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HENRY FONG HWANG
DESENVOLVIMENTO, PROJETO, CONSTRUÇÃO E
TESTE DE UM CILINDRO DE REPARO POR ATRITO
PORTÁTIL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
2010
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HENRY FONG HWANG
DESENVOLVIMENTO, PROJETO, CONSTRUÇÃO E TESTE DE UM
CILINDRO DE REPARO POR ATRITO PORTÁTIL
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Uberlândia, como
parte dos requisitos para a obtenção do título
de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Área de Concentração: Tribologia e Materiais.
Orientador: Prof. Dr. -Ing. Sinésio Domingues
Franco
UBERLÂNDIA – MG
2010
ii
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Sistema de Bibliotecas da UFU , MG, Brasil
H991d
Hwang, Henry Fong, 1976-
Desenvolvimento, projeto, construção e teste de um cilindro de reparo
por atrito portátil [manuscrito] / Henry Fong Hwang. - 2010.
51 f. : il.
Orientador: Sinésio Domingues Franco.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra-
ma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Inclui bibliografia.
1. Soldagem - Teses. 2. Materiais - Teses. I. Franco, Sinésio Domin-
gues, 1962- II. Universidade Federal de Uberlândia. Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica. IV. Título.
CDU: 621.791
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À minha esposa Fernanda.
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AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer a Deus, por tudo e por todos com os quais pude
caminhar e aprender.
Aos meus pais Hwang e Célia, minhas irmãs Gisele, Eliane e Susane pelo constante
apoio e incentivo. Ao meu tio Hwang Hong Jeng, um grande engenheiro e um homem de
coração exemplar. Aos meus amigos, pela amizade duradoura. À minha esposa Fernanda,
pelo amor, paciência e compreensão expressos durante esta caminhada.
Sinto-me grandemente agraciado por ser escolhido para apresentar este trabalho, que
é, na verdade, a soma dos esforços de dezenas de pessoas, membros do Laboratório de
Tecnologia em Atrito e Desgaste - UFU e do centro de pesquisa da Petrobras (CENPES).
Durante quase dez anos (e muitas horas de dedicação e empenho), estas pessoas
sonharam e construíram, num espírito de colaboração e amizade, os fundamentos para a
realização desta etapa, que representa apenas a ponta de um iceberg.
Gostaria de agradecer ao Prof. Sinésio Domingues Franco e Profª. Vera Lúcia D.
Franco, pela firme e fiel orientação.
Aos engenheiros da Petrobras Marcelo Torres Piza Paes, Francisco Francelino
Ramos Neto e Ricardo Reppold Marinho, pela oportunidade e motivação.
Ao Prof. Rafael Ariza Gonçalves pelo apoio técnico.
Aos engenheiros Juliano Oséias de Moraes, Raphael Rezende Pires e Camila
Monteiro Formoso pela amizade e a colaboração dentre os desafios deste desenvolvimento.
Ao engenheiro Walter Antônio Kapp pela disposição em auxiliar nos projetos.
Aos alunos Fernando Buiatti Rodrigues, Luiz Carlos Pinagé de Lima Filho, Douglas
Teruyuki Cabral, Jean de Cazenove, Ricardo Hiroyoshi Haguimoto e Felipe Braga Afonso,
que contribuíram grandemente para a realização deste trabalho e de etapas futuras.
Aos mestrandos e doutorandos Fernando Martins Ferreira, Renato Pacheco Silva,
Rodrigo Azevedo Muniz, Hermes Paulo Santos de Oliveira, Ernane Rodrigues da Silva e
Rogério Felício dos Santos pelo companheirismo na caminhada.
Aos técnicos Flávio Alves dos Santos, Ângela Maria da Silva Andrade, Jhonathas
Ferreira Santos, às secretárias Eunice Helena Nogueira e Sandra Aparecida Rocha Silva, e
aos demais integrantes do Núcleo de Tribologia e Materiais da Universidade Federal de
Uberlândia, que de alguma forma contribuíram para concretização deste trabalho.
À Petróleo Brasileiro S.A. – Petrobras e à FINEP pelo apoio financeiro.
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ix
HWANG, H. F., Desenvolvimento, projeto, construção e teste de um cilindro de reparo por
atrito portátil. 2010. 78p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade
Federal de Uberlândia, Uberlândia-MG.
Resumo
Os movimentos das ondas introduzem tensões significativas em juntas soldadas de
estruturas offshore, que podem levar ao surgimento de trincas de fadiga. Inovações em
técnicas de reparo têm sido estudadas para permitir a realização destas, sem a necessidade
de paradas de produção nas FPSOs (Floating Production Storage and Offloading). Enquanto
as técnicas mais comuns são baseadas em solda a arco elétrico, o reparo de trincas por
atrito tem sido considerado um método alternativo a ser utilizado. Ele consiste em fazer um
furo na região da trinca, o qual é, posteriormente, preenchido por um pino consumível. Pelo
fato de ocorrer no estado sólido, ou seja, abaixo da temperatura de fusão, problemas como
trincas, porosidades, adsorção de gases e contaminação se tornam insignificantes. Com o
objetivo de desenvolver esta técnica para aplicação em suas estruturas, a Petrobras firmou
um convênio com a Universidade Federal de Uberlândia, quando foi construída a primeira
Unidade de Processamento de Pinos por Atrito - UPPA1. Parâmetros do processo como
geometria, rotação e força axial foram otimizados para a obtenção de uniões metalúrgicas
de qualidade. Posteriormente, iniciaram-se os estudos para levar a tecnologia ao campo. O
primeiro passo consistiu em portabilizar o cilindro de reparo, que é o componente da
unidade que aplica as forças e rotações nos pinos consumíveis. Desta forma, o presente
trabalho teve como objetivo conceber, projetar, construir e testar um cilindro de reparo
portátil, com capacidade de força axial de 40 kN e rotação de 5.000 rpm, para trabalhar em
ambiente submerso (água do mar) até 3 bar. Um cilindro de 15 kg foi construído e
conectado à UPPA1 para realização de testes. Foram desenvolvidos mandris, sistemas de
fixação do cilindro em tubulações e superfícies planas. Testes de soldagem e
preenchimentos por atrito, através da compressão de pinos (Friction Hydro Pillar
Processing) e tração de pinos (Friction Pull Plug Welding) também foram realizados. O
cilindro de reparo foi portabilizado e se mostrou apto a realizar operações em campo.
Palavras-chave: Reparo por Atrito, Soldagem por Atrito, Friction Hydro Pillar
Processing,Friction Pull Plug Welding, Cilindro de Reparo, Processamento de Pinos por
Atrito.
x
xi
HWANG, H. F., Development, design, assembly and testing of a portable friction welding
head. 2010. Master of Science Dissertation in Mechanical Engineering, Federal University of
Uberlândia – Brazil.
Abstract
Wave loads introduce significant dynamic stresses on welded connections of offshore
structures, leading to fatigue crack growth. Innovations in repair techniques are being
pursued to perform these repairs without the need of shutdown of FPSOs (Floating
Production Storage and Offloading). While common repair techniques are based on fusion
welding process, solid state welding technique such as friction welding has always being
sought as an alternative method for repair. The Friction Hydro Pillar Processing (FHPP)
technique can be described as a fill and drill process, where a consumable rod is rotated,
then entered co-axially into a cavity. Since the repair occurs below the melting point of the
material, the process does not suffer from the common welding problems such as cracking,
porosity, gas adsorption, atmospheric contamination and hydrogen embrittlement. Looking
forward to applying this technology, the company Petrobras signed an agreement with the
Federal University of Uberlandia - Brazil, and a FHPP equipment was developed. It was used
to optimize the parameters and geometries for the new technique. Later, studies for field
application began towards designing a portable friction welding head, which is the
mechanical part that applies axial load and rotation to the consumable rod. In the present
work, a portable friction welding head was conceived, designed and assembled for
operations of 40 kN of axial load and 5.000 rpm. A 15 kg welding head was connected to the
equipment. FHPP and FPPW (Friction Pull Plug Welding) tests were performed. Specific
chucks and clamping systems for pipes and flat surfaces were developed and tested. The
weld head was portablelized and demonstrated itself capable to perform field operations.
Keywords: Friction Repair, Friction Welding, Friction Hydro Pillar Processing, Friction Pull
Plug Welding, Friction Welding Head.
xii
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Trinca em tanque de armazenamento de um FPSO da PETROBRAS
(SOUZA,2006) ...................................................................................................... 1
Figura 1.2: Esquema ilustrativo da Unidade de Processamento de Pinos por
Atrito 1 (UPPA1) .................................................................................................... 3
Figura 1.3: Esquema ilustrativo do processamento de pinos por tração ................................. 4
Figura 2.1: Seqüencia de execução da soldagem por atrito. (A) Rotação de uma
das peças; (B) Início da aplicação de força; (C) Início da união
soldada; (D) Solda completada (AWS, 1991) ....................................................... 6
Figura 2.2: Influência dos parâmetros na soldagem por atrito (MEYER, 2004) ....................... 8
Figura 2.3: Fases da soldagem por atrito em relação aos parâmetros
(MEYER, 2004) ..................................................................................................... 9
Figura 2.4: Ilustração das etapas do “Tapered Plug Welding” .............................................. 12
Figura 2.5: Esquema ilustrativo do processamento de pinos por atrito
(NICHOLAS, 1999) ......................................................................................... 13
Figura 2.6: Fase de preenchimento do processo FHPP (PINHEIRO et al., 2001) ................ 14
Figura 2.7: Microestruturas de um furo preenchido por atrito (BLACKEMORE,
1999) ................................................................................................................. 14
Figura 2.8: Processamento por atrito utilizando geometrias cônicas (PIRES,
2007) ................................................................................................................. 15
Figura 2.9: Dobramento a 180° em amostra de FHPP (PIRES, 2007) .................................. 16
Figura 2.10: Pino de AISI 316L processado por atrito em substrato de ASTM A36
(FRANCO, 2009) .............................................................................................. 17
Figura 2.11: Etapas do processo FPPW ............................................................................... 18
Figura 2.12: Croqui do processo de costura por atrito .......................................................... 18
Figura 2.13: Amostra transversal de raiz com dobramento a 180° (PIRES, 2007) ................ 19
Figura 3.1: Equipamento de reparo portátil HMS 3000 (www.circletechnical.com
) ............... 22
xiv
Figura 3.2: Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 1 (UPPA1); a)
Unidade hidráulica e bloco de válvulas, b) Cilindro de reparo
acoplado ao pórtico ............................................................................................ 23
Figura 3.3: Fluxo de informações dos sinais analógicos de controle e
monitoração das variáveis do processo (SOUZA, 2006) ................................... 25
Figura 3.4: Interface gráfica do programa de controle do equipamento ................................ 25
Figura 3.5: Unidade hidráulica e cilindro de reparo da UPPA2 ............................................ 26
A Figura 3.6: Concepção da quarta unidade de processamento de pinos por
atrito (UPPA4) .................................................................................................. 27
Figura 3.7: Concepção do cilindro de reparo portátil ............................................................ 29
Figura 3.8: Montagem do cabeçote inferior com parafusos de corpo retificado ................... 30
Figura 3.9: Sistema de restrição da rotação da haste .......................................................... 31
Figura 3.10: (a) montagem do cilindro de reparo portátil na base de fixação para
dutos; (b) montagem das bases de apoio ........................................................ 32
Figura 3.11: Base de apoio sobre vários diâmetros de dutos ............................................... 32
Figura 3.12: Cintas com catraca para auxiliar na fixação do cilindro de reparo em
dutos ................................................................................................................ 33
Figura 3.13: Estrutura com ventosas para fixação do cilindro de reparo portátil .................. 35
Figura 3.14: Concepção da unidade geradora de vácuo ...................................................... 36
Figura 3.15: Ilustração do processo de solda por atrito de pinos roscados em
superfícies planas ............................................................................................ 37
Figura 3.16: Ilustração da sequência de acoplamento e soldagem por atrito de
pinos roscados em superfícies planas ............................................................. 38
Figura 3.17: Conjunto de fixação de pinos consumíveis para FHPP .................................... 39
Figura 3.18: Conjunto de fixação de pinos consumíveis para preenchimento por
tração (FPPW) ................................................................................................. 40
Figura 3.19: Sistema de fixação do sensor de rotação ......................................................... 41
Figura 3.20: (a) sensor de deslocamento potenciométrico; (b) concepção do
sensor .............................................................................................................. 42
Figura 3.21: Montagem do porta-sensor no cilindro ............................................................. 42
xv
Figura 4.1: Cilindro de reparo portátil montado ..................................................................... 44
Figura 4.2: Detalhes da ligação hidráulica do motor ............................................................. 45
Figura 4.3: Ligação das mangueiras do sistema de translação no bloco de
válvulas da UPPA1 ........................................................................................... 45
Figura 4.4: Ligações hidráulicas do cilindro de reparo portátil .............................................. 46
Figura 4.5: Sensor de rotação montado no cilindro de reparo portátil ................................... 46
