Elevada performance na fabricação e revesti

Elevada performance na fabricação e revestimento de paredes de caldeiras
Régis H. G. e Silva, Jair C. Dutra, José Piotrovski Neto, Franco W. Comeli
Resumo – A importância da geração térmica de energia elétrica cresce atualmente no Brasil em consonância com o crescimento econômico que o país experimenta. Desta forma, a
eficiência das usinas tem ganhado especial atenção, incluindo
esforços para aumento da disponibilidade de máquina. Uma
das rotas para otimização deste índice consiste no enfrentamento do desgaste sofrido por componentes das caldeiras, no
intuito de aumentar o tempo entre operações de manutenção.
Dentro desta problemática, o presente trabalho traz o desenvolvimento de uma solução para fabricação e revestimento por
soldagem de paredes d'água com material resistente ao desgaste, com elevada produtividade e qualidade. Para isso, tem sido
conduzida P, D &I não apenas em processos de soldagem, mas
também em automação e controle. Como resultado, se apresenta um sistema integrado, envolvendo fonte de energia, manipulador robótico e procedimentos de soldagem.
Palavras-chave – cladding, mecanização, MIG Pulsado, paredes d'água de termelétricas, solda de overlay
I. INTRODUÇÃO
Apesar de a matriz enérgica brasileira ser predominantemente hidráulica, montando a 69 % da potência gerada [1],
a relevância de outras fontes vêm crescendo ao longo do
tempo, impulsionadas pelo crescimento econômico experimentado pelo Brasil, com contribuição dos eventos de grande porte a serem realizados (Copa do Mundo, Olimpíadas),
e por questões ambientais, na busca por menor impacto ambiental dos processos de geração. De fato, incremento no
crescimento econômico acarreta em maior demanda energética, tanto para atividades econômicas, como consumo residencial. No início da década (1999-2000), quando a economia brasileira cresceu 4,3 % [2], houve correspondente
crescimento do consumo de energia de 5,3 % [3]. Associando-se ao aumento no consumo, um grave período de estiagem incorreu, pouco tempo depois, em racionamento de
energia por um período de aproximadamente 7 meses. Ficou
exposta a fragilidade do sistema e sua instabilidade, pelo
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e
Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela
ANEEL e consta dos Anais do VII Congresso de Inovação Tecnológica em
Energia Elétrica (VII CITENEL), realizado na cidade do Rio de Janeiro/RJ,
no período de 05 a 07 de agosto de 2013.
Este trabalho foi financiado pela empresa TRACTEBEL ENERGIA SA
e parcialmente apoiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
R. H.G e. Silva e J.C. Dutra trabalham no LABSOLDA - Universidade
Federal de Santa Catarina - UFSC (e-mail: [email protected]).
J. Piotrovski Neto e F. W. Comeli trabalham na TRACTEBEL
ENERGIA SA (e-mail: [email protected]).
fato de depender do regime de chuvas. Além disso, atrasos
em novos empreendimentos hídricos, devido a demorados
processos de licenciamento ambiental, também são constantes. Neste contexto, se tornou urgente a complementação da
matriz energética brasileira, com o objetivo de garantir a
segurança do Sistema Interligado Nacional. Este cenário
levou à expansão do parque termelétrico nacional, que, em
2001, representava 14 % da capacidade instalada nacional,
alcançando atualmente 27 % [1].
Atrelada ao aumento da dimensão do parque gerador termelétrico, cresce a necessidade de eficiência das usinas,
sendo um de seus índices a disponibilidade de máquina.
Falhas de componentes, manutenções não previstas e falta
de produtividade em paradas são fatores que contribuem
para redução na disponibilidade de máquina, podendo comprometer o desempenho geral da usina, incorrendo não apenas em redução de rentabilidade, como até em multas.
No caso de usinas a carvão, uma fonte de problemas é o
desgaste erosivo e corrosivo sofrido pelas paredes d'água,
predominantemente construídas com material de baixa resistência a corrosão / erosão. A consequência é a perda de espessura dos tubos condutores de vapor, levando ao seu colapso, ou necessidade de sua reposição ou reparo prévio. A
erosão é causada pelo impacto de cinza e partículas [4, 5, 6,
7] sopradores de fuligem [5, 6] fadiga térmica [6] e, em
alguns casos, durante a limpeza, via jato d'água, das cinzas
aderidas às paredes [5, 6]. A corrosão advém de reações de
produtos da combustão com o material das paredes (tubos e
membranas), e é potencializa pelo uso de dispositivos limitadores de NOx (introduzidos por questões ambientais), que
aumentam o caráter redutor da atmosfera interna [5-10], e
também pelo uso de carvão inadequado [5]. Estudos mostram que as condições químicas internas levam à formação
de compostos de enxofre e cloro de baixo ponto de fusão,
que dissolvem a camada de óxido de ferro, deixando o aço
exposto ao ataque corrosivo [8, 9]. A variação de ataque
Fireside Corrosion é considerada a maior causa de falhas
[8]. São mencionadas na literatura taxas de perda de espessura de tubos de 15 mpy (mils per year, 1 mil = 0,0254 mm)
[8], 40 a 120 mpy [9], 50 a 100 mpy [4], 10 a 100 mpy [6],
0,96 mm/ano (40 mpy) [7].
