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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




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.


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.




Dezembro/2014


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


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


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


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


Bobina

“Eddy

Currents”

Campo magnético das

correntes da bobina

Material condutivo

Campo magnético

das “Eddy Currents”

23


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



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


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


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


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.


(36)

FT

RBV

RBH RCH

RCV

C B

d

L

α

RAV

A

B

RBV

RAH

RBH

68


(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.


(39)


(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.


(42)


(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.


(66)


(67)


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


(68)


(69)

Somatório dos momentos em relação ao ponto D:

(70)


Figura 77: Diagrama de forças na haste A-B do sistema de rodas de apoio.


(71)


(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


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


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)


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.


(158)

F2

α

F1

A

D B

C

RCV RAV

RCH RAH

100


(159)


Figura 86:Diagrama de forças na haste A-B do sistema de elevação.


(160)


(161)


(162)


Figura 87: Diagrama de forças na haste C-D do sistema de elevação.


(163)

α

α

F1

RCV

RCH

RAV

RAH

F2

REV

REH

EH

REH

EH REV

101


(164)


(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


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.



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




(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




(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



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




(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


Von misses encontrada foi de 87,88MPa menor que a tensão admissível, sendo esta


(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




(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




(MISCHKE, 1992).

Figura 110: Análise das tensões na haste C-D do sistema de elevação em simulação feita no software ANSYS.

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