ESTUDO E PROJETO CONCEITUAL DE UM ROBÔ PARA INSPEÇÃO DE...
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ESTUDO E PROJETO CONCEITUAL DE UM ROBÔ PARA INSPEÇÃO DE LINHAS DE SERVIÇO John Faber Archila Diaz DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA. Aprovada por: ________________________________________________ Prof. Max Suell Dutra, Dr.-Ing. ________________________________________________ Prof. Jules Ghislain Slama, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr.-Ing. ________________________________________________ Prof. Felipe Maia Galvão França, Ph.D. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2008
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ESTUDO E PROJETO CONCEITUAL DE UM ROBÔ PARA INSPEÇÃO DE LINHAS
DE SERVIÇO
John Faber Archila Diaz
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA
MECÂNICA.
Aprovada por:
________________________________________________ Prof. Max Suell Dutra, Dr.-Ing.
________________________________________________ Prof. Jules Ghislain Slama, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr.-Ing.
________________________________________________ Prof. Felipe Maia Galvão França, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2008
ii
ARCHILA, JOHN FABER
Estudo e projeto conceitual de um robô para
inspeção de linhas de serviço [Rio de Janeiro]
2008
XII, 97 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,
Engenharia Mecânica, 2008).
Dissertação - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE.
1. Robótica Móvel
2. Inspeção de Tubulações
I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )
iii
A Deus,
A minha família,
A minha avó Marina in memoriam (Q.E.P.D.) 24 de abril de 2008.
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, pela força e inspiração para o desenvolvimento da tese, força
e companhia fiel.
Agradeço ao CNPq pelo apoio financeiro fornecido durante o tempo do
mestrado.
Aos professores da UFRJ pelo ensino.
A meu orientador e amigo, Dr.-Ing. Max Suell Dutra, por seu apoio e conselhos
nos momentos certos.
Aos parceiros do Laboratório de Robótica.
Ao departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ e seus funcionários pela
colaboração para comigo.
v
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ESTUDO E PROJETO CONCEITUAL DE UM ROBÔ PARA INSPEÇÃO DE LINHAS
DE SERVIÇO
John Faber Archila Diaz
Agosto/2008
Orientador: Max Suell Dutra
Programa: Engenharia Mecânica
Nesta dissertação é apresentado o estudo e o projeto conceitual de um robô
para inspeção de linhas de serviço. O estudo começa pelo estado da técnica
apresentando robôs para inspeção interna de tubulações, desenvolvidos por diferentes
centros de pesquisa e empresas ao redor do mundo. Uma metodologia para o
desenvolvimento de R.I.Ts (Robôs de Inspeção de Tubulações) baseada na
metodologia de projeto mecânico e mecatrônico é proposta. O desenvolvimento do
projeto conceitual foi realizado com a modelagem cinemática e dinâmica levando em
consideração os efeitos do fluido de trabalho. Após a modelagem matemática foi
realizado um estudo de caso apoiado em ferramentas CAD (Computation Aided
Design), CFD (Computation Fluid Dynamics), CAE (Computational Aided Engineering)
e na metodologia proposta. Neste estudo de caso foi apresentado o projeto mecânico
e de controle do robô e então um novo R.I.T. com a capacidade de se deslocar com
velocidade diferente à do fluido de trabalho foi apresentado.
vi
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
STUDY AND CONCEPTUAL DESIGN OF A PIPELINE INSPECTION ROBOT
John Faber Archila Diaz
August/2008
Advisor: Max Suell Dutra
Department: Mechanical Engineering
The present dissertation concerns about a study and conceptual design of a
Piping Inspection Robot and presents the state-of-art of this kind of equipments
developed around the world by companies and research centers. The development of
PIRs (Piping Inspection Robots) is based on the mechanical and mechatronic design
and one methodology is proposed. The conceptual design was realized with the
kinematics and dynamics modeling observing the effects of the work fluid. A case study
supported by CAD (Computation Aided Design), CFD (Computation Fluid Dynamics),
CAE (Computational Aided Engineering) tools and design methodology proposed was
developed after the mathematical modeling. In this case study was presented the
mechanical and control design to robot in order to propose a new P.I.R. with movement
ability in a different speed of the work fluid.
vii
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS........................................................................................ iv
ÍNDICE ............................................................................................................. vii
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................... ix
ÍNDICE DE TABELAS ..................................................................................... xii
1 INTRODUÇÃO............................................................................................ 1
1.1 TUBULAÇÕES E FLUIDOS.......................................................................... 3
1.2 ESTADO DA TECNICA ................................................................................ 5 1.2.1 Thes ...................................................................................................... 5
1.2.2 Heli-pipe ................................................................................................ 7
1.2.3 Sistema robotizado pilotável para inspeção interna de redes urbanas de
tubulação de gás................................................................................................... 8
1.2.4 Microinspection...................................................................................... 9
1.2.5 GIRINO................................................................................................ 10
1.2.6 Versatrax ............................................................................................. 10
1.2.7 Milling and Grinding Robots................................................................. 11
1.2.8 Makro .................................................................................................. 12
1.2.9 Snake .................................................................................................. 12
1.2.10 PIG ...................................................................................................... 15
1.2.11 Classificação de robôs para tubulações............................................... 16
1.3 OBJETIVOS................................................................................................ 18
1.4 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ........................................................ 18
2 PIPELINE INSPECTION GAUGES PIGs ................................................. 19
2.1 DEFINIÇÃO ................................................................................................ 19
2.2 HISTÓRICO ................................................................................................ 19
2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS PIGs ..................................................................... 21 2.3.1 PIGs de limpeza .................................................................................. 21
2.3.2 Geométricos ........................................................................................ 22
2.3.3 Smart PIGs ou Inline Inspections Tools. .............................................. 23
2.3.4 PIG isolador (Plug) .............................................................................. 24
2.3.5 PIGs com Gel. ..................................................................................... 24
2.3.6 Armadilhas / lançadores / recebedores de PIGs. ................................. 26
viii
2.4 PIGS DE VELOCIDADE VARIÁVEL........................................................... 26 2.4.1 PIG de velocidade variável. ................................................................. 26
2.4.2 PIG de velocidade variável para gasodutos. ........................................ 27
2.4.3 Self-Drive Pipeline PIG. ....................................................................... 29
2.4.4 Robô autônomo para Inspeção de tubulações..................................... 30
2.5 UTILIZAÇÃO DOS DIFERENTES TIPOS DE PIGs INSTRUMENTADOS.. 31
3 METODOLOGIA DE PROJETO PARA O R.I.T. ...................................... 32
3.1 METODOLOGIA DE PROJETO MECÂNICO ............................................. 32
3.2 METODOLOGIA DE PROJETO MECATRÔNICO...................................... 33 3.2.1 Metodologia para o robô tipo SCARA .................................................. 33
3.2.2 Metodologia para o robô tipo AGV....................................................... 35
3.3 METODOLOGIA DE PROJETO PARA O R.I.T. ......................................... 36
4 MODELAMENTO CINEMATICO E DINÂMICO DO R.I.T......................... 39
4.1 CINEMÁTICA DO R.I.T............................................................................... 39
4.2 DINÂMICA .................................................................................................. 42 4.2.1 Equação de Continuidade:................................................................... 43
4.2.1.1 Área da tubulação ..................................................................................................43 4.2.1.2 Fluido de trabalho:..................................................................................................45
4.2.2 Equação de Conservação da quantidade de movimento linear:........... 46
4.2.2.1 Fator de atrito..........................................................................................................47 4.2.3 Dinâmica do R.I.T. ............................................................................... 49
4.2.3.1 Força de contato Tubo-PIG. .................................................................................54 4.2.3.2 Diferencial de pressão no PIG. ............................................................................56
5 ESTUDO DE CASO. ................................................................................. 58
5.1 PROJETO CONCEITUAL MECÂNICO....................................................... 58 5.1.1 Modelagem CFD.................................................................................. 58
5.1.2 Modelagem CAD ................................................................................. 70
5.1.3 Modelagem CAE.................................................................................. 71
5.2 PROJETO DE CONTROLE ........................................................................ 75
5.3 CAD DETALHADO. .................................................................................... 85
6 CONCLUSÕES......................................................................................... 91
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................ 94
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Distribuição de dutos no mundo (Bueno, 2007)........................................... 1
Figura 1.2 Classificação das tubulações (TELLES e BARROS, 2000).......................... 3
Figura 1.3 Processo de avaliação de Integridade da ameaça de corrosão externa
(THOMAS et al., 2000).......................................................................................... 4
Figura 1.4 Robô Thes-I (HIROSE et al., 1999).............................................................. 5
Figura 1.5 Sistema CVT e Robô Thes-II (HIROSE et al., 1999) .................................... 6
Figura 1.6 Robô Thes-III, com o cabo umbilical (HIROSE et al., 1999). ........................ 6
Figura 1.7 Robô Thes-III, e sistema CCV (HIROSE et al., 1999). ................................. 7
Figura 1.8 Arquitetura do robô Heli-pipe D-170 (HORODINCA et al., 2002). ................ 7
Figura 1.9 Sistema robótico pilotável (CHOI e RYEW, 2002)........................................ 9
Figura 1.10 Sistema robótico para dutos de uma polegada (SUZUMORI et al., 1999).. 9
Figura 1.11 Primeiro protótipo do GIRINO. ................................................................. 10
Figura 1.12 Robô Versatrax da Roboprobe................................................................. 11
Figura 1.13 Sistema robótico para polimento de dutos. .............................................. 11
Figura 1.14 Robô MAKRO. ......................................................................................... 12
Figura 1.15 Robô tipo serpente (Kuwada et al 2006). ................................................. 13
Figura 1.16 Principio de movimentação (KUWADA et al., 2006). ................................ 13
Figura 1.17 Velocidade de movimentação horizontal (KUWADA et al., 2006)............. 14
Figura 1.18 Configurações e trajetórias para robô. (KUWADA, 2006)......................... 14
Figura 1.19 PIG Instrumentado para tubulações de 14” da PETROBRAS. ................. 15
Figura 1.20 Classificação dos sistemas robotizados pelos seus mecanismos de
locomoção (HIROSE et al., 1999). ...................................................................... 16
Figura 1.21 Classificação dos sistemas robotizados para inspeção interna de dutos
(HABIB, 2007)..................................................................................................... 17
Figura 2.1 Cleaning PIGs a) tipo espuma b) tipo inteiriço (solid cast) c) Esfera. d) Tipo
mandril com vassouras e) Tipo disco. f) Tipo copo cônico. ................................. 22
Figura 2.2 PIG geométrico (PIGs unlimited Inc.) ......................................................... 22
Figura 2.3 PIGs inteligentes (PIGs unlimited inc.) ...................................................... 23
Figura 2.4 Plugs. (Pigging Products & Service Association)........................................ 24
Figura 2.5 PIGs com gel (Pigging Products & Service Association) ............................ 25
Figura 2.6 Lançador de PIGs (Piggin Products & Service Association). ...................... 26
Figura 2.7 PIG de velocidade variável (TORRES et al., 2002). ................................... 27
Figura 2.8 PIG de velocidade variável completamente aberto (a) e completamente
fechado (b) (TORRES et al., 2002). .................................................................... 27
x
Figura 2.9 PIG para gasoduto de velocidade variável. ................................................ 28
Figura 2.10 Orifícios do PIG de velocidade variável.................................................... 28
Figura 2.11 Self-Drive Pipeline PIG (HU e APPLETON, 2005) ................................... 29
Figura 2.12 Self-Drive Pipeline PIG funcionamento (HU e APPLETON, 2005) ........... 29
Figura 2.13 Velocidade de deslocamento. (HU e APPLETON, 2005). ........................ 30
Figura 2.14 Robô autônomo para inspeção de tubulações. (GHORBEL e DABNEY,
2007)................................................................................................................... 30
Figura 2.15 Módulo de potencia do robô autônomo. (GHORBEL e DABNEY, 2007) .. 31
Figura 3.1 Metodologia de projeto mecatrônico para um SCARA (ARCHILA et al.,
2007)................................................................................................................... 34
Figura 3.2 Metodologia de projeto mecatrônico para um AGV (ARCHILA et al., 2008).
............................................................................................................................ 35
Figura 3.3 Módulos de um R.I.T. (PLACIDO, 2005). ................................................... 36
Figura 3.4 Unidades do GIRINO. (PANTA, 2005). ...................................................... 37
Figura 3.5 Metodologia de projeto de um R.I.T. (ARCHILA et al., 2008). .................... 37
Figura 4.1 Percurso do gasoduto MEDGAZ (CHAUDHURI et al., 2006). .................... 39
Figura 4.2 Perfil planialtimétrico do OSPAR................................................................ 40
Figura 4.3 Geometria para o modelo cinemático......................................................... 41
Figura 4.4 Seção da tubulação. .................................................................................. 42
Figura 4.5 Vista em seção do PIG e a tubulação ........................................................ 49
Figura 4.6 PIG em uma trajetória curva. (NGUYEN et al., 2001) ................................ 50
Figura 4.7 PIG simplificado descendo por uma trajetória curva. (NGUYEN, 2001) ..... 51
Figura 4.8 PIG com orifício. ........................................................................................ 53
Figura 4.9 Configuração esquemática do disco do PIG. (AZEVEDO et al., 1997)....... 54
Figura 4.10 Esquema não axissimétrico do PIG. (SOUZA, 2005) ............................... 56
Figura 4.11 Malha para a solução não axissimétrica do PIG. (SOUZA, 2005) ............ 56
Figura 5.1 Malha retangular para a solução das equações em diferenças.................. 62
Figura 5.2 Nós da malha............................................................................................. 63
Figura 5.3 Velocidade do fluido................................................................................... 63
Figura 5.4 Altura piezométrica. ................................................................................... 64
Figura 5.5 Velocidade do R.I.T. no tempo ante um fechamento súbito. ...................... 64
Figura 5.6 Velocidade Posição do RIT. ....................................................................... 65
Figura 5.7 Posição do R.I.T. no tempo........................................................................ 65
Figura 5.8 Perfil planialtimétrico da tubulação estudada. ............................................ 66
Figura 5.9 Velocidade do fluido................................................................................... 66
Figura 5.10 Transiente de pressão no fluido ............................................................... 67
Figura 5.11 Velocidade do R.I.T. no tempo................................................................. 67
xi
Figura 5.12 Velocidade Posição do R.I.T. ................................................................... 68
Figura 5.13 Posição do R.I.T. no tempo...................................................................... 68
Figura 5.14 Aceleração do R.I.T. no tempo................................................................. 69
Figura 5.15 Perda de carga do robô. .......................................................................... 69
Figura 5.16 CAD Preliminar RIT tipo PIG de disco...................................................... 70
Figura 5.17 CAD Preliminar RIT com passagem do fluido (by-pass)........................... 70
Figura 5.18 Análise por FEM dos discos dos RIT. ...................................................... 72
Figura 5.19 Análise por FEM dos discos dos RIT. ...................................................... 72
Figura 5.20 Modelo geométrico simplificado do RIT caso 2. ....................................... 73
Figura 5.21 K para uma contração (Kc). ..................................................................... 74
Figura 5.22 K para uma Expansão (Ke). ..................................................................... 74
Figura 5.23 Exemplo de uma estrutura de controle (Choi e Ryew, 2002).................... 75
Figura 5.24 Diagrama de blocos do controle do RIT externo. ..................................... 77
Figura 5.25 Transiente de Velocidade. ....................................................................... 79
Figura 5.26 Transiente de pressão. ............................................................................ 79
Figura 5.27 Velocidade do RIT no tempo.................................................................... 80
Figura 5.28 Velocidade do RIT na posição. ................................................................ 80
Figura 5.29 Erro de velocidade do RIT........................................................................ 81
Figura 5.30 Diagrama de blocos do controle de força do R.I.T. .................................. 82
Figura 5.31 Transiente de Velocidade. ....................................................................... 83
Figura 5.32 Transiente de velocidade. ........................................................................ 83
Figura 5.33 Transiente de pressão. ............................................................................ 84
Figura 5.34 Força do R.I.T. ......................................................................................... 84
Figura 5.35 Planilha para o dimensionamento detalhado do R.I.T. ............................. 85
Figura 5.36 Corpo do R.I.T. ........................................................................................ 85
Figura 5.37 Discos para o R.I.T. tipo by-pass. ............................................................ 86
Figura 5.38 Geometria dos discos do RIT tipo by-pass............................................... 86
Figura 5.39 Thruster tipo hélice do R.I.T. .................................................................... 88
Figura 5.40 Sistema de movimentação helicoidal. ...................................................... 89
Figura 5.41 Corpo, discos e thruster do R.I.T. ............................................................ 90
Figura 5.42 Montagem completo do R.I.T. .................................................................. 90
Figura 6.1 Classificação dos sistemas robotizados para inspeção interna de dutos. .. 91
Figura 6.2 Passagem interna do R.I.T. ....................................................................... 92
xii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1.1 Principais características dos robôs Heli-Pipe (HORODINCA et al., 2002).. 8
Tabela 2.1 Histórico dos PIGs (NESTLEROTH e POTER, 2001)................................ 20
Tabela 2.2 Patentes dos PIGs. ................................................................................... 20
Tabela 2.3 Tipos de PIGs instrumentados e suas utilizações (BUENO, 2007)............ 31
Tabela 3.1 Metodologia de projetos. (NORTON, 2004)............................................... 32
Tabela 5.1 Propriedades mecânicas do material dos discos dos PIGs (SOUZA, 2005)
............................................................................................................................ 71
Tabela 5.2 Parâmetros do controlador........................................................................ 78
Tabela 5.3 Planilha para o projeto do thruster............................................................. 87
Tabela 5.4 Planilha para o calculo da força normal mínima. ....................................... 88
Tabela 5.2 Planilha para o calculo da força do mecanismo de locomoção.................. 89
1
1 INTRODUÇÃO
As tubulações fazem parte dos sistemas de transporte de massa ou energia nas
indústrias e nas cidades, sua utilização é universal e têm-se registros dos primeiros
dutos há 4000 A.C. A primeira tubulação de ferro fundido foi instalada na Alemanha no
ano 1455 e levava água ao castelo Dillenberg, depois foram instaladas tubulações de
ferro na França na cidade de Versalles, no ano 1746 em Londres, e nos Estados
Unidos na cidade de Filadélfia no ano de 1806, já em 1948 com o surgimento do ferro
dúctil, as tubulações passaram a ser fabricadas com ele, e foram espalhadas pelo
mundo inteiro, as mesmas são utilizadas para transporte de óleos, gás e minérios, a
distribuição de dutos no mundo é apresentada na Figura 1.1
Figura 1.1 Distribuição de dutos no mundo (Bueno, 2007)
No gráfico pode-se observar que os Estados Unidos, por exemplo, conta com
1000000 de km de dutos. Segundo o departamento de transporte dos EUA estima-se
que 80000 km de dutos devam ser reparados nos próximos 9 anos. Em outros paises,
como a Rússia, cerca do 20% dos oleodutos e gasodutos estão próximos do final da
vida útil, sendo que dentro de 15 anos, 50% já chegarão ao final de sua operação. Já
no Brasil estima-se que existiam mais de 30000 km de dutos enterrados, sendo
composto por oleodutos, minerodutos e gasodutos, isto sem considerar os projetos de
ampliação das linhas de transmissão e distribuição no país (BUENO, 2003).
