MONITORAMENTO DE ROBÔ DE INSPEÇÃO INTERNA DE OLEODUTOS - GIRINO Pedro Eduardo Gonzales Panta TESE 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. Vitor Ferreira Romano, Dott. Ric. Luciano Santos Constantin Raptopoulos, D. Sc. Prof. Jean Pierre von der Weid, D. Sc.. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL FEVEREIRO DE 2005
PANTA, PEDRO EDUARDO GONZALES Monitoração de Robô de Inspeção Interna de Oleodutos - GIRINO [Rio de Janeiro] 2005 VII, 111 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Mecânica, 2005) Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Monitoração 2. Robótica 3. Inspeção Interna de Oleodutos I. COPPE/UFRJ II. Título (série) 2
Este trabalho está dedicado à minha família e amigos. Em especial aos meus pais, Janet e Pedro; E irmãos, Carla e Gustavo. 3
AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente, à minha família no Rio de Janeiro, meus tios Paul e Célia, meus primos Pablo e Daniel e a senhora Elza que me acolheram com carinho no seu lar e foram a base de todos meus esforços neste Brasil que não deixa de me ensinar. Agradeço a Max, meu orientador, que confiou em mim como aluno e como pessoa, e me abriu as portas para continuar minha vida acadêmica. Agradeço a Leonardo, Bruno, Vitor César, Tiago, Luiz e, especialmente a Luciano, pela convivência de fraternidade Agradeço a Ney que me convidou a acreditar numa idéia diferente. Agradeço a Alexandre, Auderi, Breno, Rodrigo, Zé Almir, Valentin, Bruno e Matheus com quem descobri que o conhecimento não vale nada se não é compartilhado. Agradeço a Rita, Gabriel, e Amanda que não duvidaram em me apoiar no final deste trabalho Sem nenhuma destas pessoas este sonho não teria sido possível. Finalmente quero agardecer ao Laboratorio de Robotica do Centro de Pesquisa da Petrobras (CENPES) pelo apio infraestrutural indispensavel neste trabalho. 4
Qué haces por estos lugares? Ando buscando un amor Maria Luisa Jiménez Sánchez 5
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requis itos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) MONITORAÇÃO DE ROBÔ DE INSPEÇÃO INTERNA DE OLEODUTOS - GIRINO Pedro Eduardo Gonzales Panta Fevereiro/2005 Orientador: Max Suell Dutra Programa: Engenharia Mecânica Um dos maiores desafios na área da operação de oleodutos submarinos é a presença de bloqueios procedentes do acúmulo de hidratos e parafinas. As técnicas de manutenção e inspeção interna de tubulações, praticadas até hoje, implicam em processos complicados de risco para com as pessoas e equipamentos envolvidos nas atividades diárias de operação. O G.I.R.I.N.O. (Gabarito Interno Robotizado de Incidência Normal ao Oleoduto) é um robô desenvolvido pelo Laboratório de Robótica da área de Tecnologia Submarina do Centro de Pesquisa da Petrobras, que visa procurar vias menos arriscadas no processo de inspeção interna de dutos, cujos movimentos de deslocamento são gerados por energia hidráulica. Para cumprir as funções de deslocamento e inspeção foram feitos um monitoramento constante dos movimentos internos do robô e o estudo da ação que exerce em diversos processos. O presente trabalho pretende monitorar a operação do GIRINO obtendo informações sobre as suas partes a fim de certificar o funcionamento normal do robô e o reconhecimento de possíveis falhas na operação. Para tanto, faz-se uma análise dos componentes de captação, processamento e visualização de sinais disponíveis na indústria que preenchem os requisitos básicos de desempenho do robô. 6
