Artigo 7953

DETECÇÃO DE DANOS EM TUBULAÇÕES USANDO A TÉCNICA BASEADA NA
IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICA (EMI)
Julián L. Pita∗, Antonio E. Turra†, Jozué Vieira Filho‡
∗
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
Departamento de Engenharia Elétrica
UNESP- Univ Estadual Paulista
†
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
Departamento de Engenharia Mecânica
UNESP- Univ Estadual Paulista
‡
Engenharia de Telecomunicações
São João da Boa Vista / SP
UNESP- Univ Estadual Paulista
Emails: [email protected], [email protected], [email protected].
Abstract— The electromechanical impedance (EMI) technique has been efficiently in structural health monitoring (SHM)systems for different structures, this technique monitor the structural integrity by exciting and
sensing a piezoelectric transducer.In this work are monitoring two structures with EMI technique, the first structure is a iron tube and the second structure is a pipeline with constant water flow. Were analyzed the effects of
transducers position on the structure and the frequency of excitation more appropriate for generate to achieve
the highest sensitivity to damage.
EMI, PZT, Pipeline.
Keywords—
Resumo— A técnica da impedância eletromecânica (EMI) é utilizada de maneira eficiente em sistemas de
monitoramento de integridade estrutural (SHM) para uma grande variedade de estruturas, esta técnica faz o
monitoramento mediante a excitação e detecção de um transdutor piezelétrico. Neste trabalho são monitoradas
duas estruturas com a técnica da EMI, a primeira é um tubo de aço e a segunda é uma tubulação com fluxo
constante de água. Foram analisados os efeitos do posicionamento do transdutor na estrutura e a frequência de
excitação mais adequada para maior sensibilidade ao dano.
Palavras-chave—
1
EMI, PZT, Tubulação.
Introdução
A maioria das empresas Brasileiras de distribuição
de água, gás e petróleo consideram as tubulações
como o melhor meio de transporte de fluidos para
grandes distâncias, porque este apresenta menores
custos, maior segurança, menores riscos de acidentes e/ou danos ao ambiente quando comparados
ao transporte terrestre, ferroviário ou marı́timo.
Os sistemas de detecção de danos em tubulações tem um papel muito importante na indústria
já que podem cruzar áreas densamente povoadas.
Além disso, os produtos transportados pelas tubulações são muito caros, por isso é necessário que as
tubulações tenham uma alta segurança para poder impedir vazamentos, e assim, conseguir evitar
danos ambientais, prejuı́zos econômicos e também
para evitar riscos para as pessoas.
Logo, faz-se necessário o desenvolvimento de
novas técnicas para a detecção de vazamentos e
principalmente se estas forem de baixo custo e com
alta sensibilidade. Certamente, o presente estudo
irá contribuir no sentido do desenvolvimento de
novas técnicas e/ou ferramentas aplicadas a detecção de vazamento em tubulações metálicas utilizando a técnica da EMI (Electro-Mechanical Impedance) e transdutores PZT (Titanato Zirconato
de Chumbo).
A solução proposta neste trabalho são os sistemas de monitoramento de integridade estrutural, já que são muito confiáveis e econômicos. Em
geral, SHM tem aplicação dentro das áreas da indústria aeroespacial, engenharia civil e engenharia mecânica. O processo de SHM envolve o uso
de um conjunto de sensores distribuı́dos ao longo
de uma estrutura para fazer observações periódicas da resposta dinâmica do sistema. As observações determinam se há danos presentes no sistema,
após a análise estatı́stica dos dados coletados.
No caso da pesquisa deste trabalho, os sistemas de interesse são as tubulações. Há vários
elementos num sistema de tubulação, dentro dos
quais estão o corpo principal dos segmentos de
tubos simples, juntas flangeadas e soldadas, válvulas, conexões, e estações de bombeamento. Especificamente, o presente estudo coloca ênfase sobre o controle da integridade estrutural do corpo
principal dos segmentos dos tubos simples. Para
implementar um sistema de SHM uma tubulação,
uma série de sensores implantados em vários locais ao longo do eixo do tubo é usada para fazer
as observações do estado da estrutura.
