5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico. INSPEÇÃO DE FLARES EM OPERAÇÃO COM VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS (VANTs)

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1 5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico INSPEÇÃO DE FLARES EM OPERAÇÃO COM VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS (VANTs) Carla Alves Marinho 1, Celso de Souza, Tsukasa Motomura, Adalberto Gonçalves da Silva 1 Petrobras Research Center Leopoldo A. Miguez de Melo, CENPES PETROBRAS, Av. Horácio Macedo, 950, Cidade Universitária, Rio de Janeiro, RJ, Brazil. Phone: ; Abstract O emprego de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) na inspeção remota de estruturas, áreas abertas, equipamentos e facilidades industriais encontra aplicação ainda muito incipiente no Brasil, apesar do imenso potencial que estes veículos apresentam. Esta via tecnológica representa a melhor solução para a inspeção de flares em operação, havendo algumas empresas especializadas, fora do país, as quais já prestaram seus serviços a outras empresas petrolíferas: a inspeção consiste no ensaio visual e/ou termográfico dos queimadores, com registro e comentários a respeito de condições. No país ainda não haviam empresas capacitadas para este tipo de trabalho em ambiente offshore e a PETROBRAS, identificando esta necessidade, investiu em um projeto visando prover a solução no mercado nacional. Para isso, algumas empresas brasileiras experientes com helimodelismo foram recrutadas e submetidas a testes de avaliação e adaptação, em terra e em alto mar. O artigo tem como objetivo apresentar o estudo desenvolvido referente aos tipos de flares das unidades da Petrobras, bem como os resultados dos primeiros testes de campo executados com cada contratada. Com a finalização do projeto, três empresas foram consideradas capacitadas para a realização de serviços de inspeção de flares em operação nas plataformas da PETROBRAS: Helicamera, Brendler Modelismo e Aerial Inspect. Keywords: Inspeção remota em serviço, VANTs 1. Introdução Para atender a uma demanda dos órgãos de Exploração e Produção (E&P) da PETROBRAS, a qual ansiava pela possibilidade de realizar uma inspeção no flare de uma plataforma sem parar sua produção, o Centro de Pesquisas da Companhia (CENPES) estudou diversas possibilidades até chegar à opção de utilizar veículos aéreos não tripulados (VANTs), operados à distância, por controle remoto. A via tecnológica, inédita no Brasil, começou a ser estudada em 2009 pela equipe de inspeção do CENPES, porém, não bastava chegar à conclusão de que o uso de um helimodelo seria a melhor opção: era preciso encontrar empresas que pudessem realizar a operação para avaliá-las. Ainda em 2009, três empresas brasileiras foram selecionadas e participaram da primeira bateria de testes em ambiente onshore. Os locais escolhidos foram a Refinaria de Paulínia (REPLAN) e a unidade do E&P em Urucu (UO-AM). Após o sucesso nestas condições, as empresas foram convidadas, no fim de 2010, para uma segunda etapa de testes em uma plataforma marítima. A semi submersível P-52, localizada no campo de Roncador, foi a escolhida, oferecendo, além dos desafios inerentes às condições climáticas mais severas que as encontradas em terra, o maior flare instalado em uma plataforma brasileira. Os resultados bem sucedidos sugerem que a tecnologia é robusta e que as empresas estão aptas ao trabalho offshore a ser executado em qualquer uma outra plataforma. 2. Sistemas de Tocha: os Objetos da Inspeção