Diante desta problemática, a solução originalmente disponível era troca periódica de regiões das paredes d'água
desgastadas, o que se mostrava pouco produtivo e de alto
custo. O grande overturn veio com a introdução de técnicas
de recuperação das regiões desgastadas, pelo seu revestimento com materiais resistentes aos desgastes erosivo e corrosivo. Surgem, então duas abordagens: recuperação on-site
de regiões desgastadas e revestimento prévio de painéis novos, a serem inseridos nas paredes d'água. Também, dois
processos de revestimento têm sido investigados: aspersão
térmica e soldagem (também chamado de overlay, ou cladding), sendo que o segundo apresenta melhor performance
em diferentes aspectos [7, 9]. Adicionalmente, os desenvolvimentos se dão no sentido de aplicação automatizada dos
revestimentos, com impactos determinantes em qualidade e
produtividade [4, 6, 7, 11, 12].
Apesar da existência de sistemas no mercado, se tratam
de tecnologias estritamente estrangeiras. Portanto, a necessidade iminente é o domínio da tecnologia para redução de
custos (equipamentos e serviços), customização à realidade
das condições das termelétricas brasileiras e formação de
recursos humanos especializados nacionais. Todos estes
fatores levam à flexibilidade e capacidade para realização
contínua de melhoramentos no sistema e no processo. De
fato, a evolução de concepções atuais já é foco do projeto
em que o presente trabalho está inserido.
Assim, se estabeleceu como objetivo global do projeto o
aumento da qualidade e produtividade em operações de fabricação e revestimento por soldagem de paredes d'água,
pelo desenvolvimento de um sistema integrado e dedicado,
incluindo manipulador robótico e fonte de soldagem. Devidos software, hardware, sistemas mecânicos, assim como
procedimentos de soldagem para diferentes condições de
aplicação estarão atrelados à solução como metas do projeto. O presente trabalho aborda os objetivos intermediários
de desenvolvimento do processo de soldagem MIG/MAG e
de novas concepções do sistema robótico.
O projeto está em andamento, com financiamento da empresa TRACTEBEL ENERGIA SA, no escopo do programa
de P&D da ANEEL, sob o título " Desenvolvimento de uma
Tecnologia Nacional Automatizada para o Revestimento e
Fabricação por Soldagem de Tubos de Caldeiras e Tecnologias de Soldagem Associadas" e código PD-04030025/2011. A execução é responsabilidade do Instituto de
Soldagem e Mecatrônica - LABSOLDA da Universidade
Federal de Santa Catarina (UFSC), em estreita atuação com
a equipe da empresa, direcionando o desenvolvimento para
aplicação nas usinas termelétricas a carvão de sua propriedade.
II. TÉCNICAS DE ENFRENTAMENTO DO DESGASTE DE
PAREDES D'ÁGUA
A necessidade de manutenção das paredes d'água em
condições de operação levou ao desenvolvimento de técnicas para o enfrentamento dos efeitos dos mecanismos de
desgaste. A gama é formada por substituição de painéis,
aplicação de telhas (escudos, barreira física), aspersão térmica de material resistente e revestimento por soldagem
(overlay com material resistente) [7], sendo que a substituição pode ser por painéis novos do mesmo material original,
ou painéis revestidos.
Na busca por maior confiabilidade e uma rotina de manutenções dentro de uma faixa de frequência economicamente
aceitável, os desenvolvimentos almejam brusca desaceleração do desgaste. Assim, a solução de substituição por pai-
néis do material original torna-se obsoleta, já que a resistência ao desgaste permanece baixa.
No caso do uso de telhas, a desvantagem reside em diferentes fatores. Primeiramente, a limitação de área protegida,
já que não é viável a aplicação sobre todo o interior da caldeira [8]. Em segundo lugar, há a dificuldade de fixação das
telhas, por elementos mecânicos, e a exposição destes aos
fenômenos de erosão e corrosão, levando a seu rompimento,
consequente desproteção das paredes d'água e necessidade
de remoção das telhas que caem [7].
No que tange à aspersão térmica, as limitações são encabeçadas pela própria natureza do processo, que não resulta
em uma ligação metalúrgica entre revestimento e substrato,
mas em uma adesão mecânica. Principalmente sob situações
de ciclos térmicos e presença de materiais dissimilares, com
diferentes coeficientes de dilatação térmica, falhas locais de
adesão até desplacamento de parte do revestimento por fadiga térmica pode ocorrer [7, 13]. A intrínseca presença de
porosidade em depósitos por aspersão térmica torna o revestimento permeável aos elementos corrosivos, permitindo
que alcancem e ataquem o substrato [7, 14]. Portanto, principalmente para situações de maior criticidade em relação a
ciclos térmicos e mecanismos de desgaste, se recomenda o
uso de revestimento por soldagem (união metalúrgica e
isenção de poros) em detrimento à aspersão térmica [9],
sendo que se menciona, sob condições similares, uma vida
de 4 anos para revestimento por aspersão térmica e 10 ou
mais anos para soldagem [7, 4], podendo chegar a até 20
anos [6]. Adicionalmente, a aspersão térmica se caracteriza
por elevado impacto ambiental, com alto nível de emissões
(acústicas, fumaça, respingos) [15], reduzindo a qualidade
de trabalho do operador e, no caso de aplicação on-site, exigindo exclusividade de operação dentro da caldeira, impactando todo o planejamento de manutenção.
