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AVALIAÇÃO DE DESGASTE EM EQUIPAMENTOS
INDUSTRIAIS ATRAVÉS DE ENSAIOS TÉRMICOS NÃO
DESTRUTIVOS
IDENTIFICAR O POTENCIAL PARA APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA
NA ANÁLISE DE DESGASTE POR ABRASÃO
AVALIAÇÃO DE DESGASTE EM EQUIPAMENTOS
INDUSTRIAIS ATRAVÉS DE ENSAIOS TÉRMICOS NÃO
DESTRUTIVOS
IDENTIFICAR O POTENCIAL PARA APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA
NA ANÁLISE DE DESGASTE POR ABRASÃO
Trabalho de Graduação apresentado ao Programa de Graduação emTécnolgia mecânica industrial, com requisito à obtenção do titulo de Tecnólogo Mecânico Industrial na Faculdade Sul Fluminense.Área de concentração: Energia e CalorOrientador(a):
RESUMO
O desgaste é um dos maiores causadores de custos na indústria moderna, havendo carência detécnicas preditivas eficazes em sua detecção. O relatório publicado em 1966, pelo departamentode Educação e Ciência da Inglaterra, “Lubrication (Tribology, Education and Research)”,sugeriu que a economia poderia chegar a ser de 515 milhões de libras por ano com a aplicação demelhores práticas tribológicas. Desses, 473 milhões estariam diretamente vinculados à: menormanutenção e reposição de peças, menos paradas, vida mais longa das máquinas e menordissipação de energia por atrito. Uma dessas práticas é a seleção de revestimento antidesgastepara tubulações, silos, chutes, ciclones, etc. O revestimento tem como característica proteger aparte estrutural do equipamento e aumentar sua vida útil. Pelo fato do desgaste ser um processonatural, é impossível evitá-lo. Após revestido o equipamento continuará com uma vida útillimitada a um período de tempo. Outra boa prática, portanto, é monitorar o desgaste nessesequipamentos de maneira a fornecer informações para o gestor optar pela melhor decisão. Opresente trabalho tem como objetivo avaliar o potencial de aplicação da termografia nodiagnóstico de desgaste em equipamentos industriais. Como primeiro passo foi feita uma análisequalitativa com a técnica. A inspeção se deu em uma indústria de cimento, identificando ospontos de maior desgaste em uma tubulação que estava em operação. Com os resultados obtidos,o passo seguinte foi a análise quantitativa. Foi construída uma bancada de testes em laboratóriopara avaliações experimentais em amostras com revestimento íntegro e desgastado. Foramcorrelacionadas a temperatura externa com a espessura do revestimento em tubos, através de umarigorosa metodologia experimental. Houve o desenvolvimento de um modelo matemático doprocesso de transferência de calor radial, sendo que a incerteza foi avaliada pelo método GUM,visando auxiliar a análise de resultados. Foi encontrado através dos cálculos uma espessura dacerâmica de 18,7 mm ± 1,28 mm para o trecho onde a cerâmica possui a espessura de 24 mm ±0,1 mm (medição por paquímetro) sendo esse o trecho íntegro, e 1,7 mm ± 1 mm de desgaste naargamassa no trecho onde a cerâmica possui a espessura de 1 mm ± 0,2 mm (medição porpaquímetro) e a argamassa possui espessura de 7 mm ± 0,16 mm (medição por paquímetro). Atermografia se mostrou como uma técnica promissora na análise e cálculo do desgaste, podendose destacar como uma das primeiras ferramentas disponíveis em escala industrial para auxiliar nagestão de ativos nesse segmento.