2 O sistema de tocha, conhecido também como sistema de flare, tem a função de descartar com segurança o gás não aproveitado nas plataformas, evitando a formação de nuvem inflamável que poderia provocar explosão ou incêndio [1]. O sistema trabalha com eficiência quando os combustíveis (componentes orgânicos voláteis, ou VOCs Volatile Organic Compounds) são completamente convertidos em produtos de combustão não tóxicos, e sem geração de fumaça [2]. De acordo com a norma PETROBRAS N-2665 [3], um sistema de tocha seria definido como o conjunto de equipamentos constituído por vasos de pressão, tubulações, bombas, queimadores e estrutura de fixação, com a finalidade de queima de gases provenientes de uma unidade de processo. 2.1 Tipos de tocha As plataformas da PETROBRAS são equipadas com os seguintes tipos de tocha: 1 Pipe flare ou Utility flare É a tocha mais simples, composta por um tubo aberto. A figura 1 mostra o pipe flare da unidade UO-AM. Pipe flare assistido por ar Altura = 80 m Figura 1 Pipe flare da UO-AM Este tipo de tocha é característico de plataformas antigas e unidades onshore. É aquele que parece oferecer menor dificuldade à inspeção remota com VANTs. 2 - Multiponto ou Multiflare A tocha é composta de vários conjuntos de queimadores denominados estágios. Um sinal de processo, geralmente pressão, é interligado ao painel de controle da tocha que abre as válvulas dos estágios adequados para uma faixa de vazão de gás [1]. A figura 2 mostra um flare deste tipo. Típico sistema instalado em plataformas mais recentes. Devido à sua configuração, quantidade e disposição de queimadores, pode oferecer maiores dificuldades à inspeção com VANTs. A aproximação dos veículos tende a ser menor no que se refere aos conjuntos centrais de queimadores, exigindo mais qualidade e resolução dos sistemas de inspeção visual e termográfica.

3 Figura 2 Flare multiponto [1] 3 - Multiponto com tulipa móvel É uma tocha cujo estagiamento é feito pela calibração das molas das tulipas móveis. A área na base da tulipa por onde sai o gás é variável de acordo com a vazão, porque a tulipa se move de acordo com a resultante das forças peso e de empuxo de gás na mola que a sustenta [1]. No que se refere aos desafios à inspeção com VANTs, as considerações são análogas ao caso anterior. 4 Multiponto com gás de assistência É utilizado como queimador de gás de baixa pressão. Tem a configuração de um multiponto acrescido de uma saída de gás do sistema de alta pressão junto a cada um dos queimadores. O gás de alta pressão aumenta a mistura de ar e melhora a combustão [1]. A figura 3 mostra um flare multiponto com tulipas móveis e multiponto com gás de assistência. (a) (b) Figura 3 (a)flare multiponto com tulipas móveis e multiponto com gás de assistência; (b)flare multiponto com tulipa móvel (1).

4 O prazo de uma intervenção em flare varia de 10 a 20 dias, utilizando o método convencional de montagem offshore, o que representa uma perda de receita significativa, e a mobilização de grandes recursos de logística e de montagem. A inspeção em serviço da região superior do flare (tip) representa um ganho para as unidades da empresa, uma vez que gera informações que subsidiam a decisão quanto à continuidade operacional do sistema de tocha. A execução desta inspeção por meio de veículos aéreos não tripulados proporciona um ganho adicional de segurança, uma vez que não expõe os indivíduos a qualquer risco. Em outubro de 2009 foi realizada uma pesquisa a respeito da quantidade e dos tipos de flares presentes nas instalações da Companhia. Esta pesquisa não incluiu as unidades contratadas do E&P. O Quadro 1 sumariza os resultados. Quadro I Mapa completo dos sistemas de tocha das plataformas da Petrobras Área de Negócio Tipo de Inclinação da lança flare Horizontal Vertical Inclinada Multiflare Multiflare E&P com tulipa mável Pipeflare Total 45 ABASTECIMENTO e E&P onshore Pipeflare TOTAL GERAL Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs): a Via Tecnológica VANTS são veículos aéreos que operam sem piloto a bordo e são capazes de se sustentar em vôo por meios aerodinâmicos. São controlados remotamente de forma autônoma, semiautônoma ou através de uma combinação destas capacidades, e podem conduzir vários tipos de cargas úteis (payloads), tornando-os capazes de executar atividades específicas dentro da atmosfera da Terra, ou além, por uma duração que se relaciona com sua missão [4]. Nos últimos anos, o desenvolvimento e aprimoramento de VANTs (ou UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) para emprego em ambiente civil têm avançado continuamente. Atestando o interesse freqüente relativo a este segmento, organizações internacionais como a européia UVS International (Unmanned Vehicle Systems International), foram criadas para a troca de informações no que diz respeito ao desenvolvimento, produção e operação de VANTs em empresas, indústrias, centros de pesquisa e universidades. Existe uma infinidade de tipos de projetos de VANTs os quais podem ser categorizados, segundo a UVS International, em três famílias distintas, cada qual com várias subdivisões, totalizando 16 tipos diferentes de modelo. Os helimodelos utilizados pelas empresas brasileiras participantes do projeto enquadram-se na família tática, categoria mini, a qual se caracteriza por uma autonomia de voo sempre inferior a 2h, capacidade de carga de até 30kg, alcance de até 10km e altitude de voo entre 150 e 300m [5]. Os VANTS podem ser movidos a baterias elétricas, propulsionados por motores a combustão ou turbina. Simplificadamente

