erro médio quadrático

A análise gráfica da freqüência acumulada do erro de medição do sensor e da

resposta simulada também será utilizada, pois apresenta mais detalhes sobre as

respectivas proporções dos erros. Os gráficos de freqüência acumulado tem na

abscissa o erro de medição normalizado em relação à espessura do disco de ensaio

e na ordenada e percentual acumulado. A curva desse gráfico também é conhecida

como “curva s”.

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CAPÍTULO TRÊS: MATERIAIS E MÉTODO

3.1. Bancada de Ensaio

Discutiu-se o projeto conceptual deste trabalho com integrantes do GET-

UFRN, Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural da UFRN.

Objetivou-se simular varias situações dinâmicas e da Mecânica do Contato e

do Dano para os sensores pig, desenvolvendo-se uma bancada capaz de ensaiá-los

sobre um disco rotativo, com danos conhecidos, no qual se combinam

simultaneamente dois deslocamentos relativos pig-mesa, um na direção radial e

outro de vai-e-vem (“reciprocating”), com freqüência variável. A combinação desses

movimentos representa uma aproximação ao deslocamento longitudinal e tangencial

de um sensor, durante seu deslocamento no interior do duto.

No presente trabalho, o sensor estava em posição fixa, sob o disco em

rotação, e seu deslocamento radial era utilizado apenas para posicioná-lo na orbita

de ensaio. A Figura 17 esboça um desenho esquemático da bancada.

Figura 17: Desenho esquemático da bancada experimental

A bancada de ensaio é uma adaptação de um equipamento de ensaio

tribologico para gaxetas de vedação de unidades de bombeio de petróleo. Nessa

máquina foi utilizado o sistema de movimento alternado composto por um conjunto

motor-redutor e seu quadro de acionamento.

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Nessa bancada é possível induzir vibração na base de fixação do sensor a

partir de um motor elétrico com uma massa desbalanceada em seu eixo. A rotação

ou freqüência de excitação é controlada por um dimmer, entretanto essa função não

foi explorada nesse trabalho. A Figura 18 exibe o motor de excitação de base e o

sensor fixo sob o disco de ensaio.

O motor trifásico do sistema de deslocamento radial (Figura 19) tem potência

de 1,5 cv e é controlado via software por um CLP (Figura 20) cuja função é

selecionar a rotação de trabalho através de um inversor de freqüência (Figura 22).

Figura 19: Motor de excitação de base

Figura 21: Quadro de acionamento com CLP

Figura 20: Inversor de freqüência

Figura 18: Conjunto motor-redutor

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O sistema responsável pelo controle da rotação do disco de ensaio é

composto por um motor trifásico de ½ cv e um inversor de freqüência modelo WEG

CFW 09. Esse motor elétrico usa uma transmissão por correia para acionar o eixo

onde está fixado o disco. A Figura 22 mostra o motor e a Figura 23 o inversor de

freqüência desse conjunto.

Figura 23: Motor ¼ cv

A Figura 24 mostra o sensor em ensaio e um osciloscópio exibindo o sinal

elétrico referente aos danos presentes no disco em rotação.

Figura 24: Ensaio do sensor perfilométrico

Apalpador mecânico

Disco em rotação

Figura 22: Inversor de freqüência

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30

Observa-se na Figura 25 o sensor perfilométrico constituído por base, onde o

transdutor Hall é fixado internamente, mola, haste articulada e ponta de contato.

Figura 25: Sensor perfilométrico

3.2. Morfologia dos danos

Os danos do tipo rebaixo foram usinados com 4 brocas de diâmetros

diferentes, 5,00mm, 9,00mm, 12,00mm e 16,00mm. A profundidade de cada furo

equivale à metade do valor do diâmetro da broca.