Figura 4.6: Porta-sensor de deslocamento ............................................................................ 47
Figura 4.7: Montagem alternativa do sensor de deslocamento ............................................. 48
Figura 4.8: Sistema de fixação para dutos ............................................................................ 49
Figura 4.9: Duto para ensaios com mesa para amostras planas .......................................... 49
Figura 4.10: Sistema de fixação sobre duto de ensaios ........................................................ 50
Figura 4.11: Cilindro de reparo e sistema de fixação para dutos montados sobre
o duto de ensaios ............................................................................................. 50
Figura 4.12: Montagem do cilindro de reparo sobre a estrutura com ventosas .................... 51
Figura 4.13: Unidade geradora de vácuo montada sobre o quadro de alumínio .................. 52
Figura 5.1: Sistema de fixação por ventosas posicionado sobre chapa de testes ................. 54
Figura 5.2: Estrutura fixada sobre parafusos soldados ......................................................... 55
Figura 5.3: Detalhe da fixação da estrutura sobre as barras roscadas, soldadas a
arco elétrico ...................................................................................................... 56
Figura 5.4: Estrutura deformada devido ao rompimento das soldas ..................................... 56
Figura 5.5: Curvas de ensaios de tração realizados em pinos roscados soldados
por atrito ............................................................................................................ 57
Figura 5.6: Amostra de ensaio de tração rompida no material de base ................................ 58
Figura 5.7: Pino roscado desenvolvido para soldagem por atrito .......................................... 59
Figura 5.8: Redução da área de atrito devido à inclinação de um pino com ponta
cilíndrica submetido às forças tangenciais da soldagem por atrito ................... 60
Figura 5.9: Processo de extração dos pontos de soldagem dos pinos roscados ................... 61
Figura 5.10: Processo de soldagem por atrito de um pino roscado ...................................... 62
Figura 5.11: Disposição de oito pinos roscados soldados por atrito ..................................... 62
xvi
Figura 5.12: Montagem preparatória para o teste de FHPP ................................................. 63
Figura 5.13: Geometrias utilizadas no ensaio de FHPP ....................................................... 63
Figura 5.14: Ensaio de FHPP. Força axial de 20 kN e rotação de 5.000 rpm ...................... 64
Figura 5.15: Montagem para ensaios FPPW ........................................................................ 65
Figura 5.16: Geometrias utilizadas nos ensaios FPPW ........................................................ 66
Figura 5.17: (a) pino original (esquerda) e pino rompido durante o ensaio
(direita); (b) corte transversal de amostra do ensaio FPPW, 6 kN e
5.000 rpm ......................................................................................................... 67
Figura 7.1: Processo de furação com as ferramentas desenvolvidas .................................. 72
Figura 7.2: Sistema de fixação do cilindro de reparo portátil sobre trilhos ........................... 73
Figura 7.3: Sistema de fixação para superfícies planas concebido por Cazenove
(2008) ................................................................................................................. 73
xvii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Premissas de projeto do cilindro de reparo portátil ............................................ 28
Tabela 3.2: Premissas de projeto da fixação em chapas planas .......................................... 34
xviii
xix
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
AISI: American Iron and Steel Institute
API: American Petroleum Institute
ASTM: American Society for Testing and Materials
AWS: American Welding Society
BSP: British Standard Pipe
CCP: Cartão de Controle da Pressão
CCV: Cartão de Controle da Vazão
CPF: Cartão Lógico de Processamento da Força Axial
CPR: Cartão Lógico de Processamento da Velocidade de Rotação
DIN: Deutsche Industrie-Norm
FHPP: Friction Hydro Pillar Processing
FPPW: Friction Pull Plug Welding
FPSO: Floating, Production, Storage and Offloading
GKSS: Forschungszentrum
INPI: Instituto Nacional da Propriedade Industrial
LTAD: Laboratório de Tecnologia em Atrito e Desgaste
LVDT: Linear Variable Displacement Transducer
PID: Proporcional Integral Derivativo
SAE: Society of Automobile Engineers
SP: Sensor de Posição
SR: Sensor de Rotação
TP: Transdutor de Pressão
TWI: The Welding Institute
UFU: Universidade Federal de Uberlândia
UPPA: Unidade de Processamento de Pinos por Atrito
VRP: Válvula Reguladora de Pressão
VRV: Válvula Reguladora de Vazão
ZAC: Zona Afetada Pelo Calor
xx
xxi
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ............................................................................................. 01
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 05
2.1 Soldagem por Atrito ............................................................................................ 05
2.1.1 Parâmetros da Soldagem Por Atrito ............................................................. 06
2.1.2 Ciclo da Soldagem por Atrito ........................................................................ 08
2.1.3 Vantagens e Limitações da Soldagem por Atrito ......................................... 10
2.2 Processamento de Pinos por Atrito .................................................................. 12
2.2.1 Tapered Plug Welding .................................................................................. 12
2.2.2 Friction Hydro Pillar Processing (FHPP) ...................................................... 12
2.2.3 Friction Pull Plug Welding (FPPW) .............................................................. 17
2.2.4 Costura por Atrito ........................................................................................ 18
2.2.5 Vantagens e Aplicações do Processamento de Pinos por Atrito ................ 19
CAPÍTULO 3 – PROJETO DO CILINDRO DE REPARO PORTÁTIL .................................. 21
3.1 Histórico do Equipamento .................................................................................. 21
3.1.1 Equipamento Comercial .............................................................................. 21
3.1.2 Convênio Petrobras – Universidade Federal de Uberlândia ....................... 22
3.1.2.1 Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 1 .......................... 23
3.1.2.2 Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 2 e 3 .................... 26
3.1.2.3 Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 4 .......................... 26
3.2 Projeto do Cilindro de Reparo Portátil .............................................................. 27
3.3 Sistemas de Fixação ........................................................................................... 31
xxii
3.4 Acessórios .......................................................................................................... 36
3.4.1 Mandril e Parafuso para Soldagem por Atrito ............................................. 37
3.4.2 Mandril e Pino para FHPP .......................................................................... 38
3.4.3 Mandril e Pino para FPPW ......................................................................... 39
3.5 Instrumentação ................................................................................................... 40
3.5.1 Sensor de Rotação ..................................................................................... 40
3.5.2 Sensor de Deslocamento ........................................................................... 41
CAPÍTULO 4 – MONTAGEM DOS COMPONENTES ......................................................... 43
4.1 Montagem do Cilindro de Reparo Portátil ........................................................ 43
4.1.1 Ligação Hidráulica ...................................................................................... 44
4.1.2 Instalação dos Sensores ............................................................................ 46
4.2 Montagem dos Dispositivos de Fixação .......................................................... 48
4.2.1 Sistema de Fixação em Dutos .................................................................... 48
4.2.2 Sistema de Fixação em Superfícies Planas ............................................... 51
CAPÍTULO 5 – TESTES DE VALIDAÇÃO .......................................................................... 53
5.1 Testes Iniciais dos Dispositivos de Fixação .................................................... 53
5.1.1 Testes do Sistema de Fixação para Dutos ................................................. 53
5.1.2 Teste do Sistema de Fixação em Superfícies Planas ................................ 54
5.1.2.1 Teste do Sistema Sobre Ventosas – 5 kN ...................................... 54
5.1.2.2 Teste do Sistema Sobre Parafusos Soldados - 40 kN ................... 55
5.2 Ensaios de Soldagem por Atrito ....................................................................... 57
5.2.1 Materiais, Geometrias e Parâmetros .......................................................... 58
5.2.2 Resultados dos Ensaios de Soldagem por Atrito ....................................... 61
5.3 Ensaios de FHPP (Friction Hydro Pillar Processing) ...................................... 62
5.3.1 Materiais, Geometrias e Parâmetros .......................................................... 63
xxiii
5.3.2 Resultados dos Ensaios de FHPP .............................................................. 64
5.4 Ensaios de FPPW (Friction Pull Plug Welding) ................................................ 64
5.4.1 Materiais, Geometrias e Parâmetros ........................................................... 65
5.4.2 Resultados dos Ensaios de FPPW .............................................................. 66
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES ............................................................................................ 69
CAPÍTULO 7 – TRABALHOS FUTUROS ............................................................................ 71
7.1 Desenvolvimento da Costura por Atrito ............................................................ 71
7.2 Melhorias nos Sistemas de Fixação para Superfícies Planas ........................ 72
CAPÍTULO 8 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 75
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Estruturas offshore e navios geralmente são projetados para suportar condições
ambientes extremas durante seu tempo em serviço. Além disto, é prevista uma determinada
vida a fadiga, que costuma ser um múltiplo deste tempo (MOAN; GAO; AYALA-URAGA,
2005).
Os movimentos das ondas introduzem carregamentos e tensões significativas nas
estruturas e levam ao surgimento de trincas de fadiga em conexões soldadas (LOTSBERG;
LANDET, 2005). A Figura 1.1 mostra uma trinca encontrada em um tanque de
armazenamento de petróleo em uma plataforma semi-submersível (FPSO – Floating
Production Storage and Offloading) da Petrobras (SOUZA, 2006).
Figura 1.1: Trinca em tanque de armazenamento de um FPSO da PETROBRAS
(SOUZA, 2006).
Tempestades freqüentes em alto mar também intensificam os efeitos da fadiga e
reduzem a vida útil das estruturas. Entre 1974 e 2004 foram contabilizados mais de um
2
bilhão de dólares em prejuízos causados por falhas mecânicas na indústria offshore na
América do Norte, Europa e Extremo Oriente (KAISER, 2007).
Devido à importância do assunto, inovações têm sido estudadas para viabilizar a
realização de reparos sem a necessidade de paradas de produção nas FPSOs. Enquanto as
técnicas mais comuns são baseadas em solda a arco elétrico, o reparo por atrito tem sido
considerado um método alternativo para ser utilizado em ambientes hostis (áreas com risco
de explosão e espaços confinados). Pelo fato de ocorrer em estado sólido, ou seja, abaixo
da temperatura de fusão, problemas como trincas, porosidades, adsorção de gases e
contaminação são menos críticos ao processo (SALAMA; LOTSBERG, 2004).
O potencial reparo de trincas, mediante soldagem por atrito, também conhecido como
costura por atrito (Stitch Welding), consiste na sobreposição de eventos, realizados através
da técnica de processamento de pinos por atrito, ao longo do comprimento de uma fratura a
ser reparada (PIRES, 2006).
Esta técnica consiste no preenchimento de um furo (cilíndrico ou cônico) por
intermédio da introdução coaxial de um pino consumível, estando este submetido a uma
velocidade de rotação e a esforços de compressão contra a cavidade do furo. Devido ao
calor gerado pela interação entre as superfícies em contato, o material do pino é mantido em
uma condição viscoplástica, permitindo a existência de um fluxo de material que se
desenvolve ao longo da direção axial do consumível, promovendo-se, assim, o completo
preenchimento do furo. Deste modo, longos defeitos podem ser reparados pelo emprego
consecutivo deste procedimento (PIRES, 2007).
Resultados obtidos por Meyer (2001) mostraram que é possível fazer preenchimentos
sem falhas utilizando altas rotações e baixas forças em um equipamento portátil de reparo
por atrito.
Meyer (2004) também estudou a influência dos parâmetros (geometria, força e
rotação) no processamento por atrito em aços, além das pressões e temperaturas
envolvidas, e obteve uniões metalúrgicas sem defeitos.
Os resultados anteriores despertaram o interesse da Petrobras em desenvolver
processos e equipamentos a fim de aplicar essa tecnologia no reparo de suas estruturas
offshore.
Através de convênio firmado entre a Petrobras e a Universidade Federal de
Uberlândia (UFU) foi construída a primeira Unidade de Processamento de Pinos por Atrito -
UPPA1 (SOUZA, 2006), constituída basicamente por uma unidade hidráulica, um cilindro de
reparo e um sistema de controle, conforme pode ser observado na Figura 1.2.
3
Figura 1.2: Esquema ilustrativo da Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 1
(UPPA1).
A UPPA1 foi utilizada por Pires (2007) para realização de estudos de processos com
forças axiais de até 50 kN e torques de até 57 N.m. Parâmetros como geometria, rotação e
força axial foram otimizados para a obtenção de uniões metalúrgicas de qualidade.