Em sistemas de tubulações podem ocorrer
dois tipos de vazamentos. O vazamento por rup-
tura, este é mais fácil de ser detectado por causar
grandes quedas de pressão e de perda de volume.
Os vazamentos de pequenas proporções, causados
por erosão, corrosão, fadiga e defeitos na solda,
são mais difı́ceis de serem detectados, neste artigo
un vazamento pequeno é testado.
2
SHM Baseado na Impedãncia
Eletromecânica
Os sistemas de monitoramento de integridade estrutural têm como finalidade detectar, em tempo
real ou não, danos estruturais em um vasto campo
de aplicação tais como estruturas civis (pontes,
edifı́cios, estradas e plataformas petrolı́feras.), aeronáuticas e aeroespaciais (aviões, helicópteros,
satélites e estações espaciais.) e marı́timas (submarinos e navios). A motivação é tanto cientı́fica quanto econômica. Do ponto de vista cientı́fico, monitorar e detectar danos estruturais significa conquistar um elevado grau de segurança.
Do ponto de vista econômico, sistemas com essa
capacidade permitem uma economia significativa
em manutenção
Em geral, a integridade é a condição da estrutura que permite a sua operação adequada com
desempenho satisfatório; monitoramento é o processo de diagnóstico e prognóstico; e dano é uma
falha material, estrutural, ou funcional que afeta
o desempenho presente ou futuro da estrutura
(Inman, 2005).
De acordo com (Rytter, 1993) existem 4 nı́veis
na escala de avaliação de danos: Nı́vel I, fornece
apenas informações sobre a presença do dano na
estrutura; Nı́vel II, aumenta o conhecimento sobre
os danos por determinação da localização; Nı́vel
III, é a extensão dos danos avaliados e o Nı́vel IV,
a quantificação dos danos.
Geralmente, os sistemas de SHM coletam os
dados enquanto a estrutura está em condição dinâmica, por meio de excitação forçada em uma
faixa de frequência mais sensı́vel ao dano, sendo
feita de forma controlada por atuadores como shakers e transdutores piezelétricos. Desse princı́pio,
surgem as técnicas baseadas na Função de Resposta em Frequência (FRF). Assim, os sistemas
de SHM consistem em redes de sensores para aquisição de dados gerenciados por processadores que
executam algoritmos para avaliar as condições da
estrutura, (Cortez, 2012).
As principais técnicas utilizadas em sistemas
de SHM têm origem nos métodos da avaliação não
destrutiva (NDE), tais como a EMI, a emissão
acústica, a inspeção ultrasônica, a inspeção por
raios-X, vácuo comparativo, ondas de Lamb, inspeção por partı́cula magnética, correntes e aquelas
baseadas em fibra óptica, (Sohn et al., 2004).
A técnica da EMI é uma forma de avaliação
não destrutiva (NDE) baseada na Função de Resposta em Frequência (FRF) que se destaca por
sua simplicidade e por utilizar transdutores piezelétricos de baixo custo. Esses transdutores, geralmente cerâmicas de PZT são colados na estrutura
a ser monitorada por meio de um adesivo de alta
rigidez que pode ser uma cola instantânea a base
de cianoacrilato ou uma resina de epóxi. Para a
compreensão do princı́pio dessa técnica é necessário um estudo desses dispositivos que tem como
propriedade fundamental o efeito piezelétrico
O efeito piezoelétrico é o surgimento de um
campo elétrico em um material submetido a uma
distribuição de tensão mecânica. Também ocorre
o efeito inverso, isto é, ao se aplicar uma tensão
elétrica entre os dois lados de um material piezelétrico, surge uma deformação mecânica.