Palavras Chaves: termografia, desgaste, tubulação, manutenção, tribologia
1 INTRODUÇÃO
O Brasil vive um importante cenário na escala industrial. As cimenteiras, em consonânciaao crescimento da indústria civil no país motivada pela Copa do Mundo de Futebol, Olimpíadas,prédios e condomínios, não possuem capacidade suficiente para suprir a demanda interna doproduto. Devido a esse fato são importados lotes de cimentos, e indústrias de grande porte comoCimentos Holcim, Cimentos Votorantim, Cimentos Liz estão realizando grandes expansões emvárias unidades, como Barroso, Rio Branco e Vespasiano, respectivamente. Já as mineradoras,devido à previsão do preço de venda do minério no mercado mundial, estão viabilizando algunsimportantes projetos. A Vale, por exemplo, está adequando as minas de Cauê e Conceição, paraque possa fazer o beneficiamento do minério de ferro, que após o processo de moagem torna-sepontiagudo e muito abrasivo. Dentre as impurezas existentes na extração do minério, se encontraa sílica (Si), que é uma estrutura muito dura e grande responsável pelo desgaste prematuro dosequipamentos. Outras empresas também realizam expansões, como RPM, Ferrous, MMX,Samarco, etc. As siderúrgicas também não ficam para trás. Muitas tem se expandido, como é ocaso da Usiminas/Cubatão, Gerdau/Pindamonhangaba, Gerdau/Ouro Branco, Gerdau/Cosigua,Arcelor Mittal/Monlevade.
Como a demanda do mercado tem se mostrado muito competitiva em todos os setores,principalmente com a entrada dos aços e outros produtos chineses, as empresas têm investido nasprincipais formas para o aumento da produção:
Aumentar o turno de trabalho;Melhorias no processo produtivo;Otimizar a manutenção dos equipamentos.Dos itens acima descritos, a otimização da manutenção de equipamentos é o item que podeser mais aprimorado, quando o processo de produção já estiver adequado. E dentro deste item, háum problema enfrentado por todas as indústrias: o desgaste por abrasão. A abrasão é comumenteencontrada em tubulações, válvulas, silos, chutes, tremonhas, canais, bombas e outroscomponentes usados nas diversas indústrias.
Superficialmente, analisa-se o desgaste por abrasão como uma comparação de durezas. Ummaterial, ao riscar o outro, retira uma camada de material e faz um tubo, um silo, uma calhaperder a espessura, seja de sua estrutura, seja de seu revestimento. Portanto, quanto mais duromaterial passante, mais desgaste é gerado. Outras características do fluido influenciam, entre elaspressão e velocidade. Existem casos nos quais tubos de aço que transportam polpa de minério sedesgastam e perdem sua utilização em 7 dias de utilização. As Figuras 1 e 2 mostram aagressividade do fenômeno de desgaste em tubos sujeitos às condições citadas de abrasão.
Figura 2: Desgaste em um curva
metálica no transporte de minério
Figura 1: Desgaste em um tubo metálico.
Transporte pneumático de cinzas,
temperatura de 140º
Ao realizar visitas em areas da siderurgica e que não há uma metodologia preditivapara verificação de desgaste por abrasão em equipamentos. Algumas técnicas utilizadascorrespondem à manutenção preventiva:
- Em siderúrgica consultada no estado do Rio de Janeiro realizou-se uma filmagem pordentro de uma tubulação através de uma sonda. Apenas no trecho filmado tem-se o registro de 40minutos, gerando custos com a desmontagem do tubo, da sonda, equipe de manutenção, paradado equipamento, etc;
Em uma empresa siderúrgica no estado do de Janeiro, realiza-se a parada de todo oequipamento, para verificar o estado do desgaste do revestimento interno e se é necessáriorealizar intervenções (substituição ou reparos). A Figura 3 mostra um silo submetido a esseregime de manutenção. É possível observar pelo porte do equipamento os impactos existentespara realização de parada de operação para avaliação de suas condições.
Figura 3: Silo com revestimento interno de polietileno UHMW.
Verificado o desgaste e necessidade de reparo após uma
parada do equipamento.
Há ainda situações onde a manutenção é apenas corretiva não planejada:
Esses métodos geram uma série de prejuízos para a indústria (tempo de equipamentoparado, manutenção não planejada, perda de carga, etc).
O processo de deterioração desse revestimento (resistentes ao desgaste) não é percebidonormalmente até que haja vazamentos e a conseqüente interrupção da produção por não havertecnologia preditiva disponível. (ALTOBELLI, 2010)
Tem-se, portanto, como resumo do problema: Como monitorar o desgaste emequipamentos industriais sem que seja necessária uma parada do processo de fabricação, sejapara vistoria ou por falha, visando o planejamento da manutenção agindo de forma a maximizar aprodução e minimizar os custos.
