ROBÔ PARA REPARAÇÃO DE SOLDAS EM TUBULAÇÕES SUBMARINAS Aluno: Gusthavo Ribeiro Salomão Orientador: Marco Antonio Meggiolaro Co-orientador: Daniel Freitas Introdução Na indústria de petróleo e gás, a soldagem é o método mais utilizado para a junção de estruturas tubulares submarinas. No entanto, este processo é submetido a diversas inspeções para se verificar o cumprimento de normas altamente rigorosas. O não cumprimento dessas normas inviabiliza a utilização da tubulação, gerando retrabalho, ou até mesmo levando à perda de parte da estrutura, causando grandes prejuízos às empresas produtoras. Logo, foi proposto o projeto que visa à construção de um veículo robótico para realizar reparos em soldas de junção de estruturas tubulares submarinas. Caso a raiz da solda apresente penetração excessiva (um não cumprimento de norma frequente), o robô será capaz de usinar internamente o cordão de solda, reparando-o e colocando-o dentro das especificações da norma. Metodologia A. Estudo e Pesquisa Normas Os procedimentos de fabricação, inspeção e testes das tubulações submarinas em que o robô irá operar seguem a norma DNV-OS-F101. Segundo o item B 903 do Apêndice D, o critério de aprovação de soldas em tais tubulações consiste no estabelecimento de uma altura máxima de 3 mm para o cordão de solda. Com isso, o robô deverá ser capaz de usinar o cordão de solda para que o mesmo passe a ser aprovado pelo critério descrito acima. Reconhecimento A partir de uma pesquisa inicial com o objetivo de estudar veículos robóticos já existentes, destinados à reparação de soldas de estruturas tubulares submarinas, foi feita uma análise relativa às diferentes possibilidades de se realizar o trabalho de usinagem em questão. Superficialmente, foram levados em consideração dois métodos distintos, por fresa ou por esmerilhamento. A partir de revisões bibliográficas e pesquisas na internet, o esmerilhamento se mostrou mais adequado ao trabalho: como o material que será usinado é uma liga de aço carbono, utilizada em soldagem TIG, a abrasão se mostra mais eficiente para a remoção do material. Além disso, quando os discos de esmerilhadeira são utilizados com seu eixo de rotação posicionado perpendicularmente ao eixo da tubulação, eles oferecem menor área de contato entre a parede do duto e o disco, garantindo maior precisão e qualidade de acabamento no processo de usinagem. Posteriormente à determinação do método de usinagem a ser utilizado, foi realizada uma pesquisa para levantamento estatístico das medidas do diâmetro interno das estruturas tubulares em que o robô irá operar. Com estes dados em mãos, outra pesquisa foi feita com o objetivo de idealizar o dimensionamento dos componentes de usinagem. Itens como o tipo de disco de esmerilhamento a ser utilizado, seu diâmetro, espessura, ângulo de inclinação e rotação necessária para o trabalho foram levados em consideração, além de especificações de
potência e geometria do motor DC a ser utilizado, incluindo a possibilidade de haver uma redução para adequar a rotação do motor à rotação desejada para o trabalho. O módulo de esmerilhamento que será proposto neste relatório irá operar instalado em um robô modular já desenvolvido, para desempenhar além da inspeção, funções de reparação de cordões de solda em tubulações submarinas, e por isso, sua modularidade será priorizada, ou seja, a manutenção de dimensões compactas, bem como sua inversibilidade serão visadas durante o projeto. Como o robô irá operar em tubulações com diâmetro nominal a partir de seis polegadas (6 ), essa dimensão será a referência para os estudos e pesquisas de dimensionamento de componentes. Tabela 1 Propriedades de tubulações submarinas B. Projeto Conceitual Alternativas Foram estudadas as diferentes maneiras de deslocamento do disco de esmerilhadeira na direção radial da tubulação. A opção mais apropriada para o trabalho foi o uso de guias lineares, que garantiriam uma movimentação precisa do disco na direção radial. Esta guia linear seria fixada no módulo de esmerilhamento de modo a ter seu fuso sempre paralelo ao raio do duto. Porém, através da pesquisa de guias lineares existentes no mercado, foi constatado que nenhum produto atenderia às especificações do diâmetro interno da tubulação, devido ao comprimento total do equipamento na direção radial, quando montado, e isso inviabilizou essa opção. No entanto, através do posicionamento do fuso na direção longitudinal do duto, seria possível utilizar um sistema contendo guias lineares. Logo, foi proposto um sistema de guia linear com plano inclinado em que o fuso ficaria posicionado perpendicularmente ao movimento do disco. Esse esquema utilizaria duas guias, uma para o motor de passo e outra
