desenvolvimento de um sistema automatizado para inspeção ultra

desenvolvimento de um sistema automatizado para inspeção ultra

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA AUTOMATIZADO
PARA INSPEÇÃO ULTRA-SÔNICA EM CASCO DE NAVIO
Antonio A. de Carvalho, Raphael C. S. B. Suita, Ivan C. da Silva, João M. A. Rebello
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Centro de Tecnologia, Bloco I, sala 243, Cidade Universitária
Ilha do Fundão, 21945-000 Rio de Janeiro, RJ, Brasil
e-mail: [email protected]
Resumo. Está sendo desenvolvido por alunos do Laboratório de Ensaios Não Destrutivos da
EE/COPPE/UFRJ (LABOEND), um veículo automatizado para inspeção, por ultra-som, de perda
de espessura por corrosão em navios de processamento e estocagem temporária de petróleo, mais
conhecidos pela sigla FPSO. O veículo utiliza rodas magnéticas para se fixar ao casco do navio,
com controle feito via TCP/IP, e emprega um sistema de varredura multicanal de ultra-som para
fazer a inspeção. Um primeiro protótipo do veículo já foi construído, com o qual foram realizados
ensaios de carga, retenção magnética, deslocamento, trajetória, aquisição de sinais e imagens Cscan.
Palavras-chave: Ultra-som, Produtividade, Competitividade.
EQC - 48
1.
INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de ferramentas para inspeção não destrutiva em serviço, a ser aplicada para manutenção da
integridade do casco de navios, tem tido grande demanda por parte das empresas que utilizam dessas embarcações para
a produção e estocagem de petróleo. As sociedades classificadoras determinam uma inspeção periódica completa em
todos os tanques, o que implica em custos elevados devido a paralisação da produção para limpeza, preparação e
inspeção. Por outro lado, em termos de meio ambiente, as conseqüências de um vazamento nestes navios poderiam ser
catastróficas, considerando-se também os custos envolvidos, devidos a multas e indenizações, quanto em relação à
imagem da empresa [1].
O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados de uma pesquisa que vem sendo desenvolvida por alunos de
iniciação científica e de mestrado do Laboratório de Ensaios Não Destrutivos da EE/COPPE/UFRJ (LABOEND), com
a finalidade de avaliar a integridade de cascos de navios de processamento e estocagem temporária de petróleo (FPSO),
utilizando um sistema automatizado de inspeção por ultra-som sem interrupção no processo produtivo. O sistema (Fig.
1) é composto de um veículo de inspeção onde será acoplado um módulo multiplexador composto de oito canais ultrasônicos, podendo trabalhar tanto no modo pulso/eco quanto no modo transmissão/recepção. Um micro computador
equipado com placa de ultra-som faz o controle de digitalização, processamento dos sinais e movimentação desse
sistema, o qual se destina ao monitoramento de perda de espessura por corrosão. Os resultados são mostrados em mapas
de cores C-scan. O controle do veículo, do sistema de ultra-som e de alimentação é feito por umbilical.
Com esse trabalho se busca uma ferramenta capaz de realizar inspeção ultra-sônica em casco de navios com alta
qualidade e produtividade, concorrendo, desta maneira, com equipamentos só produzidos no mercado exterior.
Módulo
Multiplexador
Ethernet
Vídeo
8 canais de ultra-som
A.C.
Figura 1. Esquema do sistema de inspeção para FPSO.
2.
AMBIENTE DE ATUAÇÃO
Os FPSO atuam sob uma posição estacionária em mar aberto, admitindo pequenas variações, causadas por
perturbações no sistema. O controle deve responder a estas variações, buscando manter seu posicionamento. A
perturbação mais relevante são as correntes marítimas, que em mar aberto são responsáveis por considerável força de
arrasto. O veículo trabalha sob o casco da embarcação e está exposto a todas intempéries do local. A superfície do casco
do FPSO é muito irregular e possui “janelas”, que são grandes buracos de entrada de água, criando um risco adicional a
operação. O calado do navio é muito profundo, impondo ao veículo atuar sob pressões de até 3 bar.
3.
SISTEMA DE ULTRA-SOM
O sistema de ultra-som é responsável pelo fornecimento da informação sobre o estado do casco do navio tais
como: perda de espessura por corrosão interna ou externa e defeitos no interior da chapa . O método consiste em utilizar
o tempo de trânsito da onda para determinar a espessura da chapa do navio [2].
Através da utilização de sistemas de ultra-som, baseados em computadores, pode-se armazenar na memória todos
os sinais A-scan, de modo a obter um registro permanente de todo ensaio. Esses sinais são processados e o resultado é
EQC - 49
expresso em forma de mapas de cores. Neste método cada ponto inspecionado recebe uma cor, que em uma escala,
representa o nível de deterioração da chapa, formando uma imagem chamada C-scan ou modo C.
Foi desenvolvido pelo Laboend um programa para controlar a geração/aquisição dos sinais. Esses sinais são
armazenados em um computador e através de um processamento posterior pode-se obter imagens C-scans da área
inspecionada. A fim de aumentar a produtividade do sistema serão utilizados simultaneamente 8 transdutores, que
colocados lado a lado cobrirão uma área determinada pela separação entre eles. O sistema multicanal consiste de uma
placa multiplexadora para microcomputador, e um módulo multiplexador com pré-amplificadores independentes para
cada canal (Fig. 2).
Transdutores
Pulso
1
Preampl.
Multiplexer
Pulso
2
Preampl.
Recepção
Pulso
N
Preampl.