Após concluída a otimização dos parâmetros realizada por Pires (2007) foi necessário
iniciar os estudos para transferir a tecnologia ao campo. O primeiro passo consistiu em
reduzir a massa do cilindro de reparo da UPPA1, que foi projetado para funcionar em
laboratório (com massa aproximada de 80 kg). Este é o componente responsável por aplicar
as forças e rotações nos pinos de adição para preenchimento das trincas e é interligado a
uma unidade hidráulica, que fornece a potência e o controle necessários para operação. Ele
é formado basicamente por um motor hidráulico acoplado a um cilindro hidráulico de haste
vazada, onde são acomodados os mancais de rolamentos e o eixo.
Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo apresentar o projeto, a
construção e a validação de um novo cilindro de reparo portátil, que deverá atender as
operações em campo de reparo por atrito. Ele deverá ainda possuir uma funcionalidade
adicional, que é o processamento de pinos por tração, onde o pino consumível é tracionado
através de um furo passante (Figura 1.3). A vantagem deste processo é a facilidade de
fixação do equipamento, pois as forças reativas são de compressão, o que torna mais
simples a ancoragem na superfície a ser reparada.
COMPUTADOR
PAINEL ELÉTRICO CILINDRO DE
REPARO
UNIDADE
HIDRÁULICA
PÓRTICO
4
Figura 1.3: Esquema ilustrativo do processamento de pinos por tração.
Para melhor compreensão, este trabalho foi organizado da seguinte forma:
No Capítulo II é apresentada uma revisão bibliográfica sobre o processamento de
pinos por atrito.
No Capítulo III é apresentado um breve histórico do equipamento e, posteriormente, o
projeto do cilindro, acessórios e dispositivos de fixação.
No Capítulo IV apresentam-se a montagem mecânica, ligação hidráulica e instalação
dos sensores do cilindro.
No Capítulo V são apresentados os testes iniciais de validação do equipamento.
No Capítulo VI apresentam-se as principais conclusões do trabalho.
No Capítulo VII são apresentadas as sugestões para trabalhos futuros e continuação
do desenvolvimento.
No Capítulo VIII, são apresentadas as referências bibliográficas citadas neste
trabalho.
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Soldagem por Atrito
A utilização do atrito como uma fonte termo-mecânica eficiente para unir e processar
materiais na fase sólida vem percorrendo um longo caminho desde a primeira patente
registrada por Bevington ao final do século IX (NICHOLAS, 1999).
A técnica de soldagem por atrito consiste de um processo em estado sólido, que
produz juntas através do movimento relativo entre as superfícies de duas peças sob a ação
de forças compressivas. Por conseguinte, calor é gerado mediante a superação das forças
de atrito, e um deslocamento plástico de material nas superfícies em contato é obtido.
Desse modo, é formada uma união metalúrgica entre as peças. (AWS, 1991).
O método mais utilizado é o rotativo, ilustrado na Figura 2.1, onde uma das partes
permanece fixa enquanto a outra gira ao redor do eixo comum. O metal aquecido é
radialmente extrudado sob a ação da força axial, formando dois anéis a partir do contato
entre as faces em processamento (LEBEDEV; CHERNENKO, 1992).
6
Figura 2.1: Sequência de execução da soldagem por atrito. (A) Rotação de uma das peças;
(B) Início da aplicação de força; (C) Início da união soldada; (D) Solda completada (AWS,
1991).
Ao final do processo, após cessada a rotação, é usual a aplicação de uma força axial
superior àquela aplicada durante a soldagem, denominada força de forjamento, a fim de se
obter melhores propriedades mecânicas na ligação metalúrgica entre as partes (LEBEDEV;
CHERNENKO, 1992)
A porção consumida no comprimento das partes durante o processo é conhecida
como comprimento de queima. Se observada em função do tempo, é chamada de taxa de
queima (MEYER, 2004).
2.1.1 Parâmetros da Soldagem por Atrito
Os principais parâmetros do processo que influenciam na qualidade da junta soldada
são a velocidade de rotação, força axial, taxa de queima, tempo de aquecimento, velocidade
de frenagem e força de forjamento. As três primeiras variáveis são as mais importantes e as
que serão abordadas nesse estudo.
7
Velocidade de rotação: Uma grande faixa de variação deste parâmetro não provoca
alterações significativas na qualidade da solda (AWS, 1991). Apesar disto, a tendência de se
aumentar a velocidade de rotação para gerar mais calor e melhorar a união metalúrgica é
errônea, pois existem velocidades ótimas para cada par de material ou aplicação.
Velocidades baixas até certo ponto são desejáveis para intensificação do processo e
aumento da qualidade da união metalúrgica. A eficiência do processo aumenta com a
redução de perda de calor, que reduz a quantidade de energia utilizada na soldagem (VILL,
1962, citado por MEYER, 2004). Lebedev e Chernenko (1992) indicam velocidades
tangenciais de 1 a 2 m/s.
Força axial: A força axial do processo deve ser suficiente para provocar o íntimo contato
entre as peças, de forma a romper o filme de óxidos e promover a formação da ligação
metálica (AWS, 1991). Seu valor influencia a espessura e características microestruturais da
zona afetada pelo calor (ZAC). Este parâmetro controla também o gradiente de temperatura
na região da solda, a potência requerida do equipamento e a taxa de queima. Apesar disto,
forças axiais extremamente elevadas aumentam significativamente o aquecimento e a taxa
de queima, deixando o processo incontrolável (ELLIS, 1972). A AWS (1991) recomenda a
utilização de maiores forças axiais pois essa condição tende a favorecer a formação de uma
ferrita refinada, em detrimento da ferrita de Widmanstätten, melhorando a tenacidade da
estrutura.
Taxa de queima: A taxa de queima mede a velocidade de consumo do comprimento das
peças durante a soldagem. O comprimento de queima é um parâmetro utilizado no controle
do ciclo de soldagem, indicando o início e o fim do processo. O tempo de aquecimento
também pode ser controlado por este parâmetro. Ellis (1972) demonstrou que maiores
forças axiais e velocidades de rotação aumentam a taxa de queima, e que maiores taxas de
queima também tendem a desenvolver maiores valores de limite de resistência da união.
A relação entre os principais parâmetros do processo foi apresentada por Meyer (2004) e
pode ser observada na Figura 2.2.
8
Figura 2.2: Influência dos parâmetros na soldagem por atrito (MEYER, 2004).
2.1.2 Ciclo da Soldagem por Atrito
O ciclo de soldagem por atrito envolvendo os parâmetros como força axial, velocidade
de rotação, torque e comprimento de queima, de acordo com Meyer (2004), é mais
comumente dividido em quatro fases (Figura 2.3).
9
Figura 2.3: Fases da soldagem por atrito em relação aos parâmetros de processo (MEYER,
2004).
Fase I: No início da Fase I, a área de contato entre as superfícies ainda é pequena e
consequentemente sofre uma severa deformação plástica devido à aplicação da carga axial
do processo (MEYER, 2004). A interação entre as asperidades leva ao “alisamento” das
Comprimento
de Queima
Pressão Axial Torque
Velocidade
de Rotação
Tempo
10
superfícies em contato, e é seguida por eventos de micro-adesão (CROSSLAND, 1971). O
aumento da temperatura devido ao atrito seco leva à formação de filmes de cisalhamento
que, não resistindo à carga axial, distribui a pressão para outras áreas de contato,
aumentando assim o torque. Este fenômeno inicia-se em uma área anular a
aproximadamente dois terços do raio, avançando para o centro da peça e posteriormente
para seu exterior, até que em toda área de contato é formado o filme cisalhante, que é então
extrudado radialmente (LEBEDEV; CHERNENKO, 1992). Nesta fase, inicia-se o consumo
do comprimento das peças. Os contaminantes e resíduos presentes são expelidos para o
exterior da união devido à dinâmica do processo (CROSSLAND, 1971).
Fase II: O campo de temperatura estabiliza-se entre as superfícies em contato e o torque de
atrito decresce (VILL, 1959, citado por MEYER, 2004). A partir deste momento uma taxa de
queima quase-constante se estabelece. A Fase II termina quando o processo alcança os
parâmetros de controle pré-ajustados, como temperatura, comprimento de queima ou um
tempo determinado (MEYER, 2004).
Fase III: Com a redução da rotação, o calor entre as superfícies também é reduzido.
Consequentemente, a resistência ao cisalhamento do material aumenta e o torque alcança
seu segundo pico (CROSSLAND, 1971).
Fase IV: Nesta fase, qualquer material plastificado existente é extrudado para fora da
interface, especialmente se a carga axial for aumentada (CROSSLAND, 1971). Apesar do
mecanismo de ligação metalúrgica iniciar na segunda fase, as ligações não são
homogêneas ao longo da área de contato (VILL, 1959, citado por MEYER, 2004). Assim, a
força de forjamento faz com que as ligações se tornem uniformes. Apesar de ser aceito o
fato de o forjamento melhorar as propriedades mecânicas da união, alguns experimentos
mostram soldas de qualidade obtidas sem o aumento da força após cessada a rotação
(ELLIS, 1972).
2.1.3 Vantagens e Limitações da Soldagem por Atrito
As vantagens e limitações da soldagem por atrito são apresentadas abaixo (MEYER,
2004).
11
Vantagens:
Na maioria dos casos não é necessário o cuidado de limpar as superfícies pois o atrito
tende a destruir, deslocar e finalmente remover camadas superficiais para o anel
extrudado;
Não são necessários materiais de adição, fluxo de material granulado ou gás.
Diferentemente da soldagem a arco, a soldagem por atrito não oferece periculosidade ao
operador, pois não há respingos metálicos, radiação, fumaça tóxica ou perigo de choque
elétrico devido à alta voltagem, arco elétrico ou emissão de faíscas;
Defeitos associados ao fenômeno de fusão e solidificação, como trincas de solidificação
e ligação, porosidades e segregações, não estão presentes na soldagem por atrito, pois
trata-se de um processo em estado sólido;
É possível unir materiais dissimilares com limitada soldabilidade ou impossíveis de
soldar por outros processos;
Projetos simplificados de peças, baixo consumo de energia e ciclo curto de soldagem
tornam o processo eficaz para produzir componentes geralmente unidos através de
outros processos;
O processo pode ser automatizado para produzir soldas de alta qualidade
repetidamente. Equipamentos atuais podem ser operados a distância de 4 km do local
de soldagem, o que torna o processo particularmente viável para aplicações em
ambientes hostis;
O baixo aporte térmico e curto ciclo de soldagem permitem a aplicação em dutos em
operação, linhas de gás e metanol (BLACKEMORE, 1993);
Estreitas Zonas Afetadas pelo Calor (ZAC) estão associadas ao processo;
Operadores não necessitam de habilidade para soldagem;
Na maioria dos casos, a resistência da junta soldada é maior ou igual ao mais fraco dos
materiais a serem soldados.
Limitações:
É necessário que pelo menos uma das partes a serem soldadas seja simétrica em um
de seus eixos;
O processo é limitado para juntas planas e angulares (ou cônicas);
12
O material de uma das partes deve permitir deformação plástica sob as condições de
soldagem empregadas;
Preparação e alinhamento das peças pode ser crítico para a uniformidade do atrito e do
aquecimento nas faces;
O investimento em equipamentos e ferramentas é alto.
2.2 Processamento de Pinos por Atrito
2.2.1 Tapered Plug Welding
Um variante da soldagem por atrito foi apresentada por Andrews e Mitchell (1990)
denominada “Tapered Plug Welding”, desenvolvida pelo do TWI (“The Welding Institute”)
com patrocínio da empresa Chevron UK Ltd. O objetivo era reparar trincas de fadiga em
cordões de solda de estruturas offshore localizadas a mais de 100 m de profundidade. A
técnica consistia em remover o metal defeituoso através da furação e utilizar a soldagem por
atrito para preencher uma cavidade cônica com um pino consumível. A Figura 2.4 ilustra as
etapas do “Tapered Plug Welding”.
Figura 2.4: Ilustração das etapas do “Tapered Plug Welding”.
2.2.2 Friction Hydro Pillar Processing (FHPP)
A partir da técnica descrita na seção anterior, foi criado o processamento de pinos por
atrito, também conhecido como FHPP (Friction Hydro Pillar Processing). Patenteado
através do TWI por THOMAS e outros (1993), o processo também é compreendido pelas
operações de furação e preenchimento, onde um pino consumível é rotacionado e inserido
coaxialmente em uma cavidade circular ou cônica (BLACKEMORE, 1999).