para o motor DC. Um ângulo entre elas seria responsável por causar o movimento do disco na direção radial, através do acionamento do motor de passo/fuso. Desenho Mecânico Para organizar as ideias, foi iniciada a fase de desenho mecânico em CAD 3D, utilizando o programa SolidWorks para prototipar o módulo de esmerilhamento do veículo robótico. Foram feitos diversos desenhos, cada sucessor contendo aprimoramentos ao esquema proposto de guias lineares com plano inclinado. Os primeiros desenhos indicavam como base do sistema uma peça que teria duas cavidades com um determinado perfil, que serviria de guia para o sistema. Porém, a fabricação própria dessa peça implicaria em graus tolerância elevados, que não poderiam ser atingidos com as ferramentas disponíveis para fabricação, o que geraria folgas entre o perfil do carrinho e o da guia, impedindo a movimentação precisa do disco. Figura 1 Modelo inicial do sistema de guias com plano inclinado Logo, foi estudado o uso de duas guias lineares de modelos já existentes no mercado, fixadas por meio de parafusos em uma placa que faria parte do suporte giratório. A primeira delas permitiria movimentação do carrinho apenas na direção radial da tubulação, contendo apenas o carrinho com uma peça de suporte à castanha e ao motor DC. A outra estaria posicionada ao lado da primeira, defasada de um ângulo α, contendo apenas uma placa de transferência com o motor de passo, que atuaria o fuso. Dessa forma, não seria necessário depender de processos complexos de fabricação e muito menos do desenvolvimento de perfis próprios para as condições de trabalho.
Figuras 2 e 3 Modelo com guias disponíveis no mercado (THK) O ângulo de defasagem entre as guias deve promover o deslocamento necessário do disco, sem forçar o motor de passo, ao gerar muito atrito entre os carrinhos e as guias (ângulos pequenos), e também deve evitar deixar o módulo de esmerilhamento muito longo (ângulos maiores). Logo, foi considerado o valor de 45º para o ângulo de defasagem entre as guias. Dimensionamento 1. Disco de Esmerilhar De acordo com os dados obtidos através da pesquisa relacionada ao dimensionamento de componentes, levando em consideração o espaço interno da tubulação e o momento de inércia do disco de esmerilhadeira, foi escolhido como 4 ½ o tamanho comercial ideal do disco para realizar o trabalho. Além disso, como a velocidade adequada para usinar a liga de aço carbono varia de 9500 a 14200 spfm, temos que uma velocidade de aproximadamente 8000 rpm é adequada para realizar a usinagem do cordão de solda [1]. A potência necessária ao motor deve ser semelhante à potência gerada por esmerilhadeiras próprias para desbaste de aço carbono, ou seja, entre 750 a 1000 Watts. Os discos de esmerilhadeira próprios para desbaste de aço que atendiam tais restrições eram os de CBN, óxido de alumínio e diamante. Porém, como o carbono do diamante e o ferro da liga apresentam grande afinidade, os dois tendem a se juntar a nível molecular durante o processo de usinagem, reduzindo mais rapidamente a vida útil do disco como ferramenta de desbaste, o que inviabilizou a opção de disco de diamante. Entre as duas outras opções, o disco de óxido de alumínio se mostrou mais adequado, por ser mais barato e apresentar uma performance suficiente para o desbaste de aço carbono (a performance extra do disco de CBN, que é mais caro, não seria devidamente utilizada, reduzindo seu custo benefício). Assim, foi escolhido um disco de esmerilhamento de 4 ½ da marca Norton Abrasives, modelo Norton Gemini Type 27/42, número 66252842026, que é um disco de óxido de alumínio, próprio para esmerilhar ligas de aço carbono. 2. Motor DC Dentro, ainda, dos resultados da mesma pesquisa, foi escolhido o motor DC Hyperion 4025-10; um outrunner brushless de 560 KV. Quando alimentado com baterias LiPo 5S, ele pode gerar até 10000 rpm, podendo render mais de 1000 Watts de potência, o que atende às especificações desejadas para o trabalho, além de ser relativamente compacto quando comparado a outros modelos semelhantes. Com a adoção deste motor, é possível evitar a utilização de uma caixa de redução.