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) PROCEDURE MONITORING OF A PIPELINE INTERNAL INSPECTION ROBOT - GIRINO Pedro Eduardo Gonzales Panta February/2005 Advisor: Max Suell Dutra Department: Mechanical Engineering One of the major challenges in the operation of submarine oil pipelines is the presence of blockages caused by the accumulation of paraffin and hydrates. Nowadays, maintenance and inspection practices inside pipelines imply risky, complicated procedures for the people and equipment involved in daily operational activities. The Get Inside Robot to Impel Normal Operation (G.I.R.I.N.O.) was developed by the Submarine Technology Robotic Laboratory of the Petrobras Research Center. It seeks safer methods of internal inspection of pipelines in which displacement movements are propelled by hydraulic energy. In order to achieve its inspection and displacement functions, the robot s internal movement was continually monitored and its action in diverse processes was studied. The current project intends to monitor the operation of GIRINO, obtaining information about its parts in order to ensure the robot s normal functioning and detection of possible operation failures. To this end, an analysis was done to assess available components for signal receiving, processing and visualization used in the industry, which fulfill the robot s basic performance requirements. 7
ÍNDICE ANALÍTICO 1 INTRODUÇÃO...10 1.1 OLEODUTOS E FLUIDOS TRANSPORTADOS... 10 1.2 ESTADO DA TÉCNICA... 11 1.3 INSPEÇÃO INTERNA DE OLEODUTOS... 15 1.4 A ROBÓTICA COMO SOLUÇÃO... 17 1.5 O GIRINO... 19 1.6 A MONITORAÇÃO... 23 1.7 OBJETIVO... 26 1.8 ORGANIZAÇÃO DOS CAPÍTULOS... 26 2 ESTRUTURA E FUNÇÕES BÁSICAS DO GIRINO...27 2.1 PROBLEMAS DE DESLOCAMENTO DO GIRINO... 33 2.2 DISPOSITIVOS COMPLEMENTARES À ESTRUTURA MECÂNICA DO GIRINO... 35 3 SISTEMA DE MONITORAMENTO...42 3.1 TRANSDUTORES... 42 3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSDUTORES... 43 3.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS TRANSDUTORES... 44 3.4 TIPOS DE TRANSDUTORES... 47 3.4.1 Transdutores de Posição...47 3.4.2 Medidores de Posição ou Distância:...52 3.4.3 Medidores de Pequenos Deslocamentos...62 3.4.4 Transdutores de Força e Torque...65 3.4.5 Transdutor de Pressão...65 3.5 AQUISIÇÃO E TRANSMISSÃO DE DADOS... 66 3.5.1 Sistemas de Aquisição, Conversão e Distribuição de dados...67 3.5.2 Protocolo RS-232...68 3.5.3 Protocolo RS-485...69 3.6 VISUALIZAÇÃO DE DADOS... 72 3.6.1 Programação Visual...73 4 PROTOTIPAGEM DE MONITORAÇÃO DO GIRINO...76 4.1 PROTÓTIPO DO CILINDRO PRINCIPAL MONTADO TRANSDUTOR DE DESLOCAMENTO LINEAR. 77 4.1.1 Princípio de Funcionamento do Transdutor Deslocamento Linear Magnetoestrictivo...79 4.1.2 Principio de Funcionamento do Transdutor de Deslocamento Linear com Plástico Condutivo...81 4.2 PROTÓTIPO DAS TORRES DE GIRO COM TRANSDUTOR DE DESLOCAMENTO ANGULAR... 82 4.3 PROTÓTIPO DE ODÔMETRO... 84 4.4 PROTÓTIPO DE TRANSDUTOR DE TENSÃO PARA UMBILICAL... 86 4.5 TRANSDUTOR DE PRESSÃO PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO NOS CILINDROS PRINCIPAIS... 87 4.6 TRANSMISSÃO DE SINAIS DOS TRANSDUTORES DO GIRINO... 88 4.7 VISUALIZAÇÃO... 94 5 RESULTADOS DA MONITO RAÇÃO DO GIRINO: ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO.. 100 5.1 CALIBRAÇÃO E SAÍDAS MONITORADAS DOS TRANSDUTORES...100 5.1.1 Monitoração do Deslocamento das Hastes dos Cilindros Principais... 100 5.1.2 Monitoração do Deslocamento das Torres de Giro... 101 5.1.3 Monitoração da Distância Percorrida... 102 5.1.4 Monitoração da Tensão no Umbilical... 102 5.1.5 Monitoração da Pressão nos Cilindros Principais... 104 5.2 ALGORITMO DA MONITORAÇÃO DO ESTADO ESTRUTURAL DO GIRINO...104 5.3 VISUALIZAÇÃO DO ESTADO ESTRUTURAL DO GIRINO...108 6 CONCLUSÕES... 114 6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS...115 6.2 PRÓXIMOS PASSOS...117 8
7 BIBLIOGRAFIA... 119 8 ANEXO... 121 9