Em assim sendo, a opção de revestimento por soldagem
se mostra superior às outras e, de fato, tem sido nas últimas
décadas alvo de P&D em processos, automação e materiais.
Apesar de haver aplicação manual desta técnica [16], se
enfatiza o desenvolvimento de inovações para automatização deste processo, com claros benefícios em qualidade,
produtividade e repetibilidade. É importante também citar
que a independência da habilidade de soldadores traz mais
segurança ao cronograma da parada de manutenção e mais
imunidade a escassez de mão de obra e absenteísmo.
A literatura tem relatado sistemas baseados em cabeçotes
de soldagem (manipuladores de tocha) para operação onsite, que se deslocam sobre trilhos, descrevendo trajetórias
que buscam otimizar a qualidade dos depósitos sobre as
paredes d'água. Os trilhos normalmente têm grandes dimensões, tornando o sistema capaz de cobrir uma grande área e
realizar cordões de grande comprimento ininterruptamente
[4, 6, 7, 11, 12, 17]. O LABSOLDA, em parceria com a
TRACTEBEL ENERGIA, já abordou este tema em projetos
prévios, também focando aplicação on-site, tendo realizado
aplicações experimentais em caldeira de uma unidade da
empresa [18].
A partir de resultados obtidos, do know-how gerado, de
informações angariadas da literatura e de contatos estreitos
com pessoal de campo, a continuidade da linha de P, D &I
se dá pelo desenvolvimento de um sistema ainda mais robusto e dedicado, com configurações para aplicação tanto
on-site, como em oficina. Para esta segunda opção, se almeja a solução completa para construção do painel de tubos,
incorporando a operação de soldagem de união membranatubo.
Em termos de processos de soldagem, predomina a aplicação do processo MIG/MAG em sua versão Pulsada [4, 6,
11, 12, 16], com suas vantagens de estabilidade e controlabilidade da transferência metálica e da poça de fusão, além
de menor tendência de falta de fusão e porosidades. Seus
benefícios ficam ainda mais evidentes em soldagem fora da
posição plana (como é o caso da aplicação em questão),
tendo sido foco, dentro da parceria TRACTEBEL
ENERGIA e LABSOLDA-UFSC, de um trabalho de grande
impacto para revestimentos em usinas hidrelétricas [19].
Não obstante, outras variações do MIG/MAG também serão
exploradas.
O desafio presente é a formulação de procedimentos e parametrizações dedicados aos materiais resistentes à corrosão
nas termelétricas, com capacidade para operar em malha
fechada, se adaptando e corrigindo de forma autônoma às
condições instantâneas do arco elétrico, provendo estabilidade ao processo.
III. PROCESSO MIG/MAG PARA SOLDAGEM DE
REVESTIMENTO - DESENVOLVIMENTO DE PARAMETRIZAÇÃO
DO PROCESSO
O que notabilizou o revestimento por soldagem como
preferencial escolha para proteção de paredes d'água em
termelétricas foi sua capacidade em obter uma ligação metalúrgica revestimento-substrato, ao mesmo tempo em que
mantém as propriedades de resistência à corrosão / erosão
do revestimento. No entanto, estas premissas têm um caráter
antagônico, já que se busca fusão do material de base, o que
acarreta em mistura, na poça de fusão, dos materiais de base
(baixa resistência) e do revestimento (alta resistência). Os
esforços, então, são no sentido de garantir a fusão do metal
de base, mas num nível meramente suficiente para haver
uma poça de fusão comum e ligação metalúrgica, minimizando a contaminação do material do revestimento por material do substrato a ser revestido, ou seja, baixa diluição.
Especificamente para os mecanismos de desgaste das paredes d'água de termelétricas, se aplicam revestimentos com
aço inoxidável 309 e ligas de Ni Inconel [5, 6, 9]. Tais materiais, entre outras fatores, garantem (desde que se garanta
diluição adequada) um teor de 20 % ou mais de Cr no revestimento, que é o principal responsável pelas propriedades de
resistência.
A obtenção de tais valores de diluição, com a devida homogeneidade sobre toda a área revestida, não é obtenível
pela soldagem manual. Tal técnica resulta em cordões de
grande espessura, variação de velocidade de soldagem e de
posicionamento relativo tocha-substrato, além de inúmeras
interrupções e reinícios de solda, mesmo que realizada por
soldador de elevada experiência.