FURO
PINO
FORÇA AXIAL
ROTAÇÃO
13
Caracterizado como um processo de solda por atrito não convencional, o FHPP tem
um restrito número de publicações (PIRES, 2007). Até 1999 apenas 7 referências foram
publicadas, incluindo fontes não revisadas, folhetos informativos e teses. Isto demonstra que
trata-se de um processo em nível embrionário de desenvolvimento e que não é bem
conhecido. Além disto, sua aplicação industrial está limitada pelas políticas de licença do
inventor (TWI), o que torna quase impossível o desenvolvimento de novos campos de
aplicação e a otimização do processo em si (MEYER, 2004). A Figura 2.5 apresenta um
esquema ilustrativo do processo.
Figura 2.5: Esquema ilustrativo do processamento de pinos por atrito (NICHOLAS, 1999)
Diferentemente do “Tapered Plug Welding”, o FHPP utiliza furos não passantes, de
modo que o trabalho termomecânico do consumível acontece ao longo de sua seção
transversal, e não somente nas laterais (PIRES, 2007).
À medida que o pino toca o fundo da cavidade, o aquecimento gerado pelo atrito entre
as superfícies resulta em um fluxo visco-plástico ao longo de planos de cisalhamento na
base do consumível. Através da escolha apropriada da pressão axial e velocidade de
rotação, os planos de cisalhamento são induzidos a mover-se axialmente, de forma que o
material de adição entre em contato com a parede interna da cavidade. O atrito gerado por
este contato também provoca aquecimento, resultando na ligação metalúrgica entre a
parede e o pino (BLACKEMORE, 1999). A Figura 2.6 ilustra a fase de preenchimento da
cavidade no processo FHPP.
PINO CONSUMÍVEL
ZONA DE
DEFORMAÇÃO
PLÁSTICA
MATERIAL
PROCESSADO DO
PINO
14
Figura 2.6: Fase de preenchimento do processo FHPP (PINHEIRO et al., 2001).
O pino consumível sofre um significativo trabalho a quente, resultando em uma
microestrutura refinada e tratada termicamente (BLACKEMORE, 1999). As microestruturas
resultantes em diferentes regiões podem ser observadas na Figura 2.7.
Figura 2.7: Microestruturas de um furo preenchido por atrito, com a inserção de um pino de
aço carbono em um substrato de aço Cr-Mo (BLACKEMORE, 1999).
As microestruturas mostradas na Figura 2.7 acima podem ser entendidas da seguinte
forma:
a – Material base original;
b – Zona afetada pelo calor (ZAC), adjacente à linha de união metalúrgica;
15
c – ZAC do material base;
d – Material original do pino;
e – Material forjado com granulometria fina na região de transformação;
f e g – Granulometria refinada, completamente transformada no processo de
preenchimento.
h – Linha da união metalúrgica entre o consumível e o material base;
Geometrias
Além da geometria cilíndrica inicialmente estudada, estão sendo desenvolvidas
cavidades e pinos com geometrias cônicas para aplicação em materiais de difícil
processamento sob temperaturas de forjamento (THOMAS; NICHOLAS, 1996). Autores têm
obtido uniões metalúrgicas de boa qualidade em ligas de alumínio (THOMAS; NICHOLAS,
1996) e em aços (ANDREWS; MITCHELL, 1990; MEYER, 2004; SALAMA; LOTSBERG,
2004; PIRES, 2007; FRANCO, 2009). A Figura 2.8 ilustra um processamento de pinos por
atrito realizado com geometrias cônicas (PIRES, 2007).
Figura 2.8: Processamento por atrito utilizando geometrias cônicas (PIRES, 2007).
Materiais
Aplicações em diferentes materiais também vêm sido desenvolvidas. Andrews e
Mitchell (1990) utilizaram o processo “Tapered Stud Welding” em chapas de C-Mn (BS 4360
50D) e pinos de C-Mn (BS 2772 150 M19). Eles compararam a resistência à fadiga entre
preenchimentos realizados em ambientes secos e submersos. As amostras submersas
mostraram menor resistência devido a presença de regiões de maior dureza na
microestrutura da interface.
PINO
CONSUMÍVEL
MATERIAL DE
BASE
16
Posteriormente, iniciaram-se os estudos de diferentes materiais com o processo
FHPP. Meyer et al. (2001) obteve preenchimentos de boa qualidade com o aço AISI 1015
(DIN 1.0037), demonstrando que é possível a obtenção de preenchimentos sem defeitos,
utilizando altas rotações e baixas forças em um equipamento portátil.
O processo FHPP foi testado em estruturas semelhantes às utilizadas em FPSOs
(SALAMA; LOTSBERG, 2004). Foi verificado que a vida à fadiga dos reparos realizados por
atrito ficou próxima dos valores testados com o material de base.
Os aços C-Mn API 5L X65 e S235 foram processados por Meyer (2004), que estudou
o mecanismo de união de preenchimentos e também a influência de parâmetros e
geometrias na distribuição das forças e temperaturas no processo. Ele verificou que a união
metalúrgica acontece sob pressões menores do que o esperado, e que a influência dos
parâmetros na geração de calor e na qualidade da união é semelhante ao que já é
conhecido na soldagem por atrito.
Ambroziac e Gul (2007) otimizaram os parâmetros do FHPP para o aço S355 a fim de
maximizar o diâmetro do consumível. Para diâmetros de até 12 mm, foram obtidos
preenchimentos de boa qualidade. Acima deste valor, defeitos de união foram identificados.
Pires (2007) otimizou os parâmetros e geometrias do FHPP em aços de baixo
carbono ABNT 1010 e ASTM A36. Foram realizados ensaios com seis diferentes pares de
geometrias entre pinos e substratos. Com a melhor geometria e com os parâmetros mais
indicados foram obtidos dobramentos a 180° em amostras preenchidas (Figura 2.9).
Figura 2.9: Dobramento a 180° em amostra de FHPP (PIRES, 2007).
Pinos de aço inoxidável AISI 316L foram utilizados por Franco (2009) para preencher
furos em chapas de aço ASTM A36. Ele verificou que, nos pinos, não ocorreu transformação
da matriz austenítica em outras fases. Já, no aço carbono, foi observada a formação de uma
17
microestrutura refinada de ferrita acicular e de Widmanstaten na ZAC. A Figura 2.10 ilustra
um preenchimento de um pino de aço inoxidável AISI 316L em um substrato de ASTM A36.
Figura 2.10: Pino de AISI 316L processado por atrito em substrato de ASTM A36 (FRANCO,
2009).
Unfried et al. (2009) estudou a influência da força axial e temperatura de
preaquecimaento na Zona Termo-Mecanicamente Afetada (ZTMA) em preenchimentos
utilizando aços C-Mn. Os resultados mostraram que a dureza, a fração de martensita e a
presença do constituinte "austenita retida - martensita" aumentam com o aumento da força
axial. O valor de microdureza diminuiu com a aplicação do preaquecimento.
Substratos de aço fundido ASTM A148 GR 115-95 foram processados com pinos de
ABTN 1010 para simular o reparo em componentes das FPSOs (FERREIRA, 2010). Foram
encontradas trincas nas regiões próximas da interface pino-substrato, indicando que estes
materiais necessitam ser processados com parâmetros específicos (diferentes dos aços de
baixo carbono) ou até não suportam o processamento por atrito.
2.2.3 Friction Pull Plug Welding (FPPW)
A técnica conhecida como Friction Pull Plug Welding é uma variante do
processamento de pinos por atrito (FHPP) que consiste em preencher um furo passante
através da rotação e tração do pino, que é inserido pelo lado oposto de aplicação da força. A
Figura 2.11 ilustra as etapas da técnica.
ASTM A36
AISI 316L
18
Figura 2.11: Etapas do processo FPPW.
O processo foi patenteado por Coletta e Cantrell (2001) e tinha o objetivo de reparar
defeitos em estruturas aeronáuticas. Não foram encontradas bibliografias em domínio
público referente a esta técnica, a não ser as patentes dos autores citados.
2.2.4 Costura por Atrito
A sobreposição de vários preenchimentos por atrito ao longo do comprimento de um
defeito é conhecida como costura por atrito ou Friction Stitch Welding. Esta operação pode
ser observada na Figura 2.12.
Figura 2.12: Princípio do processo de costura por atrito.
O processo foi apresentado inicialmente como sobreposições de preenchimentos do
tipo Tapered Plug Welding (ANDREWS; MITCHELL, 1990). Posteriormente, foi testado com
o FHPP (MEYER, 2001), e operado por um sistema robotizado visando a aplicação em
estruturas submersas. Salama e Lotsberg (2004) preencheram trincas em estruturas
19
semelhantes às encontradas em FPSOs e avaliaram sua resistência à fadiga. Meyer (2004)
estudou a microestrutura da costura por atrito nas áreas de sobreposição do processo.
Amostras transversais de raiz com dobramento a 180º (Figura 2.13) foram obtidas por Pires
(2007).
Figura 2.13: Amostra transversal de raiz com dobramento a 180° (PIRES, 2007).
2.2.5 Vantagens e Aplicações do Processamento de Pinos por Atrito
Apesar de ainda estar em desenvolvimento, o FHPP já se mostra promissor para
união e reparo em placas espessas de materiais ferrosos e não ferrosos, inclusive podendo
ser aplicado no reparo de componentes em usinas nucleares (DELANY et al., 2005).
Semelhantemente ao processo convencional de soldagem por atrito, o
processamento por atrito pode ser automatizado e os equipamentos podem trabalhar à
distância de até 4 km do local a ser reparado, facilitando as operações em áreas
classificadas. O baixo aporte térmico e curto tempo de soldagem permitem que ele seja
aplicado sobre linhas em operação sem risco de explosão, não exigindo a parada de
produção de plantas offshore ou instalações petroquímicas (BLACKEMORE, 1999).
Em resumo, pode-se dizer que o processo de costura por atrito apresenta as
seguintes vantagens em relação ao preenchimento por soldagem a arco elétrico (PINHEIRO
et al., 2001):
Não é requerida atenção especial com a preparação da superfície, uma vez que o
processo é considerado auto-limpante e tende a expulsar impurezas;
O processo em si não é prejudicial à saúde do operador já que não há fagulhas,
radiação ou fumaça tóxica envolvidas;
20
Fluxo e gás de proteção não são necessários;
Defeitos associados à solidificação do material, como porosidade, segregação e trincas
(principalmente em aços com alto teor de fósforo e enxofre), não ocorrem, já que o
processo acontece no estado sólido;
Menores custos de mão de obra e energia e ciclos rápidos de soldagem tornam o
processo viável para a construção de componentes normalmente fabricados por outros
processos de soldagem;
O processo pode ser automatizado e é capaz de reproduzir soldas com alta qualidade e
repetibilidade, podendo ainda ser operado a grandes distâncias da base, fazendo com
que seja particularmente adequado para aplicações remotas em ambientes hostis;
A baixa quantidade de energia cedida à peça, juntamente com os ciclos rápidos de
soldagem (alta taxa de transferência do consumível), permite sua aplicação no reparo de
oleodutos, linhas de gás e componentes de instalações offshore ou petroquímicas em
operação, com segurança.
CAPÍTULO 3
PROJETO DO CILINDRO DE REPARO PORTÁTIL
3.1 Histórico do Equipamento
3.1.1 Equipamento Comercial
O primeiro equipamento portátil desenvolvido para executar reparo por atrito em
campo foi o HMS3000 da empresa Circle Technical Services Ltd (Escócia). Apresentado em
1991 após ter passado por várias melhorias, já foi utilizado para realizar soldas por atrito no
Mar do Norte e a oeste de Shetland a 395 m de profundidade (BLACKEMORE, 2000).
Constituído de três módulos principais (carretel de mangueiras, contêiner de solda por
atrito e unidade hidráulica), ele permite operação a distância de até 4 km. O cilindro de
reparo é acoplado ao contêiner de solda por atrito e é o responsável por aplicar a força e
rotação necessárias para o processamento dos pinos. A Figura 3.1 ilustra o equipamento,
com detalhe ao cilindro de reparo portátil.
22
Figura 3.1: Equipamento de reparo portátil HMS 3000 (www.circletechnical.com).
O cilindro de reparo possui 600 mm de comprimento e 160 mm de diâmetro (MEYER,
2004) e é operado hidraulicamente com 50 kW de potência, podendo aplicar 40 kN de força
axial e 8.000 rpm (MEYER, 2001). O processo é controlado por um computador que recebe
as leituras de deslocamento e rotação de sensores embutidos no cilindro (MEYER, 2004).
Ele tem sido utilizado por centros de pesquisa como o TWI na Inglaterra e o GKSS
(Forschungszentrum) na Alemanha, e é oferecido comercialmente pelo fabricante Circle
Technical Service Ltd.