1.1 Objetivo Geral Avaliação de desgaste em equipamentos industriais através de ensaios térmicos não
destrutivos. O trabalho irá identificar o potencial para aplicação da termografia na análise dedesgaste por abrasão.
1.2 Objetivos específicos
Avaliar experimentalmente a relação espessura x temperatura;Avaliação teórica utilizando modelo matemático simples;Avaliação de incerteza na abrangência dos resultados.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Manutenção
A manutenção, de forma geral, pode ser dividida em quatro tipos: manutenção corretiva(não planejada e planejada), manutenção preventiva, manutenção preditiva e gestão de ativos.
Manutenção corretiva O objetivo da manutenção corretiva não-planejada é corrigir ou restaurar as condições de
operação de um equipamento ou sistema. Já a manutenção corretiva planejada faz a correção dedesempenho menor do que o esperado a partir de histórico, em condições controladas(planejamento de paradas). Como algumas limitações, é possível destacar: disponibilidade depeças de reposição, disponibilidade de equipe especializada para reparação, algumas vezesnecessidade de parar toda a linha de operação, perda da qualidade, etc.
Manutenção preventiva
Trata-se de atuação realizada de maneira a reduzir ou evitar a falha ou a queda nodesempenho do equipamento, obedecendo a um plano de manutenção preventiva previamenteelaborado, baseado em intervalos definidos de tempo.
Qualquer ativo físico solicitado para realizar uma determinada função estará sujeito a umavariedade de esforços. Estes esforços gerarão fadiga e isto causará a deterioração deste ativofísico reduzindo sua resistência à fadiga. Esta resistência reduzirá até um ponto no qual o ativofísico pode não ter mais o desempenho desejado, em outras palavras, ele pode vir a falhar(MOUBRAY, 1997).
A manutenção preventiva caracteriza-se pelo trabalho sistemático para evitar a ocorrênciade falhas procurando a sua prevenção, mantendo um controle contínuo sobre o equipamento. Amanutenção preventiva é considerada como o ponto de apoio das atividades de manutenção,envolvendo tarefas sistemáticas tais como: as inspeções, substituição de peças e reformas(PATTON JR., 1983).
A manutenção preventiva tem como desvantagens a ocorrência de falhas antes do períodoestimado, intervenção prematura, ela é fortemente influenciada pelo histórico de manutenção e hápossibilidade de introdução de problemas não-existentes (PUJATTI, 2012).
Manutenção preditiva
Também é conhecida como manutenção sob condição ou manutenção com base no estadodo equipamento (diagnóstico). É baseada na tentativa de definir o estado futuro de umequipamento ou sistema, por meio dos dados coletados ao longo do tempo por umainstrumentação específica, verificando e analisando a tendência de variáveis do equipamento.Esses dados coletados, por meio de medições em campo como temperatura, vibração, análisefísico-química de óleos, ensaios por ultra-som, termografia, não permitem um diagnósticopreciso; portanto, trabalha-se no contexto de uma avaliação probabilística. Esse tipo demanutenção caracteriza-se pela previsibilidade da deterioração do equipamento, prevenindofalhas por meio do monitoramento dos parâmetros principais, com o equipamento emfuncionamento.
A manutenção preditiva é a execução da manutenção no momento adequado, antes que oequipamento apresente falha, e tem a finalidade de evitar a falha funcional ou evitar asconseqüências desta (MOUBRAY, 1997).
Ela tem como limitação a necessidade da planta ou processo permitirem formas demonitoramento existentes e há possibilidades de introdução de problemas não-existentes(PUJATTI, 2012).