5 pode-se dizer que o tipo de propulsão influencia na autonomia de voo e na capacidade de carga. Apesar do imenso campo de possibilidades, no Brasil o emprego de VANTs pela sociedade civil ainda é pequeno; na área de inspeção de equipamentos é ainda mais restrito. As poucas empresas nacionais interessadas neste segmento oferecem apenas a inspeção visual com apoio de filmagem e fotografia aérea. No projeto concebeu-se desde o início o emprego de VANTs do tipo helimodelos para inspeção de flares por questões de eficiência, qualidade e, acima de tudo, segurança dos trabalhadores. Helicópteros são classificados como veículos VTOL (Vertical Take Off and Landing), ou seja, por sua capacidade de manobra representam a melhor opção para a execução deste tipo de trabalho com sistemas de tocha. O veículo é comandado por um piloto, responsável pelo pouso, decolagem e movimentação aérea, e guiado por controle remoto. Já o controle da movimentação da câmera (de filmagem, fotográfica ou termográfica), além da aquisição de imagens, é feito por um profissional operador de câmera. Os dois especialistas devem trabalhar próximos entre si, em um local seguro para a rota de vôo. 4. Seleção das Empresas Nacionais: Primeiros Testes 4.1 Pesquisa de Empresas Helimodelistas no Mercado Internacional Não existem muitas empresas oferecendo serviços de inspeção de flares com emprego de VANTs, tendo sido mapeadas algumas prestadoras na Europa e EUA. Todas estas companhias diferiam das empresas nacionais pelo fato de oferecerem o serviço de termografia em adição à inspeção visual. A experiência que atestam possuir no segmento de inspeção também supera a das concorrentes brasileiras. Todas também trabalham com VANTs de categoria mini. Era intenção da PETROBRAS conhecer de perto o trabalho destas prestadoras, as quais alegavam bem sucedida experiência offshore, e por isso buscou-se um contato para a execução de serviços piloto em instalações da Companhia. No entanto, as empresas não apresentaram interesse no trabalho, ou não representaram opções interessantes para a PETROBRAS, e, assim sendo, decidiu-se que o trabalho com as equipes nacionais seria conduzido sem quaisquer comparativos. 4.2 Seleção de Helimodelistas no Mercado Nacional Após um considerável período de buscas e contatos com empresas brasileiras que pudessem futuramente prover o serviço desejado, a PETROBRAS mapeou quatro prestadoras interessadas em atender o segmento de inspeção de equipamentos. No primeiro momento, estas empresas foram testadas em ambiente onshore, sendo que uma delas foi reprovada. As demais, consideradas aptas, foram escaladas para a bateria de testes mais decisiva, conduzida em alto mar. A primeira a ser testada foi a empresa Helicamera, executando um serviço de fotografia aérea nas instalações da REPLAN. A Helicamera opera um modelo movido a bateria elétrica, cuja autonomia de voo é de 7minutos (podendo ser estendida pelo arranjo de baterias em série) e a capacidade de carga de cerca de 3,0kg.

