(51) lnt.ci.: G01 N 17/00 ( ) G05D 3/00 ( ) - PDF
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Vagner Pedroso Casado
1 (21) P A * B R P O 8 O A 2 * (22) Data de Depósito: 31/03/2008 (43) Data da Publicação: 17/ (RP 2028) (51) lnt.c.: G01 N 17/00 ( ) G05D 3/00 ( ) (54) Título: SSTEMA AUTÔNOMO PARA NSPEÇÃO EXTERNA DE DUTOS RÍGDOS, FLEXÍVES E CURVAS (73) Titular(es): Giovani Gerem ia, Henrique Tormen Hann de Oliveira, Miguellgnacio Serrano, Teimo Roberto Strohaecker (72) lnventor(es): Giovani Geremia, Henrique Tormen Hann de Oliveira, Miguellgnacio Serrano, Teimo Roberto Strohaecker (57) Resumo: Sistema autônomo para inspeção externa de dutos rígidos, flexíveis e curvas. Capaz de posicionar um ou mais sensores não destrutivos em qualquer região da superfície externa do duto. A presente invenção utiliza sensores não destrutivos para avaliar a integridade do duto. Os referidos sensores são movimentados pela presente invenção no sentido radial, axial e longitudinal na tubulação. A movimentação deste sistema é através de motores, os quais são controlados por um microcomputador que permite efetuar inspeção por controle à distância ou automática. A inspeção pode ser contínua, independentemente do comprimento do duto, da existência de curvas ou da posição do duto, podendo-se encontrar na posição horizontal, diagonal ou vertical. A presente invenção pode ser indicada para inspeções sob diversas condições, incluindo zonas classificadas e de difícil acesso.
2 1/7. 111~111 ~~~~~~ ~ ~ ~ 1111 P08013!J9-3 "SSTEMA AUTÔNOMO PARA NSPEÇÃO EXTERNA DE DUTOS RíGDOS, FLEXÍVES E CURVAS." Refere-se a um dispositivo autônomo para inspeção externa de dutos. Particularmente, tal dispositivo pode ser adaptado para operar sob condições 5 ambientais adversas e em regiões de difícil acesso, sendo dessa forma, indicado para executar inspeções em dutos rígidos, inclusive curvas, e flexíveis. Este relatório descritivo refere-se a Privilégio de nvenção (P), concedido a uma concepção nova, resultante da criação humana, que 1 O representa um avanço em relação ao estado da técnica existente e que é suscetível a utilização industrial. As grandes petrolíferas possuem uma considerável parcela de produção de óleo proveniente de poços de petróleo situados sob lâminas de água. Esta produção de petróleo offshore utiliza de maneira intensa dutos flexíveis, 15 chamados risers. Plataformas e navios de produção estão ligados aos poços petrolíferos de águas profundas através de risers, e através de um sistema de bombas e injeção, é possível extrair o petróleo dos poços e trazer até a plataforma ou navio. A preocupação atual é relativa à integridade destes, submetidos às condições severas de trabalho (ambiente, fratura e solicitação 20 em fadiga). Atualmente a Petrobras possui mais de dois mil quilômetros de linhas flexíveis e risers instalados, e o aumento da produção de petróleo está intimamente relacionado à melhoria da tecnologia associada aos risers flexíveis. No entanto, não é apenas petróleo o produto bombeado, mas também gases residuais e outros compostos corrosivos que atacam os dutos e o 25 sistema de bombeamento. É necessário, portanto, que seja feita a manutenção constante e troca destas tubulações quando o componente se encontra comprometido. Lembrando que, no caso de falha do riser, os produtos que estiverem sendo levados para o navio podem ser liberados para o ambiente. Além disso, se. o produto extraído for gás natural, o escape do mesmo pode 30 acarretar em uma diminuição na densidade da água, e como os dutos se encontram logo abaixo a plataforma, o escape de bolhas e conseqüente queda da densidade da água diminuem o empuxo, e pode levar a instabilidade da