Os danos do tipo ressalto foram produzidos a partir da usinagem de dois

tarugos de aço baixo carbono, sendo um cilíndrico (diâmetro de 12,00mm) e o outro

cônico (diâmetro maior 12,00mm e diâmetro menor 4,00mm). A partir daí, usinou-se

com a operação de fresamento, tornando-se plano na seção longitudinal. A Figura

26 mostra as amplitudes e o formato desses componentes. Observa-se que é

possível obter uma variação infinitesimal na amplitude do ressalto cônico, entre 6 e

2mm, de acordo com a posição radial do sensor sob o disco de ensaio.

Figura 26: Morfologia dos ressaltos

Duas unidades de cada ressalto foram fixadas com cola a base de

cianoacrilato no disco de ensaio, formando um ângulo de 90º entre eles. Os

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31

ressaltos cilíndricos foram posicionados inversamente e defasados em 180°. A

Figura 27 mostra o disco no qual foi usinado os rebaixos e colados os ressaltos.

Figura 27: Disco de ensaio

A orbita 2 do disco tem ressaltos com a mesma amplitude de 4 mm. A orbita 1

e 3 apresentam uma seqüência inversa na amplitude, gerando no sensor excitações

respectivamente crescente e decrescente. Devido as diferentes posições radiais a

circunferência da orbita 3 tem a maior concentração de danos, seguida da orbita 2 e

1, dessa forma elas apresentam freqüências de excitação distintas.

3.3. Sistema de aquisição de dados

A aquisição de dados do sinal informado pelo sensor foi realizada por uma

placa da National Instruments, Figura 33, e o software Labview Signal Express. As

principais características desse hardware são:

32 entradas analógicas single-ended ou 16 diferenciais;

Taxa de amostragem de 25 kS/s, resolução de 16 bits;

Faixas de entrada programáveis de ±10 V.

Figura 28: Sistema de aquisição de dados

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32

3.4. Etapas da metodologia

As etapas da metodologia utilizada nesse trabalho estão esboçadas no

fluxograma abaixo.

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33

CAPÍTULO QUATRO: RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1. Caracterização do sensor

O sinal de excitação escolhido para identificar o sensor que represente a

dinâmica do processo de perfilagem foi o do tipo degrau invertido. Esse sinal foi

escolhido por ser a perfilagem do dano do tipo rebaixo que segundo a mecânica da

fratura, compromete com maior intensidade a integridade do duto. Desta forma, o

sensor é bem identificado para a condição mais critica durante o processo de

inspeção. Nesse caso, para aplicar o degrau na entrada do sistema, a ponta de

perfilagem do sensor em estudo foi posicionada sobre um ressalto retangular com

altura de 14 mm, aproximadamente. Posteriormente, em uma condição quase

estática o disco de ensaio foi acionando até que a ponta saltasse de reencontro ao

plano do disco. Os 14 mm foi definido por ser a amplitude de trabalho do sensor nos

ensaios, 8 mm do maior rebaixo mais 6 mm do maior ressalto. O Gráfico 6 exibe a

resposta do sensor.

Gráfico 6: Resposta ao degrau do sensor

-0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Altu

ra (

mm

)

Tempo (s)

A resposta obtida evidencia o comportamento oscilatório do sensor que é

representado por modelos de segunda ordem. Observa-se, no Gráfico 6, que o

período das oscilações reduz com o tempo e que o amortecimento dos picos

(overshoots) é sensivelmente diferente dos vales (undershoots). A área dos picos

Degrau ____

Resposta ____

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34

representa, aproximadamente, 90% da área do sinal e atua em 80% do tempo.

Essas características evidenciam que tal reposta é uma combinação de mais de

uma função com valores de freqüências naturais bem próximas, assim como,

coeficientes de amortecimentos ligeiramente diferentes.

O fenômeno batimento ocorre quando duas ondas com freqüências próximas

são produzidas ao mesmo tempo gerando uma resultante com interferências

construtivas e destrutivas ao entrarem em fase ou em oposição. No Gráfico 6

observa-se mais intensamente uma interferência destrutiva no primeiro vale e

construtiva no primeiro pico. Mudanças no período e na amplitude também são

características desse fenômeno na onda resultante. Na Figura 29, por exemplo, se

evidencia o fenômeno de batimento com mais clareza e simplicidade, mostrando a

resultante da soma de duas ondas senoidais com uma pequena diferença na

freqüência.

