Estudo sobre sistema de locomoção de um equipamento de inspeção interna de tubulação

Abstract

Os robôs de inspeção interna de tubulação são equipamentos de utilização comum na indústria petroquímica, e a demanda por máquinas que adaptem-se aos diferentes ambientes e condições de trabalho é crescente. A motivação para o presente estudo vem da necessidade de desenvolvimento de um sistema de locomoção para um robô de inspeção de tubulações de óleo e gás que se desloca pela parte interna das linhas. Este robô é energizado por fontes externas e precisa transportar seus cabos de alimentação ao longo da linha, que geram grande atrito com as paredes; portanto, é necessário equipar o robô com um sistema efetivo de fixação (agarre) junto às paredes para o seu deslocamento ser efetuado. A intenção deste estudo é, através de uma metodologia de projeto, propor duas configurações de robôs tipo “verme” dotados de mecanismos de agarre compostos por barras articuladas que utilizem parte da carga de resistência dos cabos como vantagem mecânica, ao gerar condições de autotravamento destes mecanismos junto à parede da tubulação. Ao auxiliar o agarre nas paredes, estes sistemas podem gerar redução no dimensionamento dos próprios componentes do robô, bem como redução no emprego de energia para o seu acionamento. Analisou-se as duas configurações de mecanismos de agarre como estruturas em treliça, e pelo método dos nós, sistemas de equações que modelam matematicamente o comportamento dos mecanismos foram obtidos. Um software de análise estrutural (Mastan2) foi utilizado para a elaboração de modelos computacionais para cada configuração. Identificou-se as diferentes situações de carregamento a que o robô é submetido durante sua operação e realizou-se simulações com os modelos para os dois mecanismos propostos sob estes carregamentos e sob uma faixa de ângulos de projeto de sua geometria. Chegou-se à conclusão que a condição de vantagem mecânica de autotravamento procurada pode acontecer, dependendo da disposição geométrica das barras dos mecanismos. Comparou-se os resultados pelas duas modelagens elaboradas e observou-se a equivalência dos métodos de análise utilizados na abordagem do problema, pela correspondência entre os resultados obtidos.

The in-pipe inspection robots are common used equipments in the petrochemical industry, and the demand for machines that adapt to different environments and working conditions is increasing. The motivation for this study is the need for development of a locomotion system for a robot inspection of oil and gas pipelines that moves from inside the lines. This robot is powered by external sources and needs to carry power cables along the line, which generate large friction with the walls; therefore it is necessary to equip the robot with an effective attachment system (grip) along the walls to its displacement be made. The intent of this study is through a design methodology propose two configurations of "worm" type robots provided with gripping mechanisms consisting of articulated bars that use of the cable resistance load as mechanical advantage, to generate self locking conditions of these mechanisms along the wall of the pipe. To assist grip on the walls, these systems can generate reduction in sizing the robot components themselves, as well as reduction in the use of energy for its drive. The two configurations of gripping mechanisms are analyzed as space truss structures, and by the method of the nodes, systems of equations that mathematically model the behavior of mechanisms were obtained. A structural analysis software is used for the development of computational models for each configuration. It was identified the different load situations to which the robot is subjected during operation and simulations were performed with models for the two mechanisms proposed under these loads and under a range of design angles of geometry. It has been concluded that the mechanical advantage condition of self locking sought may occur, depending on the geometric arrangement of the mechanisms bars. The results produced by the two models were compared and it is noticed that there was equivalence between the methods of analysis used to approach the problem, by the matching of the results obtained.