2
É de muita importância manter a malha dutoviária em correto funcionamento
devido a que elas fornecem matéria prima e energia as indústria e cidades, sua
manutenção visa prever e eliminar possíveis falhas as quais podem até danificar o
meio ambiente, para aqueles fins são elaborados programas de garantia da
integridade, os quais precisam de históricos e dados de inspeções das linhas de
serviço, no caso de dutos enterrados, uma das principais ferramentas de inspeção é o
PIG (Pipeline Inspection Gauge), o qual é utilizado tanto em manutenção como em
inspeção, sendo um procedimento padrão para gasodutos e oleodutos, no caso da
inspeção o PIG fornece dados de diâmetro, espessura de parede do duto e corrosão
entre outros, mas sua passagem deve ser planejada com detalhe, três parâmetros
devem ser levados em consideração: um dos pontos que demanda atenção diz
respeito às pressões operacionais, as quais podem chegar a valores acima do
esperado em um duto que esteja transportando apenas líquido, outro parâmetro é a
velocidade, a maior velocidade reduz a eficiência e aumenta a possibilidade de ocorrer
danos ao PIG (PIPELINE RESEARCH LIMITED, 2008; O’DONOGHUE, 2002). Em
dutos que transportam líquido, a velocidade do escoamento do fluido, e por
conseqüência a do PIG, são influenciadas e tendem a aumentar pela ocorrência de um
fenômeno conhecido como escoamento em meia cana (slack line flow). O escoamento
em meia cana é um fenômeno no qual bolhas de vapor são desenvolvidas em pontos
nos quais a pressão do duto cai abaixo da pressão de vapor do líquido. O líquido
escoa ao longo da geratriz inferior do tubo enquanto uma cavidade na parte superior é
mantida com vapor. Caso a pressão do duto aumente acima da pressão de vapor do
fluido, o vapor volta ao estado líquido. O escoamento em meia cana é indesejável em
uma operação de passagem de PIG e para evitar a sua ocorrência, a pressão em
qualquer ponto do duto deve ser mantida acima da pressão de vapor do líquido.
(TOLMASKIN, 2004). Conforme visto, a pressão mínima em determinados pontos de
um duto é um terceiro parâmetro operacional a ser observado.
Em resumo os parâmetros operacionais a levar em consideração são a pressão
máxima de operação PMO a pressão mínima de operação PmO, para evitar o
escoamento em meia cana, e a velocidade do PIG, esta ultima é recomendável seja
constante e não maior a 5 m/s em líquidos e até 7 m/s em gasodutos (NGUEN, 2001),
no presente trabalho é realizado o estudo dos fatores necessários para o projeto
mecânico de um robô de inspeção de tubulações R.I.T. e proposto um novo robô como
alternativa para inspeção de linhas de serviço.
3
1.1 TUBULAÇÕES E FLUIDOS
As tubulações são uma parte muito importante das indústrias de processos e
serviços, são elas as encarregadas do transporte de massa ou energia aos diversos
lugares da planta industrial e em alguns casos até o consumidor final, os produtos que
elas transportam são diversos desde água até ácidos passando por gazes, óleos e até
fluidos granulados como cimento e farinhas, para cumprir com o seu trabalho as
tubulações têm que ter características físico-químicas especiais de acordo com as
especificidades da tarefa a realizar e apresentar um bom estado físico-mecânico. Uma
classificação das tubulações é apresentada na Figura 1.2, nela os tipos de tubulações
são divididos em: tubulações dentro de instalações industriais e fora de instalações
industriais
Figura 1.2 Classificação das tubulações (TELLES e BARROS, 2000)
As tubulações dentro de instalações industriais estão subdivididas em
tubulações de processo, que transportam os produtos em processo, tubulações de
utilidades, tubulações de instrumentação para monitorar o estado do processo e
tubulações de drenagem que liberam matéria ou energia do processo. As tubulações
fora de instalações industriais estão subdivididas em tubulações de transporte que é o
caso dos oleodutos e gasodutos e tubulações de distribuição como as da rede de
distribuição da água nas cidades (TELLES e BARROS, 2000). No caso de gasodutos
e oleodutos as tubulações estão regidas pelas normas API 5L, ASME B31.4, os
4
aspectos relacionados à corrosão são fornecidos pela na norma NACE, e as mesmas
são testadas hidrostaticamente segundo as normas ASTM E 165, ANSI B16.11, API
598, ASME B 16.34, ANSI B16.5, API 6D (GONZALEZ et al., 2008). Para a avaliação
da integridade das tubulações são apresentados fluxogramas que descrevem as
tarefas a realizar, Figura 1.3
Figura 1.3 Processo de avaliação de Integridade da ameaça de corrosão externa (THOMAS et al., 2000)
A Figura 1.3 apresenta as etapas a seguir para a avaliação da integridade da
ameaça de corrosão externa, é claro a importância da inspeção com PIG
instrumentado o qual fornece, neste caso, os dados de corrosão para avaliar e manter
o sistema de proteção catódica SPC, e em casos onde a perda de espessura da
parede do duto seja superior a 80% trocar o tramo de tubulação (ASME B31.G.)
As tubulações correspondem então às veias e artérias das cidades e indústrias e
uma das preocupações é manter elas em bom estado ou prever o momento da falha
para poder trocar elas e não causar problemas nas operações cotidianas da planta ou
das redes nas cidades e empresas e até o meio ambiente, Para o desenvolvimento da
manutenção seja ela preditiva, preventiva ou corretiva é necessário realizar a inspeção
destas linhas. Para a realização desta tarefa é necessário contar com ajuda de
ferramentas tecnológicas adequadas. Nestes casos faz-se necessário o
desenvolvimento de sistemas de inspeção que garantam informações confiáveis e que
não danifiquem as linhas de serviço.
5
1.2 ESTADO DA TECNICA
Nos seguintes itens, se visa apresentar os robôs para dutos mais
representativos, desenvolvidos por diferentes centros de pesquisa ao redor do mundo,
como são o caso do laboratório Hirose e Yoneda de robótica do instituto de tecnologia
de Tókio, o laboratório de estruturas ativas da Universidade de Bruxelas, o laboratório
de robótica da área de tecnologia submarina do centro de pesquisa da Petrobrás, o
Laboratório de Robótica da UFRJ e por empresas como a Tuboscope, RoboProbe,
Toshiba e Inspector Systems entre outros.
1.2.1 Thes
Os robôs da família Thes foram desenvolvidos no laboratório de robótica Hirose
e Yoneda do instituto de tecnologia de Tókio, seu desenvolvimento começou em 1993
e o trabalho foi publicado em 1999 (HIROSE et al., 1999) os robôs Thes estão
desenvolvidos para atingir tubulações de diâmetros pequenos entre 25 e 150 mm, o
primeiro deles é o Thes I para tubulações de 25 mm, Figura 1.4, mais um para
tubulações de 50mm o Thes II, Figura 1.5, e o ultimo para tubulações de 150mm.
Figura 1.6.
Figura 1.4 Robô Thes-I (HIROSE et al., 1999)
A movimentação dos robôs é helicoidal e possuem um sistema de transmissão
denominado “Transmissão continuamente variável” (TCV) Figura 1.5, a qual permite
os robôs adaptar-se às diferentes condições de carga fornecida pelas possíveis
deformações e mudanças na direção de movimentação, os robôs Thes conseguem
realizar trajetórias verticais e movimentar-se nos cotovelos das tubulações.
6
Figura 1.5 Sistema CVT e Robô Thes-II (HIROSE et al., 1999)
Outra característica importante é que a energia e a comunicação são levadas
por meio de cabos umbilicais o qual limita a distancia que pode ser percorrida pelo
robô Figura 1.6, a aplicação destes robôs é projetada para tubulações de gás, mas
elas não podem estar em operação, para a inspeção realizada pelo robô.
Figura 1.6 Robô Thes-III, com o cabo umbilical (HIROSE et al., 1999).
A tecnologia utilizada pelo Thes III e chamada “Veículo Configurado por
Controle” CCV (Control Configured Vehicle), a qual controla constantemente a postura
do robô por meio de um sistema de rodas ativas, assim quando o robô vai ao interior
de um cotovelo, por exemplo, o sistema de rodas ativas, muda a inclinação do robô
dentro do duto e envia um sinal ao sistema de controle para este manter-se alinhado
com o eixo da tubulação, Figura 1.7.
7
Figura 1.7 Robô Thes-III, e sistema CCV (HIROSE et al., 1999).
1.2.2 Heli-pipe
Os robôs da família Heli-Pipe foram desenvolvidos pelo laboratório de estruturas
ativas da universidade Livre de Bruxelas, Bélgica. E apresentados no ano 2002, os
pesquisadores desenvolveram quatro tipos de robôs heli-pipe batizados D-170; D-
70/1; D-70/2; D-40, cada um eles para um diâmetro de tubulação indicado no seu
nome, por exemplo, o D-170 atinge tubulações de diâmetro 170 mm, os robôs
possuem duas ou três partes unidas por juntas universais que permitem
deslocamentos angulares sem interrupção da transmissão do movimento, uma das
partes guia o robô na direção da tubulação, outra é encarregada de gerar o movimento
helicoidal que permite o deslocamento do robô ao interior do duto. Figura 1.8.
Figura 1.8 Arquitetura do robô Heli-pipe D-170 (HORODINCA et al., 2002).
8
Estes robôs não precisam de cabo umbilical e têm uma autonomia de duas
horas podem se movimentar na direção vertical e percorrer curvas nas tubulações com
limite geométrico dado pela sua configuração, na Tabela 1.1 se apresenta as
principais características técnicas da família de robôs Heli-pipe (HORODINCA et al.,
2002)
Tabela 1.1 Principais características dos robôs Heli-Pipe (HORODINCA et al., 2002).
ROBÔ D-170 D-70/1 D-70/2 D-40
Diâmetro do Duto (mm) 163 - 173 68 - 72 68 – 72 38 – 43
Radio de curvatura > 600 mm > 170 mm > 170 mm > 110 mm
Carga 5 N 3 N 3 N 1 N
Velocidade 8 cm/s 10 cm/s 5 cm/s 3 cm/s
Potência 10 W 6 W 6 W 3,2 W
Transmissão 33,2:1 19:1 32:1 84:1
Tamanho Obstáculo < 10 mm < 3 mm < 3 mm < 1 mm
# Corpos/Juntas 2 / 0 2 / 1 2 / 1 3 / 2
Massa 1300 g 470 g 480 g 250 g
1.2.3 Sistema robotizado pilotável para inspeção interna de redes urbanas de
tubulação de gás.
O sistema foi projetado para tubulações de gás com diâmetro da ordem das oito
polegadas, com o intuito de cumprir os seguintes requerimentos: O sistema deve ser
pilotado manualmente quando for necessário, as regiões curvas (cotovelos) devem
possuir curvaturas maiores que o inverso de 1,5 vez do valor nominal do diâmetro,
tubulações com percursos retos e com diâmetro medindo entre 160 – 240 mm, força
de tração até 40 kg a carga vertical, excluindo seu próprio peso, trajeto com um
mínimo de 500 m de percurso e velocidade de 3 m/s em trechos horizontais (CHOI e
RYEW, 2002).
O Robô visa fazer testes visuais e não destrutivos (NDT), o robô foi projetado
com uma estrutura articulada com um cabo de ligação, a locomoção vai por conta de
dois veículos dirigíveis um deles alocado na frente e o outro na traseira do sistema.
Figura 1.9.
9
Figura 1.9 Sistema robótico pilotável (CHOI e RYEW, 2002).
1.2.4 Microinspection
É um robô desenvolvido pela Toshiba com o intuito de fazer inspeções em
tubulações de uma polegada de diâmetro, o robô tem 23 mm de diâmetro e 110 mm
de comprimento (SUZUMORI et al., 1999) está equipado com uma microcâmera CCD
(Couple Charge Device) de alta qualidade (410000 pixels) capaz de localizar
rachaduras de ate 25 µm, além da câmera conta com um manipulador para pequenos
objetos, o manipulador é pneumático e conta com 6 graus de liberdade acionado por
micro compartimentos pneumáticos com uma tecnologia denominada FMA “flexible
micro actuator”, o corpo do robô é feito de borracha ao qual permite lhe movimentar-se
nos cotovelos, sua velocidade é de 6mm/s e uma capacidade de carga de 1 N
(SUZUMORI et al., 1999). Figura 1.10.
Figura 1.10 Sistema robótico para dutos de uma polegada (SUZUMORI et al., 1999).
10
1.2.5 GIRINO
O GIRINO, Figura 1.11, Recebe seu nome pela sua semelhança nos
movimentos com o Girino, mas tem seu acrônimo do inglês dado por “Get Inside Robot
to Impel and restore Normal Operation” ou do português “Gabarito Interno Robotizado
de Incidência Normal ao Oleoduto”, foi desenvolvido pelo laboratório de robótica da
área de tecnologia submarina do centro de pesquisa da Petrobrás (REIS, 2001), o
principal objetivo do Girino é atacar os problemas de obstrução das tubulações.
Figura 1.11 Primeiro protótipo do GIRINO.
O robô consta de dois módulos que se encostam ao duto um de cada vez
permitindo o deslocamento do robô e sua movimentação, os atuadores do robô são
hidráulicos os quais geram a força necessária para desentupir as tubulações do
petróleo para as quais foi desenvolvido o robô, que são entupidas por depósitos de
parafina gerados pelas baixas temperaturas nos dutos submarinos que conduz o
petróleo das plataformas ao continente (PANTA, 2005).
O Girino tem capacidade até para três toneladas de força, e movimenta se com
uma velocidade de 0,05 m/s, foi desenvolvido inicialmente para tubulações de oito
polegadas e precisa de um cabo umbilical para levar os sinais elétricos e hidráulicos,
visa-se desenvolver Girinos para tubulações de 14 e 16 polegadas com unidades
hidráulicas embarcadas para assim diminuir o peso do cabo umbilical.
1.2.6 Versatrax
O Versatrax, Figura 1.12, é um robô desenvolvido pela empresa Roboprobe para
inspeção de dutos entre 4 e 6 polegadas, possui um sistema de locomoção tipo
crawler denominado INUKTUN que corresponde a unidades de crawler independentes
11
uma da outra, brindando facilidades de movimentação e dirigibilidade, o robô leva uma
câmera para fazer a inspeção visual nos dutos, é operado remotamente, e precisa de
cabo umbilical para seu controle, pode operar a uma profundidade de 30 m, e com
velocidades de até 9 m/min com um alcance máximo de 90 m.
Figura 1.12 Robô Versatrax da Roboprobe.
A Roboprobe desenvolveu também outra versão de Versatrax com capacidade
para atingir tubulações na vertical, adicionando um terceiro crawler. Os três crawlers
encostam-se à tubulação para gerar a sustentação necessária para as trajetórias
verticais.