6 O segundo e o terceiro teste em terra foram executados na UO-AM, a pedido dos técnicos da unidade, os quais desejavam obter imagens de um dos sistemas de tocha da planta. As empresas Aerial Inspect e Brendler Modelismo realizaram serviços de fotografia aérea e termografia no flare da unidade. Ambas utilizaram veículos propulsionados a motores de combustão interna, movidos a gasolina, os quais têm aproximadamente a mesma autonomia (cerca de 20min) e capacidade de carga (até 10kg). As diferenças entre um VANT e outro residem nas modificações aerodinâmicas que os pilotos executam para otimizar as características de seus veículos de acordo com suas percepções e habilidades. A termografia foi realizada com emprego da câmera Flir P-65, da própria unidade, e com a orientação da equipe do CENPES, já que as empresas não dispõem de termocâmeras e nem são capacitadas na técnica. A quarta empresa selecionada foi avaliada na Refinaria Gabriel Passos (REGAP), tendo sido reprovada por ter perdido o helimodelo durante as operações de trimagem (operação executada antes do início da operação com um helimodelo, visando garantir o balanceamento do VANT durante todo o período de voo), ou seja, antes mesmo do início do teste. 5. Teste offshore: Plataforma P-52 Dando continuidade ao processo de capacitação de fornecedores no mercado nacional, o CENPES encaminhou algumas recomendações técnicas para as empresas, de modo que as mesmas realizassem determinadas adaptações nos veículos antes dos testes de qualificação no mar. Cada helimodelista foi livre para, adicionalmente, implementar outras melhorias que também lhes proporcionassem mais segurança nas operações. A unidade do Rio de Janeiro (UO-RIO) manifestou interesse na aplicação de helimodelos para a inspeção do flare da plataforma P-52. Com 124 metros de comprimento de lança, descontada a inclinação aproximada de 45º, o flare da P-52 representa aproximadamente uma elevação de 90 metros de altura, o que equivale a um edifício de 30 andares. As empresas Helicamera, Brendler Modelismo e Aerial Inspect foram avaliadas, em momentos diferentes, na execução da inspeção deste sistema de tocha. Em todos os casos a trimagem dos VANTs foi feita no heliponto da plataforma, e as empresas foram submetidas à mesma rotina de trabalho. Nas proximidades do flare, um heliponto foi improvisado em um local estratégico da planta para facilitar a rota da aeronave e proporcionar segurança às equipes. Os técnicos do CENPES e da unidade participaram ativamente dos testes, orientando as prestadoras na execução do serviço. O pequeno veículo, equipado com uma câmera de fotografia, de vídeo ou com um equipamento termográfico, consegue uma aproximação muito maior do sistema de tocha que um helicóptero convencional, posicionando-se para obter imagens a partir de ângulos que não seriam acessíveis numa inspeção tradicional. A figura 4 mostra alguns momentos da inspeção realizada por cada uma das três empresas. Destaca-se, porém, que devido às políticas de segurança da informação dentro da Companhia não serão apresentadas quaisquer imagens referentes aos queimadores do flare em questão, bem como fotografias das instalações da plataforma.

7 Figura 4 Momentos da inspeção realizada por cada uma das três empresas: (a)helicamera na preparação do veículo no heliponto; (b)decolagem do VANT; (c)helimodelo da Brendler fotografando o tip do flare; (d)piloto e operador de câmera; (e) Aerial: piloto e operador de câmera; (f)equipe preparando o VANT para um segundo voo. O único entrave para a realização das operações com VANTs é a instabilidade atmosférica, pois o vento forte e a chuva impedem a manobra segura do veículo. Por esta razão, a