Figura 29: Fenômeno de batimento

Adicionalmente, a resposta do sensor apresenta um amortecimento que

dificulta a identificação das características individuais das ondas por análise gráfica.

Possivelmente, a função característica total do sensor é uma combinação de um

sistema massa, mola, amortecedor que descreve tipicamente a estrutura mecânica

do sensor mais um sistema resistor, capacitor e indutor relativo ao sensor Hall. O

componente resistor, capacitor e indutor são análogos a amortecedor, mola e

massa, respectivamente. Outra hipótese é o sistema ser bem melhor descrito por

equações diferenciais não-lineares, para as quais não existem soluções analíticas

simples. Comumente são utilizadas técnicas de linearização, a fim de obter uma

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35

aproximação do modelo real entorno de um ponto de operação. Por essas

observações o sensor perfilométrico é descrito aproximadamente por um sistema de

segunda ordem com coeficientes obtidos a partir da análise do gráfico experimental.

Os cálculos dos valores da freqüência natural ωn e coeficiente de amortecimento a

partir do Gráfico 6 são:

Período = (0.032 – 0.015) = 0.017 s

Freqüência natural n d (1 / ) * 2 π = 369.59 rad/s

Ciclos visíveis 0.55 /

Fator de amortecimento 0,22

4.2. Ensaios e simulações

Para simular a resposta da função transferência, foi utilizado o programa

Matlab, o qual transforma a função transferência do sistema continuo em discreto. O

código do programa utilizado nas simulações está no Apêndice I. O sinal na entrada

do programa são os dados de medição informados pelo sensor sob o disco de

ensaio na condição de varredura quase-estática, Gráfico 7. Nessa condição eles não

apresentam overshoots e undershoots relativo ao amortecimento característico do

sensor. Observa-se no Gráfico 7 que além dos danos introduzidos no disco de

ensaio, ele também apresenta um desvio de planicidade cuja variação de amplitude

é aproximadamente 1,2 mm.

Gráfico 7: Sinal de entrada para as simulações de resposta do sensor

Esse sinal evidencia as limitações geométricas da ponta de contato, pois os

danos do tipo rebaixo são reduzidos na amplitude e os danos do tipo ressalto são

0 50 100 150 200 250 300 350-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Posição ângular (°)

Am

plit

ud

e (

mm

)

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36

ampliados no comprimento. O efeito do diâmetro da ponta do sensor é um processo

de filtragem do tipo passa-baixa, tornando a superfície em contato diferente da

superfície real. Para obter a superfície real a ponta deve ter uma dimensão

infinitesimal.

O sinal utilizado na entrada do programa apresenta o menor erro de medição

e qualquer mudança comparada a ele está associada à velocidade de varredura nos

ensaios de perfilagem e as características dinâmicas do sensor.

Os ensaios de perfilagem foram realizados nas velocidades de 0.20, 1.00 e

2,00 ± 0.02 m/s, na orbita 3 do disco de aço. Estes valores foram escolhidos por

representarem a faixa típica de operação de um pig e a orbita 3 por apresentar uma

maior concentração de danos por circunferência.

Os parâmetros de avaliação do modelo são o coeficiente de correlação, raiz

do erro médio quadrático (RMSE) e freqüência acumulada do erro de medição.

4.2.1. Velocidade de Varredura 2.0 m/s

O valor do coeficiente de correlação entre o sinal mensurado pelo sensor e

gerado pela simulação, Gráfico 8, para velocidade de 2,0 m/s é 0.80. Esse valor

pode ser interpretado como uma forte semelhança e correlação linear.