1 INTRODUÇÃO A Bacia de Campos, no Rio de Janeiro, é a região com as maiores reservas de petróleo no Brasil com a produção de 525 000 barris por dia, o que corresponde a 61% do abastecimento total no País. Em 1997, um dos dutos de transporte submarino de óleo daquela área apresentou problemas no escoamento do fluido. Os oleodutos são parte fundamental das instalações de recebimento, processamento, tratamento e distribuição de petróleo. As condições que contribuem para a saturação dos hidrocarbonetos líquidos e gasosos presentes nos dutos submarinos de Bacia de Campos são: a baixa temperatura de 4 O C no fundo do mar, a pressão de 610 m de coluna de água (profundidade em que foi detectado o problema de bloqueio no duto) e a característica do óleo pesado predominante na região. Foi determinado (BOSCO, 2002) que estas condições aumentam a possibilidade de bloqueios nos dutos pelo acúmulo de parafina ou formação de hidratos. Na Figura 1.1 pode-se observar um bloco de parafina sólida, o que dá uma idéia da magnitude do problema, agravado ainda pela complexa e extensa rede de dutos utilizada pela indústria petrolífera mundial. Todas estas condições determinaram o entupimento total da linha mencionada em Bacia de Campos. Figura 1.1. Parafina extraída de oleoduto 1.1 Oleodutos e Fluidos Transportados O petróleo é basicamente composto de carbono e hidrogênio (aproximadamente 90%) com menores parcelas de enxofre, nitrogênio e oxigênio. Um aumento destas parcelas menores torna mais pesado o óleo cru, diminuindo seu valor. Dependendo de 10
sua densidade (gravity), os óleos são classificados pelo American Petroleum Institute API em vários graus (especific gravity), sendo que os de maior graduação são os melhores. Por exemplo, um óleo de 30 o API é mais leve e, como conseqüência, melhor que um de 17 o API (densidade do óleo da Bacia de Campos). Vários são os fatores que podem afetar a densidade API dos óleos (SILVA, 2003). São pré-requisitos de extrema importância para a competitividade dos produtos petrolíferos a ampliação, modernização e confiabilidade operacional dos modos de transporte. Gasodutos e oleodutos são condutos (pipelines), concebidos para o transporte de substâncias, normalmente perigosas, tanto no estado gasoso com no estado líquido. O transporte dessas substâncias por dutos é considerado não apenas como o meio mais seguro, mas também, para quantidades elevadas, o mais prático e econômico, mesmo se confrontado com o transporte rodoviário ou ferroviário. Na indústria petrolífera tem-se verificado uma crescente preferência por este meio de transporte, fazendo com que a rede de oleodutos cresça de forma rápida e consistente. É reconhecida a existência de um risco potencial de ocorrência de acidentes classificados como graves. Como natural medida de precaução, para todos os oleodutos devem ser desenvolvidas análises de riscos, avaliação de conseqüências e preparados os respectivos planos de emergência. 1.2 Estado da Técnica Atualmente a técnica utilizada para inspecionar dutos depende do tipo de falha especifica que pretende se encontrar. Existem, por exemplo, defeitos que podem ser reconhecidos externamente aos dutos. No caso de dutos situados na superfície terrestre a inspeção externa pode ser realizada visualmente. Com tal finalidade, a translação de equipamentos de inspeção através da parede externa do duto, para uma análise exaustiva, não é um problema de muita dificuldade. Na atmosfera, as tecnologias de ensaios metalográficos não destrutivos, amplamente utilizados na área industrial, são aplicados com relativa facilidade. Na hidrosfera a inspeção externa se complica na medida que aumenta a profundidade onde se situa o duto. Para estes casos, uma das soluções mais promissoras é o desenvolvimento dos AUVs (do acrônimo em inglês Autonomus Underwater Vehicle ), que navegam nas profundezas do mar sem necessidade de conexão física com uma embarcação ou plataforma superficial, 11