3 217 estrutura da plataforma. A falha catastrófica desses risers flexíveis sempre vem acompanhada de prejuízos financeiros, os quais elevam o custo e justificam as pesquisas e o desenvolvimento de procedimentos de manutenção e monitoramento da integridade estrutural dos mesmos. Para o caso das 5 indústrias de energia e petróleo, além dos prejuízos associados às perdas de equipamentos e produtos, há de se acrescentar os prejuízos à imagem da empresa, pela energia deixada de produzir e, acima destes, os gastos referentes aos danos ambientais. Da mesma forma, os danos por corrosão são a maior preocupação para 1 O os responsáveis pela manutenção de dutos rígidos, principal meio de transporte de petróleo e gás. A técnica de medição tradicionalmente utilizada para avaliar o estado da corrosão em dutos é ultra-som. Nos últimos anos, as pesquisas foram centralizadas na automação desta técnica com a finalidade de aumentar a velocidade da inspeção. Na atualidade, a maioria dos sistemas 15 automáticos de inspeção de dutos são orientados à inspeção das uniões por soldas, pois é nas soldas onde ocorre a maior concentração de corrosão. Assim, a zona de inspeção é limitada. É objetivo da presente invenção apresentar um sistema autônomo de inspeção externa de dutos flexíveis e rígidos (incluindo-se curvas) que auxilie a 20 garantir a integridade estrutural dos mesmos, destacando-se que, na atualidade, não existe sistema de inspeção de dutos com capacidade de fazer a inspeção e~erna em curvas. Este equipamento robótico é capaz de localizar defeitos por corrosão no material dos dutos, utilizando uma vasta gama de sensores não-destrutivos. No decorrer, a presente invenção é comparada com 25 os sistemas atuais de 'inspeção, demonstrando suas grandes vantagens. Os objetos da presente invenção ficarão mais aparentes a partir da descrição detalhada de figuras e diagramas em blocos que permitirão entender a estrutura mecânica e a interação com o sistema de medição. Basicamente, o sistema robótico pode-se subdividir em duas partes: Um 30 conjunto de mecanismos que permite conduzir um arranjo de sensores de medição não-destrutivos e posicionar os mesmos em qualquer local da superfície externa do duto, tendo este mecanismo três graus de liberdade
4 3/7 (longitudinal, axial e angular); e um módulo eletrônico encarregado de controlar os movimentos do mecanismo e posicionar os referidos sensores em qualquer ponto da superfície externa do duto. Estas posições podem ser previamente configuradas pelo operador no módulo eletrônico. Os componentes mais 5 importantes que constituem a estrutura mecânica da presente patente são: o anel bipartido, os cabeçotes e o sistema motriz longitudinal. Na literatura patentária foram encontrados alguns documentos que circunscrevem o tema. A patente Pl , de titularidade de Petróleo Brasileiro S.A. e publicado em 14 de Outubro de 2003, se refere a um 10 dispositivo constituído basicamente de uma estrutura, meios de inspeção e um conjunto de meios de limpeza. O dispositivo serve para inspecionar e limpar dutos, especialmente dutós verticais submarinos, ou estruturas similares, como, por exemplo, cabos elétricos submarinos. O pedido de patente Pl , depositado por Conduto Companhia Nacional de Dutos e publicado 15 em 25 de maio de 2004, se refere a um processo e a um dispositivo para teste hidrostático e manutenção interna de dutos, particularmente oleodutos e gasodutos, em que um fluido anticorrosivo é introduzido no duto; um píg (equipamento de inspeção interna de dutos rígidos) é deslocado pelo fluido anticorrosivo removendo as incrustações da parede interna do duto; e aplica-se 20 pressão no fluidó anticorrosivo para verificar a ocorrência de vazamentos. A concentração do fluido anticorrosivo, a vazão deste para encher o duto, a vazão de água para pressurização e a pressão interna são controladas por um computador que recebe informações de sensores de vazão, de pressão e de termômetros e, com base nestas informações, controla bombas dosadoras, 25 bomba de enchimento e bomba de pressurização. O pedido de patente Pl , depositado pela Universidade Federal de Santa Catarina, publicado em 22 de Agosto de 2006, se refere a um dispositivo robótico telecomandado para operações em ambientes confinados. O referido dispositivo compreende: um sistema posicionador composto por dispositivo robótico móvel que se 30 adapta ao ambiente confinado circundante e com mobilidade ao longo da direção ou das direções não restringidas; um sistema ferramenteiro composto por dispositivo robótico responsável pela operação interna a ser executada no
