Desenvolvimento de tecnologias de monitoramento de integridade estrutural de dutos flexíveis e tubos compósitos com sensores ópticos do tipo rede de Bragg

Abstract

Sensores ópticos do tipo rede de Bragg (FBGS) possuem um grande potencial como solução de monitoramento para avaliação de integridade estrutural em diversas áreas da indústria. No entanto, embora ao longo das últimas décadas existam diversos exemplos de aplicações comerciais bem-sucedidas, a sua utilização ainda está longe de alcançar sua plenitude de potencial, principalmente no Brasil. Alguns dos desafios para que essa tecnologia possa representar uma solução mais abrangente para monitoramento de integridade estrutural envolvem a necessidade de investigação do potencial de aplicação da tecnologia para atender demandas específicas de maneira confiável e viável técnica e economicamente. Com base nisso, este trabalho tem o objetivo de desenvolver e aprimorar tecnologias de monitoramento de integridade estrutural com sensores ópticos do tipo rede de Bragg, de modo a conferir maior versatilidade e confiabilidade para a implementação dessa tecnologia em aplicações diversas em engenharia. Para tanto, foram desenvolvidos sensores e software para atender demandas específicas de monitoramento em componentes da área de petróleo e gás. Os sensores desenvolvidos foram aplicados para monitoramento de um ensaio de fadiga em escala real de um segmento de duto flexível e para monitoramento de ensaios dinâmicos e estáticos em dutos de material compósito. Nos tubos compósitos, foi avaliada a instrumentação com os sensores embebidos na estrutura durante o processo de fabricação por filament winding, além de sensores aderidos nas paredes interna e externa do tubo. Para a qualificação dos sensores, diversas configurações de construção foram testadas e avaliadas em função do desempenho para cargas estáticas e dinâmicas, sendo alterados o tipo de resina e o esquema de montagem do sensor. Para a verificação da confiabilidade os resultados obtidos foram comparados com resultados adquiridos com a técnica de extensometria de resistência elétrica (ERE). Um software próprio de aquisição foi desenvolvido com o propósito de permitir autonomia no condicionamento, visualização dos dados e montagem de algoritmos. O estudo realizado mostrou que os sensores ópticos do tipo rede de Bragg apresentaram bom desempenho, podendo ser utilizados como solução viável para o monitoramento dos componentes avaliados, capaz de gerar dados confiáveis para uma avaliação de integridade estrutural.

Fiber Bragg Grating Sensors (FBGS) technology has a high potential as a monitoring solution for structural integrity evaluation. However, although there have been several examples of successful commercial applications over the past few decades, their use is still far from reaching their full potential, especially in Brazil. Challenges for this technology to be a broader solution for structural integrity monitoring include the need to investigate the potential application of the technology to meet specific demands reliably and technically and economically. The main goal of this work is to develop and improve technologies for structural integrity monitoring with fiber Bragg grating sensors, in order to provide greater versatility and reliability for the implementation of this technology in diverse engineering applications. To achieve this, sensors and software were developed to meet specific monitoring demands on oil and gas components. The developed sensors were applied for monitoring a full scale fatigue test of a flexible pipe sample and for monitoring dynamic and static tests in composite material pipe. To the composite pipes, the instrumentation with the sensors embedded in the structure during the filament winding manufacturing process was evaluated, as well as sensors attached to the inner and outer tube walls. Different configurations of sensor construction were tested and evaluated according to the performance for static and dynamic loads, changing the resin type and the sensor mounting configuration. The strain results obtained by FBGS were compared with results obtained by electrical resistance strain gages. A software acquisition was developed with the purpose of allowing autonomy in conditioning, data and assembly algorithms view. This work showed that fiber Bragg grating sensors performed well and can be used as a viable solution for monitoring the evaluated components, capable of generating reliable data for structural integrity assessment.