1.2.7 Milling and Grinding Robots
São robôs utilitários desenvolvidos pela empresa “Inspector systems” da
Alemanha especializada no desenvolvimento de manipuladores, robôs, PIGs e
crawlers para inspeção e trabalho interno em sistemas de tubulações. A Figura 1.13
apresenta um dos robôs desenvolvidos pela empresa, para a tarefa de polimento e
esmerilhamento no interior da tubulação após o processo de soldagem.
Figura 1.13 Sistema robótico para polimento de dutos.
12
Outra tarefa também realizada por estes robôs é a de corte dentro dos dutos
com uma precisão de 1/10 mm, os robôs foram utilizados na modernização da planta
nuclear de Suécia e prestam serviço para a reabilitação de reatores.
1.2.8 Makro
O robô Makro, do acrônimo alemão Mehrsegmentiger Autonomous Kanal-
Roboter Robô autônomo Multisegmentado para inspeção de dutos de esgoto, é um
robô desenvolvido em parceria pelos Institutos de pesquisa FZI, Research Center for
Information tecnology; FZK, Research Center Karlsruhe, o Fraunhofer Institute for
Autonomous and Intelligent Sysems, Sankt Augustin, a empresa Inspector system
Rainer Hitzel GmbH, Rhnag AG e a BMBF Bundesministerium für Bildung und
Forschung, Ministério de pesquisa e educação da Alemanha, o propósito da pesquisa
foi desenvolver um robô autônomo para a inspeção de dutos de esgoto, o resultado é
o protótipo apresentado na. Figura 1.14.
Figura 1.14 Robô MAKRO.
O Robô MAKRO é um robô multi-segmento para inspeção visual de tubulações
entre 250 e 600 mm de diâmetro que trabalha sem fios, com peso de 490N,
comprimento de 2000mm, manobrável e consegue realizar curvas dentro das
tubulações. Além da operação autônoma pode ser operado por controle remoto.
1.2.9 Snake
Um robô tipo serpente foi desenvolvido pela Universidade de Okayama para
aplicações de inspeção de tubulações, Figura 1.15, ele conta com um sistema de
atuadores inteligentes para realizar a sua movimentação tipo senoidal.
13
Figura 1.15 Robô tipo serpente (Kuwada et al 2006).
O robô aplica o principio de Sinusoidal wave drive, com o qual o robô pode se
movimentar em tubulações com uma ampla variedade de diâmetros, o robô conta com
múltiplos motores elétricos de corrente continua, acoplados em forma serial por meio
de juntas rotacionais, cada motor é comandado por um sinal senoidal com certa
diferença de fase entre juntas adjacentes, como resultado de este movimento o robô
forma ondas senoidais e obtém força para sua movimentação. Figura 1.16. O robô
consta de 13 segmentos cada um deles com um motor DC.
Figura 1.16 Principio de movimentação (KUWADA et al., 2006).
14
O ultimo protótipo do robô tipo serpente desenvolvido pela universidade no
Japão se movimenta com uma velocidade na horizontal entre 3 e 40 mm/s
dependendo do diâmetro da tubulação o qual varia entre 30 e 140 mm, Figura 1.21.
Na vertical consegue uma velocidade de 3.9 mm/s para um diâmetro de 55 mm e para
um diâmetro de 80 mm atinge um valor de velocidade de 5.9 mm/s
Figura 1.17 Velocidade de movimentação horizontal (KUWADA et al., 2006).
O robô precisa de seis cabos para sua energia e comunicação, dois para os
sinais de controle e quatro para alimentar os atuadores do robô, o peso é de 876 gr e
teoricamente consegue gerar uma força de 20 N. Consegue movimentar se em
conexões como: (joelhos, curvas, cotovelos, Têes, entre outras) trajetórias verticais e
horizontais e se adaptar a mudanças no diâmetro da tubulação, Figura 1.18.
Figura 1.18 Configurações e trajetórias para robô. (KUWADA, 2006).
15
1.2.10 PIG
Os PIGs, Figura 1.19, têm assinado um nome do acrônimo em inglês Pipe-line
Inspection Gauge são dispositivos que se deslocam dentro dos dutos com ajuda do
fluido de trabalho, empurrados pela própria vazão do fluido, eles estão classificados
em duas categorias, “Utility PIGs” e “In line inspection tools” os Utility PIGs realizam
funções de limpeza, separação de produtos, remoção de água e desamassamento dos
dutos, os In line inspection tools também conhecidos como PIGs Instrumentados,
Intelligent PIGs ou Smart PIGs, são os que fornecem as informações das condições
dos dutos, extensão e localização dos defeitos das tubulações estas tarefas são
desenvolvidas com a ajuda de equipamentos de inspeção embarcados nos PIGs que
utilizam técnicas tais como: fuga de fluxo magnético MFL (Magnetic flux Leakage),
Ultra-som e Correntes de Eddy. Atualmente existem mais de 350 tipos de PIGs
desenvolvidos para as diferentes necessidades das empresas operadoras de dutos.
(SOUZA E FREIRE, 2003).
Figura 1.19 PIG Instrumentado para tubulações de 14” da PETROBRAS.
A história dos PIGs tem dados interessantes e alguns duvidosos; encontra se
que a primeira operação com PIGs foi pelo ano de 1870 utilizando PIGs para a
limpeza das linhas de transporte de petróleo, as quais apresentavam sedimentos de
parafina, posteriormente utilizaram se PIGs de limpeza feitos de couro; encontram-se
relatos que falam que o nome do PIG surgiu pelo som que faziam ao se movimentar
pela tubulação parecido com o som dos porcos dentro do chiqueiro. Os PIGs
Instrumentados comerciais apareceram no 1964 apresentados pela empresa
Tuboscope (SOUZA e FREIRE, 2003) quem fazia a inspeção dos dutos baseado na
técnica de fluxo de campo magnético no Brasil tem se registros de desenvolvimento de
PIGs instrumentados a partir de 1992, por conta do CENPES, apresentando o primeiro
protótipo no ano 1995 (OLIVEIRA e CAMERINI, 2002).
16
1.2.11 Classificação de robôs para tubulações
No contexto de robôs para tubulações, tem se uma ampla variedade deles vão
desde robôs para inspeção externa ou interna de dutos, até robôs para determinar
espessuras nos dutos, passando por robôs para inspeção visual, robôs para fazer
soldagem, robôs para fazer o polimento interno de tubulações, robôs que se
movimentam com o fluxo, robôs que se movimentam com rodas, robôs que se
movimentam com esteiras ou lagartas, robôs que utilizam cabo para levar a energia e
as informações de controle e inspeção. Também pode ser dada para eles uma
classificação dependendo dos diâmetros das tubulações a inspecionar ou pela tarefa
que eles realizam. Uma das classificações, dependendo dos mecanismos de
locomoção foi apresentada por HIROSE et al., (1999). Figura 1.20.
Figura 1.20 Classificação dos sistemas robotizados pelos seus mecanismos de locomoção (HIROSE et al., 1999).
Na classificação apresentada na Figura 1.20 são diferenciadas três formas
básicas de locomoção a primeira (Forma 1) corresponde a sistemas que utilizam a
energia do fluido transportado, para se locomover, denominados tipo PIGs. A segunda
forma (Forma 2) utilizam um haste para gerar a propulsão, e por último a forma 3 que
utilizam um mecanismo de locomoção próprio para se impulsionar. Uma classificação
adicional segundo o seu tipo de tração é apresentada na Figura 1.21, (ROH e CHOI,
2005).
17
Figura 1.21 Classificação dos sistemas robotizados para inspeção interna de dutos (HABIB, 2007).
Como pode ser visto na Figura 1.21 os sistemas estão classificados em: (a) tipo
PIG onde a locomoção é gerada pela própria vazão da linha de serviço, (b) Tipo
Rodas como é o caso do robô Makro e outros, (c) tipo Crawler ou esteiras, como
exemplo tem o robô Versatrax, (d) neste caso o robô exerce pressão sobre a parede
do duto, e assim gerar a tração necessária, o exemplo deste tipo de tração
corresponde ao robô para inspeção de tubulações de gás (CHOI e RYEW, 2002), (e) a
locomoção é dada por pernas ou pés articulados, (f) é chamado tipo Inchworm,que é o
caso do GIRINO desenvolvido pelo CENPES, (g) é o tipo Helicoidal, como exemplo
têm-se os robôs Heli-pipe e Thes.
Aliás, podem ser desenvolvidas outras classificações dependendo de outros
critérios como são, tipos de Inspeção (Visual, Ultra-som, MFL, indutiva), locomoção, já
apresentada, (Pernas, Rodas, Lagartas, mistos), fonte de energia (autônomos, Fluxo,
Cabo umbilical) forma de inspeção (interna, externa) etc.
18
1.3 OBJETIVOS
O primeiro objetivo do presente trabalho é apresentar as características básicas
dos robôs para inspeção interna de dutos, desenvolvidos até a data presente.
Propor uma metodologia para o desenvolvimento de Robôs de Inspeção de
Tubulações (R.I.T.s), baseada na metodologia de projeto mecânico e mecatrônico.
Após desenvolver uma modelagem Cinemática e Dinâmica para o R.I.T. que
leve em consideração o escoamento do fluido, a tubulação e o robô.
Apresentar o projeto conceitual de um novo robô para inspeção de linhas de
serviço baseado na metodologia e nos dados da pesquisa.
1.4 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
A dissertação está organizada da seguinte forma: no capitulo primeiro tratou-se
do estado da técnica dos robôs na área de inspeção interna de tubulações, passando
logo no capitulo dois a fazer uma descrição maior dos PIGs os quais têm relevância na
industria do petróleo e gás já que são ferramentas úteis para a operação construção e
manutenção de dutos, posteriormente no capitulo três é proposta uma metodologia de
Projeto para o R.I.T., que tem sido desenvolvida em trabalhos paralelos ao longo do
período de mestrado e apresentada no COBEM 2007, Revista UIS engenharias e
CONEM 2008, a metodologia tem o intuito de servir como guia no desenvolvimento de
robôs para inspeção de dutos, uma vez proposta a metodologia passa-se a aplicar ela
iniciando-se no capitulo quatro com a modelagem cinemática e dinâmica para os
diferentes tipos de robôs de inspeção levando em conta o escoamento do fluido e
fazendo ênfase nos robôs tipo PIGs, após no capitulo cinco se propor um robô para
inspeção de tubulações R.I.T. projetado com ferramentas CFD, Dinâmica de fluidos
computacional do acrônimo em inglês Computer Fluid Dinamics, CAD Projeto assistido
por computador (Computer Aided Design), e CAE Engenharia assistida por
computador (Computer Aided Engineering), no mesmo capitulo é apresentada a
análise do controle para o robô, procurando garantir a velocidade de seu
deslocamento em um valor desejado.
19
2 PIPELINE INSPECTION GAUGES PIGs
Neste capitulo visa-se apresentar uma descrição maior dos PIG`s, a descrição é
em quanto a seu histórico, tipos, funções principais, classificação, patentes de PIGs, e
PIGs que procuram manter uma velocidade controlada.
2.1 DEFINIÇÃO
Os PIGs como foi descrito no item 1.2.9 são dispositivos desenvolvidos para
auxiliar a limpeza, construção, operação e manutenção de tubulações, eles
movimentam-se com o próprio fluido da tubulação, inicialmente foram desenvolvidos
para remoção de depósitos que poderiam entupir o diminuir a vazão nas tubulações,
após, adicionaram-se características que permitem sua utilização em áreas de
inspeção, separação de produtos dissimilares e testes. A continuação se apresenta
um breve histórico dos PIGs.
2.2 HISTÓRICO
O histórico dos PIGs se remonta aos anos 1870 onde às empresas de transporte
de carbonetos, após transportar petróleo por um ou dois anos, observaram que a
vazão das linhas de transporte começava a decrescer e a pressão nas bombas a
aumentar, indicando que depósitos de parafina estariam se formando na parede dos
dutos. Muitos artifícios foram testados para remover a parafina, mas por um longo
tempo eles não surtiram efeito. Surgiu à idéia de se bombear algo por dentro do duto,
como um feixe de trapos, e os resultados foram positivos. Mais tarde, os trapos foram
substituídos por couro. (SOUZA e FREIRE, 2003). Não obstante a primeira patente na
área de PIGs registrada na oficina de patentes dos Estados Unidos é de 1907,
oferecendo um dispositivo de limpeza de dutos, logo com o advento da eletrônica e a
instrumentação adicionou-se sensores e sistemas para a armazenagem dos dados
coletados no percurso do PIG, obtendo assim os primeiros PIGs instrumentados os
quais foram apresentados pela empresa Tuboscope em 1964, que mais na frente
foram denominados “Smart PIGs” ou PIGs inteligentes e atualmente chamados ILI
Inline Inspections Tools ou ferramentas de inspeção em linha, a Tabela 2.1 apresenta
20
um resumo da evolução dos PIGs instrumentados segundo NESTLEROTH e POTER,
(2001).
Tabela 2.1 Histórico dos PIGs (NESTLEROTH e POTER, 2001).
ANO CARACTERISTICA
1964
Desenvolvimento do PIG com sistema de detecção de campo
magnético (MFL – Magnetic Flux Leakage) para a parte inferior do
tubo. Pela Tuboscope
1966 PIG do tipo MFL para inspecionar toda a circunferência do tubo. Pela
Tuboscope
1971 PIG do tipo MFL de baixa resolução
1978 PIG de alta resolução, desenvolvido pela British Gas
1986 Primeiro PIG ultra-sônico para linha de líquidos
1986 - 1996 É disponibilizado o PIG de alta resolução para o mercado.
1992 Protótipo do PIG ultra-sônico para detecção de trinca
1997 PIG de detecção de trinca de cabeçote angular, desenvolvido pela
Pipetronix
1998 Primeiro PIG de fluxo magnético transversal.
1998 Protótipo do EMAT (Electro Magnetic Acoustic Transducers) – PIG
ultra-sônico sem necessidade de liquido acoplante
Na pesquisa foram encontradas também patentes do desenvolvimento dos PIGs
na Tabela 2.2 apresenta-se um listado cronológico de alguns das patentes
encontradas.
Tabela 2.2 Patentes dos PIGs.
ANO Patente
1907 Pipe and Tube cleaning (KESSLER E STEIN, 1906)
1925 Tube Cleaning System (PENN, 1921)
1952 Pipe-Line Cleaning Device (NOOY, 1948)
1962 Pipe Line Scraper With Magnetic Pickup Means, (STEPHENS, 1962)
Philips Petroleum Company
1973 Pipeline PIG, (NOOY, 1971) T.D. Williamson, Inc
1982 Pipeline cleaning equipment (BURD, 1981) British Gas Corporation
1993 Variable speed PIG for pipelines (CAMPBELL, 1991)
1994 Scraper for a pipe PIG, (SIVACOE, 1993)
2002 Variable speed PIG for pipeline applications, (TORRES, et al., 2000)
Tuboscope
2003 Pipeline and method for cleaning tubes (SIVACOE, 1998) On Stream
21
Technologies Inc.
2004
Method and device to allow a rigid PIG to pass into a flow pipe which
requires the use of a hollow flow-constricting device (DE ALMEIDA,
2002) Petrobras
2005 Method and instrument for measuring inside diameter of conduit
(YONEMURA, et al., 2002) Tokyo Gas Co
2006 Underground pipe inspection device and method, (GERMATA, 2005),
Operations Technology Development NFP
2006 Traction Apparatus (SIMPSON, et al., 2005) Weatherford/Lamb Inc
2007 Autonomous robotic crawler for in-pipe inspection (GHORBEL e
DABNEY, 2007)
No Brasil o desenvolvimento de PIGs começou em 1992 com a ampliação da
base tecnológica utilizada nos PIGs e confeccionando um protótipo de baixa resolução
para diâmetros de 14 polegadas em 1995 pelo CENPES, (Centro de Pesquisa da
Petrobrás), no 1997 foi apresentado um novo protótipo otimizando a eletrônica do
primeiro e melhorando a sua confiabilidade para tubulações de 10 polegadas, no ano
2000 em parceria com a PUC-Rio e o CETUC (centro de telecomunicações da PUC-
Rio), foram levados a campo PIGs de 6 e 8 polegadas respectivamente, após do ano
2000 começou-se a prestar serviços de inspeção com os equipamentos desenvolvidos
e a desenvolver novos (OLIVEIRA e CAMERINI 2002). O mais representativo é o
GIRINO (REIS, 2001), apresentado no item 1.2.5 desenvolvido e patenteado pelo
CENPES.
2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS PIGs
Os PIGs são classificados segundo sua tarefa em cleaning PIGs, e smart PIGs,
estes últimos chamados também intelligent PIGs ou ILI Inline Inspections Tools. Nos
itens seguintes apresenta-se alguns dos diferentes tipos de PIGs.