Os transdutores ativos de pastilha piezoelétrica são normalmente construı́dos a partir de cerâmica de PZT. Para pequenas mudanças nos parâmetros mecânicos e elétricos, a teoria linear da
piezeletricidade é aplicável e a cerâmica piezoeléctrica é descrita pelo seguinte par de equações em
notação tensorial (Meitzler, 1987):
Dj = djkl Tkl + ǫTjk Ek
(1)
Sij = sE
ijkl Tkl + dkij Ek
(2)
As Equações (1) e (2) definem uma relação entre a deformação mecânica Sij , a tensão mecânica
Tkl , o campo elétrico Ek é o deslocamento elétrico
Dj , que são acoplados através do coeficiente de
elasticidade sE
ijkl medido com campo elétrico zero
(E = 0), da permissividade dielétrica ǫTjk medida
com tensão mecânica nula (T = 0) e do coeficiente piezelétrico dkij . Em geral, a representação tensorial nas Equações (1) e (2) resulta em
nove equações correspondentes aos componentes
de deformação mecânica e direções de polarização
respectivas. A simplificação das equações constitutivas é obtida considerando particularidades do
material piezelétrico e sua interação com a estrutura a ser monitorada.
O transdutor de PZT é alimentado por um
campo elétrico alternado de valor fixo que excita
e induz vibrações na estrutura (efeito piezelétrico
inverso). A vibração resultante gera um fluxo de
corrente no transdutor (efeito piezelétrico direto).
Devido ao efeito piezelétrico, é estabelecida uma
relação entre as propriedades mecânicas da estrutura e a impedância elétrica do transdutor. Logo,
é possı́vel monitorar variações dessas propriedades através da medição da impedância elétrica
(Cawley, 1984).
Um modelo em termos da impedância elétrica
do transdutor é dada, de acordo com (Liang et al.,
1994), pela seguinte equação:
ZE (ω) =
V
1
=
I
jωa
T
ε33 −
Z(ω)
2
E
d Ŷ
Z(ω) + Za (ω) 3x xx
−1
(3)
Onde V representa a tensão de entrada, I é
a corrente de saı́da do transdutor piezeléctrico.
Além do mais, a é uma constante geométrica, e
E
d3x , Ŷxx
y εT33 , são a constante de acoplamento
piezelétrico, módulo de Young, e a constante dielétrica complexa do transdutor piezoeléctrico a
uma tensão constante, respectivamente.
De acordo com a Equação (3), qualquer alteração na impedância mecânica da estrutura provocada por um dano implica em uma variação correspondente na impedância elétrica do transdutor.
Portanto, a técnica da EMI permite que a integridade da estrutura seja avaliada de uma maneira
simples através da medição da impedância elétrica
do transdutor de PZT.
Figura 1: Diagrama do analisador de impedância utilizado.
Fonte: Adaptado de (Baptista and
Vieira Filho, 2009)
4
3
Método da Impedância de baixo Custo
O sistema usado para fazer as medições da impedância foi desenvolvido na plataforma LabVIEW
por (Baptista and Vieira Filho, 2009). A escolha
do sistema foi motivada por sua rapidez, sensibilidade e precisão, as quais foram demonstradas
e comparadas usando um analisador de impedância comercial da Hewlett Packard. O diagrama
de blocos da Figura 1 representa o sistema geral.
Neste caso, os seguintes equipamentos e componentes foram utilizados:
• Dispositivo DAQ multifuncional USB-6259
da National Instruments.
• Software LabVIEW 2010 v10.0, versão para
avaliação.
• Software Impedance Analyzer 2.0 para medição da impedância baseado na plataforma
LabVIEW, desenvolvido por Baptista e Vieira Filho (2009).
• Microcomputador notebook Dell Inspiron 14
core i5 - 4 GB com Windows 7.
Procedimento Experimental
Duas estruturas foram monitoradas neste estudo.
A primeira estrutura (ver Figura 2) é um tubo
de 50 cm de comprimento, 10 cm de diâmetro e
uma espessura de 2mm. Nesta estrutura foram
colados 4 transdutores PZT, marca Multicomp,
em 4 posições diferentes separados entre si por 90o
(ver Figura 5). A segunda estrutura (ver Figura 3)
é uma tubulação de aço galvanizado cujo diâmetro
nominal é de 80 mm, diâmetro externo de 88,90
mm e uma espessura de 4mm.