Gráfico 8: Comparativo entre o sinal do sensor e simulado (v=2 m/s)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Posição angular (°)

Altu

ra (

mm

)

Velocidade de varredura 2.0 ± 0.02 m/s

Sinal mensurado pelo sensor

Sinal simulado

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37

O RMSE do erro normalizado do sensor e da simulação são 18.4% e 16%

respectivamente.

Observa-se, na Figura 30, com mais detalhe, que o fenômeno de batimento

foi identificado com grande evidência nos primeiros picos após perfilar os ressaltos e

rebaixos e sob o quarto ressaltos.

A região de batimento não foi descrito pela simulação, pois o modelo de

segunda ordem é apenas uma aproximação.

A zona cega gerada pelo efeito da velocidade não foi possível reproduzir na

simulação, pois o sinal de entrada no algoritmo é interpretado como se toda a

superfície fosse perfilada.

Figura 30: Fontes de erro entre o sinal simulado e mensurado para velocidade de 2 m/s

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38

Os efeitos das zonas cegas e do batimento na distribuição do erro de medição

do sensor e o erro acumulado da simulação do modelo de segunda ordem em

relação às medidas na condição quase-estática são mostrados no Gráfico 9 para

velocidade de 2,0 m/s.

Gráfico 9: Comparativo entre os percentuais acumulados dos erros (v=2 m/s)

Observa-se, a partir do Gráfico 9 que:

Os erros do sensor estão na faixa de -25 e 75%. 90% das medições

apresentam um erro entre -15% e 45%;

66% das medidas amplificam o sinal em ate 75%. O maior percentual positivo

está associado aos picos do amortecimento característicos do sensor que

representa 80% no tempo de atenuação e ao fenômeno de batimento. Nessa

faixa os ressaltos aumentam a amplitude e os rebaixos reduzem a

profundidade;

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Erro de Medição Normalizado (%)

Pe

rce

ntu

al A

cu

mu

lad

o (

%)

Frequência acumulada do erro de mediçao sob velocidade de varredura 2.0 ± 0.02 m/s

Erro da simulação

Erro do sensor

Diferença do sinal simulado e medido

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39

34% do erro são negativos com valores de ate -25%. Nessa faixa as

medições reduzem a amplitude os ressaltos e ampliam a profundidade dos

rebaixos;

Os erros da simulação estão na faixa de -50% e 75%. 52% são negativos e

seu aumento em relação ao sensor é porque o modelo de segunda ordem

tem o coeficiente de amortecimento dos vales igual aos picos e por não

reproduzir as zonas cegas dos rebaixos. A redução em relação ao percentual

acumulado positivo para 48% se deve a não capacidade do modelo

reproduzir a zona cega dos ressaltos e o batimento, característico da

dinâmica do sensor perfilométrico em estudo.

4.2.2. Velocidade de Varredura 1.0 m/s

O valor do coeficiente de correlação entre o sinal mensurado pelo sensor e

gerado pela simulação, Gráfico 10, para velocidade de 2,0 m/s é 0.88. Esse valor

pode ser interpretado como uma forte semelhança e correlação linear.

Gráfico 10: Comparativo entre o sinal do sensor e simulado (v=1m/s)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Posição angular (°)

Altu

ra (

mm

)

Velocidade de varredura 1.0 ± 0.02 m/s

Sinal mensurado pelo sensor

Sinal simulado

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40

O RMSE do erro normalizado do sensor e da simulação são 10.9% e 10.3%

respectivamente (velocidade de 1,0 m/s).

Observa-se, na Figura 31, com mais detalhe a presença do fenômeno de

batimento, zona cega, e defasagem entre os sinais. A defasagem influencia na

avaliação dos erros de medição contribuindo no aumento do percentual acumulado

positivo, pois a entrada do ressalto tem comprimento maior do que a saída devido à

zona cega.

A variação da velocidade de varredura local foi de 0.019 m/s nesse ensaio. O

Gráfico 10 tem na abscissa a posição angular, porém ela é calculada em função do

período de amostragem do sistema de aquisição de dados e a rotação medida por

um tacômetro digital a laser. A pesar de ter utilizado o inversor de freqüência para

controlar a rotação do motor elétrico o sistema tem transmissão do tipo correia,

permitindo assim pequenas variações de velocidade. Para remover esse problema

será necessária a adição de um sensor de posição angular do tipo encoder rotativo.