5 i l 4/7 ambiente confinado; sistemas de aquisição de dados para monitoramento da atividade a ser desenvolvida; e sistemas de transmissão de dados de forma a enviar comandos remotamente ao dispositivo como um todo ou às suas partes. O referido dispositivo tem como acessórios sistemas de estanqueidade, 5 localização e controle de operação que viabilizam sua utilização dentro do ambiente confinado. Uma das principais aplicações do referido dispositivo é a reparação interna de dutos. O pedido de patente Pl depositado por Petróleo Brasileiro S. A. e publicado em 26 de Junho de 2007, se refere a uma ferramenta para inspeção de corrosão em colunas verticais, bem como a seu 10 método de aplicação. A referida ferramenta se baseia no método de ultra-som para realizar inspeção em colunas de tubulações verticais, particularmente em risers de perfuração, deslizando verticalmente no interior da coluna montada. A presente invenção difere desta ferramenta por inspecionar os dutos externamente e por ter a capacidade de utilizar sensores como eddy current, 15 método magnético, óptico além do método de ultra-som para efetuar a inspeção. A literatura patentária analisada não antecipa nem sugere, ainda que indiretamente, qualquer dos objetos da presente invenção. Breve Descrição das Figuras: 20 A Figura 1 mostra o equipamento montado em um duto em curva. A Figura 2 mostra o equipamento montado em um duto em vista frontal. A Figura 3 mostra o equipamento montado em um duto em vista lateral. A Figura 4 mostra o sistema motriz longitudinal. A Figura 5 mostra os componentes do cabeçote. 25 A Figura 6 mostra um esquema em blocos da interação do módulo eletrônico com o~ sensores, operador e os motores. Descrição Detalhada da nvenção: A presente invenção será exposta a seguir em detalhes. Também são providas comparações com as técnicas de inspeção convencional. Os 30 exemplos descritos a seguir são meras concretizações preferenciais da invenção, não devendo ser compreendidos como limitantes da mesma. Variações ou concretizações similares devem ser consideradas como dentro do escopo.
6 517 Tradicionalmente, as medições dos defeitos nos dutos são realizadas manualmente por um técnico especializado utilizando um sensor nãodestrutivo. Assim, o técnico realiza a medição posicionando o sensor não destrutivo em diferentes lugares da superfície os quais são escolhidos 5 aleatoriamente nas zonas mais comprometidas. A medição consiste na leitura do instrumento após colocar o sensor na superfície e interpretar um valor ou gráfico retornado pelo instrumento. Esse procedimento requer que o técnico realize a inspeção na zona de atuação do duto, e geralmente, esta zona de atuação é uma área classificada (risco de explosão, alagamento, entre outras). 1 O O equipamento aqui descrito contorna esta e outras desvantagens ao proporcionar um equipamento robótico capaz de localizar defeitos no material do duto utilizando sensores de inspeção não-destrutivos, sem necessitar o uso de operadores humanos nos dutos. As figuras 1, 2, 3, 4 e 5 são úteis na compreensão da funcionalidade de cada 15 peça mecânica que compõe um exemplo preferencial de sistema autônomo de inspeção da invenção. Estas peças formam parte do mecanismo que posiciona o sensor de medição não-destrutivo na superfície do duto. A Figura 1 mostra um dos casos de utilização do equipamento: um duto rígido em curva (1) e o sistema autônomo de inspeção externa de dutos (2). 20 O equipamento se encontra constituído por um ou mais meios de fixação (5) denominados cabeçotes que se movimentam ao redor do anel bipartido (3), utilizando este como trilho para deslocar-se. No suporte do cabeçote, é fixado o arranjo de sensores não-destrutivos (16), os quais são utilizados para avaliar a integridade da tubulação. Cada cabeçote possui um sistema de deslocamento 25 radial observado em (14) e (15) que permite aproximar ou afastar o arranjo de sensores da superfície do duto. O anel bipartido pode se deslocar ao longo do duto através do sistema motriz longitudinal o qual se apresenta na Figura 6. Nesta figura, observam-se as rodas (4) que fazem contato com a superfície externa do duto; a caixa de transmissão (6), um dos motores de acionamento 30 (7); o sistema de transmissão de torque da caixa de engrenagens à roda (9) e a base de montagem dos componentes da roda longitudinal e do conjunto ao anel bipartido (10). As rodas longitudinais são providas de ímãs que garantem