3.1.2 Convênio Petrobras – Universidade Federal de Uberlândia
Motivada pelos resultados obtidos nas pesquisas da técnica de reparo por atrito, a
Petrobras celebrou um convênio com o Laboratório de Tecnologia em Atrito e Desgaste –
UFU para desenvolver a tecnologia a fim de aplicá-la no reparo de suas estruturas.
CONTÊINER DE
SOLDA POR ATRITO
CARRETEL DE
MANGUEIRAS
UNIDADE
HIDRÁULICA
CILINDRO DE
REPARO
23
3.1.2.1 Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 1
A partir deste convênio foi desenvolvida, projetada e construída a primeira Unidade de
Processamento de Pinos por Atrito - UPPA1 (Figura 3.2) com capacidade de aplicar 50 kN
de força axial e 8.000 rpm (SOUZA, 2006).
(a) (b)
Figura 3.2: Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 1 (UPPA1); a) Unidade hidráulica
e bloco de válvulas, b) Cilindro de reparo acoplado ao pórtico.
O equipamento é constituído por quatro componentes principais, a saber: unidade
hidráulica, bloco de válvulas, cilindro de reparo e sistema de controle:
CILINDRO
DE REPARO
UNIDADE
HIDRÁULICA
PÓRTICO
BLOCO DE
VÁLVULAS
24
Unidade Hidráulica A unidade de 400 litros é composta basicamente de duas
bombas hidráulicas. A primeira, acoplada a um motor elétrico
de 100 cv, fornece 99 l/min a 350 bar para rotação do cilindro
de reparo. A segunda, com um motor elétrico de 2 cv, conduz
sua translação com 5 l/min a 120 bar.
Bloco de Válvulas O bloco é responsável por regular o fluxo e a pressão do óleo
que unidade hidráulica gera para o cilindro de reparo. Ele é
constituído por válvulas proporcionais servo controladas e
sensores que monitoram as pressões na entrada e saída do
cilindro de reparo.
Cilindro de Reparo É um cilindro hidráulico de haste vazada acoplado a um
motor hidráulico. Os dois componentes geram a força axial e
simultaneamente o torque para atender as operações de
solda e reparo. Sensores acoplados transmitem os dados de
deslocamento e rotação ao sistema de controle.
Sistema de Controle O controle é realizado via "hardware" com cartões analógicos
PID (Proporcional Integral Derivativo). A Figura 3.3 apresenta
a concepção do sistema de controle. Os sinais adquiridos
pelos sensores no cilindro de reparo e no bloco de válvulas
são processados por um computador (plataforma de controle
em Labview
®
) e os parâmetros da operação são corrigidos
pelo sistema de malha fechada que atua nas válvulas
proporcionais. A variável de controle é o comprimento de
queima, que dita o início e o fim do processo. Os valores de
rotação e força podem ser alterados em qualquer momento
da operação e podem ser acompanhados juntamente com
outras variáveis na tela do computador em tempo real (Figura
3.4).
25
Figura 3.3: Fluxo de informações dos sinais analógicos de controle e monitoração das
variáveis do processo (SOUZA, 2006).
Figura 3.4: Interface gráfica do programa de controle do equipamento.
26
A UPPA1 foi utilizada por Pires (2007) para realização de estudos de processos com
forças axiais de até 50 kN e torques de até 57 N.m. Parâmetros como geometria, rotação e
força axial foram otimizados para a obtenção de uniões metalúrgicas de boa qualidade.
3.1.2.2 Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 2 e 3
Com o objetivo de explorar melhor o processamento de pinos por atrito foi
desenvolvida uma segunda versão (UPPA2) com capacidade de força axial de 250 kN e
rotação de 2500 rpm (Figura 3.5). Para simular situações de campo, onde a unidade
hidráulica trabalha a uma determinada distância do local de reparo, foram instalados 60 m
de mangueira hidráulica entre o bloco de válvulas e a unidade.
Figura 3.5: Unidade hidráulica e cilindro de reparo da UPPA2.
Posteriormente foi construída uma terceira unidade (UPPA3) com capacidade de 500
kN de força axial e 1400 rpm. Esta unidade foi desenvolvida especificamente para ensaios
de laboratório, podendo realizar preenchimentos também em dutos.
3.1.2.3 Unidade de Processamento de Pinos por Atrito 4
Tendo em vista a aplicação da técnica em campo, foi concebida uma quarta unidade
(UPPA4). O foco principal do desenvolvimento foi a portabilização do cilindro de reparo,
pois, este mesmo componente na UPPA1, tem 80 kg, o que dificulta sua manipulação em
campo.
CILINDRO DE
REPARO
UNIDADE
HIDRÁULICA
MANGUEIRAS
(60 METROS)
PÓRTICO
27
Foi planejado, portanto, desenvolver um cilindro de reparo portátil a ser conectado à
unidade hidráulica da UPPA1 a fim de se utilizar todo sistema hidráulico e de controle já
testados e em funcionamento. A Figura 3.6 ilustra a concepção da UPPA4.
A Figura 3.6: Concepção da quarta unidade de processamento de pinos por atrito (UPPA4).
3.2 Projeto do Cilindro de Reparo Portátil
Para ser considerado portátil, foi definido que o cilindro de reparo deveria ter sua
massa limitada em aproximadamente 23 kg. Suas dimensões deveriam ficar próximas às
dimensões do equipamento da empresa Circle Technical Services Ltd, as quais já se
mostraram aceitáveis para aplicação em campo. O cilindro deveria atender às operações de
soldagem e reparo por atrito através da compressão e tração de pinos (FHPP e FPPW) com
força axial de até 40 kN, torque de 88 Nm e rotação de 5000 rpm. Deveria também suportar
pressão em ambiente submerso em água do mar de 3 bar (30 m de profundidade).
Finalmente, por ser um equipamento a ser manipulado por pessoas, definiu-se um
coeficiente de segurança 3 para as tensões máximas permitidas (Von Mises). A Tabela 3.1
resume as premissas do projeto.
COMPUTADOR
(UPPA1)
PAINEL ELÉTRICO
(UPPA1)
CILINDRO DE
REPARO PORTÁTIL
UNIDADE HIDRÁULICA
(UPPA1)
28
Tabela 3.1: Premissas de projeto do cilindro de reparo portátil.
Massa 23 kg
Dimensões aproximadas Comprimento: 600 mm
Diâmetro: 160 mm
Operações atendidas Soldagem por atrito/furação
FHPP
FPPW
Parâmetros de funcionamento Força axial: 40 kN
Torque: 88 N.m
Rotação: 5.000 rpm
Curso do cilindro: 60 mm
Ambiente de operação Submersão em água do mar
Profundidade: 30 m
Pressão: 3 bar
Coeficiente de segurança 3
O que diferencia esta versão das anteriores é basicamente a redução da massa para
portabilização e a flexibilidade de execução de reparos através da tração de pinos. Como o
processo de reparo é precedido da etapa de furação, espera-se também utilizar este cilindro
para esta operação.
O projeto previu a utilização de ligas de aço e alumínio, com tratamento térmico e/ou
termomecânico, para a obtenção de maiores níveis de resistência mecânica específica
visando uma redução de massa. Para atender os parâmetros do processamento de pinos
por atrito foi concebido um cilindro hidráulico de 40 kN e haste vazada, sendo seu interior
constituído de um sistema rotativo (eixo e rolamentos), conforme mostrado na Figura 3.7. Na
extremidade da haste foi acoplado um motor hidráulico, que transmite ao eixo 88 N.m de
torque e 5.000 rpm. Deste modo, foi possível a obtenção simultânea de força axial e
rotação.
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30
O método de fixação previsto para o cilindro foi através de parafusos de corpo
retificado, solicitados por tensões de cisalhamento. Para fixação destes parafusos foram
realizadas as respectivas furações nos cabeçotes. Por medida de segurança e facilidade de
fixação, o sistema foi projetado de modo que apenas o cabeçote inferior suporte os esforços
da operação. Apesar disto, os furos no cabeçote superior também podem ser utilizados
como complemento da fixação ou simplesmente para alinhamento. A Figura 3.8 ilustra a
montagem do cabeçote inferior com os parafusos de corpo retificado.
Figura 3.8: Montagem do cabeçote inferior com parafusos de corpo retificado.
Este tipo de fixação atende aplicações por compressão e tração, além de possibilitar o
posicionamento em diferentes ângulos em relação a superfícies planas. A saída de óleo do
cabeçote inferior foi transferida para o cabeçote superior para facilitar seu encaixe nas
futuras estruturas de fixação.
Como a fixação do cilindro é realizada apenas pelos cabeçotes, a haste pode
apresentar alguma rotação gerada pelo torque do consumível, que é transmitido através do
eixo e do motor hidráulico. Este movimento foi bloqueado pelo “apoio do motor”, que é
fixado na haste com um pino inserido radialmente. Duas chavetas posicionadas em seu
diâmetro externo deslizam em rasgos existentes numa peça aparafusada ao cabeçote
superior. A Figura 3.9 ilustra o sistema de travamento adotado.
PARAFUSOS DE
CORPO RETIFICADO
CABEÇOTE
INFERIOR
HASTE
EIXO
31
Figura 3.9: Sistema de restrição da rotação da haste.
3.3 Sistemas de Fixação
3.3.1 Sistema de Fixação em Dutos
Com o objetivo de aplicar a técnica de reparo por atrito em linhas de condução de
óleo, gás e derivados, foi desenvolvida uma base de alumínio para fixar o cilindro de reparo.
Foi projetada uma placa onde são acoplados o cabeçote inferior e os parafusos. Ela
possui um furo que alinha o cilindro de reparo portátil em relação à superfície do duto, de
modo que sua posição esteja sempre perpendicular a esta. Os parafusos de corpo retificado
são inseridos no corpo da placa, a fim de reagir aos esforços de processamento. Para o
apoio nos dutos foram desenvolvidas bases que são fixadas na placa através de parafusos.
A Figura 3.10 ilustra a montagem do conjunto.
CHAVETA
MOVIMENTO DA CHAVETA
E HASTE
32
(a) (b)
Figura 3.10: (a) montagem do cilindro de reparo portátil na base de fixação para dutos; (b)
montagem das bases de apoio.
O perfil das bases foi projetado de modo a permitir o apoio em dutos de vários
diâmetros, conforme ilustrado na Figura 3.11.
Figura 3.11: Base de apoio sobre vários diâmetros de dutos.
PARAFUSOS DE
CORPO RETIFICADO
CABEÇA DE REPARO
PORTÁTIL
PLACA
BASES DE APOIO
DUTO
BASE DE APOIO
33
A fixação de todo o conjunto sobre o duto é realizada com a utilização de duas cintas
de poliéster que envolvem a base e o duto, e são tensionadas através de catracas (Figura
3.12). Cada cinta foi especificada para suportar 40 kN. A razão de adquiri-las com o dobro
da capacidade requerida para o ensaio foi o aumento da rigidez de fixação.
Figura 3.12: Cintas com catraca para auxiliar na fixação do cilindro de reparo em dutos.
3.3.2 Sistema de Fixação em Chapas Planas
O desenvolvimento do sistema de fixação do cilindro de reparo foi realizado mediante
parceria com a empresa Engemovi.
Devido às altas forças envolvidas no processo de reparo de trincas por atrito, a
fixação em superfícies planas foi concebida para funcionar em duas etapas:
a) Primeiramente é realizada a fixação do cilindro de reparo através de ventosas
ligadas a um sistema de vácuo e, com esta fixação, são soldados, por atrito, parafusos na
superfície a ser reparada utilizando baixas forças. Para isto, o sistema de ventosas foi
dimensionado para suportar forças axiais de até 5 kN;
b) Posteriormente, o cilindro de reparo é posicionado sobre os parafusos
anteriormente soldados, que são dimensionados para suportar os esforços do
preenchimento (força axial de 40 kN e torque de 88 N.m).
Para atender as etapas, foi concebida uma estrutura constituída por braços e fusos
mecânicos, adaptável para fixar o cilindro de reparo e oferecer duas possibilidades de
fixação na superfície: sobre ventosas e sobre pinos roscados soldados por atrito.
34
A Tabela 3.2 lista as premissas definidas para o projeto.
Tabela 3.2: Premissas de projeto da fixação em chapas planas.
Capacidade de carga do sistema fixado por ventosas 5 kN
Capacidade de carga do sistema fixado por parafusos 40 kN
Distância mínima de uma parede 325 mm
Raio de curvatura mínimo 2 m
Erro máximo de planicidade 5 mm / Ø500 mm
Máxima rugosidade 200 μm
Vazão máxima de vazamento das ventosas 3,5 m³/h
Alimentação da unidade geradora de vácuo Elétrica
Ar comprimido
Distância entre a unidade geradora de vácuo e base 10 m
O objetivo da estrutura é servir como base para fixação do cilindro de reparo e
também portar as ventosas, através das quais, juntamente com o sistema de geração de
vácuo, fixam todo o sistema na superfície a ser trabalhada. A Figura 3.13 mostra o modelo
em CAD da estrutura com ventosas para fixação do cilindro de reparo portátil.