Gestão de ativos A gestão de ativos visa pensar na manutenção na concepção do projeto para otimizar os
investimentos que serão feitos. Implantar a manutenção por melhorias, que visa melhorar odesempenho de ativos. Dessa forma otimiza-se a disponibilidade, possibilita uma maiorsegurança aos trabalhadores e ao meio ambiente, além de possibilitar a redução dos custos aolongo do tempo. Engloba, portanto, os 3 tipos anteriores de manutenção, planejando o melhortipo para cada equipamento. Essa tem sido uma tendência cada vez maior da indústria, aoconcentrar o desenvolvimento de centros de manutenção.
Fenômenos de desgaste
Denomina-se desgaste à perda progressiva de material da superfície de um corpo sólido,causado por ação mecânica, isto é, por contato e movimento relativo de um contracorpo sólido,
líquido ou gasoso. Em tribologia, o desgaste normalmente é indesejável. O fenômeno “desgaste”é influenciado por um conjunto de outros fatores não inerentes ao material como: ascaracterísticas do abrasivo e do ambiente, a intensidade e a natureza dos esforços, assim como avariação temporal destas características.
Um tribossistema genérico consiste em duas superfícies com movimento relativo (corpo econtra-corpo), um meio entre estas duas superfícies e o meio ambiente.
Existem três formas elementares de movimento em sistemas tribológicos (ou combinaçãoentre eles): deslizamento, impacto e fluxo (escoamento). Parâmetros operacionais físico-técnicodurante um processo de desgaste são definidos por quatros variáveis:
Força normalVelocidadeTemperaturaDuração do processo
Ensaios não destrutivos
A arte de inspecionar sem destruir evoluiu, principalmente a partir da década de 50, desimples curiosidade de laboratório até se tornar uma ferramenta indispensável. (SILVA &VILLANI, 2011)
Ensaios não destrutivos (END´s) são muito utilizados na indústria. Dentre as váriastécnicas que existem, é possível destacar: líquidos penetrantes, raio x, partículas magnéticas,correntes parasitas, termografia, etc. Uma grande vantagem do ensaio não destrutivo é podersubstituir uma manutenção preventiva ou corretiva não planejada por uma manutenção preditivaou corretiva planejada.
Uma característica marcante dos END´s é que eles raramente medem diretamente apropriedade de interesse. O valor dessa propriedade é obtido a partir de sua correlação com umaoutra grandeza que é a medida durante a realização dos testes. (SILVA & VILLANI, 2011)
Dentre os END´s o objetivo desse trabalho é destacar o ensaio térmico.
Ensaio térmico não destrutivo
Define-se ensaio térmico não destrutivo como o método para diagnóstico em estruturas(falhas, trincas, umidade, propriedades termofísicas de materiais, etc.) com base na temperaturasuperficial da estrutura, medidas através de técnicas sem contato, através de uma imagem geradapela radiação térmica no infravermelho.
Conceitualmente sabe-se que:Ensaio térmico não destrutivo: é o método para diagnóstico em estruturas (falhas, trincas,umidade, propriedades termofísicas de materiais, etc.) com base na temperatura superficial daestrutura, medidas através de técnicas sem contato, através de uma imagem gerada pela radiaçãotérmica no infravermelho.Termografia: Método de aquisição de dados da temperatura superficial da estrutura através deuma câmera com capacidade de reconhecer radiação térmica no infravermelho.
De maneira padrão, será utilizado ao longo do texto o termo termografia, referente aoensaio térmico não destrutivo ao longo do presente trabalho.
A termografia é classificada segundo o método de excitação térmica em ativa e passiva:A termografia passiva é caracterizada por não possuir estimulador artificial de diferença
de temperatura. O próprio meio que está sendo medido já garante que há essa diferença, portantoa termocâmera identifica o gradiente de temperatura. Um exemplo para o caso de termografiapassiva um transporte pneumático de rocha fosfática, a 80ºC.
A termografia ativa, que exige que se gere a diferença de temperatura de forma artificial,ou seja, a temperatura não está inerente ao processo. (TAVARES, 2006)
No estudo em questão é uma prioridade maior a análise através de termografia passiva,porém para os estudos iniciais, será necessário utilizar a termografia ativa.