7 r 617 seu contato com o tubo, garantindo assim atrito necessário para mover o robô Cada par de rodas do sistema longitudinal é fixado ao anel bipartido através de um mecanismo de molas (8), que permite a adaptação do sistema às irregularidades na superfície (como soldas, por exemplo), variações de 5 diâmetros da seção ou curvas, além da centralização do anel ao tubo. Na figura 5, apresenta-se um detalhamento do cabeçote, onde se destaca o conjunto de transmissão rotacional (12); composto de motor e caixa de engrenagens; o sistema de transmissão da caixa de engrenagens às rodas de movimentação rotacional (13); o motor de movimentação radial (11 ); o fuso de movimentação 10 radial (14); o sistema de transmissão para movimentação radial (15); o arranjo de sensores não-destrutivos (16); o sistema de movimentação rotacional (17), composto pelas rodas tracionadas superiores (18) e pelas rodas guias inferiores (19). Assim, o arranjo de sensores de inspeção fixado no suporte do cabeçote pode-se deslocar nas três coordenadas cilíndricas (rotação em torno 15 do duto, aproximação/afastamento da superfície e movimento ao longo da tubulação), independente da posição do duto (horizontal, diagonal ou vertical). Todos os movimentos do sistema de inspeção são executados por motores, acionados por um módulo eletrônico. O operador configura, no módulo eletrônico, a área a ser inspecionada como 20 assim também a velocidade da inspeção. Porém, ele torna este sistema de inspeção autônomo. O módulo eletrônico pode-se subdividir nos seguintes módulos: módulo de comunicação, módulo de potência e módulo de controle. Na figura 6, pode-se ver a iteração entre estes módulos, o operador e os sensores do sistema de inspeção. 25 O módulo de comunicação possibilita o comando à distância entre o operador e o si~tema de inspeção. sto permite a troca de dados entre o operador e o módulo de controle. Estes dados podem ser comandos ou configurações: os comandos são instruções que fazem com que o sistema de inspeção se movimente em uma direção determinada pelo operador; as 30 configurações enviadas pelo operador são instruções que permitem delimitar a área do duto a ser inspecionada, como também a velocidade de avanço do sistema de inspeção. Os dados enviados desde o módulo de controle ao
8 7/7 operador podem ser as posições com defeito, estado atual do sistema de inspeção, posição atual do sistema, como também o envio dos dados da medição realizada através dos sensores não-destrutivos. O módulo de potência é um circuito eletrônico que atua como interface 5 de potência entre o módulo de controle e os motores. O módulo de controle é o cérebro da presente invenção, e encontra-se fisicamente constituído por um microcomputador. Este módulo aciona os motores em função da posição atual e a desejada, a qual foi previamente configurada pelo operador. Estas configurações são salvas na memória do 1 O microcomputador antes de iniciar a inspeção. Dentro deste microcomputador é executado um software de controle que permite ao microcomputador receber instruções ou configurações do operador através do módulo de comunicação, ler os sensores de posição (longitudinal, radial e angular), interagir com o instrumento de medição e enviar sinais ao módulo de potência para acionar os 15 motores. O módulo de controle pode também determinar o inicio e fim de uma curva e seu raio de curvatura através da leitura dos sensores de posição do sistema de inspeção. Através da iteração entre o instrumento de medição e o módulo de controle é possível determinar as partes defeituosas do duto. Quando o operador configura o sistema de inspeção para que se 20 movimente aó longo de uma trajetória, o sistema de inspeção aciona os motores controlando a velocidade, posição e potência em função dos sensores de posição. O controle da potência dos motores melhora a autonomia da fonte de energia do sistema de inspeção. Os versados na arte valorizaram imediatamente os importantes 25 benefícios decorrentes do uso da presente invenção. Variações na forma de concretizar o conceito inventivo aqui exemplificado devem ser compreendidas como dentro do espírito da invenção e das reivindicações anexas.