Foi selecionada uma liga de alumínio para a maioria dos componentes, com o objetivo
de minimizar sua massa e facilitar o transporte e o manuseio.
Para fixação, ventosas com borracha de silicone e com lábios duplos foram
especificadas com o objetivo de melhorar a vedação com a superfície e minimizar
vazamentos.
Fusos de ajuste foram projetados para permitir a regulagem da orientação do cilindro
de reparo em relação à superfície de trabalho. Uma liga de bronze foi selecionada para
reduzir o atrito e facilitar os ajustes durante a operação. Através dos fusos, juntamente com
a alteração da distância entre as ventosas, é possível o ajuste da altura de trabalho com
relação à superfície.
35
Figura 3.13: Estrutura com ventosas para fixação do cilindro de reparo portátil.
Uma unidade, a ser montada sobre um quadro com rodas, foi desenvolvida para
geração do vácuo de sustentação das ventosas.
Esta unidade foi projetada para suportar a sucção de líquidos e gases. O sistema tem
um pulmão com função capacitiva e de separação de liquido e vapor. Para líquido e vapor
foram especificadas duas bombas específicas. Como redundância, foi selecionado um
gerador de vácuo por ar comprimido com o objetivo de manter a base fixada em caso de
interrupção da alimentação elétrica.
A Figura 3.14 ilustra a concepção do sistema.
FUSO DE AJUSTE
VENTOSAS
VÁLVULAS
CHAPA
36
Figura 3.14: Concepção da unidade geradora de vácuo.
O projeto elétrico visou a alimentação e o comando das bombas. Também foi previsto
um sistema paralelo de geração de vácuo através de ar comprimido. A lógica de comando
das bombas foi baseada em um controle de nível para desligar a bomba de líquido, caso o
nível atinja o ponto mínimo e para desligar a bomba de vapor caso o nível atinja o ponto
máximo. Foi selecionada uma válvula solenóide para fazer a ligação do ar comprimido, na
posição normalmente aberta, para, no caso de falta de alimentação elétrica, o sistema entrar
imediatamente. Este dispositivo foi concebido para entrar em auxílio às bombas caso a
pressão se eleve muito, o que comprometeria a capacidade de força das ventosas.
3.4 Acessórios
Para atendimento das diferentes operações de processamento por atrito, foram
desenvolvidos mandris específicos a fim de fixar os consumíveis. Foi selecionado um aço
ligado com tratamento térmico para obtenção de maior resistência mecânica e durabilidade
das partes.
BOMBA
DE ÁGUA
PAINEL
ELÉTRICO
BOMBA
DE VÁCUO
RESERVATÓRIO
ESTRUTURA
COM VENTOSAS
SENSORES DE NÍVEL
GERADOR DE VÁCUO
POR AR COMPRIMIDO
37
3.4.1 Mandril e Parafuso para Soldagem por Atrito
Como foi descrito anteriormente, a primeira fase da fixação do cilindro em superfícies
planas será realizada através de ventosas, que auxiliarão na soldagem por atrito de pinos
roscados. Estes, por sua vez, serão utilizados para suportar os esforços máximos do
processamento.
Assim, foi projetado um pino roscado com uma ponta lisa e angular. Esta ponta sem
rosca é a porção a ser consumida durante a soldagem por atrito, conforme pode ser
observado na ilustração da Figura 3.15.
Figura 3.15: Ilustração do processo de solda por atrito de pinos roscados em superfícies
planas.
Um mandril roscado foi concebido para fixar o pino durante o processo. Um colar foi
inserido no pino para facilitar sua fixação no mandril e evitar que o material processado
desloque em direção aos fios de rosca. A Figura 3.16 ilustra a sequência de acoplamento e
soldagem concebido para o mandril e o pino roscado. Após a soldagem, o mandril deve ser
girado em sentido oposto de modo a desenroscar-se do pino.
38
Figura 3.16: Ilustração da sequência de acoplamento e soldagem por atrito de pinos
roscados em superfícies planas.
3.4.2 Mandril e Pino para FHPP
Para testes laboratoriais na UPPA1, é utilizada uma placa de três castanhas para
sujeição de pinos a serem processados por atrito, cujo aperto não garante a transmissão do
torque. Assim, um ponto de solda é colocado na lateral do pino para que uma das castanhas
o arraste, e, com isto, o torque seja transmitido. A placa de três castanhas é um componente
grande e pesado porque é adaptável a uma gama muito grande de diâmetros. Para este
projeto, massa e dimensões elevadas causam inconvenientes no intuito de promover a
compactação para aplicação em campo. Por este motivo, foi desenvolvido um sistema de
fixação mais compacto. Antecipando a possibilidade de automação do processo, projetou-se
um mandril magnético que é rosqueado na extremidade do eixo do cilindro e fixa o pino
consumível através de um imã. Um pino é responsável por suportar o torque gerado no
processo (Figura 3.17).
MANDRIL
PINO
ROSCADO
39
Figura 3.17: Conjunto de fixação de pinos consumíveis para FHPP.
Com estas geometrias, o pino consumível pode ser facilmente posicionado no mandril
e diretamente processado. Após o preenchimento, como o pino se encontra soldado à
superfície, basta que o cilindro de reparo retorne à sua posição original para que haja o
desacoplamento.
3.4.3 Mandril e Pino para FPPW
Para operações de preenchimento através da tração de pinos (FPPW), foi
desenvolvido um mandril com rosca em sua extremidade. Os esforços de tração são
suportados pela rosca e o torque é transmitido através de um pino (Figura 3.18).
MANDRIL
PINO ÍMÃ
PINO
CHAVETA
40
Figura 3.18: Conjunto de fixação de pinos consumíveis para preenchimento por tração
(FPPW).
O pino consumível é inserido no mandril através do rosqueamento e, posteriormente,
é posicionado o pino de travamento, que também é fixado no mandril através de uma rosca.
Após o processamento, o travamento é retirado e o mandril desenroscado do consumível.
3.5 Instrumentação
3.5.1 Sensor de Rotação
A medição de rotação no cilindro de reparo da UPPA1 é realizada através de um
sensor indutivo e uma roda dentada, através dos quais um sinal pulsado é gerado e
posteriormente condicionado e processado pelo sistema de controle.
Para o cilindro de reparo portátil foi selecionado um sensor também indutivo, porém
com menores dimensões. O sinal pulsado é gerado através de furos radiais posicionados ao
longo do diâmetro externo do acoplamento.
O sensor indutivo é posicionado radialmente na peça de fixação do motor hidráulico
através de um sistema de montagem com parafuso e o´ring de vedação. Um parafuso com
um furo central (porta sensor) é inserido em um furo cônico. Um o´ring posicionado entre as
partes, quando pressionado através do rosqueamento do porta sensor, deforma radialmente
em direção ao centro do furo, forçado pela geometria cônica convergente. Posicionando o
sensor no eixo central das peças, ele resiste à deformação da vedação e é fixado pela
MANDRIL
PINO
41
pressão de contato. Ao mesmo tempo, esta pressão serve para vedar o sistema contra a
entrada de água na haste do cilindro. A Figura 3.19 ilustra o sistema de fixação do sensor
descrito anteriormente.
Figura 3.19: Sistema de fixação do sensor de rotação.
Foi prevista a utilização de vedante à base de silicone para realizar o isolamento da
conexão elétrica do sensor para a submersão. Esta é uma solução simples e que atende a
pressão de 3 bar.
3.5.2 Sensor de Deslocamento
Um sensor de deslocamento potenciométrico semelhante ao utilizado no cilindro de
reparo da UPPA1 foi selecionado devido à sua alta precisão e também linearidade do sinal.
Comparado a um LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) para um curso de 60
mm, suas dimensões são significativamente menores. Seu princípio de funcionamento é a
variação da resistência interna de acordo com deslocamento linear de um cabo, enrolado
em um tambor. Esta variação é lida por um sensor e processada por um condicionador de
sinais. A Figura 3.20 ilustra o sensor e sua concepção.
PORTA
SENSOR
SENSOR
ACOPLAMENTO
ORING
ORINGDEFORMADO
APOIO DO
MOTOR
SINAL PULSADO
T
42
(a) (b)
Figura 3.20: (a) sensor de deslocamento potenciométrico; (b) concepção do sensor.
Como não foram encontrados sensores com grau de proteção para imersão em água
(IP68) foi projetado um dispositivo com vedações de borracha nitrílica para permitir tal
operação. Desta forma, o sensor pode operar normalmente em até 3 bar.
O porta sensor funciona de maneira semelhante a um cilindro hidráulico, onde a haste
desloca-se internamente à camisa, guiada por o´rings de vedação. As outras partes são
soldadas de modo a não permitir passagem de água. Uma tampa com vedação protege o
corpo do sensor, que é montado em um encaixe com sua geometria.
O porta sensor é fixado no apoio do motor e na camisa do cilindro, através dos quais
o movimento relativo é medido. A Figura 3.21 ilustra a montagem.
Figura 3.21: Montagem do porta sensor no cilindro.
CORPO DO SENSORCABO
PORTA SENSOR
CAPÍTULO 4
MONTAGEM DOS COMPONENTES
4.1 Montagem do Cilindro de Reparo Portátil
Os sistemas de rotação e translação foram montados pelo próprio fabricante do
cilindro, de acordo com os desenhos técnicos fornecidos pela Universidade Federal de
Uberlândia. Após a montagem foram realizados testes específicos de funcionamento, onde
foi verificada a movimentação do sistema de translação de acordo com o fluxo de óleo
especificado.
Foi experimentalmente encontrada também a faixa de pressão de funcionamento,
cujos valores foram estabelecidos entre 8 bar e 200 bar. A estanqueidade das vedações foi
testada com 260 bar de pressão (30% acima da pressão de funcionamento) e o sistema de
rotação foi acionado através do motor hidráulico para verificação do alinhamento do eixo e
rolamentos. Estes testes foram realizados na bancada do fornecedor do cilindro.
A massa e as dimensões finais do cilindro de reparo ficaram significativamente abaixo
das premissas de projeto. O comprimento de 530 mm, incluindo o motor hidráulico, ficou 70
mm abaixo do especificado, e o diâmetro de 130 mm também ficou com 30 mm a menos. O
valor da massa, que era o parâmetro mais preocupante, por se tratar de um projeto de um
equipamento portátil, foi de 15 kg - equivalente a 35% a menos que o especificado. A
superação das metas foi alcançada através da utilização de materiais especiais, com alta
resistência mecânica e baixo peso. Além disto, a otimização do projeto realizada através do
método de elementos finitos, utilizando um “software” comercial, permitiu a redução de
massa em regiões de menor solicitação das peças. A utilização de rolamentos de rolos
cônicos foi o item primordial para redução do diâmetro do cilindro.
44
O cilindro montado pode ser observado na Figura 4.1.
Figura 4.1: Cilindro de reparo portátil montado.
4.1.1 Ligação Hidráulica
Para alimentação hidráulica do cilindro de reparo foram selecionadas mangueiras com
diâmetro mínimo recomendado pelo fabricante, com objetivo de minimizar a massa do
conjunto.
Foi determinada uma distância de 10 m entre o cilindro de reparo portátil e o bloco de
válvulas, o que ditou o comprimento das mangueiras adquiridas. A mangueira de dreno do
motor foi ligada diretamente ao tanque da unidade hidráulica, pois seu fluxo hidráulico não
exige controle através do bloco.
Foi identificado durante a montagem que a distância entre a saída e a entrada de óleo
do motor causava uma interferência entre os sextavados das conexões. Assim, foi fabricado
um prolongador para defasar as duas peças. Buchas de alumínio também foram fabricadas
para vedar as conexões. A ligação hidráulica do motor pode ser observada na Figura 4.2.
HASTE
CABEÇOTE
INFERIOR
SISTEMA DE
TRAVAMENTO
DA HASTE
MOTOR
HIDRÁULICO
EIXO
CABEÇOTE
SUPERIOR
APOIO DO
MOTOR
Ø 130 mm
530 mm
45
Figura 4.2: Detalhes da ligação hidráulica do motor.
Devido à diferença entre as bitolas já existentes na UPPA1, foi necessário fabricar
algumas conexões para adaptar as novas mangueiras no bloco de válvulas. Para ligação do
sistema de translação, foi necessário fabricar um conector para o terminal da mangueira na
entrada flangeada do bloco. A Figura 4.3 mostra a ligação realizada.
