PROJETO E SIMULAÇÃO DE UMA FERRAMENTA ROBÓTICA PARA INSPEÇÃO DE SOLDAS E ESTRUTURAS TUBULARES 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 uma ferramenta robótica para realizar inspeções off-shore em soldas e estruturas tubulares de risers submarinos. Metodologia A. Estudo e Pesquisa Reconhecimento Uma pesquisa inicial foi feita com o objetivo de realizar um levantamento estatístico das medidas de diâmetro interno das estruturas tubulares em que o robô irá operar. Como o projeto será destinado a inspeções em risers de perfuração, a norma API 16Q - Typical Designs (2.7.2) [6], padroniza os diâmetros internos dos BOPs (blowout preventers) e os respectivos diâmetros externos das linhas principais (main line) que se conectam aos BOPs. Tabela 1 Dimensões dos BOPs e das linhas principais segundo a norma API 16Q 1
Logo, a partir de uma pesquisa de mercado sobre as principais produtoras na área de risers de perfuração, foi possível obter as dimensões dos principais BOPs fabricados e as medidas de espessura de parede de linhas principais empregadas atualmente, que pertencem à Tabela 1. Tabela 2 Dimensões dos BOPs disponíveis no mercado Tabela 3 Dimensões das linhas principais disponíveis no mercado Dessa forma, junto à tabela de dimensões de diâmetros externos e espessuras de paredes, fornecida pela Tenaris [4], foi possível estabelecer a faixa de diâmetros internos de tubulações submarinas em que o veículo robótico irá operar, especificada entre 16 e 24 polegadas. 2
Como o robô irá operar em tubulações com diâmetro nominal a partir de 16 polegadas, essa dimensão será a referência para os estudos e pesquisas de dimensionamento de componentes. B. Projeto Conceitual Alternativas Com relação às diferentes possibilidades de realizar o trabalho de inspeção em questão, foi levado em consideração o projeto de uma ferramenta robótica giratória que utiliza ultrassom para inspecionar as paredes internas de tubulações submarinas na faixa de diâmetros determinados, utilizando lâmina d água como agente acoplador para realizar a medição. A partir de revisões bibliográficas e pesquisas na internet, conectores rotativos (slip rings) foram escolhidos como o tipo de sistema mais adequado para a rotação da ferramenta de inspeção, garantindo a passagem de fios no interior do veículo robótico durante sua operação, além de apresentar pequenas dimensões, compatíveis com os requisitos de projeto, além de custo e disponibilidade relativamente favoráveis no mercado. Para isso, foram realizadas pesquisas no mercado para a escolha de um conector rotativo que suprisse eficientemente as necessidades do projeto. Dimensionamento Itens como o tipo de slip ring a ser utilizado, seu diâmetro, comprimento e rotação necessária para o trabalho foram levados em consideração, além de especificações de potência e geometria do motor DC a ser utilizado para as esteiras de locomoção. 1. Slip Ring O tipo de conector rotativo mais adequado foi o de furo passante, por permitir a passagem de fios no interior do robô. O projeto requer ainda 3 vias para sinal de controle, 1 via para alimentação da câmera, 6 vias para os motores DC que tracionam as esteiras, 4 vias para o medidor de espessura, 4 vias para a rotação do sistema, além de mais 3 vias para potênciometro e 4 para encoders, para verificação do deslocamento no interior da tubulação. Além disso, o medidor de espessura necessita de alimentação de 150 V, estabelecendo mais uma restrição para o conector. Como o slip ring irá operar sempre sujeito a respingos d água, provenientes da ferramenta de inspeção, um grau de proteção mínimo de IP65 foi especificado para o projeto. Além disso, uma resistência de isolamento mínima de 400V também foi uma restrição levada em consideração. Outros fatores como menor custo do conector e do envio, bem como o tempo de envio, a origem da fabricação e a disponibilidade de desenhos 2D e 3D em CAD foram priorizados. Uma tabela foi confeccionada para a organização de conectores rotativos disponíveis no mercado com furo passante de 1 polegada de diâmetro interno e até 100 mm de diâmetro externo, priorizando sempre o menor diâmetro externo. Além disso, como comentado acima, um total de 24 vias são necessárias ao projeto, sendo 12 delas para passagem de sinal (2A/150V) e 12 outras para potência (6A/48V). 3