8 velocidade do vento foi acompanhada antes e durante a execução dos testes. A empresa Helicamera encarou as piores condições de vento (entre 45 e 57km/h, com rajadas de até 95km/h), tendo conseguido trabalhar apenas minutos antes do desembarque da equipe, quando a velocidade do vento caiu um pouco, possibilitando a realização de um voo. O VANT decolou sob ventos de 23km/h e pousou em condições de 38km/h (com picos de 42km/h); apesar do pouco tempo, o serviço de fotografia aérea foi concluído com sucesso. Durante o embarque da empresa Brendler Modelismo as condições de vento foram bem mais favoráveis (velocidade média de 33km/h, com picos de 54km/h), possibilitando a tomada de várias fotografias aéreas, a execução de uma filmagem e de um ensaio termográfico. A empresa Aerial Inspect trabalhou com as melhores condições de vento (velocidade média de 29km/h, com picos de 36km/h), e adquiriu diversas fotografias aéreas além de ter realizado uma filmagem. Este trabalho serviu também de insumo para que a equipe do CENPES pudesse recomendar que as helimodelistas providenciassem outras melhorias em seus veículos, como a instalação de sensores medidores de velocidade do vento, de temperatura ambiente, quantidade de combustível etc... Tais modificações foram sugeridas e as empresas informaram que estão providenciando na medida do possível. 6. Impactos Positivos da Solução Viabilizada Sem a utilização desta tecnologia pioneira, a produção da plataforma P-52, por exemplo, precisaria ser interrompida para a inspeção ser realizada por técnicos que subiriam os vários degraus que levam ao topo da lança. A plataforma precisaria parar por, pelo menos, um dia; em casos mais complicados de manutenção, a paralisação poderia chegar a sete dias. Cada dia de interrupção das atividades de uma plataforma do porte da P-52 significa um prejuízo de cerca de US$ 9 milhões de dólares. Atualmente, a recomendação interna é que as inspeções de flares aconteçam a cada 24 meses, de acordo com a norma PETROBRAS N A vantagem da nova tecnologia é não precisar esperar esse tempo para obter informações a respeito do flare, já que é possível visualizar o sistema de tocha, seus queimadores e estrutura sem parar a operação ou oferecer qualquer risco aos trabalhadores, facilidades da empresa ou ao meio ambiente. A N-2665, que foi revisada, considera o emprego de VANTs na inspeção de sistemas de tocha, contudo, vale ressaltar que as inspeções intrusivas, e conseqüente parada operacional, continuam sendo necessárias e devem ser executadas, no máximo, a cada 72 meses. Os VANTs poderão ser requisitados não só para fotografia/filmagem aérea de flares como para qualquer outra demanda em pontos inacessíveis das plataformas ou de outras áreas da Companhia. Entretanto, se a unidade quiser que se execute termografia aérea, deverá disponibilizar uma câmera termográfica para a empresa helimodelista e um termografista, próprio ou contratado, deve acompanhar a operação. Futuramente outras empresas helimodelistas podem se juntar ao cadastro dos prestadores de serviços capacitados a atender às demandas da PETROBRAS, porém, tais empresas devem antes ser avaliadas tecnicamente pela equipe do CENPES. 7. Conclusões

9 VANTS são veículos aéreos que operam sem piloto a bordo e são capazes de se sustentar em vôo por meios aerodinâmicos. São controlados remotamente de forma autônoma, semiautônoma ou através de uma combinação destas capacidades, e podem conduzir vários tipos de cargas úteis. Representam uma via tecnológica muito interessante para uma infinidade de serviços de inspeção/observação remota. O projeto ora conduzido pela PETROBRAS proporcionou a seleção e qualificação de três fornecedores nacionais do serviço de filmagem/fotografia aérea de sistemas de tocha com uso de VANTs, com possibilidade de execução de termografia, desde que com apoio de profissional termografista. A vantagem da nova tecnologia é a possibilidade de se obter informações a respeito do flare sem precisar interromper a operação do sistema, já que é possível visualizar os queimadores e a estrutura sem oferecer qualquer risco aos trabalhadores, facilidades da empresa ou ao meio ambiente. A economia de custos decorrente do emprego de VANTs na inspeção de flares torna o projeto de altíssimo interesse para a indústria do petróleo/petroquímica. A solução é muito interessante para a aplicação na inspeção de estruturas, áreas abertas, equipamentos e facilidades industriais, além do atendimento de diversas demandas da sociedade civil. Agradecimentos Aos profissionais pilotos helimodelistas e seus operadores de câmera: José Antônio de Assis e Milene de Assis (Helicamera), Lúcifer e Talisson Brendler (Brendler), Leandro e Maurício Jardim, e ao mecânico Jailson (Aerial). Aos colegas da REPLAN, UO-AM, REGAP e P-52. References 1. Motomura, T., Sistema de Tocha (Flare), Apostila de curso da UN-BC, (2007); 2. acessado em 04/08/2009; 3. PETROBRAS N-2665, Inspeção em Serviço de Sistema de Tocha ( Flare ), julho de 2010; 4. ASTM_ pdf, acesso em 13/01/2009.

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