Para a análise do sinal da impedância foi utilizada a parte real da impedância, já que está é
recomendada na literatura devido ao fato dessa
ser menos susceptı́vel a variações de temperatura
(Bhalia et al., 2003) . Todos os dados da impedância foram tomados em séries, e cada série contém
dez medidas. Duas séries de medições em condições ı́ntegras foram utilizados como referência
(baseline). A fim de cobrir as diferenças devido
às mudanças ambientais, as medidas de referencia foram realizadas em diferentes horas do dia,
durante vinte dias.
Figura 2: Tubo.
• Resistor de filme carbono: Rs = 1k 14 W .
O sistema mostrado na Figura 1 foi implementado usando um dispositivo de aquisição de dados
(DAQ) da National Instruments. Através do software mencionado acima foi gerado um sinal de excitação chirp x(t) usando as seguintes opções de
configuração: Resistor externo: 1 kΩ; amplitude:
; número
2,0 V; taxa de amostragem: 106 Mostras
s
de amostras: 262144; resolução de frequência: 4
Hz.
Para garantir medidas corretas, a geração do
sinal de excitação e a aquisição do sinal de resposta foram sincronizadas antes de executar qualquer medição foi necessário gerar um arquivo para
calibração do sistema, conectando a saı́da do CDA
diretamente à entrada do CAD do dispositivo de
aquisição de dados.
Fonte: Arquivo pessoal.
Figura 3: Tubulação.
Figura 5: Parte real da impedância em uma faixa de
frequências de 65-68 kHz.
48
Baseline
Dano1
Dano2
Impedância (Parte Real)
46
44
42
40
38
36
34
32
6.5
6.55
6.6
6.65
6.7
Frequência (Hz)
6.75
4
Fonte: Arquivo pessoal.
Fonte: Arquivo pessoal.
6.8
x 10
Figura 6: Parte real da impedância em uma faixa de
frequências de 77-80 kHz.
4.1
Testes sem Fluxo
Este primeiro teste foi realizado com o tubo para
os quatro transdutores foram simulados dois danos
(mudança de massa) colando uma porca primeiro
a 10 cm (Dano A), a 25 cm (Dano B), apos à
simulação dos danos foi tomada uma nova media
considerada como integra.
Nas Figuras 5 e 6 observam-se uns exemplos
das medidas da parte real da impedância tomadas
do PZT1 (ver Figura 4). A primeira medida em
uma faixa de frequências de 65-68 kHz e a segunda
medida em uma faixa de frequências de de 77-80
kHz.
Figura 4: Nı́veis de danos para o primeiro teste.
42
Baseline
Dano1
Dano2
40
Impedância (Parte Real)
Para as estruturas, a faixa de frequência selecionada foi obtida de forma empı́rica. Para a primeira estrutura, as frequências entre 60-90 kHz foram selecionadas de uma faixa de análise de 30-160
kHz devido à sensibilidade na detecção do dano.
Dentro desta faixa selecionada são analisadas duas
faixas principais que são de 63-71 kHz e de 85-73
kHz. Para a segunda estrutura as frequências entre 68-76 kHz foram as que apresentaram melhores
resultados.
38
36
34
32
30
28
7.7
7.75
7.8
7.85
7.9
Frequência (Hz)
Fonte: Arquivo pessoal.
8
4
x 10
A identificação do dano é feita comparando-se
a impedância elétrica do transdutor medida com
a estrutura em uma condição inicial, considerada
ı́ntegra, com a impedância medida após a estrutura ter sofrido um possı́vel dano.
Essa comparação é realizada por meio de ı́ndices de falha métrica. Os ı́ndices mais usados
na literatura são o desvio da raiz média quadrática, RMSD (Root Mean Square Deviation),
e a métrica do desvio do coeficiente de correlação, CCDM (Correlation Coefficient Deviation
Metric).
O indice RMSD pode ser calculado através da
equação (4) (Rogers, 1998),
RM SD =
N
X
n
Fonte: Arquivo pessoal.
7.95
s
(Zn,d − Zn,h )2
2
Zn,h
(4)
Sendo Zn,h a impedância elétrica do transdutor considerando a estrutura ı́ntegra e Zn,d a
impedância considerando o vazamento ou dano
na tubulação, ambas considerando a variação na
frequência de n até N;
O indice CCDM é dado pela Equação (5)
(Marqui et al., 2008),
Figura 9: Dano simulado na Tubulação.