facilitando sua manobra. O AUV apresentado na Figura 1.2 é capacitado para seguir o rastro de dutos submarinos através de sensores acústicos e magnéticos. Figura 1.2. AUV para inspeção externa de dutos (AVIA et al., 2000) Apesar da inspeção externa de dutos estar em um estágio avançado de desenvolvimento, existe uma grande necessidade de melhorar as técnicas de inspeção interna de dutos. Uma das causas mais freqüentes de inspeção de dutos, tanto na atmosfera como na hidrosfera, é a corrosão das paredes internas dos dutos, que na maioria das vezes é causada pelo fluido transportado. A corrosão é a causa principal de vazamentos e contaminação do fluido transportado. Dependendo da sua configuração geométrica a inspeção interna in situ de dutos não pode ser realizada. Os dutos podem ter um perfil pequeno ou ser muito compridos para permitir que um homem possa entrar e inspecionar. Assim, o principal problema de inspeção interna de dutos não é propriamente a técnica de analise de falhas mas a dificuldade em acessar a região de interesse. Como foi dito anteriormente, é possível aproveitar as tecnologias de ensaios não destrutivos metalográficos acoplados a sistemas automatizados que reportem os resultados em tempo real. Entre estas técnicas estão a radiografia e o ultra-som. O desafio real é encontrar técnicas que permitam levar as diferentes ferramentas de inspeção através do duto. Começando do caso mais simples, na locomoção em dutos sem escoamento, são utilizados robôs movimentados por rodas ou esteiras. Na Figura 1.3 é apresentado um robô com esteiras e câmera para inspeção visual de dutos. Este tipo de robôs é de uso comum na inspeção de redes de esgoto, limpeza de dutos de ar condicionado (Figura 1.4) e de usinas nucleares. Um bom exemplo de robô de inspeção interna movimentado com rodas é o David (Dispositivo com Alto grau de autonomia 12
Veicular para Inspeção de Dutos) desenvolvido pela Unesp (Baurú-SP) e a Epusp (FERASOLI et al.., 1999) capaz de se movimentar por meio de rodas acionadas por motores elétricos. Ele possui uma estrutura mecânica adequada as tubulações de seção circular, podendo ser alterada segundo as restrições impostas pelo ambiente. O David está equipado com sensores para realizar medições de diâmetros, declive e embarrigamento da tubulação. Possui também inteligência própria, resultando de uma arquitetura híbrida baseada em decisões comportamentais e deliberativas. Existem também robôs que usam ventosas para se agarrar das paredes que inspecionam. É o caso do robô SADIE, que sobe pelas paredes servindo-se de suas patas, projetado na Inglaterra para testes não destrutivos de soldagem de um reator nuclear (LUK et al., 2003). Figura 1.3. Robô para Inspeção Interna de dutos com esteiras, desenvolvido pelo Centro de Pesquisas Renato Ascher Figura 1.4. Robô para limpeza de dutos de ar condicionado fabricado por MT System Korea 13
O caso mais complexo de inspeção interna ocorre quando o escoamento no duto não pode ser interrompido. A técnica mais utilizada de deslocamento interno em dutos para esta circunstancia é a impulsão das ferramentas de inspeção fazendo uso do mesmo fluido transportado. Este tipo de ferramentas de inspeção chama-se PIG (acrônimo do inglês Pipeline Inspection Gauge). Os PIGs coletam informações sobre as paredes dos dutos através de sensores e não precisam de umbilical, já que usam a energia do fluido para se movimentar. Uma bateria acoplada é suficiente para alimentar os sensores e instrumentos do PIG. Na Figura 1.5 são apresentadas as partes básicas de um PIG, onde: Figura 1.5. Partes de um PIG A cápsula contém a eletrônica de armazenamento de dados e a bateria; O odômetro é um sensor formado por uma roda que emite um número de pulsos elétricos por cada volta. Este sensor está acoplado à ferramenta e se mantém em contato com a parede pela ação de uma mola. Assim é possível saber a distância percorrida pelo PIG dentro do duto; Os suportes de borracha centralizam o corpo do robô no duto; A borracha traseira recebe a ação do fluido para impulsionar a ferramenta; e O anel dos transdutores capta a informação de interesse na inspeção. 14