Tabela 2 Propriedades do motor DC brushless Figura 4 Motor DC brushless Hyperion Z4025-10 No entanto, como o motor DC a ser utilizado possui um eixo de diâmetro 6,35 mm, e o disco de esmerilhadeira, um furo para eixos de 7/8, foi necessário elaborar um adaptador para que o disco pudesse ser acoplado ao eixo do motor. Dessa forma, foi proposto um adaptador similar ao hub encontrado em esmerilhadeiras de pequeno porte, onde uma peça cilíndrica rosqueada na extremidade adaptaria o diâmetro do eixo do motor para 7/8, fixada por meio de uma mosca, enquanto outra peça, idêntica à utilizada em tais esmerilhadeiras, fixaria o disco ao eixo da primeira, como mostrado abaixo:
Figuras 5 e 6 Adaptador para disco de esmerilhadeira 3. Motor de Passo Ainda dentro do conteúdo explorado pela referida pesquisa, o motor de passo NEMA 23 da Akiyama, modelo AK23/7.6F6FN1.8, se mostrou como o modelo com mais torque (7,60 kgf.cm) dentro das especificações de geometria e custo desejadas. Figura 7 Motor de passo NEMA 23 da Akiyama Com isso, dois modelos idênticos de guias lineares compactas, com gaiola de esferas, da marca THK, modelo SRS 15WN, e castanha e fuso, também da marca THK, modelo MDK 0802-3, foram posicionadas segundo o esquema descrito pelas Figuras 2 e 3 em uma placa compreendida entre dois discos, que serviriam para permitir de maneira simples que o eixo de rotação do módulo de esmerilhamento fosse o mesmo que o da tubulação, como mostra a figura a seguir:
Figura 8 Modelo atualizado com guias disponíveis no mercado Ancoragem Com relação ao sistema de ancoragem do veículo robótico, foram considerados três métodos mais utilizados atualmente: pneumático, hidráulico e elétrico. Como sistemas hidráulicos e pneumáticos necessitam de uma linha de fornecimento de fluido, sua implementação levaria à coexistência de fiações e linhas de fornecimento de fluido em um espaço muito pequeno entre a parede da tubulação e o robô. Além disso, o motor de passo escolhido para o deslocamento do disco se mostrou compacto e perfeitamente capaz de realizar o trabalho, uma vez que o mesmo consegue monitorar e manter a posição angular de seu eixo, eliminando a necessidade de elaborar uma solução para o travamento do sistema de ancoragem. Assim, foi proposto um sistema composto por três guias lineares, que seriam dispostas em um ângulo de 120º, acionadas simultaneamente por um mesmo motor de passo, garantindo grande precisão no processo de ancoragem [2]. Um pinhão cônico acoplado ao eixo do motor de passo seria responsável por transmitir rotação ao fuso de cada guia linear, através de uma caixa de transmissão com engrenagens cônicas, como mostrada na Figura 10. Considerando que o módulo de esmerilhamento será instalado entre módulos de locomoção, inspeção e eletrônica do robô modular já desenvolvido, a fiação do veículo robótico passará, necessariamente, por todo o comprimento do módulo de esmerilhamento. Por isso, foi necessário adaptar o desenho dos flanges que conectavam o sistema de ancoragem e o suporte giratório. Com cortes circulares defasados de 120º, foi possível liberar espaço para a passagem dos fios entre o módulo de esmerilhamento e a parede da tubulação, como mostrado abaixo:
Figuras 9, 10 e 11 Disposição de guias no sistema de ancoragem e caixa de transmissão As guias e os fusos de esferas escolhidos também foram da marca THK, só que modelos SRS 7WM e MDK 0401-3, respectivamente, que são mais leves e compactos. Com o posicionamento de um sistema desses em cada extremidade do módulo de esmerilhamento, é possível promover sobreposição entre os eixos do suporte giratório e da tubulação, garantindo maior precisão no processo de usinagem. Como podemos observar acima, um suporte para a castanha seria fixado ao carrinho, e o mesmo possuiria uma ponta de borracha, responsável por garantir a melhor fixação possível do sistema no interior da tubulação. Suporte giratório Para simplificação dos sistemas responsáveis pela rotação e pela ancoragem do módulo de esmerilhamento, foi adotado o mesmo motor de passo utilizado para o deslocamento do disco de esmerilhadeira, e dessa forma, uma peça única de fácil fabricação pôde ser elaborada para agrupar os dois motores de passo. Assim, de um lado, o eixo do motor de passo seria fixado ao suporte giratório, e do outro, um mancal com rolamento apoiaria o suporte e possibilitaria rotação livre, como é exemplificado abaixo:
Figura 12 Suporte giratório e suporte dos motores de passo Adaptador Modular O adaptador que conecta o módulo de esmerilhamento aos demais módulos do robô também foi desenhando, com a proposta de ser encaixado diretamente na caixa de transmissão através de um rebaixo em seu flange, e fixado por meio de parafusos. A peça mostrada abaixo que contém dois flanges é responsável por conectar os módulos do robô modular já existente. Figuras 13 e 14 Adaptador para conexão dos módulos Locomoção Com relação ao sistema de locomoção, será empregado o mesmo sistema já desenvolvido, utilizado no robô modular existente, composto por três esteiras ajustáveis ao diâmetro interno da tubulação por meio de molas, tracionadas por motores de corrente
contínua. A aplicação deste sistema é perfeitamente viável, uma vez que o módulo de esmerilhamento será instalado no robô modular existente. Fabricação Todas as peças do módulo de esmerilhamento que precisarão ser usinadas serão fabricadas em liga de alumínio 2024, que apresenta melhor usinabilidade e também é mais barato que a opção de alumínio 7075. Além disso, possui boa relação resistência-peso, por ser um alumínio de alta resistência mecânica. Figura 15 Render final do projeto com exemplo de tubulação de 6 ao lado Figura 16 Propriedades de massa do módulo de esmerilhamento Conclusões Com suas pequenas dimensões, modularidade, peso e custo de fabricação relativamente baixo, o projeto se mostrou bastante viável e eficiente, uma vez que sua utilização abrange tubulações de diferentes diâmetros, por consequência de seus sistemas de
locomoção e ancoragem, que se ajustam a diâmetros internos variáveis, além de seu sistema de guias lineares com plano inclinado, que permite grande afastamento do disco de desbaste. Com o desenvolvimento deste módulo, o veículo robótico modular já desenvolvido, se tornará mais versátil, podendo desempenhar, simultaneamente, funções de inspeção e reparação de soldas em estruturas tubulares submarinas off-shore. Com a finalização da etapa de projeto conceitual do módulo de esmerilhamento, planeja-se construir e testar o veículo robótico durante o período de renovação da Iniciação Tecnológica. Referências 1 - Walsh, R. A.; Cormier, D. McGraw-Hill Machining and metalworking Handbook. 3.ed. McGraw-Hill Education, 2005. 1006p. 2 - Mateos, L. A.; Zhou, K.; Vincze, M. Towards efficient pipe maintenance: DeWaLoP in-pipe robot stability controller. IEEE, 2012. 6p. Disponível em: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articledetails.jsp?arnumber=6282337&newsearch=true&queryt ext=dewalop Acesso em 28 jun. 2016.