Publicação: Desenvolvimento de máquina tracionadora para sonda de inspeção de trocadores de calor
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Resumo
A indústria do gás e petróleo utiliza trocadores de calor do tipo Casco e Tubos em inúmeras
etapas de produção, necessitando desse equipamento sempre dentro dos requisitos de
qualidade. Para isso é necessário validar essa qualidade com inspeções regulares, especialmente
por meio de ensaios não destrutivos. Uma possibilidade para realizar a inspeção
desse tipo de equipamento é utilizar o método 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑡𝑒 𝐹𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑇𝑒𝑠𝑡𝑖𝑛𝑔 (RFT). Esse ensaio
consiste na passagem de uma sonda inspetora dotada de bobinas excitadoras e receptoras
no interior de um feixe tubular. A leitura dos campos magnéticos induzidos possui
um sinal característico para tubos dentro dos requisitos de qualidade. Quando a leitura
do tubo em inspeção apresenta sinais fora do padrão é possível inferir a existência de
irregularidade(s) e/ou defeito(s), como perda de material por corrosão. Mais ainda, os
sinais explicitam quais são os tipos de defeitos e seus graus. Para o sucesso da detecção
dos defeitos é necessário tomar certos cuidados, como a tração da sonda inspetora numa
velocidade constante. O Laboratório de Acústica e Vibração da Universidade Federal de
Uberlândia faz pesquisas envolvendo o RFT, fazendo-se necessário um equipamento para
a tração da sonda, mas os equipamentos comerciais disponíveis têm alto custo. Nesse contexto,
o presente trabalho visa o desenvolvimento de uma máquina tracionadora de baixo
custo para viabilizar os ensaios. Para esse desenvolvimento, divide-se o tracionador em três
módulos: tração, alimentação e controle. O primeiro comporta um motor CC e encoder
incremental para proporcionar movimento e leitura da velocidade angular. No módulo de
alimentação existem componentes para conversão de corrente alternada da rede em corrente
contínua e alimentação da máquina. Por fim, o módulo de controle consiste numa
Interface Homem-Máquina no formato de 𝐽𝑜𝑦𝑠𝑡𝑖𝑐𝑘 com um microcontrolador e sistema
operacional de tempo real FreeRTOS para implementação de um controlador digital em
malha fechada para rastreamento de velocidades comandadas para a movimentação da
sonda. Visando o desenvolvimento do controlador, realizou-se a identificação de um modelo
matemático para o motor adotado utilizando a resposta em frequência. Então, com
base no modelo obtido, projetou-se um controlador do tipo Proporcional-Integral. Resultados
de simulação e experimentais mostraram que o sistema de controle desenvolvido é
capaz de fazer a sonda se movimentar em torno da velocidade comandada pelo operador.
Portanto, a máquina tracionadora desenvolvida ao longo do presente trabalho alcançou
o objetivo proposto. Mais ainda, somando-se os custos de materiais e equipamentos utilizados,
obteve-se um custo estimado de R$ 1.992,17, significativamente inferior aos preços
dos equipamentos comerciais.
Abstract
The oil and gas industry uses Shell and Tubes heat exchangers in a large amount of production
steps, needing this equipment always within the quality requirements. For that is necessary
to validate this quality with regular inspections, especially through non-destructing
testing. One possibility for this kind of equipment testing is using the Remote Field Testing
(RFT). This testing consist of passing an inspection probe equipped with excitation and
receiving coils inside a tubular bandle. The induced magnetic field reading has a characteristic
signal for tubes within the quality requirements. When the tube under inspection
presents out of pattern readings, it is possible to infer the existence of irregularity(s)
and/or defect(s), generally material loss due to corrosion. Even more so, the signals show
which type of defects and their degrees. For the defect detection success it is necessary
to take certain precautions, such as the probe traction in a constant speed. The Acoustics
and Vibration Laboratory of the Federal University of Uberlândia does researches involving
the RFT, making it necessary to have a traction probe equipment, however commercial
equipment has high costs. In this context, the present work aims the development of a low
cost traction machine to enable the tests. For this development, the traction machine is
divided in three modules: traction, power and control. The first holds a CC motor and
incremental encoder to provide movement and angular speed reading. In the power module
there is components to convert de alternating current in constant current to supply the
machine. Finally, the control module consists of a Human-Machine Interface in a Joystick
shape with a microcontroller and FreeRTOS real time operational system for closed
loop digital controller implementing to track commanded speed probe motion. Aiming the
controller development, a mathematical model was identified for the adopted engine using
the frequency response. Then, based on the model achieved, a Proportional-Integral type
controller was designed. Results of simulation and experimentation show that the control
system developed is able to make the probe move next to the speed set by the operator.
Therefore, the traction machine developed throughout the present work achieved the proposed
goal. Even more so, adding the costs of material and equipment used, an estimated
cost of R$ 1.992,17 was obtained, significantly lower than commercial equipment costs.
Palavras-chave
Trocadores de Calor; inspeção; RFT; movimentação de sonda; controle de velocidade de motor CC; tracionador de baixo custo., Heat Exchangers; inspection; RFT; probe motion; CC motor speed control; low cost traction machine.
Citação
MARCELO; Alexandre Mendes. Desenvolvimento de máquina tracionadora para sonda de inspeção de trocadores de calor. 2024. 50 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecatrônica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024.
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