1.3 Inspeção Interna de Oleodutos Várias soluções vêm sendo adotadas pela indústria do petróleo na área de inspeção de dutos. A Petrobrás, na Bacia de Campos, vem realizando a inspeção e desobstrução de sua rede de oleodutos através do emprego de PIGs. Para a limpeza dos dutos são utilizados PIGs raspadores ou de espuma de baixa, média e alta densidade, como apresentado na Fig. 1.6. Figura 1.6. PIG de Espuma. A inspeção de dutos através dos PIGs é feita por sensores acoplados ao PIG, que captam a informação necessária para o conhecimento do estado do duto. A informação captada é armazenada em chips para logo ser analisada. Este se move a uma velocidade de 2 a 10 quilômetros por hora, através de uma extensão de até 200 quilômetros. No Brasil, além de para limpeza, os PIGs também são utilizados para determinar o perfil geométrico do duto, através do PIG geométrico (Figura 1.7), e a perda de espessura por corrosão, através do PIG magnético (Figura 1.8), como em CARNEVAL et al., 2000. Figura 1.7. PIG Geométrico. 15
Figura 1.8. PIG Magnético. No caso específico do bloqueio ocorrido na Bacia de Campos em 1997, a primeira tentativa da Petrobrás foi fazer passar vários PIGs raspadores para desbastar a crosta de parafina acumulada nas paredes internas do duto. Esta operação fracassou porque um dos PIGs ficou preso pela parafina, vedando definitivamente o duto. A partir daí, a Petrobrás tentou, sem sucesso, várias outras soluções, que não tinham mais o objetivo original de limpar o duto e sim de soltar o PIG obstrutor e evitar a perda de aproximadamente 15 km de tubulação. O Sistema Gerador de Nitrogênio (SGN), que é um processo termoquímico capaz de gerar altas temperaturas localizadas e, conseqüentemente, dissolver a parafina solidificada, foi utilizado sem sucesso. O motivo do insucesso foi o flexitubo (canal cilíndrico de material flexível pelo qual podem passar os fluidos) utilizado como meio de transporte para o SGN. Por causa do atrito e o peso do flexitubo foi possível alcançar só 1,6 km de distância no interior do duto, sendo que o problema de bloqueio foi detectado a 8 km. Como conseqüência, obteve-se a perda desta linha de operação. A Petrobras, como uma das maiores empresas petrolíferas do mundo, deve enfrentar os problemas técnicos operacionais de exploração com a maior qualidade e eficácia, usando e desenvolvendo recursos tecnológicos de ponta em sua área de atuação. O Centro de Pesquisa da Petrobras (CENPES), como gerador de soluções originais e que visam à economia de energia e proteção de meio ambiente, vê cada desafio como uma oportunidade de crescimento tecnológico e econômico, ajudando a resolver os problemas operacionais de exploração de petróleo, assim como o desenvolvimento tecnológico do Brasil. Visando cumprir esta proposta, o Laboratório 16
de Robótica do CENPES começou a procurar uma solução para os problemas específicos de Bacia de Campos. Um grupo de trabalho foi formado no CENPES a fim de estudar cenários semelhantes. Umas das propostas pretendia o desenvolvimento de um equipamento capaz de transportar o flexitubo ou o umbilical, conduzindo o SGN até o lugar de entupimento. A característica diferencial deste equipamento, com respeito às existentes (como no caso do PIG), seria a sua indiferença quanto a existência de fluxo ou não na linha, deslocando-se com maior autonomia. 