2.3.1 PIGs de limpeza
Os PIGs de limpeza ou cleaning PIGs são aqueles que como seu nome indica
são utilizados em trabalhos de limpeza e secagem de dutos, entre eles encontram-se:
PIGs de espuma, PIGs de copo, PIGs com vassouras, esferas, etc. A Figura 2.1
apresenta seis diferentes tipos.
22
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 2.1 Cleaning PIGs a) tipo espuma b) tipo inteiriço (solid cast) c) Esfera. d) Tipo
mandril com vassouras e) Tipo disco. f) Tipo copo cônico.
2.3.2 Geométricos
Os PIG geométricos são dispositivos instrumentados com o intuito de determinar
as características geométricas da tubulação, como são diâmetro e comprimento. Na
Figura 2.2 apresenta um PIG do tipo geométrico.
Figura 2.2 PIG geométrico (PIGs unlimited Inc.)
Os PIGs geométricos registram alem do diâmetro; deformações, rugas,
circularidade, raio e angulo de curvatura e ocasionalmente corrosão, se os danos são
significantes, mediante a inspeção da superfície interna do tubo.
23
2.3.3 Smart PIGs ou Inline Inspections Tools.
As ferramentas de inspeção em Linha são ferramentas que reúnem os dados,
que depois são analisados pelos engenheiros e técnicos com o intuito de determinar e
apresentar um relatório sobre o estado da linha. A inspeção e comumente baseada em
técnicas de MFL (Magnetic Flux Leakage) Fuga de Fluxo Magnético, e UT (Ultasonic
detection Tool) Ferramenta de detecção por ultra-som.
Figura 2.3 PIGs inteligentes (PIGs unlimited inc.)
Embora os dois requerimentos mais comuns para estes dispositivos são a
geometria / diâmetro e a perda de metal / corrosão, as informações que podem ser
fornecidas por estes PIGs inteligentes abrangem uma área muito mais ampla de
inspeção e solução a necessidades que incluem:
• Diâmetro / medidas geométricas;
• monitoramento de curvatura;
• perfil da tubulação;
• a temperatura / registro da pressão;
• medição da curvatura;
• Perda de metal / detecção da corrosão;
• Inspeção fotográfica;
• detecção de Crack;
• medição de depósitos de parafina;
• detecção de vazamento;
• amostragem de produtos; e
• Mapeamento.
24
2.3.4 PIG isolador (Plug)
É um PIG especial que pode ser usado para isolar uma secção do oleoduto a
pressão enquanto alguns trabalhos são feitos. Os plugs podem suportar pressões
tipicamente ate 200 bar. Os PIG incluem técnicas de baixa pressão e alto atrito, que
proporcionam uma barreira para a despressurização do sistema.
Figura 2.4 Plugs. (Pigging Products & Service Association)
Na Figura 2.4 é apresentado um PIG tipo isolador da empresa Pigging products
& Service Association. Os quais se caracterizam pelo alto poder de vedação dos
copos normalmente feitos de Poliuretano.
2.3.5 PIGs com Gel.
São uma serie de sistemas de liquido geleificado que têm sido desenvolvidos
para uso em operações em gasodutos durante sua posta em operação, e como parte
de o programa de manutenção continua. A maior parte dos geles para gasodutos
estão baseados em água, mas uma ampla variedade de solventes químicos e até
mesmo ácidos podem ser geleificados. Por exemplo, Diesel geleificado é comumente
usado como inibidor de corrosão em gasodutos. Existem quatro tipos principais de gel
que são:
• Gel separador ou de loteamento.
• Gel coletor de resíduos.
• Gel Hidrocarboneto.
• Gel de desidratação.
25
Como liquido embora muito viscoso, o gel pode ser bombeado através de
qualquer linha que vai a receber líquido. Os PIGs com gel podem ser usados sós (em
linhas liquidas) substituindo os PIGs de loteamento, ou em conjunto com vários tipos
de PIGs convencionais. Quando são usados como PIGs convencionais os PIGs com
gel podem melhorar o desempenho global, praticamente eliminando o risco do PIG
ficar preso.
Os PIGs com gel não apresentam desgaste como os PIGs convencionais. Eles
podem ser susceptíveis a diluição e corte por gás. É importante no caso de gasodutos
se dispor um PIG convencional no começo de um trem de PIGs tipo gel, para assim
minimizar os vazamentos.
Figura 2.5 PIGs com gel (Pigging Products & Service Association)
As principais aplicações em gasodutos para PIGs com gel são as seguintes:
• Separação de produtos.
• Remoção de resíduos.
• enchido de linhas / testes hidrostáticos.
• secagem e desidratação.
• remoção de condensados em gasodutos.
• Inibidor de biocidas.
• tratamentos químicos especiais.
• Remoção de PIGs presos.
Geles especialmente formulados têm sido usados para selar válvulas durante o
teste hidrostático. Outro caso especial de aplicação de gel é de isolamentos
temporários com o desenvolvimento de um gel com controle do tempo de geleificação
e viscosidade controlada.
26
2.3.6 Armadilhas / lançadores / recebedores de PIGs.
As armadilhas para PIGs, Figura 2.6 são usadas para inserir o PIG dentro da
tubulação, lançá-lo e recebê-lo. As armadilhas de PIG não são geralmente produtos
comerciais, usualmente são feitos segundo as especificações do usuário. No entanto
os encerramentos de armadilhas para PIGs são produtos comerciais e formam uma
parte critica e importante de um sistema “Pigável”. A segurança é a mais importante
consideração na hora de fazer a escolha de um encerramento. Todos os
encerramentos devem ter em sua construção um bloqueio de segurança que impede
que eles sejam abertos, ao mesmo tempo a armadilha é pressurizada.
Figura 2.6 Lançador de PIGs (Piggin Products & Service Association).
2.4 PIGS DE VELOCIDADE VARIÁVEL
Tem se encontrado alguns PIGs, propostos com a finalidade de ter uma
velocidade de deslocamento diferente à do fluido de trabalho, eles correspondem as
patentes US 6370721B1, US 5208936, GB 2305407 A, e US 7182025 B2,
apresentadas na Figura 2.7, Figura 2.9, Figura 2.11 e Figura 2.14.
2.4.1 PIG de velocidade variável.
O PIG de velocidade variável é apresentado por TORRES et al., (2002)
desenvolvido pela Tuboscope, e patenteado no departamento de patentes dos
Estados Unidos US 6370721 B1, apresentado na Figura 2.6. O PIG é composto de
uma série de passagens, cada uma delas em formato de Venturi, e permitem o fluxo
do fluido no corpo do PIG. O tamanho e forma das passagens podem mudar com o
intuito de variar a perda de pressão no corpo do PIG, tendo como efeito variar a
velocidade do deslocamento do PIG no duto.
27
Figura 2.7 PIG de velocidade variável (TORRES et al., 2002).
A Figura 2.7 apresenta a vista em seção do PIG de velocidade variável e o
isométrico das passagens por onde passa o fluido. A passagem do fluido é afetada
com a mudança das passagens do PIG, segundo a Figura 2.8.
(a)
(b)
Figura 2.8 PIG de velocidade variável completamente aberto (a) e completamente fechado (b)
(TORRES et al., 2002).
2.4.2 PIG de velocidade variável para gasodutos.
Estes PIGs foram apresentados por CAMPBELL (1993), sua patente no
departamento de patentes dos estados unidos é US 5208936, o PIG é desenvolvido
especialmente para gasodutos e contem uma serie de orifícios no corpo com o intuito
de permitir a passagem de gás no corpo do PIG, Figura 2.9.
28
Figura 2.9 PIG para gasoduto de velocidade variável.
A Figura 2.9 apresenta a vista em seção do PIG de velocidade variável a
velocidade é controlada modificando a área das passagens por meio de uma placa
que pode girar sobre o eixo de simetria do PIG Figura 2.10
Figura 2.10 Orifícios do PIG de velocidade variável.
A Figura 2.10 apresenta o conceito do sistema para variar a área dos orifícios do
PIG aumentando ou diminuindo a área das passagens e, por conseguinte mudando a
perda de pressão e como efeito colateral aumentando ou diminuindo a velocidade do
deslocamento do PIG. O numero de furos no corpo do PIG pode mudar dependendo
do projeto do mesmo, e seu controle segundo a patente é por meio de um motor de
passo e um comparador entre a velocidade desejada e velocidade do PIG atuando
sobre a área das passagens no corpo do PIG.
29
2.4.3 Self-Drive Pipeline PIG.
Outro tipo de PIG de velocidade variável é apresentado por HU e APPLETON
(2005) o PIG obtém a energia do próprio fluido com a ajuda de uma turbina, alem de
isso é projetado para movimentar-se no sentido do fluxo e no sentido oposto, ele foi
desenvolvido na escola de engenharia da Universidade de Durham e é baseado na
patente GB 2305407 A do Reino Unido, é apresentado Na Figura 2.11
Figura 2.11 Self-Drive Pipeline PIG (HU e APPLETON, 2005)
A Figura 2.11 apresenta o robô com as principais partes que o compõem, elas
são: um estator, para direcionar o fluxo à turbina, uma turbina que aproveita a energia
cinética do fluido e converte em energia mecânica de rotação, um came helicoidal que
transforma o movimento de rotação em um movimento cíclico de translação e de
escovas algumas como ponto de apoio e outras fixas em uma porca que se desloca no
came, que gera o empuxo ao robô. O princípio é apresentado na Figura 2.12.
Figura 2.12 Self-Drive Pipeline PIG funcionamento (HU e APPLETON, 2005)
30
O robô consegue uma velocidade de deslocamento até de 250 m/h, dependendo
da velocidade do fluido, Figura 2.13
Figura 2.13 Velocidade de deslocamento. (HU e APPLETON, 2005).
2.4.4 Robô autônomo para Inspeção de tubulações.
A universidade de Houston Clear Lake patenteou o robô no departamento de
patentes dos estados unidos US 7182025 B2 desenvolvido por GHORBEL e DABNEY
(2007), o robô foi projetado para diâmetros de dois e seis polegadas, ele utiliza o fluido
como fonte de energia, é apresentado na Figura 2.14.
Figura 2.14 Robô autônomo para inspeção de tubulações. (GHORBEL e DABNEY, 2007)
A Figura 2.14 apresenta as partes principais do robô um corpo com rodas
alinhadas ao eixo da tubulação e rodas inclinadas na frente às quais são
impulsionadas por um eixo solidário ao thruster apresentado na Figura 2.15
31
Figura 2.15 Módulo de potencia do robô autônomo. (GHORBEL e DABNEY, 2007)
O thruster aproveita a energia cinética do fluido e a transforma em energia
mecânica de rotação utilizada pelas rodas frontais para a movimentação helicoidal e o
deslocamento do robô, no caso de não ter fluido o modulo do thruster pode ser trocado
por um motor que fornece a potencia para o deslocamento do robô.
2.5 UTILIZAÇÃO DOS DIFERENTES TIPOS DE PIGs INSTRUMENTADOS
Com os diversos tipos de PIG instrumentados existentes, onde cada um
desempenha uma função específica, é importante selecionar o tipo de acordo com o
tipo de ocorrência que se procura, sejam elas deflexões ou descontinuidades, A
Tabela 2.3 apresenta os principais tipos de ocorrências que se procura nos dutos e os
PIG com capacidade de detectá-las.
Tabela 2.3 Tipos de PIGs instrumentados e suas utilizações (BUENO, 2007).
32
3 METODOLOGIA DE PROJETO PARA O R.I.T.
No presente capítulo é apresentada a metodologia de projeto desenvolvida para
o caso de R.I.T.s baseada na metodologia de projeto mecânico e mecatrônico, na
primeira parte apresenta à metodologia de projeto mecânico após a metodologia de
projeto mecatrônico e ao final do capitulo apresenta-se a metodologia para o projeto
do R.I.T.
3.1 METODOLOGIA DE PROJETO MECÂNICO
A metodologia de projetos é essencialmente um exercício de criatividade
aplicada. Uma metodologia é mostrada na Tabela 3.1 a qual relaciona dez etapas.
(NORTON, 2004).
Tabela 3.1 Metodologia de projetos. (NORTON, 2004)
Etapa Atividade
1 Identificação da necessidade
2 Pesquisa de suporte
3 Definição dos objetivos
4 Especificações de tarefas
5 Síntese
6 Análise
7 Seleção
8 Projeto detalhado
9 Protótipo e teste
10 Produção
A etapa inicial, Identificação da necessidade, geralmente consiste em uma
exposição mal definida e vaga do problema. O desenvolvimento das informações na
pesquisa suporte (etapa 2) é necessário para definir e compreender completamente o
problema, sendo possível estabelecer o objetivo (etapa 3) de forma mais razoável e
realista do que na exposição original do problema.
A etapa quatro pede a criação de um conjunto detalhado de especificações de
tarefas que fecham o problema e limitam seu alcance. É na etapa da síntese (5) que
se busca tanta alternativa de projeto quanto possível, geralmente sem considerar
33
(nesta etapa) seu valor ou qualidade. É também chamada às vezes de etapa de
concepção da idéia, na qual é gerado o maior número possível de soluções criativas.
Na etapa 6, as possíveis soluções da etapa anterior são analisadas e aceitas,
rejeitadas ou modificadas. A solução mais promissora é selecionada na etapa sete,
quando um projeto aceitável é selecionado, o projeto detalhado (etapa 8) pode ser
realizado, nesta etapa todas as pontas são atadas, todos os croquis de engenharia
feitos, fornecedores identificados, especificações de fabricação definidas, etc. a
construção real do projeto é feita pela primeira vez como um protótipo na etapa 9, e
finalmente em quantidade na etapa 10 de produção. O processo precisa ser iterativo
ao longo de todas as atividades (NORTON, 2004).
3.2 METODOLOGIA DE PROJETO MECATRÔNICO
No caso de sistemas mecatrônicos, precisa-se de uma metodologia que
considere os conceitos das diferentes disciplinas que integram a mecatrônica,
mecânica, controle, eletrônica e computação de forma sinérgica. A seguir serão
apresentadas às metodologias de projeto mecatrônico, aplicadas ao desenvolvimento
de um robô SCARA e de um AGV.
3.2.1 Metodologia para o robô tipo SCARA
O projeto do robô SCARA do acrônimo em inglês Selective Compliance
Assembly Robot Arm, Braço Robótico para montagem e paletização, precisa de
conhecimentos de diversas disciplinas da engenharia incluindo tópicos da mecânica,
eletrônica, controle e programação, a metodologia para seu desenvolvimento é
apresentada na Figura 3.1
O primeiro passo é a pesquisa, estudo e análise das informações. A pesquisa é
realizada utilizando bases de dados, periódicos especializados, livros e teses.
Seguindo a metodologia clássica, com base nesta informação é desenvolvido o
primeiro modelo geométrico, necessário para a modelagem cinemática e dinâmica do
robô SCARA.
34
Figura 3.1 Metodologia de projeto mecatrônico para um SCARA (ARCHILA et al., 2007).
Com os modelos matemáticos é possível fazer simulações e o primeiro projeto
de controle, projeto mecânico, projeto eletrônico e projeto da interface de controle,
todos eles desenvolvidos com a ajuda de software especializado, uma vez
desenvolvidos os modelos em software, é feita a integração mecatrônica, esta
integração é lograda com os modelos virtuais (computacionais) que permitem
modificar as variáveis de projeto com facilidade, fazendo o projeto flexível, permitindo
fazer modificações ao robô nas deferentes áreas contidas nele, avaliando sua
influencia. A etapa final do projeto é a construção do protótipo do SCARA, em esta
etapa é fechado o loop do processo de projeto, fazendo os ajustes necessários
característicos do processo de construção e avaliando sua influência no projeto do
robô.
35
3.2.2 Metodologia para o robô tipo AGV
Para o desenvolvimento de um robô tipo AGV (Automated Guided Vehicle) foi
aplicada uma metodologia baseada na metodologia para o desenvolvimento do
SCARA, a metodologia é apresentada na Figura 3.2
Figura 3.2 Metodologia de projeto mecatrônico para um AGV (ARCHILA et al., 2008).
Esta metodologia apresenta como primeiro passo à elaboração dos modelos
cinemáticos e dinâmicos do robô, e a diferencia da anterior apresenta a etapa de
dados e cálculo de atuadores na qual explicita a importância dos mesmos no
desenvolvimento do robô. A Figura 3.2 condensa a metodologia proposta, onde o
processo de projeto se inicia com a elaboração dos modelos cinemáticos e dinâmicos,
seguido de projetos preliminares como base para as simulações computacionais e
para o calculo de consumo de potência, os cálculos são realizados com o intuito de
dimensionar os atuadores, selecionar a fonte de energia, e selecionar os sensores
36
para o robô, conseguindo assim projetar cada um dos sistemas (mecânico, eletrônico
e de controle) a etapa seguinte corresponde ao projeto detalhado de cada um dos
subsistemas do AGV, ao concluir dita etapa, os sistemas são montados e testados
dando lugar à fabricação do protótipo.