Figura 31: Fontes de erro entre o sinal simulado e mensurado para velocidade de 1 m/s

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41

Os efeitos das zonas cegas, defasagem e batimento na distribuição do erro

de medição do sensor e o erro acumulado da simulação do modelo de segunda

ordem em relação às medidas na condição quase-estática são mostrados no

Gráfico11 para velocidade de 1,0 m/s.

Gráfico 11: Percentual acumulado dos erros (v=1m/s)

Observa-se, a partir do Gráfico 11 que:

Os erros do sensor estão na faixa de -18 e 63%. 90% das medições

apresentam um erro entre -7% e 20%;

35% e 65% são respectivamente os percentuais acumulado dos erros

negativo e positivo. No intervalo negativo as medições reduzem a amplitude

os ressaltos e ampliam a profundidade dos rebaixos. O erro positivo tem

efeito oposto ao negativo nas medições dos ressaltos e rebaixos;

65% das medições amplificam o sinal em ate 63%. Este valor é influenciado

pelo erro de defasagem e o maior percentual positivo que está associado aos

picos do amortecimento característicos do sensor que representa 80% no

tempo de atenuação;

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Erro de Medição Normalizado (%)

Pe

rce

ntu

al A

cu

mu

lad

o (

%)

Frequência acumulada do erro de mediçao sob velocidade de varredura 1.0 ± 0.02 m/s

Erro da simulação

Erro do sensor

Diferença do sinal simulado e medido

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42

Os erros da simulação estão entre -45% e 63%. 60% são negativos e seu

aumento em relação ao sensor é porque o modelo de segunda ordem tem o

coeficiente de amortecimento dos vales igual aos picos, não reproduzir as

zonas cegas dos rebaixos e não apresenta defasagem em relação aos dados

da superfície para a simulação. A redução em relação ao percentual

acumulado positivo para 40% se deve a não capacidade do modelo

reproduzir a zona cega dos ressaltos e o batimento, característico da

dinâmica do sensor perfilométrico em estudo.

4.2.3. Velocidade de Varredura 0.2 m/s

O valor do coeficiente de correlação entre o sinal mensurado pelo sensor e

gerado pela simulação, Gráfico 12, para velocidade de 0,2 m/s é 0.95. Esse valor

pode ser interpretado como uma forte semelhança e correlação linear.

Gráfico 12: Comparativo entre o sinal do sensor e simulado (v=0,2m/s)

O RMS do erro normalizado do sensor e da simulação são 6.5% e 3.6%,

respectivamente, para a velocidade de varredura igual a 0,2 m/s.

0 50 100 150 200 250 300 350 400-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Posição angular (°)

Altu

ra (

mm

)

Velocidade de varredura 0.20 ± 0.002 m/s

Sinal mensurado pelo sensor

Sinal simulado

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43

Observa-se na Figura 32 e Figura 33, com mais detalhe, a presença do

fenômeno de batimento, zona cega, e defasagem entre os sinais.

Figura 32: Fontes de erro (v= 0,2 m/s)

Figura 33: Fontes de erro (v= 0,2 m/s)

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44

Os efeitos das zonas cegas, defasagem e batimento na distribuição do erro

de medição do sensor e o erro acumulado da simulação do modelo de segunda

ordem em relação às medidas na condição quase-estática são mostrados no

Gráfico13 para velocidade de 0,2 m/s. Nos Gráficos 14 e 15 são mostrados os

limites das curvas freqüência acumulada com mais detalhe.