1.4 A Robótica como Solução O homem, ao longo de sua historia, tem criado máquinas cada vez mais capazes de imitar e executar o trabalho humano. De fato, uma das máquinas mais estudadas é o robô, cujo nome em origem checo significa trabalho. Através da história, os robôs vêm substituindo o homem fundamentalmente em trabalhos repetitivos e em operações especiais, que atingem além das capacidades físicas do ser humano. Estes esforços têm resultado no projeto e desenvolvimento de manipuladores robóticos, máquinas CNC e máquinas automáticas muito conhecidas e comercializadas na área industrial. Seu uso foi tão difundido, que ainda hoje existem variadas discussões (PAZOS, 2002) sobre o seu impacto sócio-econômico. As operações especiais abrangem intervenções mais especificas, nas quais os sentidos e capacidade do homem não atingem os níveis de precisão, tempo ou segurança requeridos. Além disso, algumas destas operações são perturbadas pelas condições do ambiente de trabalho, como: altas temperaturas (fornos em siderúrgicas), pressões elevadas (fundo do mar), radiação (usinas nucleares) e espaço geométrico (dutos de ar condicionado), entre outras. Assim, seus componentes devem ser adequados para as condições do meio e o tipo de tarefa a realizar. Para o caso especifico de inspeção interna de oleodutos as condições de trabalho são: Meio abundante em hidrocarbonatos; Pressões Elevadas, pois se pretende chegar a dutos com até 1000 m de profundidade; e Espaço geométrico limitado, considerando que a forma dos dutos e seu tamanho determinam as dimensões estruturais do robô. 17
Este robô deve ser constituído a partir de materiais resistentes à hidrocarbonatos. Como estes apresentam um baixo grau de corrosão, com relação aos metais, não será preciso utilizar materiais ou tratamentos especiais. Um aço industrial, como o SAE 1020, usado normalmente em ferramentas, deve satisfazer às exigências do projeto. Inclusive, pode-se utilizar alumínio para reduzir o peso do equipamento e tornar ainda mais seguro o sistema contra a corrosão. O maior problema é relativo à proteção dos componentes eletrônicos, que são os sensores e os atuadores usados no robô. Para evitar danos físicos aos condutores e componentes eletrônicos é indispensável o uso de alguma técnica de proteção. O grau de segurança IP, muito utilizado em equipamentos industriais, indica o nível de proteção ou resistência do sistema com relação às condições de operação. Um grau de segurança maior garante um melhor nível de proteção. Por exemplo, um fator IP de 67 indica uma proteção para ambientes infestados por partículas sólidas (poeira) e contra imersão em água até 1 m de profundidade. A tecnologia submarina estudada como conseqüência de pesquisas biológicas, atmosféricas e, principalmente, por exploração de petróleo em águas profundas, impele soluções aos problemas de atuação dos dispositivos eletrônicos sob altas pressões. Uma demonstração do grande conhecimento na área é o ROV (Remote Operated Vehicle), que é muito empregado em operações de exploração marítima e possui diversos componentes mecânicos e eletrônicos, como: sensores, motores, propulsores, placas de controle e válvulas. Para resolver o problema da submersão dos componentes não basta guiar-se pelo fator de segurança IP mencionado anteriormente, porém, existem também diversos métodos de marinização de componentes mencionados na literatura (SUTTON, 1979). A robótica, como a inteligência artificial, gera soluções baseadas fundamentalmente em duas correntes de pensamento: criação resultante da lógica pura e abstrata, própria do ser humano; e a imitação do comportamento dos seres vivos da natureza, que desenvolvem estratégias para resolver as dificuldades de sua subsistência. A esta última, a aplicação da forma de proceder dos seres biológicos na robótica chama-se de biomimética. Este último caminho foi a origem de um sistema capaz de se movimentar dentro das linhas de transporte de hidrocarbonetos. Entre as varias opções brindadas pela natureza, o comportamento dos seres vivos sempre foi de especial interesse na aplicação de estratégias artificiais para a solução dos problemas do dia a dia da civilização (COTE, 1971). Através da 18