3.3 METODOLOGIA DE PROJETO PARA O R.I.T.
Em termos gerais os sistemas robóticos para inspeção de tubulações podem ser
vistos como a união sinérgica de módulos ou unidades que visam realizar uma tarefa
especifica, definição característica de uma metodologia de projeto mecatrônico
(ARCHILA et al., 2007), se é aplicada a definição de módulos, os que comporem um
Robô de Inspeção de Tubulações R.I.T. são: modulo de Instrumentação, módulo de
tração, módulo de controle, módulo de alimentação e em alguns casos cabos de
alimentação e comunicação, Figura 3.3 (PLÁCIDO, 2005).
Figura 3.3 Módulos de um R.I.T. (PLACIDO, 2005).
Se é aplicado o conceito de Unidades, para o caso especifico do Girino têm-se
as seguintes unidades: Unidade Elétrica embarcada (UEE), uma Unidade de Controle
embarcada (UCE), unidade hidráulica embarcada (UHE) e Ferramentas de Aplicação
Especificas (FAE), Figura 3.4, (PANTA, 2005).
37
Figura 3.4 Unidades do GIRINO. (PANTA, 2005).
O projeto para o desenvolvimento de um RIT deve ter em conta os módulos ou
as unidades que foram apresentadas, visando uma sinergia entre as unidades que
compor o robô, é proposta então a seguinte metodologia para o projeto dos R.I.T,
Figura 3.5
Figura 3.5 Metodologia de projeto de um R.I.T. (ARCHILA et al., 2008).
38
A Metodologia apresenta como o primeiro quesito definir a tarefa para a qual é
preciso o desenvolvimento do R.I.T., uma vez especificada a tarefa procede-se a gerar
uma concepção geral do robô, isto é uma escolha dos módulos ou unidades que vai
levar o robô à escolha deve ter em conta a instrumentação à tração, a alimentação e o
sistema de controle, com a concepção geral procede-se a avaliar cada unidade, com
ferramentas CAD, CFD e CAE segundo a necessidade, todas as unidades devem ser
avaliadas constantemente para assim fazer o loop que se propor na metodologia, se
uma mudança for afeita deve-se avaliar tudo o projeto, ao final o sistema tudo é
integrado em um modelo CAD detalhado onde se apresenta de maneira completa os
componentes necessários para o robô. (ARCHILA e DUTRA, 2008).
39
4 MODELAMENTO CINEMATICO E DINÂMICO DO R.I.T.
A modelagem matemática do R.I.T. abrange uma ampla área de possibilidades
dependendo de: a configuração dada ao robô, o tipo de tubulação, a operação do robô
seja está com o sem fluxo, tipo de fluido se é o caso, etc, nos itens seguintes vão se
apresentar alguns dos modelos matemáticos que podem ser utilizados para a
modelagem de um R.I.T.
4.1 CINEMÁTICA DO R.I.T.
A cinemática corresponde ao estudo da movimentação do sistema robótico. Para
o caso, procura-se predizer a posição e orientação do robô para um determinado
instante do tempo. A posição e a orientação para o caso dos PIGs são determinadas
baseadas no percurso da tubulação na qual é inserido o robô, em outras palavras o
percurso fornece as informações da trajetória a seguir, aproximando-a um
deslocamento unidimensional na direção do vetor normal à secção transversal do
duto. Com o deslocamento e o percurso é possível obter a posição geográfica do robô.
Figura 4.1 Percurso do gasoduto MEDGAZ (CHAUDHURI et al., 2006).
40
A Figura 4.1 apresenta o percurso do projeto do gasoduto MEDGAZ. O projeto
visa fornecer gás natural para Espanha começando em Beni Saf, na costa de Argélia,
até Almeira, na costa espanhola. O percurso é de 210 km, com um diâmetro de 24
polegadas, e tem uma profundidade máxima de 2155 m através do oceano de
Alboran. O investimento é de 900 milhões de Euros e tem como proposta a entrega de
8 bilhões de m3/ano, está prevista a entrada em operação no primeiro semestre do ano
2009 (CHAUDHURI et al., 2006). Uma informação importante para as análises
dinâmicas é o perfil planialtimétrico. A Figura 4.2 apresenta o perfil planialtimétrico do
oleoduto OSPAR.
Figura 4.2 Perfil planialtimétrico do OSPAR.
O oleoduto do OSPAR possui 117 km de extensão e um diâmetro de 30
polegadas, com uma estação intermediaria de bombeamento em Itararé no km 60 e
destina-se ao transporte de petróleo do terminal de São Francisco do sul (SFS) em
Santa Catarina para a refinaria REPAR no Paraná.
Para a modelagem cinemática o modelo geométrico é simplificado segundo a
Figura 4.3 a modelagem parte das velocidades de deslocamento as quais são
medidas baseadas nas velocidades angulares dos odômetros do robô.
41
φV
w
Vi
Vd
b
cwi
wd
r
x
y
CIR
Figura 4.3 Geometria para o modelo cinemático.
O modelo matemático para a velocidade do R.I.T. é apresentado na equação
(4.1) onde r ′ corresponde ao vetor de velocidades, 'x é a velocidade no eixo x , y′ é
a velocidade no eixo y , φ ′ a velocidade angular do R.I.T. para o caso 2D é colinear
com o eixo z , c é o raio das rodas do odômetro, b é o diâmetro da tubulação, iω é a
velocidade da roda da esquerda do odômetro, e dω a velocidade da roda direita do
odômetro.
( ) ( )( ) ( )
' sin / 2 sin / 2
cos / 2 cos / 2
/ /
i
d
x c c
r y c c
c b c b
φ φω
φ φω
φ
− − ′ ′= = ′ −
(4.1)
Integrando a equação (4.1) obtém-se a posição e orientação do R.I.T. segundo a
equação (4.2) ARCHILA et al., 2008
( )
( )
( )
0
0
00
0
0
sin
2
cos
2
t
d i
t
d i
t
d i
cdt
x xc
y y dt
cdt
b
φω ω
φω ω
φ φω ω
− +
= + +
−
∫
∫
∫
(4.2)
42
O modelo anterior pode ser estendido para três dimensões, dependendo dos
dados disponíveis do R.I.T. com o modelo anterior e os dados fornecidos pelos
odômetros é possível obter ou reconstruir o percurso do oleoduto mesmo em que os
dados não estejam disponíveis.
4.2 DINÂMICA
Para a modelagem dinâmica do problema físico se apresenta o caso do R.I.T.
movimentando se com o fluxo onde é preciso levar em conta que o robô influência o
comportamento do fluxo e este a sua vez afeita o comportamento do robô, em outras
palavras corresponde a um problema acoplado entre o escoamento do fluido e a
dinâmica do R.I.T. alguns parâmetros físicos precisam ser tratados com mais detalhe
matemático e serão apresentados separadamente como é o caso da força de contato
entre o robô e a tubulação e a perda de carga, a modelagem começa pelo modelo
matemático para o escoamento do fluido.
A Figura 4.4 representa uma seção de um tubo de área transversal variável. A
linha de centro do tubo é inclinada em relação a horizontal em um ângulo θ.
θ
0 Ddxτ πPA
( )PA A dxx
ρ∂
+∂
AP dx
x
∂
∂
dx
x
Figura 4.4 Seção da tubulação.
A análise parte dos modelos das equações de continuidade e conservação da
quantidade de movimento linear em forma diferencial como se apresenta a seguir.
43
4.2.1 Equação de Continuidade:
A equação de continuidade aplicada ao volume de controle da Figura 4.4 pode
ser descrita como:
( ) ( ) 0Adx AV dxt x
ρ ρ∂ ∂
+ =∂ ∂
(4.3)
Onde ρ é a massa especifica, V é a velocidade, A é a área da seção
transversal, x e t são coordenadas axial e tempo, respectivamente.
Fazendo as derivadas parciais na equação (4.3) e dividendo ela pela massa
obtém-se:
1 10
V A A V V
A x A t x t x
ρ ρ
ρ ρ
∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ + + + =
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (4.4)
Os dois primeiros termos da equação(4.4)correspondem à derivada material da
área, os dois seguintes são a derivada material da massa especifica.
1 10
dA d V
A dt dt s
ρ
ρ
∂+ + =
∂ (4.5)
Então o primeiro termo corresponde à variação da área do tubo com o tempo
que pode ser por variações do diâmetro ou da espessura, o segundo leva a
consideração à compressibilidade do fluido e o último corresponde à variação da
velocidade ao longo do duto. A seguir estes termos serão analisados em detalhe.
4.2.1.1 Área da tubulação
A área do tubo pode variar por conta das dilatações produzidas pelas variações
de pressão na tubulação ou por conta das mudanças de diâmetro mesmas impostas
pela variação da espessura ou variação na seção transversal.
A AdA dP ds
P s
∂ ∂= +
∂ ∂ (4.6)
44
Onde P corresponde à pressão. No caso de uma tubulação ancorada a
variação da área da tubulação é dada pela equação (4.6) (WYLIE e STREETER
1978).
( )21'
A AD
P t Eν
∂= −
∂ (4.7)
Onde D corresponde ao diâmetro, 't à espessura da tubulação, ν é o
coeficiente de Poisson e E é o modulo de Young. Assim.
1 1dA A dP V A
A dt A P dt A s
∂ ∂= +
∂ ∂ (4.8)
Substituindo as equações (4.7) na equação (4.8) obtém-se
( )211
'
dA D dP V A
A dt t E dt A sν
∂= − +
∂ (4.9)
Outra abordagem para a variação da área com o tempo e apresentado por
STREETER (1970), expressada segundo a equação (4.10) onde é obtida a velocidade
de incremento de área.
' 2
dA D dP DD
dt t E dtπ= (4.10)
A variação do diâmetro em função da pressão pode ser determinada a partir da
equação(4.7), substituindo-se a área do tubo por ( ) 2
4A Dπ= encontrando:
( )2
2
12
'
dDdP
D t E
ν−= (4.11)
A equação (4.11) corresponde a uma equação diferencial de variáveis
separáveis, integrando ela encontra-se o diâmetro em função da pressão e das
propriedades da tubulação:
45
( )0
1d o
DD
K P P=
− − (4.12)
Onde o
P é a pressão atmosférica, 0D é o diâmetro de referência e d
K é
apresentado na equação (4.13).
( )2
01
2 'd
DK
t E
ν−= (4.13)
4.2.1.2 Fluido de trabalho:
O fluido de trabalho pode ser: gás, líquido, mescla entre gás e liquido ou
bifásico, e até poderia apresentar partículas em suspensão (multifásico). Para a
presente modelagem é considerado escoamento isotérmico monofásico para o qual a
variação da massa específica é devida somente à pressão equação (4.14), dita
consideração é feita por TOLMASQUIM (2004), baseado no trabalho de NIECKELE et
al., (2000) e VIANES e RACHID (1997), que apresenta a seguinte análise “apesar da
temperatura afetar diretamente as propriedades do fluido e como conseqüência a
dinâmica do PIG. Um efeito significativo só é sentido para variações extremas de
pressão e temperatura”, por conseguinte as variações da temperatura no afetam de
forma significativa à validade do modelo. Assim a variação da densidade pode ser
expressa pela equação (4.14).
2
1 ou
T
d dP d dPP a
ρρ ρ
∂= =
∂ (4.14)
Onde a é a velocidade de propagação do som em um meio infinito isotérmico e
esta representada pela equação (4.15).
T
Pa
ρ
∂=
∂ (4.15)
Então
46
2
1 1d dp
dt a dt
ρ
ρ ρ= (4.16)
Se considerarmos o modulo de compressibilidade K , no caso se trabalhe com
líquido a equação (4.16) se escreve da seguinte forma:
1 1d dp
dt K dt
ρ
ρ= (4.17)
Substituindo as equações (4.9) e (4.16) na equação (4.5), obtém-se a equação
de continuidade em função da pressão.
2 2 0P P V V A
V c ct x x A x
ρ ρ∂ ∂ ∂ ∂
+ + + =∂ ∂ ∂ ∂
(4.18)
Onde 2 2 /c a ξ= é a velocidade de propagação da onda acústica na tubulação
considerando-a totalmente ancorada, e ξ é apresentada na equação (4.19).
( )2
21 1'
a D
t E
ρξ ν= + − (4.19)
4.2.2 Equação de Conservação da quantidade de movimento linear:
A segunda equação a levar em conta para o escoamento é a segunda lei de
Newton a qual é aplicada ao volume de controle da Figura 4.4:
s
DVF A dx
Dtρ=∑ (4.20)
As forças de superfície são devidas à pressão e tensão de cisalhamento, e a
força de corpo devido ao campo gravitacional atuando no fluido obtém-se:
( ) 0sins
AF PA PA A dx P dx Adx Ddx
x xρ γ θ τ π
∂ ∂ = − + + + − ∂ ∂
∑ (4.21)
47
Substituindo a equação (4.21) na equação (4.20), dividindo pela massa e
simplificando tem-se:
041sin
P dVg
x D dt
τθ
ρ ρ
∂− + − =
∂ (4.22)
Para fluxo turbulento permanente a tensão viscosa 0τ pode ser escrita em
termos do coeficiente de atrito f equação (4.23).
08
fV Vτ ρ= (4.23)
O termo V V ou 2V é escrito com o valor absoluto para levar em conta o
sentido do atrito (o sinal). Substituindo a equação (4.23) na equação (4.22) e
expandindo a derivada material da velocidade tem-se:
1sin
2
V VV V P fV g
t x x Dθ
ρ
∂ ∂ ∂+ = − − −
∂ ∂ ∂ (4.24)
4.2.2.1 Fator de atrito.
O fator de Atrito f é função da rugosidade relativa da tubulação, do regime de
escoamento, e, por conseguinte do numero de Reynolds. A seguir se da uma
aproximação do fator de atrito para uma rugosidade relativa assumida de 0,0005 valor
típico para tubulações de aço e que suaviza um pouco a transição entre os regimes
(TOLMASQUIM, 2004).
Para regime laminar tem-se:
64
Ref = (4.25)
Onde Re é o numero de Reynolds que deve ser inferior a 2000 para manter o
regime laminar. Para regime turbulento é proposta a correlação empírica de Miller
equação (4.26) (FOX e MCDONALD, 1995) onde Re deve ser superior a 2500.
48
2
0,9
5,740, 25 log
3,7 Re
Df
ε−
= +
(4.26)
Onde D
ε é rugosidade relativa ou rugosidade sobre diâmetro da tubulação.
Para o regime de transição em outras palavras para numero de Reynolds entre 2000 e
2500 é usada a seguinte correlação:
2 53,073 10 3,14 10 Ref − −= − × + × (4.27)
As equações até agora apresentadas incluem duas propriedades do fluido: a
massa especifica e a viscosidade, estas propriedades também mudam com as
variações de pressão seja para o caso do liquido ou do gás, nas seguintes equações
são apresentados os modelos matemáticos para predizer as mudanças das
propriedades ao mudar a pressão, já que o escoamento é considerado isotérmico.
Para o caso do liquido a massa especifica é dada pela equação (4.28) e a
viscosidade pela equação (4.29).
00 2
P P
aρ ρ
−= + (4.28)
Onde 0ρ e 0P são a massa especifica e a pressão de referência.
( )0 , 0expP
c P Pµµ µ = − (4.29)
Na equação (4.29) 0µ é a viscosidade absoluta de referencia e ,Pcµ o
coeficiente de pressão para viscosidade.
Se o fluido de trabalho é gás, se propor para a viscosidade a mesma relação que
para a viscosidade de líquidos e para a massa especifica se calcula com a equação
(4.30).
2
P
aρ = (4.30)
49
Com 0a zRT= sendo z o fator de compressibilidade para gás real, R a
constante universal dos gases e 0T a temperatura absoluta de referencia.
4.2.3 Dinâmica do R.I.T.
Após de feita a modelagem do escoamento do fluido na tubulação é preciso
fazer a modelagem dinâmica do R.I.T. para este caso tem-se diferentes abordagens
dependendo da configuração do R.I.T. vão se apresentar duas configurações a
primeira é fazer a análise do R.I.T. como um PIG convencional tipo copo ou disco a
segunda configuração é modelar o R.I.T. como um PIG com um orifício para a análise,
uma configuração adicional corresponderia a um R.I.T. do tipo diferencial ou outro tipo
de robô móvel estudados amplamente na literatura especializada.
θ
Figura 4.5 Vista em seção do PIG e a tubulação
No caso do PIG convencional Figura 4.5 aplicando o modelo de Lagrange tem-
se:
x
d L LF
dt x x
∂ ∂ = −
∂ ∂ ∑
& (4.31)
21
2L mV mgh= − (4.32)
2
2
d L d xm
dt x dt
∂ =
∂ & (4.33)
50
L dhmg
x dx
∂= −
∂ (4.34)
sindh
dxθ= (4.35)
( )1 2x aF P P A F= − −∑ (4.36)
Substituindo as equações (4.33), (4.34), (4.35) e (4.36) na equação (4.31)
obtém-se o modelo da dinâmica do PIG:
( )2
1 22sin
a
d xm P P A mg F
dtθ= − − − (4.37)
A equação (4.37) representa a dinâmica do PIG o qual é impulsionado pelo
diferencial de pressão do fluido de trabalho ( )1 2P P− , o termo a
F corresponde à força
de contato entre o PIG e a tubulação. Para ela existem diversas abordagens que vão
ser tratadas posteriormente.