A rota tecnológica de escolha é, portanto, a automação do
processo. Reportam-se na literatura desenvolvimentos de
sistemas de automação e variantes de processos de Soldagem, cujas características e parametrizações, simbioticamente, são capazes de obter as desejadas propriedades de qualidade e baixa diluição do revestimento [4, 6, 7, 11, 12]. A
técnica consiste na aplicação do processo MIG/MAG em
uma elevada faixa de corrente (transferência metálica no
modo spray), na posição vertical descendente e com elevada
frequência de tecimento (oscilação da tocha). Elevada energia e transferência metálica por spray proveem fusão necessária, produtividade, estabilidade e qualidade; a posição
vertical descendente possibilita alta velocidade de soldagem
e adequada geometria do cordão de solda; alta dinâmica de
movimentação da tocha (velocidade e frequência de tecimento) fornece alta produtividade e garante baixa penetração e diluição. Esta técnica também resulta em baixas espessuras de revestimento, em torno de 1,8 mm [4, 6, 7]). Tais
espessuras, para as correspondentes baixas taxas de desgaste, já são suficientes para obtenção de vida satisfatória do
revestimento, e representam minimização do material aportado e, portanto, dos custos agregados (materiais de alta
resistência são caros).
Neste contexto, se estabeleceu como meta o desenvolvimento próprio do processo de revestimento para as condições presentes no LABSOLDA, para exploração da técnica,
de suas dificuldades e identificação de trajetórias de evolução. Para isso, foram conduzidos ensaios para parametrização do processo de soldagem e de sua automação, com posterior avaliação tanto do depósito obtido, como da performance do sistema mecanizado.
Foi utilizada para os testes uma bancada montada em uma
célula de soldagem composta de um robô antropomórfico
(1) e uma fonte de soldagem eletrônica (2), conforme a Figura 1. Os corpos de prova consistiram em chapas de aço
1020 de 6,3 x 100,0 x 150,0 mm posicionadas na posição
vertical, sempre sob mesmas condições iniciais.
Figura 1. Célula de soldagem automatizada.
A Tabela 1 mostra os parâmetros de soldagem, que resultaram em uma corrente média de 180 A. Para avaliação da
influência do regime de movimentação da tocha, foram realizados ensaios com 2,0; 3,0; 4,0 e 5,0 Hz de frequência de
tecimento.
Tabela 1. Parâmetros de soldagem aplicados nos ensaios.
Arame
309 L; Ø = 1,2 mm
Gás de proteção
Ar + 3 % CO2 + 2 % Ni
Vazão de gás
15 l/min
Velocidade de arame
10,5 m/min
Tensão
30 V
Velocidade de soldagem
40 cm/min
Amplitude de tecimento triangular
8,0 mm
Distância bico de contato-peça (DBCP)
15,0 mm
Como se pode ver na Figura 2, os cordões realizado com
4,0 e 5,0 Hz apresentam melhores características geométricas, com ondulação menos acentuada e isenção de mordeduras, as quais se observam para 2,0 Hz. Para revestimentos,
onde há sobreposição de cordões adjacentes, é importante a
qualidade e homogeneidade das bordas dos cordões individuais.
C
Figura 3. Cortes longitudinais nos cordões, para análise do perfil de penetração longitudinal.
Confirmou-se forte variação na linha de fusão (interface
cordão - substrato) para menores frequências. Este fato leva
a considerar, para futuras análises, métodos mais diretos de
medida da diluição, com base na análise efetiva da composição química do revestimento, como já proposto por outros
autores [20, 21]. De fato, realizou-se análise de composição
química via MEV dos cordões em diferentes áreas da seção
longitudinal, como mostrado na Figura 4.
2,0 Hz
5,0 Hz
Figura 4. Pontos de medição da composição química via MEV.
2,0 Hz
3,0 Hz
A análise resultou em um teor médio de 17,65 % de Cr
para 2,0 Hz, com um mínimo de 16,24 % no ponto mais
próximo à linha de fusão. Para 5,0 Hz, a média foi de 20,1
% de Cr. Não só o teor, mas sua homogeneidade ao longo
do revestimento são importantes para a confiabilidade do
revestimento em serviço.
IV.
4,0 Hz
5,0 Hz
Figura 2. Cordões de solda realizados com diferentes frequências de tecimento.
O cálculo da diluição dos cordões de solda, que é a proporção do volume de material de base fundido sobre o volume de todo o metal de solda (base + material de adição),
resultou em valores de 17,1 % para 2,0 Hz, 24,5 % para 3,0
Hz, 19,4 % para 4,0 Hz e 15,1 % para 5,0 Hz. (Esta proporção é normalmente calculada pela medida da área transversal do metal de solda.) A não linearidade observada de 3,0
Hz para 2,0 Hz, assim como a observação da geometria irregular das bordas do cordão para menor frequência de tecimento, levou à decisão pela análise do perfil longitudinal
da interface cordão - substrato. Uma variação de diluição
nesta direção estaria mascarada em uma análise apenas do
corte transversal. Foram realizados cortes também na direção longitudinal, no centro e na borda do cordão (Figura 3).
B
DESENVOLVIMENTOS DO PROCESSO DE REVESTIMENTO
SOBRE PAINÉIS DE PAREDES D'ÁGUA
O próximo passo foi a transposição dos resultados para
um feixe de tubos em escala real. Foi montada bancada adjacente à mesma célula de soldagem, como mostra a Figura
5. Nota-se a adoção de sistema de refrigeração a água pelos
tubos (mangueiras nas extremidades) para redução das distorções térmicas e manutenção das condições de soldagem
ao longo de todo o processo. Em adição, foi aplicada uma
pré-deformação oposta à distorção térmica causada pela
solda.
rente de referencia de 170 A para controle da DBCP.