observação do desenvolvimento das larvas dos anfíbios anuros (Figura 1.9) na água, concebeu-se um novo paradigma para o deslocamento interno de ferramentas nos dutos, com especial interesse nos dutos usados na indústria petrolífera. À medida que vão crescendo, os anuros adotam diferentes meios de locomoção. Antes de desenvolver os quatro membros definitivos da etapa adulta, a larva vive em áreas com água parada, como lagos e charcos, ou em água corrente, como riachos. Nestes meios os girinos usam uma cauda para tomar impulso dentro da água. Na passagem da vida aquática à vida terrestre, o crescimento das extremidades dá um movimento peculiar a estes animais. Primeiro, seu corpo alongado se estende na direção de translação, se apoiando nas patas traseiras. Nesta posição os membros anteriores se fixam na superfície, enquanto os posteriores ficam livres. A seguir o organismo se retrai assumindo o aspecto inicial, porém em uma posição diferente. Esta simples sucessão de movimentos apontou o nascimento de uma tecnologia em pleno desenvolvimento: o Gabarito Interno Robótico de Incidência Normal ao Oleoduto - GIRINO. Figura 1.9. Girino 1.5 O GIRINO Cabe agora relacionar o problema (obstrução de dutos) e a base para uma possível solução (reprodução dos movimentos dos girinos em um sistema mecânico locomotor). O Laboratório de Robótica do CENPES/PETROBRAS concretizou a idéia de um robô porta-ferramenta que se move de forma semelhante às larvas dos anuros. Este sistema pode se deslocar ao longo dos dutos e tem como principal objetivo atacar o problema da obstrução dos mesmos. O primeiro protótipo apresentado na Figura 1.10 foi construído com material disponível no laboratório ou de baixo custo, com o propósito de testar o princípio de operação do GIRINO (ROBINSON, 2000). Depois de demonstrada sua funcionalidade, em testes de laboratório, fabricou-se um segundo 19
protótipo para dutos de 8 de diâmetro interno. A seguir são apresentadas as características mais importantes para entender seu funcionamento (ROBINSON, 2001): Figura 1.10. Primeiro protótipo do GIRINO Sua estrutura é composta por um módulo anterior e outro posterior unidos por uma junta universal flexível. Esta configuração melhora a performance do robô nas curvas das linhas dos dutos ao acrescentar a sua tolerância de curvatura. A flexibilidade desta junta permite a variação de comprimento do corpo do robô, imprescindível ao processo de deslocamento; Fazendo uma analogia com os movimentos da larva dos anuros, a variação de comprimento do sistema robótico está relacionada a dois movimentos essenciais: esticamento e encolhimento. Dois cilindros principais contrapostos e unidos pelas suas hastes dão ao mecanismo esta característica; Ambos os módulos são providos por um par de rodas, que são os meios pelos quais o robô exerce pressão sobre a superfície interna dos dutos, usando estas áreas como ponto de apoio ao deslocamento. Estas rodas estão associadas a um sistema de cilindros, através de uma estrutura giratória, denominada torre de giro, e proporcionam uma volta de aproximadamente 180º à torre de giro (perpendicular ao eixo da roda). Esta ação fixa o avanço ou recuo do GIRINO; 20
A parte frontal do robô foi projetada para permitir o acoplamento de ferramentas especiais, respondendo às diversas necessidades de inspeção e manutenção de dutos; Os sinais hidráulicos dos cilindros principais, responsáveis pela variação de comprimento do GIRINO, variam de 40,81 x 10 5 N/m 2 a 102,04 x 10 5 N/m 2 (fornecidos por uma bomba de engrenagem). Já os sinais hidráulicos dos cilindros secundários, responsáveis pelo movimento da torre de giro, variam de 27,21 x 10 5 N/m 2 a 54,42 x 10 5 N/m 2 (fornecidos por uma bomba de paleta). Estes sinais chegam do painel de controle do robô por meio de quatro mangueiras, que correspondem à pressão e ao retorno das duas