Uma modelagem adicional pode ser feita no caso do PIG esteja numa trajetória
curva, como apresenta a Figura 4.6.
Figura 4.6 PIG em uma trajetória curva. (NGUYEN et al., 2001)
51
Para o caso a trajetória seja de 90 graus o PIG é modelado com a sua massa
concentrada nos extremos do mesmo, (nos copos), e têm-se três casos o PIG
entrando na seção curva, o PIG movimentando-se tudo na seção curva, e o PIG
saindo da seção curva, como se apresenta na Figura 4.7.
Figura 4.7 PIG simplificado descendo por uma trajetória curva. (NGUYEN, 2001)
NGUYEN et al., (2001) apresentaram a modelagem do PIG com a aplicação do
método de Lagrange, obtendo as seguintes equações:
Caso 1
1 1 2 2
1cos cos
2fpF m g p A Fα θ
= − + +
(4.38)
2 2 1 1
1cos
2fpF m g p A F θ
= + −
(4.39)
( )1
1 2 1
1 cossin ,
b
pig
R
L
αθ θ α θ−
−= = −
(4.40)
52
22 1 2 1 2
2 2 2 2
1 2 1 2
cosb b
b b
m YY m gR m gY F R F Y
m R m Y m R m Y
α αα α
+ − ++ =
+ +&& & (4.41)
Caso 2
01 1 2
1cos cos
2 2fpF m g p A F
αα
= − + +
(4.42)
( ) 02 2 0 1
1cos cos
2 2fpF m g p A F
αα α
= − + −
(4.43)
( )( )
1 2 0 1 2
1 2
cos cos
b
m g m g F F
m m R
α α αα
+ − − +=
+&& (4.44)
Caso 3
1 2 2
1cos
2fpF p A F θ
= +
(4.45)
2 2 1 1
1cos cos
2fpF m g p A Fα θ
= + −
(4.46)
( )( )1
2 1 2
1 sinsin ,
2
b
pig
R
L
α πθ θ α θ−
−= = − −
(4.47)
22 1 1 2
2 2 2 2
1 2 1 2
cosb
b b
m TT m g FT F R
m T m R m T m R
α αα α
− ++ =
+ +&& & (4.48)
Onde:
( )22 2 1 cos
pig bX L R α= − −
21
cos sin sin 22
bb
RY R
Xα α α
= + −
YYα α
∂=
∂
( )22 2 1 sin
pig bZ L R α= − −
21
sin cos sin 22
bb
RY R
Zα α α
= + −
TTα α
∂=
∂
53
No caso o PIG esteja subindo por uma trajetória curva, as equações do caso 1
passam a ser as do caso 3, mudando o sinal do lado direito das equações, e vice-
versa, as equações do caso 2 mantêm-se, mas mudando o sinal do lado direito das
mesmas.
A segunda configuração quando o PIG tem um orifício, é apresentada por
NGUYEN et al., (2001), a analise é realizada para o PIG em um gasoduto com fluxo
de by-pass, Figura 4.8.
Figura 4.8 PIG com orifício.
A Figura 4.8 apresenta o PIG com orifício, a equação da dinâmica é
desenvolvida aplicando a segunda lei de Newton e apresentada a seguir:
2
2
( ) ( )( ) ( ) ( )
pig pig
pig p fp
d x t dx tM C Kx t F t F t
dt dt+ + = − (4.49)
Na equação (4.49) o termo ( )p
F t é a força devida à diferença de pressão a
montante ea jusante do PIG, modelando-a como a perda através de uma válvula,
( )fp
F t é a força de contato entre o tubo e o PIG. K é o coeficiente de desgaste, e C
é o coeficiente de amortecimento, estes três últimos medidos experimentalmente.
Outras configurações poderiam ter-se em conta, por exemplo, no caso do R.I.T.
denominado, Self-drive PIG, apresentado por HU e APPLETON (2005), e descrito no
item de PIGs de velocidade variável 2.4.3, ou o caso do R.I.T. ter configuração
diferencial cujas equações poderiam ser descritas segundo ARCHILA et al., (2008), ou
outra configuração de robô móvel, amplamente estudada na literatura especializada,
(OLLERO, 2001).
54
4.2.3.1 Força de contato Tubo-PIG.
No presente item visa apresentar as abordagens matemáticas para modelar a
força de contato ( )fp
F t entre o PIG e o tubo, a qual como nos itens anteriores
depende da configuração do R.I.T.
A primeira abordagem é o caso de PIGs tipo disco, para este caso um modelo foi
apresentado por AZEVEDO et al., (1997). Nesse modelo é realizada uma análise do
comportamento pós-flambagem dos discos utilizando a técnica de elementos finitos.
Nessa análise os espaçadores entre os discos foram considerados como sendo
rígidos e submetidos a carregamentos radiais devidos à interferência da montagem
entre o disco e tubo, e às cargas axiais devidas ao atrito na parede. O modelo de
forma esquemática é apresentado na Figura 4.9.
Figura 4.9 Configuração esquemática do disco do PIG. (AZEVEDO et al., 1997)
A Figura 4.9 apresenta os parâmetros do problema que são: R raio do disco, h
espessura do disco, r raio do espaçador, E módulo de Young, ν coeficiente de
Poisson, η coeficiente de atrito, r
N Carga radial, r
u deslocamento radial na direção
da linha de centro, pipe r
R R u= − raio interno do tubo, p∆ diferencial de pressão
através do disco. O modelo é baseado nas equações não lineares para a flambagem
de placas finas circulares com as seguintes variáveis adimensionais, equação (4.50).
( ) ( )( ) ( )
2 21 1ˆ ˆ e
r r
r r
pipe
p N up u
Eh R u R uhER
ν νη
− ∆ −= = =
− −
(4.50)
55
No Trabalho foram definidos os parâmetros adimensionais hR
, hr
, ν e η , o
trabalho mostrou que existe uma relação aproximadamente linear entre a interferência
do PIG com o duto (oversize) e o diferencial de pressão adimensional necessário para
mover PIG. Para oversizes maiores que 2%, a relação pode ser escrita na forma:
( ) ( )ˆ ˆ, , , , , ,h h h hp a u bR r R r
ν η ν η= + (4.51)
Na equação (4.51) os termos ( ), , ,h haR r
ν η e ( ), , ,h hbR r
ν η , foram
determinados por meio de soluções de elementos finitos. Uma tabela de valores para
a e b b foi gerada a partir de aproximadamente 500 soluções de elementos finitos,
para faixas de variáveis adimensionais normalmente encontradas para discos de
poliuretano comerciais. Segundo a equação (4.52).
0,05 0,11 0,14 0, 22 0,2 0, 2 0,42h hR r
η ν< < < < < < = (4.52)
Os valores gerados pelas soluções foram incorporados a um programa de
simulação de deslocamento de PIGs PIGSIM.
O segundo modelo de força de contato é para o caso de PIG de espuma,
(AZEVEDO et al., 1997), onde o modelo matemático é apresentado na equação
(4.53).
1 TT
p
DF D LE
Dηπ
= −
(4.53)
Na equação anterior, F é à força de contato (N), η o coeficiente de atrito, L o
comprimento do PIG de espuma (m), E o modulo de Young para a espuma (Pa), T
D
Diâmetro do tubo (m), e p
D o diâmetro do PIG (m).
Para o caso da configuração PIG de tipo copos têm-se outra abordagem,
também por elementos finitos apresentado por SOUSA, (2005). A abordagem
56
considera a interação entre o PIG e a tubulação como não axissimétrica com o PIG
descentralizado através de um pequeno deslocamento e, segundo a Figura 4.10
Figura 4.10 Esquema não axissimétrico do PIG. (SOUZA, 2005)
A analise do problema é feita também por elementos finitos levando a
consideração às diferenças no contato na parte superior e inferior da tubulação.
Figura 4.11 Malha para a solução não axissimétrica do PIG. (SOUZA, 2005)
A Figura 4.11 apresenta a malha utilizada para encontrar a solução do problema
da força de contato de um PIG de copos.
4.2.3.2 Diferencial de pressão no PIG.
O diferencial de pressão é quem provê a força para o deslocamento do PIG
dentro da tubulação, no caso de PIGs convencionais aquele diferencial é determinado
57
pela pressão na montante e jusante do robô. Para o caso do PIGs com orifício ou dos
PIGs de velocidade variável, apresentados no item dois, é preciso fazer uma análise
do diferencial de pressão nos mesmos, a aproximação feita é considerar a perda de
pressão no interior do PIG como se fosse uma válvula, e fazer a conta da queda como
uma perda como acessório em fluxo permanente (NGUYEN et al., 2001), segundo as
equações seguintes.
( )2
2
v pig
total
v vp K
g
−∆ = (4.54)
total SC v SEK K K K= + + (4.55)
2
20, 42 1 valve
SC
dK
d
= −
(4.56)
22
21 valve
SE
dK
d
= −
(4.57)
v vvalve
hK Kd
=
(4.58)
Nas equações (4.54) à (4.58) o p∆ é a perda de carga através do PIG v
v é a
velocidade absoluta do fluxo, pig
v é a velocidade do PIG, total
K é a constante de perda
total, SC
K coeficiente de contração súbita, v
K coeficiente de perda na garganta do
PIG, SE
K coeficiente de expansão súbita. valve
d Diâmetro interno do PIG, d diâmetro
da tubulação, h abertura do PIG.
58
5 ESTUDO DE CASO
O capitulo visa apresentar o desenvolvimento de uma proposta para um novo
R.I.T. aplicando os elementos descritos nos capítulos anteriores, a proposta abrange
especificamente a parte mecânica do R.I.T. Os parâmetros para o projeto são: o robô
se desloca com o fluxo e deve conseguir controlar a sua velocidade.
5.1 PROJETO CONCEITUAL MECÂNICO
O projeto mecânico cobre três etapas a modelagem C.A.D., a modelagem
C.A.E., e a modelagem C.F.D., na modelagem CAD é feita à proposta conceitual do
R.I.T. baseada nos dados das modelagens CAE e CFD, na modelagem CAE são feitas
às simulações por elementos finitos para determinar a força de contato entre o PIG e a
tubulação e na modelagem CFD são feitas às analises da queda de pressão no R.I.T.
e a interação com o escoamento.
São feitas duas propostas, a primeira é trabalhar com um R.I.T. que ocupa toda
a seção transversal da tubulação controlando sua velocidade mediante uma válvula
localizada no final da linha, a segunda proposta é um R.I.T. que não ocupa toda a
seção transversal da tubulação permitindo a passagem do fluido (by-pass), realizando
o controle de sua velocidade mecanicamente no robô mesmo. É apresentada a
primeira proposta começando com a modelagem CFD.
5.1.1 Modelagem CFD
A modelagem CFD (dinâmica de fluidos computacional) tem como objetivo
encontrar a interação entre o escoamento na tubulação e o robô, esta análise é feita
no Matlab® e está baseada no método de diferenças finitas.
Modelo matemático:
O modelo matemático está baseado nas equações de continuidade (5.1),
quantidade de movimento (5.2), e a dinâmica do PIG (5.3) desenvolvidas no capitulo
quatro.
1 10
V A A V V
A x A t x t x
ρ ρ
ρ ρ
∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ + + + =
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (5.1)
59
041sin
P dVg
x D dt
τθ
ρ ρ
∂− + − =
∂ (5.2)
( )2
1 22sin
p
a
d xm P P A mg F
dtθ= − − − (5.3)
A equação (5.2) de quantidade de movimento é modificada levando a
consideração às equações seguintes
P H zg
x x xρ
∂ ∂ ∂ ≅ −
∂ ∂ ∂ (5.4)
sinz
xθ
∂= −
∂ (5.5)
Substituindo as equações (5.4) e (5.5) na equação 5.2 tem-se:
040
H dVg
x dt D
τ
ρ
∂+ + =
∂ (5.6)
Para fluxo turbulento permanente 2
0 8fVρτ = , partindo da hipótese de que o
coeficiente de atrito é o mesmo que em fluxo permanente. Por tanto a equação (5.6)
se converte em
2
02
H dV fVg
x dt D
∂+ + =
∂ (5.7)
Expressando a equação (5.7) em derivadas parciais e espalhando o termo de
atrito com o intuito de levar a consideração o sinal do mesmo tem-se:
02
fV VH V Vg V
x x t D
∂ ∂ ∂+ + + =
∂ ∂ ∂ (5.8)
60
Na equação (5.1) os dois primeiros termos são a derivada total ou material
( )1 dAA dt
e os dois seguintes a derivada total ( )1 ddt
ρρ logo a equação (5.1) pode
ser escrita segundo a equação (5.9)
1 10
dA d V
A dt dt x
ρ
ρ
∂+ + =
∂ (5.9)
O primeiro termo da equação (5.9) refere-se à elasticidade da tubulação e a sua
velocidade de deformação com a pressão, o segundo a compressibilidade do fluido
encontrando modelos matemáticos para esses termos tem-se.
1 dA D dP
A dt t E dt=
′ (5.10)
1 1d dP
dt K dt
ρ
ρ= (5.11)
Onde t′ é a espessura da parede do tubo, E o modulo de Young, e K o
modulo volumétrico de elasticidade do fluido. Substituindo as equações (5.10) e (5.11)
na equação de continuidade (5.1) obtém se:
210
dP Va
dt xρ
∂+ =
∂ (5.12)
Onde ( )( )
2
1
K
aK D
E t
ρ=
+ ′
, e como dP P P
Vdt x t
∂ ∂= +
∂ ∂,
P H zg
x x xρ
∂ ∂ ∂ ≅ −
∂ ∂ ∂ e
sinz
xθ
∂= −
∂ substituindo na equação (5.12).
2
sin 0a V H H
V Vg x x t
θ∂ ∂ ∂
+ + + =∂ ∂ ∂
(5.13)
As equações (5.13) e (5.9) de continuidade e quantidade de movimento
respectivamente são somadas e uma delas multiplicada por um parâmetro λ com o
61
intuito de simplificar elas, 1 2L L Lλ= + , 1L corresponde à equação de quantidade de
movimento (5.9) e 2L corresponde à equação de continuidade (5.13) obtém-se:
( )2
sin 02
fV VH H V a VL V g V V
x t x g t Dλ λ θ
λ
∂ ∂ ∂ ∂ = + + + + + + = ∂ ∂ ∂ ∂
(5.14
)
Esta expressão se ordena de modo que o primeiro termo entre colchetes seja a
derivada total dHdt
se.
dxV g
dtλ= + (5.15)
E o segundo termo entre colchetes seja dVdt
se
2dx a
Vdt gλ
= + (5.16)
Das equações (5.15) e (5.16) é encontrado o valor de λ assim que ag
λ = ±
substituindo o valor de λ são encontradas as seguintes equações.
sin 02
afV VdH a dVV
dt g dt gDθ+ + + = (5.17)
dxV a
dt= + (5.18)
sin 02
afV VdH a dVV
dt g dt gDθ+ + + = (5.19)
dxV a
dt= − (5.20)
62
( )2
1 22sin
p
a
d xm H H gA mg F
dtρ θ= − − − (5.21)
Onde H corresponde à altura piezométrica, a a velocidade de propagação do
som no meio, f o fator de atrito entre o fluido e a tubulação, V a velocidade meia na
seção transversal do fluido, g a gravidade, D o diâmetro da tubulação, e θ o ângulo
da tubulação.
As equações são transformadas em equações em diferenças finitas obtendo as
equações (5.22) e (5.23).
( )( ) ( 1) ( ) ( 1)
( 1)sin ( 1) ( 1) 02
aHP I H I VP I V I
g
af tV I t V I V I
gDθ
− − + − −
∆+ − ∆ + − − =
(5.22)
( )( ) ( 1) ( ) ( 1)
( 1)sin ( 1) ( 1) 02
aHP I H I VP I V I
g
af tV I t V I V I
gDθ
− + + − +
∆+ + ∆ + + + =
(5.23)
A solução do sistema de equações é desenvolvida sobre a malha retangular
apresentada na Figura 5.1 a qual é função da posição e do tempo.
Figura 5.1 Malha retangular para a solução das equações em diferenças.
Na Figura 5.2 pode ser observado um elemento da malha apresentada na Figura
5.1
63
Figura 5.2 Nós da malha.
Na Figura 5.2 é apresentado o nó I da malha usada para encontrar a solução do
sistema de equações, com os parâmetros característicos C+ e C-.
Com a modelagem CFD foram desenvolvidas as seguintes simulações levando a
consideração diferentes condições na tubulação validando o modelo e analisando as
interações entre o robô e o fluido.
Tubulação horizontal:
Nesta simulação é analisado o caso de uma tubulação horizontal na qual é
fechada a passagem do fluido subitamente (6,2 segundos) a tubulação tem um
comprimento de 1750 m, um diâmetro de 1,23 m, uma Velocidade a regime
permanente de 1,01 m/s, e uma altura piezométrica de 91,4 m a simulação é feita com
aqueles valores com o intuito de conferir com o modelo desenvolvido por STREETER
(1970). Os resultados obtidos são apresentados na Figura 5.3 e Figura 5.4.