Figura 5. Bancada para revestimento de painéis de paredes d'água.
Tabela 2. Parâmetros do MIG/MAG Pulsado em modo misto.
Testes iniciais para revestimento sobre um painel de 2,0
m de comprimento mostraram resultados insatisfatórios e
heterogêneos, para regulagens de soldagem e movimentação
fixas. As discrepâncias ocorriam conforme se alterava a
região do painel a ser processada. Em um análise mais aprofundada, onde a monitoração dos dados de soldagem não
identificou irregularidades, se concluiu que os parâmetros
de movimentação efetivos não correspondiam aos regulados. Foi realizada verificação, via filmagem de alta velocidade, do real regime de movimentação do TCP (tool central
point) do robô, que confirmou dissonância com os parâmetros regulados. De fato, nas faixas de frequência de tecimento e velocidade de soldagem demandadas, há sobresolicitação dos motores das juntas do robô, que, então, limita sua
dinâmica para determinadas posições do TCP (tocha de soldagem).
A solução foi posicionamento do feixe em uma condição
na qual todas as regiões a serem revestidas resultavam em
uma posição da tocha de soldagem na qual o robô mantinha
os parâmetros regulados, que é a situação mostrada na Figura 5 (feixe na frente do robô).
Apesar de se obter um processo estável, as condições de
aplicação sobre tubos de painéis são distintas daquelas sobre
chapas planas, o que acarreta em diferenças no resultado.
Como mostra a Figura 6, o revestimento tem boas características geométricas, porém apresenta excesso de respingos
aderidos à superfície.
Os respingos aderidos representam pontos de descontinuidade na camada de óxido que protege o material abaixo,
configurando potencial sítio de início de corrosão / erosão.
Isto, para a aplicação em questão, pode ser fatal. Portanto,
excesso de respingos aderidos deve ser evitado.
Tensão de pulso Up
Tempo de pulso
Corrente de base
Tempo de base
Velocidade de arame
34,0 V
4,0 ms
90 A
8,0 ms
6,0 m/min
A geometria do painel de tubos exige programação diferenciada das trajetórias de movimentação da tocha. A superfície deve ser revestida com sucessivos cordões sobrepostos
em suas laterais, em uma sequência que minimize tensões,
distorções e espessura da camada, conforme recomendações
da literatura [5]. Para a topologia do painel em questão, a
Figura 7 ilustra a sequência de cordões e a Tabela 3, os respectivos parâmetros de movimento. Nota-se, que foi necessária alteração em relação aos resultados descritos no item
III, chegando a frequências de 2,0 Hz. Resta ainda a realização de ensaios para verificação do perfil da diluição resultante sobre o painel.
Figura 7. Distribuição de cordões sobre o painel de tubos, depositados
conforme sequência da Tabela 3.
Tabela 3. Parâmetros de movimentação do robô na soldagem do inox 309.
Cordão
Figura 6. Revestimento e detalhe de respingos aderidos.
Com a intenção de melhorar a qualidade do revestimento,
se decidiu pela adoção do modo pulsado do processo
MIG/MAG, por suas características de melhor estabilidade
na transferência metálica [19]. No entanto, o MIG/MAG
Pulsado com imposição pura de corrente não permitiria a
utilização de um recurso do sistema robótico que estava
sendo aplicado, o controle automático de DBCP. Este fato
levou ao uso do MIG/MAG Pulsado em modo misto, no
qual a tensão é controlada no tempo de pulso de energia,
permitindo a leitura da corrente durante este tempo como
sinal de erro do sistema de controle em malha fechada. A
Tabela 2 mostra a parametrização resultante, com uma cor-
Membrana
Junção
Lateral
Topo
Velocidade de Soldagem (cm/min)
42
63
68
64
Amplitude (mm)
3
5
3
3
Frequência (Hz)
2
3,9
2
2
Tempos Parada (s)
0
0,2
0
0
Como mostrado na Figura 8, o resultado do revestimento
foi satisfatório, com alta qualidade do acabamento superficial.
metálica, o que ocorreu neste caso, numa taxa de 4000 quadros/s.
Foi alcançada determinada estabilidade no processo, evidenciada pela pouca variação de tensão (pulso e base) nos
oscilogramas da Figura 9. No entanto, a mesma figura mostra que ainda são expelidos gotas secundárias de menor diâmetro, após a gota principal (que deveria ser única) e uma
característica explosiva em certos momentos. Isto pode acarretar em respingos aderidos à superfície e também desperdício de material de alto custo, além de emissão de resíduo
sólido. Em decorrência disso, desenvolvimentos do processo
ainda estão em andamento para eliminar as gotas secundárias, ou reduzi-las em alto grau.
Figura 8. Painel revestido de modo automatizado.
V. APLICAÇÃO DO MANIPULADOR ROBÓTICO
O robô antropomórfico prova-se como uma excelente ferramenta, que fornece alta flexibilidade e agilidade a desenvolvimentos de processos de soldagem. Sua aplicação em
campo, no entanto, é inviável devido a suas dimensões e
peso. Suas características geométricas, cinemáticas e de
programação são amplas (o que também eleva seu custo),
mas não dedicadas especificamente ao revestimento dos
feixes (de grande comprimento e superfície tubular). Muitas
das funcionalidades de que os robôs antropomórficos são
dotados são supérfluas para a operação de revestimento de
paredes d'água. Portanto, uma solução dedicada, materializada num manipulador robótico dedicado, se mostra muito
mais atrativa.