Gráfico 13: Percentual acumulado dos erros (v=0.2m/s)

Gráfico 14: Detalhe do percentual acumulado dos erros (v=0.2m/s)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Erro de Medição Normalizado (%)

Pe

rce

ntu

al A

cum

ula

do

(%

)

Frequência acumulada do erro de mediçao sob velocidade de varredura 0.20 ± 0.002 m/s

Erro da simulação

Erro do sensor

Diferença do sinal simulado e medido

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

97.5

98

98.5

99

99.5

100

100.5

101

Erro de Medição Normalizado (%)

Pe

rce

ntu

al A

cu

mu

lad

o (

%)

Frequência acumulada do erro de mediçao sob velocidade de varredura 0.20 ± 0.002 m/s

Erro da simulação

Erro do sensor

Diferença do sinal simulado e medido

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45

Gráfico 15: Detalhe do percentual acumulado dos erros (v=0.2m/s)

Observa-se, a partir do Gráfico 13, 14 e 15 que:

Os erros do sensor estão na faixa de -18 e 78%. 90% das medições

apresentam um erro entre -2% e 8%;

20% e 80% são respectivamente os percentuais acumulados dos erros

negativo e positivo;

80% das medições amplificam o sinal em ate 78%. Este valor é influenciado

pelo erro de defasagem e o maior percentual positivo que é associado aos

picos do amortecimento característicos do sensor que representa 80% no

tempo de atenuação;

Os erros da simulação estão entre -35% e 53%. 65% são negativos e seu

aumento em relação ao sensor é porque o modelo de segunda ordem tem o

coeficiente de amortecimento dos vales igual aos picos, não reproduz as

zonas cegas dos rebaixos e não apresenta defasagem em relação aos dados

da superfície usada na simulação. A redução em relação ao percentual

acumulado positivo para 35% se deve a não capacidade do modelo

reproduzir a zona cega dos ressaltos e o batimento.

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Erro de Medição Normalizado (%)

Pe

rce

ntu

al A

cum

ula

do

(%

)Frequência acumulada do erro de mediçao sob velocidade de varredura 0.20 ± 0.002 m/s

Erro da simulação

Erro do sensor

Diferença do sinal simulado e medido

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46

4.3. Simulação para diferentes coeficientes de amortecimentos

O sensor em estudo apresenta um baixo coeficiente de amortecimento, 0.22,

favorecendo o surgimento de oscilações do tipo overshoot e undershoot nos sinais

de medição que geram duvidas durante sua análise. Desta forma, apresenta-se uma

comparação teórica de como seria a resposta desse sensor com a características de

um amortecimento critico e ponta de contato infinitesimal sobre o efeito da

velocidade de inspeção de 2 m/s. Nesse contexto, serão utilizados os mesmos

parâmetros da função transferência, modificando apenas o coeficiente de

amortecimento para 1.0, valor correspondente ao amortecimento crítico e 0.76, valor

que minimiza o tempo de acomodação. O Gráfico 16 mostra esse comparativo.

Gráfico 16: Simulação sensores com diferentes coeficientes de amortecimentos

Os erros relativos de cada dano descrito no Gráfico 16 evidenciam que o

coeficiente de amortecimento relativo ao menor tempo de acomodação obteve

melhores resultados quando comparado com o amortecimento crítico.

Excetuando a medida do menor rebaixo que foi igual para ambos os

amortecimento, o maior erro absoluto foi de -44% nos rebaixos de 8 e 6 mm para o

amortecimento de 0.76.

O amortecimento crítico em contrapartida obteve -64,4% no rebaixo de 4,5 mm.

O motivo do modelo de segunda ordem ainda apresentar erros de medição para

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47

esses amortecimentos está associado à reposta em freqüência. A reposta em

freqüência do modelo deve ser ampla o suficiente para reproduzir as freqüências de

excitação da superfície e está diretamente ligada a freqüência natural do sistema e a

velocidade de varredura.