Figura 5.3 Velocidade do fluido.
64
Figura 5.4 Altura piezométrica.
A Figura 5.3 apresenta a variação da velocidade com a posição e com o tempo e
a Figura 5.4 apresenta a variação da altura piezométrica com a posição e com o
tempo ante um fechamento do fluxo em 6,2 segundos, é claro que esta situação não é
desejada, já que a mesma poderia danificar a linha de serviço, atingindo pressões
acima da pressão máxima de operação ou gerando as condições para o escoamento
em meia cana, os resultados obtidos concordaram com os dados do STREETER
(1970).
Tubulação horizontal com o R.I.T.:
Apresenta-se a simulação do deslocamento do R.I.T. ante a condição de
fechamento rápido descrita anteriormente. O R.I.T. tem uma massa de 40 kg, e é
assumida uma força de contato da parede da tubulação com o robô de 1000 N.
Figura 5.5 Velocidade do R.I.T. no tempo ante um fechamento súbito.
65
A Figura 5.5 apresenta a mudança da velocidade do robô dentro da tubulação,
ele parte do repouso até a velocidade do fluido logo ante o fechamento ele começa a
diminuir sua velocidade até zero na unidade 27 de tempo computacional muda o sinal
da velocidade e permanece assim ate a unidade 43, ai sua velocidade volta a ser
positiva perto do zero e volta a mudar de sinal na unidade 64.
(a)
(b)
Figura 5.6 Velocidade Posição do RIT.
Figura 5.7 Posição do R.I.T. no tempo.
A Figura 5.6 apresenta a mudança da velocidade com a posição, a diferença
entre o caso a) e o b) é o tempo da simulação que é maior no caso b) e converge para
zero. A Figura 5.7 apresenta o deslocamento do robô com o tempo, como era de
esperar-se nos intervalos onde o sinal da velocidade é negativo o robô volta, este
66
comportamento é devido ao efeito da onda de pressão gerada pelo fechamento rápido
da válvula.
Com esta análise é visto que o robô esta seguindo adequadamente o fluido,
aclara-se também que é uma situação não desejada no escoamento de um fluido, mas
foi desenvolvida com o intuito de validar a modelagem CFD.
Tubulação não horizontal com o robô:
Nesta simulação é analisado o caso de uma tubulação não horizontal com
mudanças de 45 graus em cada um dos elementos da malha do modelo CFD segundo
a Figura 5.8.
Figura 5.8 Perfil planialtimétrico da tubulação estudada.
Na tubulação também é fechada a passagem do fluido subitamente (6,2
segundos) a tubulação tem um comprimento de 1750,6 m, um diâmetro de 1,21 m,
Velocidade a regime permanente de 1,01 m/s, e uma altura piezométrica inicial de
91,44 m os resultados obtidos são apresentados na Figura 5.9 e Figura 5.10
Figura 5.9 Velocidade do fluido.
67
O gráfico anterior apresenta o transiente da velocidade na tubulação neste caso
o transiente é mais suave devido ao amortecimento gerado pela mudança na altura do
percurso da tubulação, o qual absorve parte da onda de pressão gerada no
fechamento rápido da válvula.
Figura 5.10 Transiente de pressão no fluido
A Figura 5.10 apresenta a variação da pressão com a posição e com o tempo a
onda de pressão é amortecida pelas pressões geradas no percurso da tubulação
devidas à mudança de atura.
O deslocamento do R.I.T. é apresentado nas figuras seguintes.
Figura 5.11 Velocidade do R.I.T. no tempo.
68
A mudança da velocidade do R.I.T. apresenta um comportamento mais suave
que no caso anterior, atingindo valores de velocidade negativa em instantes de tempo
computacional pequenos na ordem de 2 unidades, voltando rapidamente a ser
positivos com uma variação de 2,7% do valor da velocidade em regime permanente.
Figura 5.12 Velocidade Posição do R.I.T.
Figura 5.13 Posição do R.I.T. no tempo.
69
A Figura 5.12 e Figura 5.13 apresentam a velocidade com a posição e a posição
com o tempo, para o robô, as curvas nos gráficos são suaves no sentido de não
apresentar mudanças súbitas, o robô consegue percorrer 1,63 m e é detido pela
ausência de fluxo.
Nesta simulação são obtidos alguns parâmetros adicionais como a aceleração
do robô e a perda de carga devida a presença do robô na tubulação, são
apresentados nas Figura 5.14 e Figura 5.15 respectivamente.
Figura 5.14 Aceleração do R.I.T. no tempo.
Figura 5.15 Perda de carga do robô.
70
5.1.2 Modelagem CAD
Nesta primeira modelagem CAD são definidos alguns parâmetros geométricos
do R.T.I. eles são desenvolvidos para o caso do RIT que ocupa toda a seção
transversal da tubulação e para um R.I.T. que permite o passo do fluido. Eles são
modelados no software Solid Edge®, as Figura 5.16 e Figura 5.17 apresentam os
modelos:
Caso 1
Figura 5.16 CAD Preliminar RIT tipo PIG de disco.
O RIT modelado é dimensionado para um diâmetro de tubulação de trinta
polegadas, seu comprimento é 1,5 vez o diâmetro segundo a recomendação dada por
TIRATSOO (1992).
Caso 2
Figura 5.17 CAD Preliminar RIT com passagem do fluido (by-pass).
71
A Figura 5.17 apresenta o caso dois, correspondente a um RIT que permite o
passo do fluido por seu interior, com o intuito de diminuir a influência do mesmo no
fluido de trabalho. Ele é composto por uma contração e expansão, seu formato visa
diminuir a perda de pressão no seu interior e é projetado para uma tubulação de 30
polegadas.
5.1.3 Modelagem CAE
Esta modelagem é utilizada para obter as forças de contato do R.I.T. com a
tubulação mediante a análise da deformação dos discos ao ser inserido na tubulação,
o software usado para fazer as simulações é Ansys Work Bench 9.0. na Tabela 5.1
são listadas as propriedades dos discos do PIG.
Tabela 5.1 Propriedades mecânicas do material dos discos dos PIGs (SOUZA, 2005)
Nome Valor
Densidade 950,0 kg/m³
Coeficiente de Poisson 0,2
Esforço de Fluência 2,5×107 Pa
Esforço último à tensão 3.3×107 Pa
Modulo de Young 8×106 Pa
Coeficiente de Expansão Térmica 2,3×10-4 1/°C
Calor especifico 296,0 J/kg·°C
A pressão, que gera a força de contato, apresentado no capítulo 4, depende da
interferência entre o copo e a tubulação é dada por:
( ) ( )( ) ( )
2 21 1ˆ ˆ e
r r
r r
pipe
p N up u
Eh R u R uhER
ν νη
− ∆ −= = =
− −
(5.24)
Assim que se é conhecido o p∆ entre o disco e a tubulação para uma
interferência dada, é possível encontrar a força de contato entre o PIG e a tubulação.
72
Para o RIT do caso, tipo PIG de disco, a modelagem da os seguintes resultados
Figura 5.18
Figura 5.18 Análise por FEM dos discos dos RIT.
Para uma interferência radial de 3 mm, segundo a análise é preciso uma
pressão no disco de 100 KPa, o qual equivale a uma força de contato de 1850 N a
força poderia variar segundo o tipo de disco obtendo-se valores de até 85000 N
(TOLMASQUIM, 2004).
Para o caso do RIT que permite o fluxo, os discos têm um formato de cilindro
devido à geometria mesma do Robô tendo um diâmetro interno maior e um
comprimento maior que no caso anterior, eles são analisados também por elementos
finitos os resultados são apresentados na Figura 5.19.
Figura 5.19 Análise por FEM dos discos dos RIT.
73
Na análise foi encontrado que para uma deformação radial de 2,5 mm é
necessária uma pressão de 51 kPa e, por conseguinte uma força de contato de 7181,7
N. Os dados encontrados podem ser variados segundo as necessidades do projeto
mecânico e/ou de controle, e as características geométricas exigidas no CAD
detalhado.
Para o caso do RIT que permite a passagem do fluido é necessário também
conhecer a queda de pressão no seu interior, para isso o RIT é simplificado como a
união entre uma contração e expansão segundo a Figura 5.20.
Figura 5.20 Modelo geométrico simplificado do RIT caso 2.
Com o modelo da Figura 5.20 pode ser encontrada a constante K do RIT
necessária para calcular a queda de pressão no mesmo, segundo a equação (5.25).
( )2
2
v pig
total
v vp K
g
−∆ = (5.25)
Seu valor é determinado segundo as tabelas dadas por FOX (1995), modeladas
em Excel com o intuito de obter uma relação matemática para seu cálculo, os gráficos
das constantes de contração e expansão são apresentados a seguir.
74
CONTRAÇÂO
K = -0,0129x4 + 0,1854x3 - 0,9794x2 + 2,2737x - 1,5394
R2 = 0,9963
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
1 2 3 4 5 6
D1/D2
Kc
K
Polinomial
Figura 5.21 K para uma contração (Kc).
A Figura 5.21 apresenta a variação do Kc para uma contração ela depende da
relação entre o diâmetro de entrada e da garganta da contração, a figura apresenta
também a equação encontrada da Kc em função da relação de diâmetros.
EXPANSÃO
Ke = -2E-08A5 + 3E-06A4 - 0,0002A3 + 0,0055A2 - 0,0474A + 0,1538
R2 = 0,9997
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 10 20 30 40 50 60Alfa (α) [Graus]
Ke
Figura 5.22 K para uma Expansão (Ke).
75
A Figura 5.22 apresenta a variação do Ke para uma expansão, ela depende do
ângulo de saída da expansão, a figura apresenta também a equação de Ke em função
do ângulo de saída.
A K total ou K equivalente corresponde à soma da Kc de contração e a Ke de
expansão obtendo assim a total
K necessária para os cálculos da queda de pressão no
RIT
total C EK K K= + (5.26)
Os cálculos para a total
K são uma aproximação baseada em estudos da
mecânica de fluidos para acessórios de tubulações.
5.2 PROJETO DE CONTROLE
O sistema de controle para um R.I.T. em termos gerais abrange os tópicos de
controle da movimentação do sistema, captura, armazenagem e processamento das
informações obtidas na inspeção do robô, e gerenciamento da comunicação, um
sistema de controle básico é formado então pela integração de três módulos: o módulo
de controle, o módulo de instrumentação e o módulo de comunicação, segundo a
Figura 5.23
PARTE FRONTAL DOVEÍCULO
Motor Encoder
Câmera CCD
MODULO DECONTROLE
A/D Contador
Sensor de gravidade
D/A I/O
Microcontrolador
80c196
MODULO DECOMUNICAÇÃO
RS232C
O/E E/O
INTERFACE DEUSUÁRIO
E/O O/E
PC Pentium 500MHz
Joystick LCD
Motor Driver
Parte Robô
Parte Operador
RX TX
Câmera CCD do módulo de instrumentação
Figura 5.23 Exemplo de uma estrutura de controle (Choi e Ryew, 2002).
76
O módulo de controle é constituído basicamente por conversores de sinais (A/D,
D/A) e por um microcontrolador. Os conversores de sinais recebem dados
provenientes dos sensores e/ou encoders localizados no modulo de instrumentação.
Os dados provenientes dos sensores e/ou encoders têm a função de ajudar na tomada
de decisões para a locomoção do robô, assim ele decide se seguir para frente, parar,
ou voltar (Plácido, 2005). É importante notar que não todos os R.I.T.s têm a
capacidade de parar e voltar, mas o intuito é partir da descrição geral e simplificar o
modelo segundo o caso.
O módulo de instrumentação é constituído basicamente por câmeras, sensores
e/ou encoders. Tem a função de enviar dados de sensoriamento para o modulo de
controle e enviar imagens de inspeção capturadas pela câmara para o modulo de
comunicação, no caso dos PIGs inteligentes ou ILI (Inline inspections tools) é comum
encontrar odômetros, e dispositivos para inspeção por técnicas de Magnetic Flux
Leakage e ultra-som.
O módulo de comunicação é constituído por uma interface de comunicação e por
conversores eletro / ópticos, a interface de comunicação, que pode ser Rs232
(inadequado para longas distancias) e a Rs485 (Próprio para longas distancias),
interage diretamente com os conversores eletro-ópticos, transmitindo dados
provenientes da interface do usuário. Estes conversores recebem dados provenientes
da câmera os convertem em dados elétricos e os transmitem para interface com o
operador. A parte operadora, por sua vez, transmite informações para os conversores
eletro-ópticos, que as transmite para a interface de comunicação que interage com o
microcontrolador, e assim sucessivamente, controlando o movimento do sistema
robotizado (Plácido, 2005). No caso dos PIGs os dados são geralmente armazenados
devido à dificuldade de comunicação no interior de dutos a longas distâncias, e
entregues ao final para sua análise.
Neste estudo de caso vai se abordar o controle da movimentação do robô
propondo o projeto dos sistemas de instrumentação, armazenagem e comunicação
como trabalhos futuros.
Para o controle da movimentação do R.I.T. têm-se duas abordagens a primeira
aproveita o fato de ter um sistema acoplado (fluido - robô) com o qual é possível fazer
controle ao processo com o intuito de controlar a movimentação do robô. Uma
77
segunda abordagem é fazer o controle ao R.I.T. modificando sua própria configuração.
Se o controle é sobre o fluido este é realizado por meio de uma válvula proporcional
localizada na montante ou na jusante do percurso de trabalho do R.I.T.
Para a segunda abordagem de controle sobre o robô é preciso modificar seu
projeto mecânico incluindo os sistemas necessários para a sua movimentação. A
modificação do projeto mecânico poderia ser mudando o by-pass do robô visando
controlar a queda de pressão no seu interior como é o caso dos PIGs de velocidade
variável apresentados no capitulo 2 ou propondo um novo sistema para seu
deslocamento.
A seguir vão se apresentar as duas abordagens a primeira do controle no
processo é nomeada controle do RIT externo, a segunda é nomeada controle de força
no RIT.
Controle do RIT externo
Esta primeira abordagem a velocidade do R.I.T. é controlada indiretamente
controlando o escoamento do fluido obtendo como conseqüência o controle do robô, a
abordagem visa também avaliar a influencia do controle no processo com o intuito de
ver sua possível aplicação.
Para este controle e desenvolvido um controlador PID (DUTRA et al., 2007) que
atua diretamente sobre a válvula proporcional fazendo controle do processo, a válvula
esta localizada na montante do percurso da tubulação. O controle é realizado segundo
o diagrama de blocos da Figura 5.24
Figura 5.24 Diagrama de blocos do controle do RIT externo.
A Figura 5.24 apresenta a malha de controle aplicada, para um set point dado
(velocidade desejada do RIT Vd) é gerado o sinal de erro e(t) comparando o set point
com a velocidade do robô Vr, a partir do sinal do erro o controlador envia um sinal para
78
mudar a apertura da válvula segundo a qual é modificada a vazão e a pressão do
fluido no tempo, a nova pressão e vazão mudam as condições da planta e esta a sua
vez afeita o comportamento do RIT na posição e no tempo, a velocidade do robô é
obtida por meio de um odômetro e comparada de novo com a velocidade desejada
fechado a malha de controle.
O controlador é tipo PID, e apresenta o modelo matemático das equações (5.27)
e (5.28) a primeira equação é a definição do controlador considerando a parte
proporcional K , o tempo Integral i
T , e o tempo derivativo D
T .
0
1 ( )( ) ( ) ( )
t
D
i
de tu t K e t e d T
T dtτ τ
= + +
∫ (5.27)
( )0
0 0
( ) ( ) ( 1) ( ) ( 1n
D
ii
T Tu n K e n e n e n e n
T T=
= + − + − −
∑ (5.28)
A equação (5.28) é o modelo matemático em diferenças para o controlador PID
onde 0T corresponde a o tempo de discretização, que para o caso é o delta t do
modelo de diferencias finitas, mediante teste e erro são obtidos os seguintes
parâmetros para o controlador Tabela 5.2
Tabela 5.2 Parâmetros do controlador.
CONTROLADOR VALORES
Ganho proporcional K 0,1
Tempo derivativo D
T 0,1 s
Tempo integral i
T 10 s
Set Point 2/3 Velocidade em regime estacionário
Resultados das simulações:
As figuras seguintes apresentam o efeito do controle PID no sistema para uma
velocidade desejada do robô de 0,6 m/s gerando um transiente de velocidade (Figura
5.25) e um transiente de pressão (Figura 5.26).
79
Figura 5.25 Transiente de Velocidade.
A Figura 5.25 apresenta um decrescimento súbito na velocidade devido ao efeito
do controle sobre a válvula após a velocidade aumenta, mantendo um comportamento
oscilatório até atingir a velocidade desejada aproximadamente no tempo
computacional de 150 unidades.
Figura 5.26 Transiente de pressão.