Na sequência do desenvolvimento, foi testada a performance do manipulador robótico já disponível na reprodução
do processo ora desenvolvido com o robô antropomórfico.
A. Processo de Soldagem MIG/MAG Pulsado
Uma funcionalidade ainda não presente no sistema de
controle do manipulador disponível é a correção automática
de DBCP. Desta maneira, ensaios iniciais envolveram cordões de solda de menor comprimento e eventuais correções
na DBCP foram feitas manualmente pelo operador.
Outra consequência foi a adoção do modo normal do processo MIG/MAG Pulsado, ou seja, com controle puro de
corrente. A determinação dos parâmetros de pulso de corrente (forma de onda) exige etapas experimentais, nas quais
é realizado monitoramento do processo via oscilogramas de
tensão e corrente. Esta etapa pode ser enriquecida com sincronização de filmagem em alta velocidade da transferência
Figura 9. Monitoração do processo MIG/MAG Pulsado, com oscilogramas
de tensão e corrente sincronizados com filmagem de alta velocidade
(esq.:gotas secundárias; dir.: explosão de gota.
B. Movimentação do Manipulador Robótico
Como mencionado anteriormente, a atratividade de um
sistema dedicado para aplicação do revestimento reside em
sua simplicidade e capacidade se adaptar plenamente à aplicação sobre painéis de paredes d'água. Uma das premissas
para isso é possibilidade de realizar o necessário movimento
de tecimento em planos diferentes do plano xy da base do
manipulador, para manutenção das condições de aplicação
ao redor dos tubos, acompanhando sua forma circular. Para
isso, é necessário que o equipamento possa sincronizar o
acionamento dos eixos transversal (y) e vertical (z) da tocha
de soldagem.
Para ilustrar o requisito colocado, a Figura 10 mostra a situação sob técnicas tecimento apenas no eixo y e sob oscilação angular da tocha (ambas presentes em sistemas disponíveis no mercado). Nota-se que para ambas há variação
significativa da DBCP, o que, então, limita exploração de
procedimentos com maiores amplitudes de tecimento. Já o
tecimento em dois eixos desenvolvido no escopo do presente trabalho fornece uma condição mais adequada, com menos variação da DBCP e menos influência sobre o processo.
Figura 10. Técnicas de tecimento: A) apenas no eixo y; B) angular (pendulamento); C) em dois eixos (y, z).
A execução da trajetória em plano inclinado exigiu devido cálculo cinemático, assim como implementação do software de controle e da interface-homem-máquina (IHM).
(Detalhamento dos cálculos e das linhas de comando não é
escopo do presente trabalho.) Os ensaios foram realizados
em bancada preparada para o manipulador, como mostra a
Figura 11.
Figura 13. Bocal de proteção: A) modelo inovador adotado, permitindo
melhor posicionamento da tocha B) bocal convencional.
Testes preliminares em vazio, com filmagem em alta velocidade, revelaram uma distorção do movimento de tecimento resultante na ponta da tocha, o qual foi regulado e
comandado para traçar uma trajetória triangular. A discrepância (mostrada na Figura 14) é atribuída a folgas nos acoplamentos e vibrações do sistema trilho-manipulador. Estes
aspectos serão levados em consideração na concepção e
projeto da próxima versão do sistema integrado.
Figura 11. Bancada de ensaios do manipulador: 1- fonte de soldagem; 2 manipulador e trilho; 3 - unidade de controle do manipulador; 4: IHM; 5 base basculante.
Nesta etapa foi identificada incapacidade do manipulador
disponível em gerar frequências de tecimento em plano inclinado acima de 1,0 Hz, devido a limitações de velocidade
dos eixos y e z. Desta maneira, foi necessário alterar os parâmetros de soldagem, incluindo adoção de arame-eletrodo
de menor diâmetro (1,0 mm). Com uma corrente média de
150 A, velocidade de arame de 5,8 m/min, vazão de 12
l/min de Ar+25 % CO2 como gás de proteção, velocidade de
soldagem de 20 cm/min e tecimento com frequência de 0,6
Hz e 8,8 mm de amplitude, foi alcançado o resultado mostrado na Figura 12.
Figura 12. Revestimento aplicado com tecimento em plano inclinado.
Uma primeira iniciativa para sanar a limitação de frequencia de tecimento foi a adoção de menores reduções nos
acionamentos dos eixos em questão. Isso acarretou em menos resistência ao movimento e, assim, em movimentos não
planejados devidos a ação da gravidade ("queda" dos eixos,
quando em repouso). Este problema, por sua vez, foi sanado
com a introdução de motores com freio. Testes e desenvolvimentos de novos procedimentos estão em andamento.
Para os revestimentos em painéis reais foi adotado um
modelo inovador de bocal do gás de proteção, que permite
melhor posicionamento da tocha nos planos mais inclinados
(Figura 13).
Figura 14. Trajetória efetiva da ponta da tocha, para um tecimento regulado
como triangular.