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48

CAPÍTULO CINCO: CONCLUSÃO

O presente trabalho exibe um estudo sobre os erros de medição no processo

de perfilagem de um sensor de pig perfilométrico sob diferentes velocidades de

varredura e o desenvolvimento de um modelo matemático de segunda ordem para o

seu comportamento dinâmico. A partir dos resultados das atividades desenvolvidas

dentro da faixa de velocidade de 0.2 m/s ate 2.0 m/s podemos concluir:

1. O modelo proposto é capaz de reproduzir os overshoots e undershoots

característicos do sensor, mas não reproduz o fenômeno de batimento

identificado na resposta ao degrau invertido e as zonas cegas do processo de

perfilagem.

2. O parâmetro freqüência natural e coeficiente de amortecimento proposto para

o modelo de segunda ordem, obtidos a partir da resposta ao degrau invertido,

foram 369.59 rad/s e 0.22, respectivamente.

3. O coeficiente de correlação entre o sinal gerado pela modelo proposto e

mensurado experimentalmente varia com a velocidade de varredura em uma

faixa de 0.95, para velocidade de 0.2 m/s, até 0.80 em 2,0 m/s;

4. O percentual positivo do erro de medição do sensor está entre 65% e 80%

das medições na faixa de velocidade investigada. Esse maior percentual é

associado aos picos do amortecimento do sensor, overshoots, que representa

80% do tempo de atenuação na resposta ao degrau invertido;

5. O RMSE do erro de medição normalizado do sensor é proporcional a

velocidade de varredura em uma faixa de 6,5% até 18,4% para 0.2 m/s até

2.0 m/s, respectivamente;

6. A simulação com coeficiente de amortecimento de 0,76 evidencia melhores

resultados em relação ao coeficiente crítico para a velocidade de varredura de

2.0 m/s, pois apresenta um menor tempo de acomodação.

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49

Como sugestão para trabalhos futuros recomenda-se:

1. Pesquisar e validar modelos matemáticos que reproduzam os fenômenos de

batimento e zona cega;

2. Programar algoritmos de reconstrução de superfície a fim de gerar

inequações que representem os eventos inseridos nas zonas cegas a partir

dos dados experimentais;

3. Utilizar a análise tempo-freqüência para mensurar quais freqüências

influenciam nos erros das medições;

4. Gerar modelos de respostas para diferentes tipos de danos reais e

velocidades de inspeção com combinações entre ressaltos e rebaixos;

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50

REFERÊNCIAS

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CAMERINI, C. et al. Comparação do resultado de 3 técnicas de inspeção com pigs instrumentados em um mesmo oleoduto da bacia de campos. Rio pipeline conference, IBP, 2005, Rio de Janeiro.

CORDELL, J. VANZANT, H. Pipeline pigging handbook, 3 ed, Clarion Technical, Houston, Texas, 2003.

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DORF, R.C. ROBERT, H. B., Sistemas de Controle Moderno, 2 ed, Rio de Janeio, LTC, 2001.

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NGUYEN, T.T., KIM, S.B., YOO, RYONG, RHO, Y.W. Modeling and simulation for PIG flow control in natural gas pipeline. KSME International Journal, Vol. 15 No.8, pp. 1165-1173, 2001.

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Apêndice I

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Código do programa em MatLab para gerar as respostas da função transferência de segunda ordem.

clc

wn=369.59; % freqüência natural

ca=0.22; % coeficiente de amortecimento

num=[0 0 wn^2]; % numerador da função

den=[1 2*ca*wn wn^2]; % denominador da função

[A B C D]=tf2ss(num,den);

pa=0.00008; % período de amostragem

[G H]= c2d(A,B,pa); % conversão modelo continuo para discreto

[numz,denz]=ss2tf(G,H,C,D);

resp=filter(numz,denz,pefil);%resposta do modelo para o perfil obtido a

%partir a perfilagem na condição quase-estática

plot(ang,perfil,ang,resp,'r','LineWidth',2.2);

grid on;

legend('Perfil de superfície','Resposta do Modelo','FontSize',18);

xlabel('Posição angular (°)','FontSize',14);

ylabel('Altura (mm)','FontSize',14);

title('Velocidade de varredura','FontSize',14);