A Figura 5.26 apresenta o efeito do controle sobre a pressão do fluido encontra-
se que o valor máximo de pressão é 1,5 da pressão em regime estacionário, e a
pressão mínima é 0,16 da pressão em regime estacionário.
80
A Figura 5.27 e Figura 5.28 apresentam o comportamento do robô sob o efeito
do controle.
Figura 5.27 Velocidade do RIT no tempo.
Figura 5.28 Velocidade do RIT na posição.
81
A Figura 5.27 apresenta a mudança da velocidade do robô com o tempo, no
gráfico é observado que o robô não consegue atingir exatamente a velocidade
desejada encontrando um erro de estado estacionário, a estabilização do sistema é
conseguida a partir do tempo 100 mantendo ela sempre que não existam perturbações
no sistema.
A Figura 5.28 apresenta a mudança da velocidade com a posição observando
que a velocidade torna-se estável a partir dos 90 m.
Figura 5.29 Erro de velocidade do RIT.
A Figura 5.29 apresenta o sinal do erro de velocidade do robô, o robô vai ter
então um erro no estado estacionário de 10% da velocidade desejada, este erro é
admissível para a operação do robô, já que é importante manter a velocidade
constante para fazer a inspeção, mas não é preciso um valor especifico na velocidade
o importante é que ele este embaixo de 5 m/s no caso de inspeção com técnicas de
MFL (NGUYEN, 2002).
82
Controle de força
A segunda abordagem de controle é nomeada controle de força, esta
abordagem é realizada a partir do fato de que o robô consegue gerar sua força para se
movimentar no interior do duto, o anterior implica que o robô deve ter seu próprio
sistema de deslocamento, que será projetado no item seguinte (CAD Detalhado).
O controle realizado é um controle do tipo proporcional segundo a Figura 5.30
com ele é obtido o sinal de força que o robô precisa fazer para se deslocar
dependendo do set point desejado.
Figura 5.30 Diagrama de blocos do controle de força do R.I.T.
A Figura 5.30 apresenta a malha de controle aplicada, é assim como o controle
da velocidade é realizado: dado um set point Vd, (velocidade desejada do RIT) é
gerado o sinal de erro e(t) comparado o set point com a velocidade do robô Vr, a partir
do sinal do erro o controlador gera um sinal F(t) que modifica as condições de
operação do robô e este muda a condição de pressão de operação na posição e no
tempo atuando na planta, esta modifica seu comportamento e a sua vez afeita a
resposta do RIT na posição e no tempo, com os sinais de pressão e velocidade é
obtida a força por médio da dinâmica do robô, e com a força é obtida a velocidade Vr
por médio do bloco K que contem as equações do robô.
Resultados das simulações:
As figuras seguintes apresentam o efeito do controle de força no sistema para
uma velocidade desejada do robô de 0,3 m/s. Gerando um transiente de velocidade
(Figura 5.31) e um transiente de pressão (Figura 5.32).
83
Figura 5.31 Transiente de Velocidade.
A Figura 5.31 apresenta um decréscimo súbito na velocidade devido ao efeito do
controle sobre o robô, após a velocidade aumenta mantendo um comportamento
oscilatório até atingir a velocidade estacionária aproximadamente no tempo
computacional de 200 unidades (29,25 s). A mudança de velocidade no fluido é da
ordem de 0,08% da velocidade em regime estacionário.
Figura 5.32 Transiente de velocidade.
A Figura 5.32 apresenta em detalhe a mudança na velocidade do fluido pelo
efeito do controle de força sobre o robô, se observa também que o tempo para
alcançar a estabilidade é de aproximadamente 200 unidades.
84
Figura 5.33 Transiente de pressão.
A Figura 5.33 apresenta o transiente de pressão no fluido devido à ação do
controle de força a mudança na pressão é devida às perdas de carga no duto, sob a
influência do robô, mas as mudanças são da ordem de 0,54% da pressão em regime
permanente.
Figura 5.34 Força do R.I.T.
A Figura 5.34 apresenta o sinal de força que fornece as informações para a
mudança na configuração do robô a mudança deve conseguir atingir os valores de
força necessários para garantir a velocidade desejada.
85
5.3 CAD DETALHADO.
Nesta etapa é desenvolvido o dimensionamento detalhado do robô tipo by-pass
e é projetado o sistema de deslocamento do robô, baseado nas modelagens prévias e
no projeto de controle, auxiliados com planilhas como a da Figura 5.35. Alem são
descritos o corpo do robô, os discos de Poliuretano e o sistema de deslocamento.
DADOS CONHECIDOS 10 kg/cm^2
1E+09 1013000000200 P1 1378405,661 Pa Calculo das velocidades10 V1 max 2,777777778 m/s V1 2,77777778
D1 0,762 mts V2 11,1111111D2 0,381 mts V3 2,77777778D3 0,762 mts
Dados Geometricos calculados Calculo das Presões Hazen williamsA1 0,456036731 m^2 P1 1378405,66A2 0,114009183 m^2 P2 1308137,1A3 0,456036731 m^2 P3 1408557 VenturiL1 0,25 m Delta -30151,3412 1099,14336Comprimento 0,5L2 0,25 m Calculo da Força de arrastoAlfa 54,67538177 Grad cd 0,8Beta 54,67538177 Grad lt 0,27000888 m
Acontração0,31121148 m^2Dados do fluido Dados da Contração e Expansão FaCont 13408,9887 Nw Força de freioT 40 C T [F] T [C] DR U [Pa*s] D1/D2 2 1DR 0,8725 40 4,444 0,905 0,401048488 Kc 0,37 cd 0,8 2,77777778Densidade 872,5 Kg/m^3 60 15,56 0,896 0,156493313 Ke -1,64805344 lt 0,27000888 m 500Viscosidade 0,0301 Pa*s 80 26,67 0,888 0,077548026 D1/D2 K ang k Aexp 0,31121148 m^2 1388,88889Re 61355,20487 100 37,78 0,882 0,040314717 1,2 0,08 4 0,04 FaExp 13408,9887 Nwfluxo Turbulento 120 48,89 0,866 0,023573032 1,4 0,17 10 0,07
150 65,56 0,865 0,012938142 1,6 0,26 15 0,16 Calculo da Força de PressãoDados do coeficiente de arrastre 1,8 0,34 20 0,29 F1 628603,612 Nw
2 0,37 30 0,46 F3 642353,731 NwCd Laminar 0,000391165 2,5 0,41 50 0,63 Fp -13750,1191 Nw 501,249745Cd turbulento 3 0,43 60 0,68M OSPAR 400 kg/s 4 0,45 Ft 14456,7471 Nw 28708,116Q OSPAR 0,458452722 m^3/s 5 0,46 1475,17828 kg 2929,39959Ve 1,005297799 m/s 1,47517828 Tn 2,92939959Vg 4,021191195 ms
A1P1V1 A2
P2V2
A3P3V3
Cd
a ß
D1
L1 L2
D2
D3
PROPIEDADES DO OLEO
DR = 3E-08T4 - 3E-06T3 + 0,0001T2 - 0,0027T + 0,9147
R2 = 0,9937
U = -5E-06T3 + 0,0007T2 - 0,0324T + 0,5261R2 = 0,9944
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 10 20 30 40 50 60 70
Temp [C]
U[P
a.s]
- D
R
DRUPol(DR)Pol(U)
CONTRAÇÂO
y = -0,0129x4 + 0,1854x3 - 0,9794x2
+ 2,2737x - 1,5394
R2 = 0,9963
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
1 2 3 4 5 6D1/D2
K
K
Polinómica (K)
EXPANSÃO
Ke = -2E-08A5 + 3E-06A4 - 0,0002A3 +
0,0055A2 - 0,0474A + 0,1538
R2 = 0,9997
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 10 20 30 40 50 60Alfa (A) [Grados]
Ke
Figura 5.35 Planilha para o dimensionamento detalhado do R.I.T.
A Figura 5.35 apresenta a planilha para o calculo da perda de pressão no R.I.T.
segundo foi apresentado no item 5.1.3.
Corpo do R.I.T.
O formato do R.I.T. é determinado para obter a menor queda de pressão na
tubulação a Figura 5.36 apresenta o formato dele.
Figura 5.36 Corpo do R.I.T.
86
A Figura 5.36 apresenta o corpo do R.I.T. ele tem um formato tipo Venturi com o
intuito de gerar a menor queda de pressão possível. O corpo tem também os espaços
para alojar os discos de Poliuretano que vão a estar em contato com a tubulação.
Discos do R.I.T.
O formato dos discos é: segundo a geometria do corpo do R.I.T., e segundo a
força de contato com a parede da tubulação como foi determinado no item 5.1.3 por
meio de análise de elementos finitos. Figura 5.37
Figura 5.37 Discos para o R.I.T. tipo by-pass.
É importante ressaltar que os discos são os encarregados de gerar a força de
contato entre o robô e a tubulação, e a força de contato pode manter o robô em
condições estáticas, ou ate fazer que o robô fique preso durante a sua passagem pela
tubulação, assim que seu dimensionamento é clave para o projeto do robô.
Figura 5.38 Geometria dos discos do RIT tipo by-pass.
87
A Figura 5.38 apresenta o formato dos discos para o R.I.T. tipo by-pass segundo
a análise realizada no item 5.1.3 a força gerada por eles é de 7181,7 N.
Sistema de locomoção do R.I.T.
O sistema de locomoção está composto por um thruster tipo hélice encarregado
de levar a energia para o deslocamento do robô e um sistema de movimentação tipo
helicoidal que gera a força de deslocamento aproveitando a energia gerada através do
thruster, em seguida são apresentados o thruster e o sistema helicoidal.
Thruster
O thruster do tipo hélice é projetado para aproveitar a energia de fluxo,
transformando ela em energia mecânica rotacional subministrando a potencia para o
sistema helicoidal. Os parâmetros para o projeto do thruster são ângulo das pás,
velocidade do fluido, vazão mássica, eficiência do thruster, e área efetiva, os cálculos
são desenvolvidos na planilha da Tabela 5.3.
Tabela 5.3 Planilha para o projeto do thruster.
Ângulo de saída (α) 30 graus fc v saída 0,5 V saída 5,5 m/s R thruster 0,190 m R thruster 0,140 m A thruster 0,052 m2 Q thruster 0,289 m3/s f mássico 252 kg/s Torque 98 N-m Vel Angular ω 14,6 rad/s
A Tabela 5.3 apresenta a planilha para o dimensionamento do thruster, para o
caso apresentado é possível obter um torque na saída de 98 N-m com uma velocidade
angular de 14,58 rad/s. o thruster é desenhado em Solid Edge® e apresentado na
Figura 5.39
88
Figura 5.39 Thruster tipo hélice do R.I.T.
Sistema de movimentação helicoidal
O sistema de movimentação helicoidal aproveita a energia mecânica rotacional
gerada pelo thruster para a movimentação helicoidal. Este mecanismo de
movimentação helicoidal também é encarregado de gerar a força para o
deslocamento, isto é, deve cumprir estas duas funções básicas para o funcionamento.
A planilha para seu projeto é apresentada na Tabela 5.4.
Tabela 5.4 Planilha para o calculo da força normal mínima.
Ângulo das rodas (α) 42 Vd RIT 5 m/s Rodas Diâmetro primitivo 0,722 m
µ 0,1 Teta (θ) 42 graus Normal min 2724 N F alfa 272 N F emp RIT 182 N
A Tabela 5.4 apresenta os parâmetros necessários para o projeto do sistema
como são o ângulo e o diâmetro das rodas, e o atrito entre as rodas e a tubulação.
São calculadas a força normal mínima para o deslocamento à velocidade desejada e a
força do robô para aquela condição (F emp RIT). Segundo visto no projeto de controle
é importante também definir a força do robô, ela é controlada com a força normal
segundo o mecanismo descrito a seguir.
89
Figura 5.40 Sistema de movimentação helicoidal.
A Figura 5.40 apresenta o sistema de movimentação helicoidal, ele tem dois
propósitos, o primeiro é gerar o deslocamento do robô, ele é conseguido mudando o
ângulo de inclinação entre as rodas e o eixo tangencial ao ponto de contato entre as
rodas e a tubulação (α), o segundo é gerar a força para o controle do robô, a força é
controlada por meio de um mecanismo de barras articuladas que é atuado por um
motor elétrico, um sistema de engrenagens cônicas uma porca e um parafuso. As
barras atuam empurrando as rodas contra a tubulação, elas a sua vez são deslocadas
pela ação da porca e o parafuso, que são movimentados pelo motor e a transmissão
de engrenagens cônicas. O mecanismo precisa de dois motores para seu
funcionamento um para controlar a força e outro para controlar o ângulo das rodas.
A força normal é controlada e pode atingir valores de ate 30000 N para um
ângulo entre as rodas e a tubulação de 42 graus, conseguindo uma velocidade de
deslocamento do robô de 5 m/s. ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.
Tabela 5.5 Planilha para o calculo da força do mecanismo de locomoção.
Vd RIT 5 m/s Rodas Diâmetro prim 0,722 m µ 0,1 Alfa (α) 42 Normal Mec 30000 N F alfa 3000 N F emp RIT 2007 N
90
A seguir é apresentada a montagem dos diferentes sistemas no robô.
Montagem do R.I.T.
O robô é formado do corpo, discos, thruster e o sistema de movimentação
helicoidal. A Figura 5.41 apresenta os três primeiros subsistemas do robô.
Figura 5.41 Corpo, discos e thruster do R.I.T.
A Figura 5.42 apresenta a montagem completa do R.I.T. incluindo o sistema de
movimentação helicoidal.
Figura 5.42 Montagem completo do R.I.T.
91
6 CONCLUSÕES
O trabalho apresentou o estado da técnica dos robôs para inspeção interna de
tubulações, incluindo suas características e uma classificação dos mesmos segundo
seu sistema de locomoção, apresentando os robôs mais representativos. Estes robôs
foram desenvolvidos por diferentes centros de pesquisa ao redor do mundo, como é o
caso do Laboratório de Hirose e Yoneda de robótica do Instituto de Tecnologia de
Tókio, do Laboratório de Estruturas Ativas da Universidade de Bruxelas, do
Laboratório de Robótica da área de tecnologia submarina do Centro de Pesquisa da
Petrobrás, do Laboratório de Robótica da UFRJ e por empresas como a Tuboscope,
RoboProbe, Toshiba e Inspector Sistems entre outros.
A classificação dada por HABIB (2007), apresentada esquematicamente na
Figura 1.21, foi ampliada incluindo dois novos tipos de robôs - os de movimentação
senoidal (h) e o de movimentação com velocidade diferente do fluxo (i). Uma nova
classificação é apresentada na Figura 6.1.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
Figura 6.1 Classificação dos sistemas robotizados para inspeção interna de dutos.
92
No caso (i) da Figura 6.1 o robô tem uma passagem interna com um formato tipo
venturi (Figura 6.2), com o intuito de permitir o fluxo de by-pass.
Figura 6.2 Passagem interna do R.I.T.
Os robôs apresentados vão desde robôs para linhas de uma polegada até os
bem conhecidos PIGs, passando por robôs de movimentação linear, helicoidal,
senoidal, e pelos pouco documentados PIGs de velocidade variável.
Foi proposta uma metodologia para o projeto de Robôs para Inspeção de
Tubulações (RIT) baseada na metodologia de projeto mecânico, e a metodologia de
projeto mecatrônico aplicada ao projeto de um robô SCARA e um AGV, a metodologia
foi aplicada no estudo de caso servindo como guia para o desenvolvimento do robô
proposto.
Foi apresentada a modelagem cinemática e dinâmica para diferentes tipos de
RITs, de fluido de trabalho e de parâmetros da tubulação.
A modelagem matemática do R.I.T. corresponde a um problema de equações
diferenciais parciais não lineares acopladas, que são resolvidas pelo método de
diferenças finitas em uma malha retangular em coordenadas de tempo e posição, que
é modelado em Matlab® obtendo soluções para diferentes condições de operação.
Foi desenvolvido um estudo de caso com o intuito de projetar conceitualmente
um RIT baseado nos dados da pesquisa, na metodologia proposta, e na modelagem
matemática do problema. Para o seu desenvolvimento foram realizadas modelagens
CAD (Computer Aided Design) CAE (Computer Aided Engineering) e CFD
(Computational Fluid Dynamics).
93
No projeto de controle foi desenvolvido um controlador PID para um RIT que
ocupa toda a seção transversal do duto aplicado a uma válvula no final da linha, o
controlador apresentou um erro de 10% em estado estacionário, valor que é
admissível para as condições de operação do robô, no entanto o controle pode gerar
pressões maiores que a pressão máxima admissível de operação (PMOA) ou
pressões abaixo da pressão de abertura de coluna, o que limita sua aplicação à
análise das condições de operação da linha de serviço.
Foi realizado o projeto conceitual de um novo RIT com um sistema de
movimentação tipo helicoidal, tendo a capacidade de se movimentar com velocidade
diferente à do fluido. Este sistema aproveita a energia do fluido por meio de um
thruster que transforma a energia de fluxo em energia mecânica de rotação.
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