bombas. Assim que foi construído, o protótipo para dutos de 8 de diâmetro passou a ser testado. O primeiro teste foi realizado em São Sebastião São Paulo. O objetivo deste teste foi levar o SNG ao longo de um duto especialmente projetado em acrílico, até alcançar o sólido obstrutor. Neste ponto, o GIRINO jogou um jato de solvente para dissolver a obstrução de parafina (Fig. 1.11). A parafina liquefeita foi empurrada pelo robô sem maiores problemas. Figura 1.11. GIRINO desentupindo uma linha com parafina sólida Além da aplicação de desobstrução de dutos, foram observadas outras utilidades para o sistema, como: o vazamento de hidrocarbonatos, ponto crítico da preservação do meio ambiente; a restituição de diâmetro de dutos; e a inspeção interna dos oleodutos. Dada a sua diversidade de utilidades, o GIRINO passou a ser 21
conceituado como um sistema porta-ferramenta, quer dizer, transportador de diversas ferramentas e equipamentos, chamados de ferramentas de aplicação especial, para fazer operações de inspeção e manutenção em dutos. Figura 1.12. Protótipo do GIRINO para dutos de 14 polegadas Hoje em dia, o protótipo para dutos de 8 polegadas de diâmetro foi modificado para 14 polegadas, como apresentado na Figura 1.12. Esta nova estrutura permite ser modificada para trabalhar em outros diâmetros. Os bons resultados com este protótipo levaram à construção de um GIRINO projetado para solucionar o problema de Bacia de Campos com linhas de 16 polegadas de diâmetro (denominado neste trabalho de G16 e apresentado na Figura 1.13). O novo GIRINO tem as mesmas características do primeiro protótipo, exceto pela ausência das torres de giro. Isto é, o novo robô não tem a capacidade de movimentação em recuo. O sistema porta-ferramenta ainda não foi testado em campo. Figura 1.13. GIRINO para dutos de 16 polegadas (G16) 22
Devido ao grande comprimento dos oleodutos, muitos superam 10 km de extensão, a velocidade de deslocamento do robô é uma característica importante para este tipo aplicação. A velocidade de deslocamento do G16 dentro do duto depende da vazão dos cilindros principais. Esta vazão pode ser controlada por meio de válvulas, ou seja, o problema de controle de velocidade é um problema de controle típico para o qual existem soluções diversas na área industrial e acadêmica. Assim, realizou-se no CENPES um teste de velocidade do G16 em um duto de 6 m de comprimento, resultando nos valores apresentados na Tabela 1.1. Talvez esta velocidade baixa do robô seja uma das imperfeições do sistema de inspeção, mas que pode ser compensada pela eficácia e segurança de seu deslocamento, não alcançadas por nenhum outro sistema de inspeção de oleodutos. Pressão nos Cilindros Velocidade Instantânea Principais [N/m 2 ] [m/s] 61,22 x 10 5 0,045 81,63 x 10 5 0,053 Tabela 1.1. Resultados do Teste de Velocidade do G16. Atualmente o GIRINO tem seus movimentos comandados por sinais hidráulicos. Os sinais hidráulicos vão desde o painel de controle, na superfície, até o robô, através de um conjunto de cabos chamado de umbilical. Este fato cria uma força de arraste que dificulta o deslocamento do robô por cada metro percorrido. Além disto, cabos hidráulicos longos implicam em maior perda de carga no sistema hidráulico. Como solução para este problema, visa-se o desenho e fabricação de uma unidade de potência hidráulica embarcada no GIRINO. Desta forma, o umbilical conterá apenas os cabos de sinal elétrico que, a partir do painel de controle na superfície, comandam o sistema. 1.6 A Monitoração O controle de processos industriais, assim como o de sistemas mecânicos específicos, como robôs, tem sido uma das principais motivações e fonte geradora de tecnologia no decorrer da história. O sistema de controle com realimentação, por exemplo, a partir da monitoração das variáveis do sistema, permite ao controlador 23