Figura 2. Sistema multicanal com gerador de pulsos independente e pré-amplificador [3].
4.
SISTEMA DE CONTROLE DO VEÍCULO DE INSPEÇÃO
O veículo de inspeção tem a função de transportar os transdutores ao longo do casco. O deslocamento do veículo é
feito pelo acionamento de 2 motores de passo, cada um responsável pela movimentação das rodas dos lados esquerdo e
direito respectivamente. Rodas magnéticas garantem o contato do sistema com o casco. A mudança de trajetória é feita
alterando a velocidade ou o sentido de rotação de cada motor. Os comandos de acionamento são enviados de micro
computador para um controlador via placa de rede (padrão ethernet), que encarregará de fornecer os pulsos para
acionamento dos ‘drivers’ dos motores. O controlador possui também entrada para ‘encoders’ e IO’S que podem ser
utilizados para sensores ou acionamento de dispositivos. O sistema de acionamento do veículo é composto da seguintes
partes:
• Controlador para os drivers
• Drivers para motores de passo
• Fonte dc 24V
• Motores de Passo
5.
PROGRAMA DE CONTROLE DO VEÍCULO
O programa de controle de trajetória do veículo permite tanto o controle manual como automático de todos os
movimentos do veículo. Nele podemos executar funções tais como: avançar, retroceder, girar e parar (Fig. 3). O
controle automático permite programar o veículo para executar vários movimentos seqüenciais, possibilitando, dessa
maneira, fazer uma varredura total de uma área de interesse.
EQC - 50
Figura 3. Janela de controle do veículo.
6.
SISTEMA MECÂNICO
Para facilitar a construção e manutenção, o veículo é composto por 3 módulos (Fig. 4). Dois destes (motrizes) são
idênticos, localizados na periferia, e o outro (eletrônico), central. Estes três módulos são unidos por um chassi.
O chassi é constituído por perfis extrudados de alumínio, que por suas propriedades metalúrgicas possibilitam
resistência a corrosão e mecânica, sem causar o inconveniente da densidade elevada, diminuindo o peso do sistema [4].
Os perfis estão montados sob uma geometria que fornece a elasticidade necessária para transpor os obstáculos, causados
pelas irregularidades da superfície.
Módulo eletrônico
Módulo motriz
Figura 4. Foto do Protótipo.
EQC - 51
Roda magnética
A selagem dos eixos de saída é feita por selos mecânicos, utilizados em bombas dinâmicas. Este sistema foi
escolhido pela facilidade de manutenção e pela confiança na estanqueidade, comprovada pela bombas que operam com
estes selos.
A adesão ao casco é obtida com o emprego de rodas magnéticas, que são constituídas por dois discos metálicos e
entre eles, imãs de terras raras dispostos sob uma geometria de forma que o campo magnético flua pela chapa do casco
do navio (Fig. 5). Isto gera uma força normal de 60Kgf (por roda) , que proporciona uma força de aderência de 12Kgf.
A roda pode ser sacada do veículo com a remoção de somente uma porca, facilitando o transporte e o armazenamento
do veículo.
Disco de aço
Imã
Figura 5. Roda Magnética.
7.
RESULTADOS PRELIMINARES
Testes preliminares em um corpo de prova confeccionado a partir de uma chapa de aço carbono de 20mm de
espessura, contendo defeitos artificiais gerados por usinagem em três diferentes profundidades (5, 10 e 15mm) e
diâmetros de 5, 10, 15, 20 e 30mm, mostraram resultados bastante satisfatórios. A Figura 6 é uma imagem C-scan de
uma varredura realizada com este sistema. Foram utilizados três transdutores com espaçamento de 30mm entre eles e
distância entre aquisições de 20mm. Percebeu-se através da escala de cores, que os defeitos com diâmetros maiores que
o espaçamento entre os transdutores e que estão na linha de varredura dos mesmos foram detectados. A área amarela na
Figura 6 não representa o comprimento do defeito, sendo apenas uma indicação. Através do sinal A-scan
correspondente pode-se obter o valor numérico da perda de espessura naquela região.
EQC - 52
Figura 6. Imagem C-scan.
8.
CONCLUSÕES E OBSERVAÇÕES
A adoção de um sistema que opere simultaneamente vários transdutores dá maior produtividade ao trabalho de
inspeção, mas o nível de detecção dos defeitos está associado ao seu tamanho e a distância entre aquisição de sinais.
Comparando com a inspeção manual feita por mergulhadores onde é coletados 1 ponto por m2, o sistema
automático adquirindo sinais a cada 50mm permitirá uma coleta de dados pelo menos 400 vezes maior. Com esses
resultados podemos fornecer um sistema que garanta qualidade e produtividade obtidos apenas por equipamentos
existentes no mercado exterior.
9.
AGRADECIMENTOS
À ANP – Agência Nacional do Petróleo, pelo financiamento deste projeto por meio do contrato CTPETRO.
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Carneval R. O., Marques F. C. R. e Smith M. A. O., “ Inspeção de Cascos de Navios do Tipo FPSO. (Alternativas
Possíveis)”. XIX CONAEND, São Paulo, agosto de 2000.
[2] Nepomuceno, L. X., “Tecnololgia Ultra-sônica”, São Paulo, 1980.
[3] Rumbold J. G., “Multichannel Versus Multiplexer Ultrasonic NDT Systems”, Material Evaluation, Vol 41, pp 12581260, october 1983.
[4] Dubbel, “Manual da Construção de Máquinas”, 13a edição, São Paulo, 1974.
EQC - 53