Tabela 4 Dados de slip rings disponíveis no mercado, dentro das restrições do projeto Tabela 5 Dados de slip rings disponíveis no mercado, dentro das restrições do projeto Os modelos de slip ring da Senring se mostraram como o modelos mais adequados dentro das especificações de geometria, operação e custo especificadas. Foram pedidos 5 modelos distintos da marca para testes: SNH012A-0205-12s SNM012U-12 SNH025-1210-12S-FS SHD-8U SNM012A-06 4
Figura 1 Desenho em CAD 3D do modelo SNH025-1210-12S-FS da Senring [2] 2. Motor DC Os motores DC responsáveis por tracionar as esteiras escolhidos foram da série RE40 da Maxon, por apresentarem a melhor performance dentro das especificações de geometria estabelecidas no projeto das esteiras de locomoção. 3. Sistema de Locomoção Figura 2 Motor DC série RE40 da Maxon [5] 5
O sistema de locomoção a ser utilizado é constituido por uma estrutura com três esteiras de locomoção ajustáveis por um sistema de mola que abrange a faixa de diâmetros estabelecida para o trabalho, tracionadas por motores de corrente contínua. Figura 3 Visão frontal do sistema de locomoção para menor diâmetro possível Figura 4 - Visão lateral do sistema de locomoção para menor diâmetro possível 6
Figura 5 - Visão frontal do sistema de locomoção para maior diâmetro possível Figura 6 - Visão lateral do sistema de locomoção para maior diâmetro possível 7
O projeto da ferramenta de inspeção que será proposto neste relatório irá operar instalado em um robô modular, para desempenhar funções de inspeção voltadas aos objetivos descritos neste relatório. Por isso, sua modularidade será priorizada, ou seja, a manutenção de dimensões compactas, bem como sua inversibilidade serão visadas durante o projeto. Desenho Mecânico A fase de desenho mecânico consiste na organização das ideias discutidas neste relatório em desenhos em CAD 3D, utilizando o programa SolidWorks para prototipar a ferramenta de inspeção do veículo robótico. Fabricação Todas as peças do módulo de esmerilhamento que precisarão ser usinadas serão fabricadas em alumínio, as demais serão impressas utilizando nylon para manter baixo peso e também custo de fabricação. Conclusões Com suas pequenas dimensões, modularidade 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 seu sistema de locomoção por meio de esteiras com braços ajustáveis por sistema de mola, que se ajustam a diâmetros internos variáveis e abrange todos os tipos de linhas principais de risers de perfuração, segundo a norma API 16Q. Com o desenvolvimento desta ferramenta, o veículo robótico modular se tornará mais versátil, podendo desempenhar funções de inspeção de integridade em soldas e medição de espessura da parede das tubulações especificadas no relatório. Com a finalização do projeto conceitual da ferramenta de inspeção, planeja-se realizar a construção do veículo robótico e também testes a partir da chegada dos modelos de slip rings encomendados. Referências 1 - Walsh, R. A.; Cormier, D. McGraw-Hill Machining and metalworking Handbook. 3.ed. McGraw-Hill Education, 2005. 1006p. 2 - http://www.senring.com/through-hole-slip-ring/snh025.html#spec Acesso em 03 jul. 2017. 3 - http://rules.dnvgl.com/docs/pdf/dnv/codes/docs/2013-10/os-f101.pdf Acesso em 03 jul. 2017. 4 - Product range and Properties em: http://www.tenaris.com/en/products/offshorelinepipe/chokeandkill.aspx Acesso em 27 jul. 2017. 5 - https://www.maxonmotor.com/maxon/view/product/motor/dcmotor/re/re40/148866 Acesso em 27 jul. 2017. 6 - Design, Selection, Operation, and Maintenance of Marine Drilling Riser Systems. 2 ed. American Petroleum Institute (API), 2017. 96p. 8