Figura 4.3: Ligação das mangueiras do sistema de translação no bloco de válvulas da
UPPA1.
CONEXÕES
FABRICADAS
BUCHA DE
ALUMÍNIO
MOTOR
HIDRÁULICO
DEFASAGEM
ENTRE
CONEXÕES
CONEXÕES
FABRICADAS
BLOCO DE
VÁLVULAS
(UNIDADE HIDRÁULICA)
46
O processo foi finalizado com a retirada do ar de dentro do cilindro e do circuito
hidráulico. A Figura 4.4 mostra o cilindro de reparo e suas ligações hidráulicas.
Figura 4.4: Ligações hidráulicas do cilindro de reparo portátil.
4.1.2 Instalação dos Sensores
O sensor indutivo foi posicionado radialmente na peça de fixação do motor hidráulico
conforme projetado. A Figura 4.5 mostra o sensor montado no cilindro de reparo portátil.
Figura 4.5: Sensor de rotação montado no cilindro de reparo portátil.
Antes da montagem do sensor de deslocamento em seu suporte (Figura 4.6),
percebeu-se que atrito das vedações durante o movimento linear estava elevado. As
SENSOR
PORTA-
SENSOR
APOIO DO MOTOR
47
tolerâncias dimensionais foram trabalhadas, porém o atrito ainda ficou acima do aceitável.
Com a retirada de mais material, havia o risco de comprometer a eficiência da vedação,
portanto um reprojeto fez-se necessário.
Figura 4.6: Porta-sensor de deslocamento.
Assim, uma adaptação foi realizada para que os ensaios não fossem interrompidos
(Figura 4.7). Foi utilizado um suporte, adquirido juntamente com o sensor, que foi colado na
base de fixação para dutos, onde foram realizados os primeiros testes. O cabo foi fixado no
apoio do motor.
Como o cilindro estava acoplado ao sistema de fixação para dutos, esta instalação
atendeu ao processo, pois o sensor media o deslocamento entre o apoio do motor e a base
de fixação. Apesar disto, os ensaios submersos não puderam ser realizados dentro deste
trabalho, pois o sensor ficaria exposto à água, situação que o danificaria permanentemente.
48
Figura 4.7: Montagem alternativa do sensor de deslocamento.
Como a mesma adaptação não pôde ser realizada no sistema de fixação em
superfícies planas, os ensaios para esta modalidade foram realizados inicialmente sem o
controle de malha fechada.
4.2 Montagem dos Dispositivos de Fixação
4.2.1 Sistema de Fixação em Dutos
O sistema foi confeccionado e montado antes do cilindro de reparo ter sido entregue.
Contudo, a usinagem do furo central da base foi adiada para que ela fosse realizada a partir
das dimensões reais do cabeçote inferior, minimizando assim os erros de ajuste dimensional
e geométrico.
Após a chegada do cilindro de reparo portátil, as dimensões e tolerâncias foram
aferidas e seus valores foram utilizados para a execução da furação da placa de fixação
para dutos. Isto garantiu o ajuste fino do encaixe. A Figura 4.8 mostra sistema de fixação
com o furo central já usinado. Sua massa final ficou em 10 kg.
SENSOR
CABO
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E
c
orpo
u
to de
51
4.2.2 Sistema de Fixação em Superfícies Planas
Após a montagem da estrutura de ventosas, cilindro de reparo foi acoplado, conforme
pode ser observado na Figura 4.12.
Figura 4.12: Montagem do cilindro de reparo sobre a estrutura com ventosas.
O conjunto do cilindro montado com a estrutura de ventosas ficou com uma massa
aproximada de 26 kg.
A unidade geradora de vácuo foi montada sobre um quadro de alumínio com rodas
para facilitar o transporte e manuseio. A estrutura, além da proteção de todo sistema de
geração de vácuo, serviu também como porta-cabos/mangueiras para o transporte do
conjunto, conforme pode ser observado na Figura 4.13.
CILINDRO DE
REPARO
ESTRUTURA
VENTOSAS
52
Figura 4.13: Unidade geradora de vácuo montada sobre o quadro de alumínio.
PAINEL
ELÉTRICO
MANGUEIRAS
QUADRO
CAPÍTULO 5
TESTES DE VALIDAÇÃO
5.1 Testes Iniciais dos Dispositivos de Fixação
Antes de realizar os ensaios de validação, os dispositivos foram submetidos a testes
iniciais para assegurar sua utilização nos ensaios.
Considerando que a carga axial é o parâmetro de maior relevância em termos de
esforços comparado ao torque, os testes foram realizados com a aplicação de carga em um
pino consumível sobre uma superfície de apoio, sem rotação.
A resistência ao torque dos dispositivos foi testada durante os ensaios de validação.
5.1.1 Testes do Sistema de Fixação para Dutos
Após realizada a montagem do cilindro de reparo no sistema de fixação para dutos,
uma carga axial de compressão foi aplicada gradualmente, avançando-se o cilindro em
direção à superfície. Quando a força atingiu 25 kN foi observado um alongamento das cintas
e o sistema de fixação separou-se do plano do duto.
Foi analisada a substituição das cintas por correntes porém, devido a limitações
financeiras e de prazo, as novas peças não puderam ser adquiridas. Portanto, os ensaios de
validação para o sistema de fixação em dutos foram limitados a forças axiais máximas de 22
kN.
54
5.1.2 Teste do Sistema de Fixação em Superfícies Planas
A verificação do sistema de fixação em superfícies planas foi dividida em duas etapas.
Primeiramente, foi testada estrutura acoplada nas ventosas e estas, por sua vez, ao sistema
gerador de vácuo.
Posteriormente, a estrutura foi fixada em parafusos soldados em uma chapa plana e
submetida, gradualmente, a cargas axiais de preenchimento.
5.1.2.1 Teste do Sistema Sobre Ventosas – 5 kN
As ventosas foram acopladas na estrutura juntamente ao cilindro de reparo e
posicionadas sobre uma chapa de aço de ASTM A36, como pode ser observado na Figura
5.1. A superfície demonstrou boa representatividade a uma situação real de campo por
possuir uma camada considerável de óxido.
Figura 5.1: Sistema de fixação por ventosas posicionado sobre chapa de testes.
O sistema de vácuo foi ligado fazendo com que as ventosas se assentassem na
superfície. Foi observado um alto grau de vazamento em algumas das ventosas devido às
irregularidades da camada de óxido. A fim de minimizá-lo, a superfície foi molhada com
água e, assim, houve uma melhora considerável no desempenho da fixação.
CILINDRO
DE
REPARO
CHAPA DE
ASTM A36
55
Foi aplicada uma carga gradual de zero até 50 kN. Durante esta operação o sistema
se mostrou estável. Na sequência, a carga foi aumentada lentamente. Ao atingir 80 kN, uma
das ventosas soltou-se, causando o imediato desprendimento das demais ventosas.
Portanto, o sistema se mostrou apto a operar com 50 kN de força axial em superfícies
planas e oxidadas, com uma margem de segurança de até aproximadamente 40% de
aumento de carga conforme a necessidade da operação.
5.1.2.2 Teste do Sistema Sobre Parafusos Soldados - 40 kN
Na sequência, a estrutura foi posicionada sobre parafusos soldados à chapa de
testes. Para os testes iniciais foram soldados segmentos de barras roscadas de ABNT 1010
através de solda a arco elétrico (Figura 5.2), em substituição aos pinos roscados que serão
utilizados no processo.
Figura 5.2: Estrutura fixada sobre parafusos soldados.
Foram soldados oito segmentos de modo a substituir as oito ventosas. Em cada
segmento foram utilizadas duas porcas para fixar da estrutura. A porca inferior serviu de
nivelamento e a porca superior de travamento, como pode ser observado na Figura 5.3.
ESTRUTURA
BARRA
ROSCADA
56
Figura 5.3: Detalhe da fixação da estrutura sobre as barras roscadas, soldadas a arco
elétrico.
O sistema foi submetido gradativamente a um esforço axial através do avanço de um
pino de FHPP em direção à chapa, sem rotação. Ao atingir 35 kN, uma das soldas se soltou
causando a ruptura de um segundo ponto. A estrutura foi empenada, onde algumas hastes
e fusos sofreram deformação plástica, conforme ilustrado na Figura 5.4.
Figura 5.4: Estrutura deformada devido ao rompimento das soldas.
A falta de penetração das soldas foi o motivo identificado para o rompimento. Após os
reparos necessários, a estrutura foi remontada para novos testes.
SEGMENTO DE
BARRA ROSCADA
PORCAS
SOLDA
SOLDAS
ROMPIDAS
ESTRUTURA
DEFORMADA
57
Foi decidido, então, aguardar a fabricação dos pinos roscados. Após sua chegada,
foram então soldados por atrito utilizando-se a fixação por ventosas. Este procedimento é
apresentado no item 5.2, abaixo.
5.2 Ensaios de Soldagem por Atrito
Em uma etapa preliminar, foram realizados ensaios de soldagem por atrito na UPPA1,
quando foram estudados alguns parâmetros e desenvolvida a geometria a ser utilizada nos
testes apresentados a seguir.
Além disto, foram realizados ensaios de tração dos pinos soldados para obtenção da
capacidade de ancoragem. Os resultados mostraram um valor mínimo de 27 kN de
resistência sob esforços axiais de tração para pinos com rosca M10 de aço ASTM A36
soldados por atrito no mesmo material. As curvas de tração da Figura 5.5 representam os
ensaios realizados em pinos soldados com compressão de 3, 5 e 10 kN e rotação de 5.000
rpm.
Figura 5.5: Curvas de ensaios de tração realizados em pinos roscados soldados por atrito.
Apesar dos resultados mostrarem uma tendência de aumento da capacidade de
ancoragem com o aumento da força de soldagem, tal fato não pode ser afirmado pois o
rompimento das amostras ocorreu no material de base, conforme pode-se observar na
Figura 5.6.
58
Figura 5.6: Amostra de ensaio de tração rompida no material de base.
Portanto, considerando que o sistema de fixação em chapas planas utiliza 8 pinos
M10 soldados por atrito, a técnica pode ser aplicada com segurança.
5.2.1 Materiais, Geometrias e Parâmetros
O material utilizado para fabricação dos pinos roscados foi o ASTM A36, que é um
aço estrutural frequentemente utilizado em plantas offshore. As soldagens foram realizadas
sobre uma chapa de aço do mesmo material.
A geometria desenvolvida é apresentada na Figura 5.7. O pino é formado
basicamente por uma parte roscada, um colar e uma extremidade cônica. A parte roscada é
utilizada para fixação no mandril. O colar tem a função de suportar os esforços de soldagem
a fim de não transferí-los para a rosca, como mostrado na Figura 3.16. Ele também impede
que o material extrudado durante o processo atinja o mandril e possa eventualmente aderir
à sua extremidade, dificultando a saída.
MATERIAL
DE BASE
SOLDA POR
ATRITO
PINO ROSCADO
59
Figura 5.7: Pino roscado desenvolvido para soldagem por atrito.
A extremidade posterior ao colar é a porção consumida na soldagem. Sua conicidade
auxilia numa transição mais suave do torque gerado no processo, até que o trabalho
termomecânico atinja o maior diâmetro de soldagem. Em uma extremidade cilíndrica, as
forças tangenciais geradas pelo atrito no início do processo podem causar uma pequena
inclinação do pino. Com isto, a face de contato deixa de avançar perpendicularmente à
superfície e a área de atrito se reduz, comprometendo a fase de aquecimento. Como
consequência, falhas na interface soldada podem ser encontradas. Este fenômeno foi
observado nos ensaios iniciais de soldagem por atrito e é ilustrado na Figura 5.8.
EXTREMIDADE
CÔNICA
COLAR
ROSCA M10
60
Figura 5.8: Redução da área de atrito devido à inclinação de um pino com ponta cilíndrica
submetido às forças tangenciais da soldagem por atrito.
Portanto, reduzindo-se o diâmetro da extremidade através da conicidade, as forças
tangenciais são menores no início do processo, o que evita a inclinação do pino. Assim, à
medida que o comprimento é consumido, o calor é gerado de forma uniforme e resulta em
uma solda sem defeitos.
Os pinos foram soldados na UPPA4 com 5 kN de força axial, 5.000 rpm e
comprimento de queima de 7 mm. Estes parâmetros foram selecionados a partir dos
ensaios realizados na UPPA1.
As posições para soldagem na chapa foram definidas a partir dos pontos de fixação
da estrutura de ventosas, conforme ilustrado na Figura 5.9.