VI. EVOLUÇÃO DO SISTEMA MECÂNICO DO MANIPULADOR
ROBÓTICO PARA REVESTIMENTO DE PAINÉIS DE TUBOS
Para apresentar a evolução do sistema integrado dedicado, é importante certo aprofundamento quanto ao sistema
que vem sendo aplicado. O manipulador cartesiano utilizado
para as primeiras etapas do projeto foi batizado de Tartílope
V4 e é do tipo CNC (controle numérico computadorizado)
de quatro eixos. Ele é constituído basicamente por quatro
subsistemas: manipulador da tocha, o gabinete de controle, a
interface homem-máquina e o controle de correção manual,
como mostra a Figura 15.
Figura 15. Subsistemas do Tartílope V4.
No manipulador, o eixo designado como X corresponde
ao deslocamento do manipulador sobre um trilho, que pode
ser flexível ou rígido, no sentido da soldagem. O eixo designado como Y, perpendicular ao eixo X, tem o papel de
fazer movimentos de tecimento. O eixo designado como Z é
fundamentalmente utilizado para ajustar a distância entre a
tocha e a peça (DBCP). O eixo angular, designado como A,
é responsável pela orientação da tocha de soldagem.
O equipamento é acoplado a um trilho, fixado na parede
da caldeira de forma paralela ao eixo dos tubos, por meio de
sapatas magnéticas, como mostra a Figura 16. As sapatas
magnéticas foram projetadas para se encaixar entre dois
tubos.
De acordo com os requisitos gerais do processo e procedimentos em desenvolvimento, foi elaborada inicialmente
uma configuração para o revestimento de paredes de caldeira on-site, de forma a propiciar a produtividade e capacidade
para uma grande área de trabalho. A Figura 17 mostra um
modelo conceitual da configuração em desenvolvimento.
Figura 17. Modelo conceitual do manipulador para revestimentos on-site.
Figura 16. Sistema de fixação do manipulador ao painel de tubos.
As limitações mecânicas apresentadas no item V, e consequente dificuldade de continuar o avanço no desenvolvimento de processos e procedimentos de elevada performance levaram a alterações no projeto do Tartílope V4. Todavia,
se chegou na saturação do projeto, e novas melhorias ainda
necessárias implicariam em alterações radicais em toda a
arquitetura do sistema.
Foi então feita a opção por um novo projeto, partindo de
um novo conceito com foco na elevada dinâmica de movimentação.
A. O conceito do sistema modular (Tartílope VX) para Revestimento on-site
O novo conceito adota uma arquitetura modular, que deve
permitir a combinação dos diferentes sistemas componentes
gerando um leque razoavelmente grande de opções, podendo atender de maneira dedicada a cada um dos cenários de
aplicação por meio de uma configuração customizada. Para
as diferentes vertentes tecnológicas a serem abordadas no
projeto (diferentes processos de soldagem: MIG/MAG,
PTA-P e Plasma-MIG; diferentes condições de aplicação:
on-site e em oficina; diferentes processos: revestimento e
união) é possível escolher os módulos que melhor atendam
às solicitações.
A concepção inicial do sistema prevê três módulos (Tabela 4), sendo que cada módulo comporta diferentes opções
inerentes ao processo e à aplicação.
A estrutura, segundo os módulos apresentados na Tabela
4, fica assim configurada (e ilustrada na Figura 18):
M1F: módulo capaz de posicionar o M1D no sentido perpendicular a soldagem (Y’), posicionando assim de modo
“grosseiro” o manipulador, de modo a deixar o braço (Y)
responsável apenas pelo tecimento. A utilização de trilhos
flexíveis se justifica devido a possíveis curvaturas e imperfeições na parede da caldeira que devem ser absorvidas parcialmente.
M1D: terá um conjunto de guias prismáticas e um fuso de
esferas que promoverá o deslocamento de uma plataforma
na qual será acoplado o M2E. O M1D será dinâmico ao longo da soldagem sendo ele responsável pelo movimento de
avanço da tocha.
M2E: responsável pelo tecimento, que pode envolver a
movimentação de três juntas (duas prismáticas e uma rotacional). Será acoplado na plataforma do M1D e servirá de
base para o M3A.
M3A: responsável pela armazenagem e alimentação do
material de adição. Pelo fato de estar o mais próximo possível da tocha reduz o comprimento e peso do mangote (melhorando condições dinâmicas da tocha), e também reduz a
quantidade de unidades a serem manipuladas e transportadas, pois se elimina o alimentador de arame isolado.
Tabela 4. Características do sistema modular concebido.
Módulo
Função
Tipo
1
Movimentação do manipulador
Trilho
rígido
Trilho flexível
2
Movimentação da tocha
Espacial
Linear
3
Sistema de alimentação
Arame
Pó
Figura 18. Vista explodida dos módulos do modelo conceitual do manipulador para revestimentos on-site.
B. O conceito do sistema modular (Tartílope VX) para Revestimento Prévio em Oficina
Uma opção tecnológica adicional considerada no projeto
de P&D é a confecção do revestimento em oficina de painéis novos, que posteriormente substituirão regiões deterioradas das paredes d'água das caldeiras. O principal fator
favorável a esta opção é a dificuldade de aplicação on-site,
diretamente sobre as paredes d'água.