Vantagens e desvantagens do ensaio térmico não destrutivo
Vantagens: Facilidade na operação, alta velocidade de medição, técnica não intrusiva e nãodestrutiva, informação numérica e visual, facilidade na interpretação de resultados, edição deobjetos em movimento, medição de objetos em altas temperaturas, medição de campo,equipamento industrialmente acessível (muitas indústrias até mesmo já o possuem).
Desvantagens: na termografia ativa, há dificuldade em se depositar, uniformemente, umagrande quantidade de energia sobre a superfície do objeto em análise, em um curto espaço detempo, interferência das perdas de calor sobre o contraste das imagens e dificuldades nadeterminação da emissividade da superfície da amostra (varia até mesmo de acordo com a pinturafeita) e limitação na detecção de defeitos na outra face do objeto analisado.
Por fim, a termografia é uma ciência que deve ser analisada para cada aplicação, e em cadasituação devem ser definidos os parâmetros como limpeza de interferências da medição, taxa detransferência de calor, coeficientes convectivos do meio ambiente externo e interno doequipamento analisado, entre outros.
Fontes de incerteza na aplicação da termografia
Um ponto de partida para a identificação dos erros associados às medidas realizadas comtermovisores é a utilização dos conceitos contidos no guia de avaliação de incerteza: Guide to theexpression of uncertainty in measurement (1993).
Existe, uma carência de informações conclusivas sobre as metodologias a seremempregadas na determinação das incertezas associadas à medição de temperatura sem contato. Aescassez de trabalhos nesta área talvez esteja associada à grande complexidade de variáveisenvolvidas no processo, cada qual com características específicas. As fontes de erros que geramas incertezas em um processo de medição de temperatura sem contato, podem, portanto, serdivididas em externas (ou de medição) e internas (ou intrínsecas), ou, ainda, como erros devido acondições radiométricas, erros eletrônicos e de calibração. (TAVARES, 2006)
Esse trabalho não tem como objetivo se aprofundar nas fontes de incerteza intrínsecas naanálise de espessura do revestimento. Ele cumprirá o objetivo de ser apenas um método a maispara a análise, sendo possível assegurar sua precisão apenas após uma análise mais detida de cadaequipamento estudado. Apesar disso, alguns cuidados serão tomados no procedimento paraminimizar os efeitos dos ruídos no resultado final. Será calculado também a incerteza de mediçãoconsiderando que a única variável do processo é a temperatura medida pela termocâmera. Ésabido que o cálculo não representará a incerteza total intrínseca ao processo, mas o objetivo éobter uma ordem de grandeza para validação, ou não, da técnica, e disponibilizar um maiornúmero de dados para estudos posteriores.
²( ) = 1
O método GUM
A iniciativa de buscar consenso internacional em matéria de avaliação de incerteza demedição foi dada pelo Comité International dos Poids e Mesures (CIPM), autoridade mundial emmetrologia, que solicitou ao Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) que abordasse oassunto com o intuito de uniformizar a forma como as incertezas deveriam ser declaradas peloslaboratórios de calibração e ensaios. (Teixeira, 2012)
Vários institutos se reuniram e elaboraram o Guide to the Expression of Uncertainty inMeasurement (comumente conhecido como GUM).
Será utilizado nesse trabalho a fonte de incerteza pelo método Tipo A:
Incerteza Tipo A: seja n o número de observações independentes, xi, de uma variável aleatóriaX obtidas sob condições de repetitividade. O valor esperado, µx, é dado pela aritmética, , das nobservações:
ẋ= 1 Eq. 1.0
A variabilidade dos valores de xi é quantificada por sua variância, σ², cuja estimativa é fornecida
pela variância experimental:
−1( −
ẋ)² Eq. 2.0
Todavia, a variância média, s²(xi) = s²/n fornece a melhor estimativa da dispersão experimentaldos valores, logo:
²(ẋ) = ²( ) Eq. 3.0
A raiz quadrada positiva de s²( ) é o desvio padrão experimental da média, s( ), cujo valor podeser assumido como a incerteza padrão, u(xi), da variável aleatória Xi.