F
ÁREA DE ATRITO
REDUZIDA
61
Figura 5.9: Processo de extração dos pontos de soldagem dos pinos roscados.
Os pontos foram marcados e puncionados para obtenção de uma marcação
permanente. A camada de óxido não foi removida e não houve nenhum tratamento da
superfície a ser trabalhada.
5.2.2 Resultados dos Ensaios de Soldagem por Atrito
A estrutura com ventosas foi posicionada manualmente sobre a chapa de acordo com
a localização dos pontos de soldagem e assim foram soldados oito pinos roscados sobre a
chapa. A Figura 5.10 mostra uma soldagem em processo e a Figura 5.11 apresenta a
disposição dos oito pinos já soldados.
PONTOS DE
FIXAÇÃO/SOLDAGEM
62
Figura 5.10: Processo de soldagem por atrito de um pino roscado.
Figura 5.11: Disposição de oito pinos roscados soldados por atrito.
5.3 Ensaios de FHPP (Friction Hydro Pillar Processing)
Após realizadas as soldagens por atrito, a estrutura foi posicionada sobre os pinos
roscados e fixada com porcas.
63
Um bloco contendo um furo cônico foi soldado à chapa para a realização do
preenchimento, como pode ser observado na Figura 5.12.
Figura 5.12: Montagem preparatória para o teste de FHPP.
5.3.1 Materiais, Geometrias e Parâmetros
Para fabricação do pino de preenchimento foi utilizado o aço ASTM A36, e o bloco foi
retirado de uma chapa do mesmo material.
A geometria do conjunto pino e bloco foi especificada com referência ao trabalho de
otimização realizado por Pires (2007). Por uma limitação no ajuste da altura da estrutura, foi
necessário utilizar um bloco de 12,7 mm de espessura ao invés de 25,4 mm. A Figura 5.13
ilustra as geometrias do pino e do bloco utilizados no teste.
Figura 5.13: Geometrias utilizadas no ensaio de FHPP.
PINOS ROSCADOS SOLDADOS
COM A UPPA4
PINO DE
FHPP
BLOCO DE
FHPP
PINO
CONSUMÍVEL
BLOCO
64
Foram planejados dois ensaios de preenchimento, sendo que o primeiro foi com força
axial de 20 kN e rotação de 5.000 rpm e, no segundo, a força axial seria aumentada para 40
kN, mantendo-se a mesma rotação.
5.3.2 Resultados dos Ensaios de FHPP
O preenchimento com 20 kN e 5.000 rpm foi realizado com sucesso. A Figura 5.14
ilustra o processo sendo executado.
Figura 5.14: Ensaio de FHPP. Força axial de 20 kN e rotação de 5.000 rpm.
Durante o ensaio foi percebido que as partes da estrutura apresentavam uma
acomodação devido ao esforço axial fazendo com que os pinos roscados sofressem uma
leve flexão em direção ao eixo central da estrutura. Na tentativa de apertar mais os
parafusos de corpo retificado que fixam o cilindro na estrutura, uma das roscas do cilindro
rompeu por cisalhamento, impedindo assim a continuidade dos ensaios de FHPP com o
sistema de fixação em superfícies planas.
Como o prazo final para finalização dos ensaios estava próximo, foi decidido
prosseguir com os ensaios de FPPW no sistema de fixação para dutos.
5.4 Ensaios de FPPW (Friction Pull Plug Welding)
Estes ensaios foram realizados na mesa plana construída sobre o duto de testes. Ela
possui um furo central que permite a passagem do pino consumível, inserido pelo lado
65
oposto, a fim de ser tracionado pelo cilindro de reparo. O bloco também é fixado pelo
mesmo lado, através de parafusos. A montagem é ilustrada na Figura 5.15.
Figura 5.15: Montagem para ensaios FPPW.
5.4.1 Materiais, Geometrias e Parâmetros
Os pinos e blocos foram fabricados em aço ASTM A36 e suas geometrias sugeridas a
partir dos ensaios de FHPP, visto que não havia bibliografia referente ao assunto.
Assim, foi assumida uma diferença de 4 graus entre a conicidade do pino e do bloco,
de modo a induzir o processamento para inicio na extremidade do pino (diâmetro maior) e,
posteriormente, evoluir para o corpo. Caso contrário, o calor gerado poderia facilitar o
PINO DE
FPPW
BLOCO DE
FPPW
MESA PARA
ENSAIOS EM
AMOSTRAS
PLANAS
MOVIMENTO DO PINO
DURANTE O ENSAIO DE FPPW
DUTO DE
ENSAIOS
PARAFUSOS
66
rompimento do pino antes do processo ocorrer ao longo no furo. A Figura 5.16 ilustra as
geometrias utilizadas.
Os parâmetros selecionados para o primeiro ensaio foram 10 kN e 5.000 rpm.
Figura 5.16: Geometrias utilizadas nos ensaios FPPW.
5.4.2 Resultados dos Ensaios de FPPW
No primeiro ensaio, logo no início do processamento, o pino rompeu na rosca de
fixação e parte dele ficou presa dentro do mandril. Posteriormente, a carga axial foi reduzida
para 6 kN porém, o rompimento se repetiu. A Figura 5.17 mostra o pino rompido na rosca ao
lado de um pino original e um corte transversal de uma das amostras ensaiadas.
PINO
CONSUMÍVEL
BLOCO
67
(a) (b)
Figura 5.17: (a) pino original (esquerda) e pino rompido durante o ensaio (direita); (b) corte
transversal de amostra do ensaio FPPW, 6 kN e 5.000 rpm.
Mesmo com o rompimento, o pino do segundo ensaio ficou preso no bloco, indicando
que houve uma pequena porção de união metalúrgica entre as partes.
Após análise dos resultados iniciais, chegou-se à conclusão que o sistema de rosca
não seria o ideal para fixação do pino. Foi projetado outro sistema utilizando rebaixos no
pino. Porém, os ensaios serão realizados apenas após a apresentação deste trabalho.
68
CAPÍTULO 6
CONCLUSÕES
Foi desenvolvido, ao longo deste trabalho, um cilindro portátil de reparo e soldagem
por atrito, podendo operar com pinos consumíveis sob compressão ou tração. Foram
também desenvolvidos acessórios para atender as respectivas operações, bem como
sistemas e processos de fixação do cilindro em tubulações e superfícies planas. Dentre as
etapas envolvidas, citam-se: concepção, projeto, acompanhamento da fabricação,
instalação, montagem e ensaios preliminares de validação.
A seguir, são apresentadas, de forma sucinta, as conclusões mais relevantes obtidas
ao longo da realização deste trabalho:
1. O cilindro de reparo portátil ficou com suas dimensões e sua massa dentro das metas
definidas previamente. As dimensões finais foram: 530 mm de comprimento, 130 mm de
diâmetro. A massa final, incluindo o motor hidráulico, foi de 15 kg. A utilização de
rolamentos de rolos cônicos, ligas de alumínio e de aço inoxidável com tratamento
térmico foi um elemento decisivo para a redução da massa do conjunto;
2. O diâmetro das mangueiras hidráulicas também foi minimizado para reduzir a massa do
equipamento. Isto facilitou o manuseio do cilindro durante os testes;
3. A entrada de óleo hidráulico do cabeçote inferior foi transferida para o cabeçote superior
de modo a deixar o diâmetro externo livre de conexões. Isto tornou mais simples os
projetos dos sistemas de fixação e acoplamento do cilindro de reparo;
4. Foi desenvolvido um mandril magnético para operações de FHPP, e um sistema de
encaixe rápido do pino, a fim de excluir a necessidade de utilização de ferramentas
70
especiais durante os reparos. O tempo de preparação dos ensaios foi reduzido
significantemente com esta nova concepção;
5. Um sistema de fixação do cilindro em tubulações foi desenvolvido, e cintas de poliéster
foram utilizadas para suportar as forças do processo FHPP. Apesar de apresentarem a
resistência mecânica necessária, elas não são recomendadas para aplicação neste
sistema devido à sua excessiva deformação elástica;
6. Foi desenvolvido um sistema de fixação do cilindro para superfícies planas através de
ventosas, a fim de soldar pinos roscados por atrito, a serem utilizados posteriormente na
ancoragem do equipamento durante operações de FHPP. A partir de testes realizados
em uma chapa de aço ASTM A36 com camada de óxido considerável, foi observado que
a capacidade de ancoragem do sistema de ventosas é melhor quando a superfície se
encontra molhada;
7. A solda por atrito de pinos roscados M10 atrito suporta no mínimo 30 kN de tração
quando realizada com parâmetros e geometrias otimizadas;
CAPÍTULO 7
TRABALHOS FUTUROS
A tecnologia de reparo de trincas por atrito vêm sendo desenvolvida através de várias
frentes de trabalho de modo a ser transferida para o campo. Acredita-se que, alguns
avanços finais no desenvolvimento do processo FHPP e melhorias nos dispositivos de
fixação para superfícies planas, são os passos para a concretização deste objetivo.
Já o processo FPPW, pode-se dizer que ainda está em fase embrionária de estudo, e
requer a otimização de geometrias e parâmetros, semelhante à realizada por Pires (2007).
7.1 Desenvolvimento da Costura por Atrito
Como já foi apresentado no Capítulo II deste trabalho, o processo FHPP inicia-se com
a realização de um furo sobre o defeito. A execução destes furos vêm sendo desenvolvida
paralelamente ao trabalho apresentado. Um programa criado e testado por Lima Filho
(2008) foi adicionado ao sistema de controle da UPPA1 para realizar o avanço do cilindro
com velocidades e rotações específicas. Juntamente ao programa, foram desenvolvidas
brocas e fresas cônicas para confeccionar furos com as geometrias otimizadas por Pires
(2007). Ferramentas de metal duro foram fabricadas, testadas e, posteriormente, o material
foi alterado para o aço rápido, pois eram muito frágeis. Atualmente, as amostras de
laboratório estão sendo produzidas com estas ferramentas, como mostra a Figura 7.1.
72
Figura 7.1: Processo de furação com as ferramentas desenvolvidas.
O próximo passo seria adaptá-las para fixação em um dos mandris já existentes, ou
projetar um mandril para estas ferramentas a ser acoplado ao cilindro de reparo portátil.
Além disto, será necessário desenvolver uma ferramenta e um processo para retirar o
restante do pino consumível, a fim de realizar o acabamento superficial após a operação de
preenchimento. Uma das possibilidades discutidas é a utilização de uma fresa de topo para
usinar o material no sentido vertical, de cima para baixo. Outra alternativa seria cortar o pino
com um disco acoplado ao eixo do cilindro. Porém, isto implicaria em um movimento de
translação no plano da superfície, exigindo o desenvolvimento de um novo sistema de
fixação e movimentação.
7.2 Melhorias nos Sistemas de Fixação para Superfícies Planas
Como pôde ser observado ao longo da apresentação deste trabalho, o sistema de
fixação para superfícies planas requer 8 soldagens de pinos roscados para cada
preenchimento. Isto se torna inviável quando se trata da costura por atrito, que pode resultar
em uma seqüência de vários preenchimentos. Por isto, foi discutida a possibilidade de
soldar os pinos roscados em determinadas posições, de modo a permitir a fixação de trilhos,
onde seria acoplada a estrutura de braços e fusos. Esta estrutura, por sua vez, poderia ser
movimentada ao longo destes trilhos, a fim de acompanhar a direção da trinca e executar a
costura por atrito. Esta concepção é apresentada na Figura 7.2.
BROCA FRESA
73
Figura 7.2: Sistema de fixação do cilindro de reparo portátil sobre trilhos.
Outra alternativa seria o desenvolvimento de um novo sistema, que já foi concebido
por Cazenove (2008), para ser fixado também sobre pinos roscados, soldados por atrito com
a utilização do sistema de ventosas. Além da translação do cilindro ao longo dos trilhos, ele
também possibilita sua rotação, objetivando o reparo de trincas próximas às paredes das
estruturas. A Figura 7.3 ilustra o sistema.
Figura 7.3: Sistema de fixação para superfícies planas concebido por Cazenove (2008).
TRILHOS
TRILHOS
CILINDRO DE
REPARO
PORTÁTIL
EIXO DE ROTAÇÃO
DO CILINDRO
74
Finalmente, após concluídas as etapas anteriores, restará a ser desenvolvido um
processo de avaliação da qualidade do reparo, que poderá ser realizado através da técnica
de ultrassom. Devido à complexidade geométrica das regiões de interface pino - substrato e
pino - pino, e o eventual acesso a apenas um dos lados da superfície, o processo de
avaliação também pode se tornar complexo, merecendo desenvolvimentos futuros.
CAPÍTULO 8
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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