PN
n (zn,h − Zh )(zn,d − Zd )
CCDM = 1 − qP
qP
(5)
N
2
2
(z
−
(z
−
Z
)
Z
)
n,h
n,d
h
d
n
Nas Figuras 7 e 8 são apresentados as gráficas
dos ı́ndices RMSD e CCDM para uma faixa de
frequências de 63-71 kHz e 75-83 kHz.
Figura 7: CCDM normalizado para os quatros PZTs.
3000
Fonte: Arquivo pessoal.
dano é representado graficamente em comparação
com uma medida de baseline.
2500
2000
1500
1000
Figura 10: Parte real da impedância em uma faixa
500
de freqüências de 69-75 kHz.
0
PZT1
43
PZT3
PZT4
DANO A (63-71 kHz)
DANO B (63-71 kHz)
DANO A (75-83 kHz)
DANO B (75-83 kHz)
Fonte: Arquivo pessoal.
Figura 8: RMSD normalizado para os quatros PZTs.
BASELINE
INTEGRO
DANO C
42
41
Impedância (Parte Real)
PZT2
40
39
38
37
36
35
6.9
3000
7
2500
7.1
7.2
7.3
Frequência (kHz)
7.4
7.5
4
x 10
Fonte: Arquivo pessoal.
2000
1500
1000
Na Figura 11 observa-se os ı́ndices CCDM e
RMSD para PZT1 na faixa de frequência de 68-76
kHz.
500
0
PZT1
PZT2
PZT3
PZT4
DANO A (63-71 kHz)
DANO B (63-71 kHz)
DANO A (75-83 kHz)
DANO B (75-83 kHz)
Figura 11: Índices CCDM e RMSD do vazamento na
tubulação.
Fonte: Arquivo pessoal.
140
4.2
Testes com Fluxo
120
100
Nesta estrutura monitorada com fluxo constante
de água foi colado um transdutor PZT marca Multicomp. Nesta secção é comparada a impedância
elétrica medida com PZT1 (ver Figura 10) com a
tubulação a uma pressão de 432 psi, condição considerada como referencia integra (baseline), com
a impedância elétrica do transdutor medida com
a tubulação submetida a simulação de um vazamento, considerado como dano. Este vazamento
é de 8 mm de diâmetro e esta a uma distância de
50 mm do PZT1.
Na Figura 10 observa-se um exemplo da medida da parte real da impedância da tubulação em
uma faixa de frequências de 69-75 kHz, as medições da impedância tomadas do PZT1. O terceiro
80
60
40
20
0
RMSD Normalizado
CCDM Normalizado
Fonte: Arquivo pessoal.
Neste teste comprova-se que o ı́ndice CCDM
detecta o vazamento, mas com o ı́ndice RMSD não
é possı́vel detecta-lo.
5
Conclusões
Os resultados mostram que a presença de danos
foi corretamente identificada/detectada. As medições de referência eram reprodutı́veis e a presença
de danos causaram maiores alterações na impedância do que nas variações das medições de referência.O mesmo foi considerado no caso de danos
menos graves. No teste três, quando foi realizada
uma fenda na estrutura, a métrica aumentou em
duas ordens de magnitude.
Dos casos considerados aqui, uma conclusão
clara pode ser realizada em relação à localização
e à quantificação dos danos. A eficiência das medições da impedância para a gama de frequência
selecionada depende da localização dos trasdutores no sistema.
Uma abordagem para a identificação de danos
estruturais em tubulações foi apresentada neste
trabalho. Este método baseia-se na utilização de
PZT de cerâmica de baixo custo e da técnica baseada na impedância electromecânica, foi utilizado
para detectar e localizar danos na seção principal
da tubulação com eficiência. Os resultados mostram que a variação na tubulação pode ser detectada numa gama de frequência elevada, mesmo
para pequenos danos.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq e à FAPEMIG
pelo financiamento parcial deste trabalho, através
do INCT-EIE.
Referências
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