( ) = (ẋ) Eq. 4.0
Incerteza de medição em medições indiretas: Em uma medição indireta, um mo
delo
matemático relaciona diferentes variáveis de entrada à(s) variável (is) de saída (resultado da
medição). Nesta situação, a contribuição para a incerteza de medição provém de cada variável
presente no modelo matemático. Logo, deve-se determinar a incerteza de cada variável a fim de
que se possa estabelecer a incerteza do resultado da medição.
Suponha que o modelo matemático de uma medição indireta seja dado pela Equação:
= ( 1, 2, … , ) Eq. 5.0
Onde Y é o valor do mensurando para os N valores de entrada X1, X2, ..., Xn. Seja y uma
estimativa de Y obtida a partir das estimativas das variáveis de entrada x1, x2, ..., xn, logo, o
resultado da medição será, então:
= ( 1, 2, … , ) Eq. 6.0
Onde cada valor de x está associado a uma incerteza u(x1), u(x2), ..., u(xn). A incerteza padrão
combinada, uc(y), pode ser estimada pela equação abaixo, conhecida como lei da propagação de
incertezas:
²( ) = ( )+2 ( ) ( ) ( , )Eq.
7.0
Onde:
ci = δf/δxi e cj = δf/δxi são denominados coeficiente de sensibilidade das variáveis xi e xj
respectivamente.
Ri = s(xi,xj)/(s(xi)s(xj)) é coeficiente de correlação. Ele expressa a dependência mútua relativa
entre as variáveis xi e xj;
s(xi,xj) é a covariância entre xi e xj;
s(xi) e s(xj) são os desvios padrão das variáveis xi e xj, respectivamente.
Uma vez determinada a incerteza padrão combinada uc(y), a incerteza expandida Up, pode ser
calculada pelo produto Up = Kp*uc(y) onde kp é denominado fator de abrangência para um
( )
Eq.
9.0
∞
determinado nível de confiança p. A incerteza expandida corresponde à faixa em torno do
resultado da medição no qual se espera que o valor do mensurando esteja localizado para uma
fração p da sua distribuição de probabilidade. Consequentemente, o resultado da medição é
expresso por:
= ± Eq. 8.0
O fator de abrangência kp que atende ao nível de confiança p é obtido assumindo-se a
aproximação kp = tp (veff) onde tp(veff) é um fator derivado da distribuição-t ou distribuição de
Student com graus de liberdade efetivos veff, calculados pela equação de Welch-Satterhwaite:
=( )
A incerteza expandida é então reescrita como sendo:
= ( ) ( ) Eq. 10.0
Em aplicações nas áreas de engenharia é comum trabalhar com níves de confiança de 95%. Tem-
se portanto:
Tabela 1: Valores para fator de abrangência (k95%) para nível de confiança 95% em função donúmero de graus de liberdade efetivo (Gonçalves, 2004)
Embora o GUM seja amplamente difundido, a literatura apresenta discussões sobre a
Vef 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 14 16
k 13,97 4,53 3,31 2,87 2,65 2,52 2,43 2,37 2,28 2,23 2,20 2,17
validade das equações para a expressão da incerteza de medição.Resumidamente, as etapas do método GUM são:
1. Definir o modelo de medição Y = f(X1,X2,...,Xn) incluindo todas as correçõesnecessárias para f;
2. Identificar as fontes de incerteza;3. Determinar o valor de xi da variável Xi por meio estatístico ou outros meios;4. Avaliar a incerteza padrão u(xi) de cada estimativa xi conforme a natureza de sua
avaliação;5. Avaliar as covariâncias das eventuais variáveis correlacionadas;6. Calcular o resultado da medição y por meio de seu modelo matemático Y = f(X1, X2, ...,
Xn);7. Determinar a incerteza padrão combinada u(y) pela equação específica;8. Calcular o número de graus de liberdade, veff e tomar o valor de kp para o nível de
confiança desejado, com base na tabela de distribuição;9. Aplicar a equação para o cálculo da incerteza expandida. (Teixeira, 2012)
METODOLOGIA
Termografia qualitativa
A primeira análise elaborada foi um estudo qualitativo para análise de desgaste em umtubo em funcionamento e instalado em uma indústria cimenteira próximo a Belo Horizonte. Apósa detecção do desgaste nas imagens, o tubo foi desmontado e inspecionado internamente, com oobjetivo de confirmação das áreas desgastadas.