9 1/1 Reivindicações 1. Sistema autônomo para inspeção externa de dutos rígidos, flexíveis e curvas, caracterizado por um conjunto de mecanismos que permitem conduzir e posicionar um arranjo de sensores não destrutivos em qualquer local da 5 superfície externa do duto. 2. Equipamento, de acordo com reivindicação 1, caracterizado por um conjunto de mecanismos compostos por um anel bipartido, sistema motriz longitudinal e pelo menos um meio de fixação para os sensores não destrutivos. 3. Equipamento, de acordo com reivindicação 1 e 2, caracterizado por ter a 1 O capacidade de movimentar o anel ao longo do duto através do sistema motriz longitudinal. 4. Equipamento, de acordo com reivindicação 1 e 2, caracterizado por permitir ao referido meio de fixação se movimentam ao redor do anel e afastar ou aproximar os respectivos sensores não destrutivos à superfície do duto. fis Equipamento, de acordo com reivindicação 1 e 2, caracterizado por permitir ao referido conjunto de mecanismos três graus de liberdade (longitudinal, radial e angular). 6. Equipamento, de acordo com reivindicação 1, 2 e 5, caracterizado por utilizar motores para acionar o referido conjunto de mecanismos permitindo a 20 movimentação dos mesmos. 7. Equipamento, de acordo com reivindicação 1, 2, 5 e 6, caracterizado por utilizar um meio eletrônico para interagir com o operador e controlar os movimentos do referido conjunto de mecanismos. 8. Equipamento, de acordo com reivindicação 1 e 7, caracterizado por o referido 25 meio eletrônico que interage com o operador enviando e recebendo informação atual sobre a medição e o posicionamento dos referidos sensores.
10 113 _2_ Fig 1: Fig 2:
11 \ 2/ Fig 3: Fig4:
12 3/ / / / Fig 5: Operador ~ Módulo i i eletrônico Módulo de i comunicaçao i i! Sensores Módulo nstrumento de de de.,._'- i medição posiçao controle Fig6: Módulo de potencia --- ~ -- Motores r Sensor de inspeção não-destrutivo
13 111,.. Resumo Sistema autônomo para inspeção externa de dutos rígidos, flexíveis e curva~ capaz de posicionar um ou mais sensores não destrutivos em qualquer região da superfície externa do duto. A presente invenção utiliza sensores não 5 destrutivos para avaliar a integridade do duto. Os referidos sensores são movimentados pela presente invenção no sentido radial, axial e longitudinal na tubulação. A movimentação deste sistema é através de motores, os quais são controlados por um microcomputador que permite efetuar inspeção por controle à distância ou automática. A inspeção pode ser contínua, independentemente 1 O do comprimento do duto, da existência de curvas ou da posição do duto, podendo-se encontrar na posição horizontal, diagonal ou vertical. A presente invenção pode ser indicada para inspeções sob diversas condições, incluindo zonas classificadas e de difícil acesso.