Dentro da caldeira a mobilidade é altamente limitada, o
que dificulta o transporte e manipulação de todo o aparato
de aplicação. Um agravante reside na execução concomitante de diversas operações de manutenção, pois o cronograma
de paradas de manutenção deve ser racionalizado, e transito
incessante de pessoas e materiais pelos andaimes. Outro
fator complicador é a necessidade de limpeza prévia da superfície a ser revestida, que deve estar livre de escórias, cinzas e ferrugem. Esta operação é feita por jateamento de areia
e aumenta a poluição interna à caldeira.
De fato, a atmosfera interna à caldeira durante as paradas
de manutenção é intrinsecamente contaminada, contendo
alto teor de partículas em suspensão (Figura 19). Não somente estas partículas, como materiais que possam vir a cair
de operações em andares superiores à operação de revestimento por soldagem, podem ser fatalmente deletérias à qualidade do resultado, levando a altos índices de retrabalho.
Figura 19. Atmosfera interna à caldeira e andaimes de trabalho.
Diante desta realidade, se deu início à concepção de uma
variação do sistema integrado para confecção do revestimento previamente sobre tubos novos, em oficina. Nesta
configuração, o sistema também será capaz de realizar a
solda de união membrana-tubo para fabricação dos painéis,
com qualidade e produtividade.
Primeiramente, se deu a definição dos requisitos gerais do
projeto. O sistema deve prover, de acordo com os procedimentos de soldagem previamente descritos, elevada dinâmica de movimentação, robustez / baixo erro de posicionamento e de movimentação / repetibilidade, rigidez ao ambiente
industrial, para aplicação em painéis de tubos de até 6 metros de comprimento na posição vertical, com capacidade de
lidar com o empenamento dos mesmos ao longo do processo.
O modelo conceitual do sistema é apresentado na Figura
20. Estruturalmente, ele se adere ao conceito modular apresentado, e consiste de um M1F (eixo x) e um M2E (eixos z,
y e rotação A). O protótipo está no momento em construção
e os resultados dos testes será tema de trabalhos futuros.
Figura 20. Modelo conceitual do sistema para revestimento em oficina.
VII. CONCLUSÕES
O presente trabalho se insere no escopo de um amplo projeto de P&D, mas está contido na continuidade de linhas de
pesquisa do LABSOLDA. Nas etapas abordadas neste trabalho, foi possível adquirir e gerar conhecimento e experiência
prática, que nortearão o andamento do trabalho. Foram criados subsídios tanto na vertente de processo de soldagem
como de projeto de sistema de automação.
Em termos do processo de soldagem, o processo
MIG/MAG se provou adequado para o revestimento dos
tubos. Confirmou-se, também, o potencial de alta qualidade
do revestimento da filosofia de alta energia e alta dinâmica
de aplicação (alta frequência de tecimento). Tais resultados
são atingíveis tanto com o MIG/MAG Pulsado como em
spray. No entanto, é necessária adequada parametrização de
movimento, que resulte em perfil homogêneo de penetração,
assim como rigidez e confiabilidade do sistema de automação, para que a trajetória de tecimento reproduza de fato os
valores regulados. Adequada parametrização do MIG/MAG
pulsado é necessária para estabilidade da transferência metálica e maior qualidade superficial.
A aplicação de tecimento em plano inclinado, acompanhando o perfil circular dos tubos dos painéis, foi viabilizada e forneceu bons resultados de revestimento. No entanto,
análise mostrou que ainda há desvios da trajetória real da
tocha em relação à trajetória regulada. Isto foi considerado
na definição dos requisitos de projeto do novo sistema integrado.
As limitações observadas de sistemas de automação da
soldagem comerciais, presentes inclusive em equipamentos
de alta tecnologia, como robôs antropomórficos, contribuem
para justificar plenamente o desenvolvimento de um sistema
dedicado. Os novos conceitos modulares apresentados, tanto
para aplicação on-site, como para aplicação em oficina, são
embarcados com todos os requisitos para alta produtividade
e confiabilidade de desempenho e do resultado.
A etapas seguintes visarão a consolidação da tecnologia.
Pra isso, protótipos (já em fase de construção) serão testados
em laboratório e em campo, avaliados e aperfeiçoados, com
estreita colaboração da equipe técnica da empresa financiadora. Pelo menos mais um processo de soldagem de revestimento será avaliado (PTA-P - Plasma Pó), e será desenvolvido o processo de soldagem de união membrana-tubo,
para fabricação dos painéis, no caso de aplicação em ofici-
na.
A consubstanciação da tecnologia, ao final do projeto,
juntamente à formação de pessoal especializado altamente
qualificado, representará significativa contribuição para
elevação da confiabilidade e eficiência do parque termelétrico brasileiro. Este aspecto tem fundamental importância,
considerando seu papel de complemento da matriz hidrelétrica nacional e corresponsável pela segurança energética
nacional.
VIII. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a toda equipe do LABSOLDA e da
empresa IMC-Soldagem pelo esforço e apoio prestados.
Agradecimento especial também é dirigido à equipe técnica
da TRACTEBEL ENERGIA SA, pelo envolvimento e interação no trabalho.
IX. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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