Termografia quantitativa em laboratório
A segunda etapa foi construir uma bancada de testes para o cálculo da espessura dorevestimento com base na temperatura da termocâmera.
A bancada foi constituída de:Tubulação com trecho desgastado e trecho sem desgaste;Resistência elétrica de 250 W;Manta isolante, com o objetivo de isolar axialmente a transferência de calor;Computador para adquirir os dados;Termopar tipo t;Termocâmera FLIR I60;Paquímetro Disma;Multímetro TRMS Extech 540Alicate, chave de fenda, etc;
Tubo desgastado Computador
Bancada de testes
Termopar 1
Termopar 2
Termopar 4
Termopar 3
Tubo Desgastado com termopares
Fixação do termopar
Manta de isolamento térmico
A realização do experimento seguiu os seguintes passos, após a construção da bancada:i) 4 paquímetros foram instalados: 2 no interno da cerâmica e 2 no externo do aço conformeapresentado na Figura 7.ii) A resistência foi conectada a uma diferença de potencial e iniciou-se o acompanhamento datransferência de calor da resistência para o tubo. Os dados foram colhidos a cada 1 segundo,gerando uma curva de temperatura para cada um dos termopares. Os dados foram adquiridos após
ter estabilizado a curva de temperatura (regime permanente);iii) No início do processo foi definida a emissividade da tubulação, que se deu de duas maneiras:
a) Com o valor indicado pelo termopar o parâmetro da emissividade, na termocâmera, foimodificado até o valor do termovisor atingir o mesmo valor indicado no termopar;b) Foi colada uma fita adesiva sobre o tubo, com emissividade conhecida. Identificou-se atemperatura, mirou-se no tubo e ajustou-se a emissividade até atingir o mesmo valor detemperatura da fita.iv) Definiu-se a fórmula para ser calculada o fluxo térmico;v) Definiu-se como temperatura padrão a temperatura do termopar. Utilizando as espessurasmedidas pelo paquímetro, calculou-se a taxa de transferência de calor para o trecho com e semdesgaste;vi) Utilizando a temperatura encontrada na termocâmera, utilizou-se a fórmula de transferênciade calor (fixado a taxa calculada no item iv) variando a espessura do revestimento.vii) Calculado as incertezas de medição considerando como a única variável a medição datemperatura pela termocâmera.viii) Elaborada a comparação do valor calculado com a temperatura da termocâmera com o valormedido com o paquímetro, incluindo suas respectivas incertezas;ix) Conclusões.
Modelo matemático
"= Eq. 11.0
Onde:q”x = Taxa de transferência de calor [W]U = coeficiente global de transferência de calor [W/m²K]
∆T = diferenças entre temperaturas [ºC]
=1
Eq. 12.0
Onde:U = coeficiente global de transferência de calor [W/m²K]Rtot = resistência térmica total [m²k/W]A = área [m²]
= Eq. 13.0
Onde:Rtot = resistência térmica total [m²K/W]
= ln(
( ) )
2 ∗
4
3
ç
Ri = resistências de condução e resistências de convecção
( + 1)
2∗ ∗ ∗ Eq. 14.0
Onde:R cond = Resistência de convecção [m²K/W]k = coeficiente condutivo [W/mK]Rn = Raio n [m]l = comprimento do tubo [m]
Cálculo da incerteza de medição pelo método GUM
Incerteza padrão combinada
A fórmula de incerteza padrão combinada utilizada foi:
²( ) = ( )Eq.
15.0
Foi desconsiderada a segunda parte da equação 7.0, pois as variáveis são independentes.
Dessa forma:
1=2 Eq. 16.0
∗ ∗ ∗( )∗ ∗ ∗ ç
e:
= 2∗ 2∗ ∗ ∗ ∗ 3 ∗ ∗
∗∗ ∗ Eq. 17.0
É importante destacar que nesse caso será considerado como a única fonte de incerteza a mediçãode temperatura T5, medida pela termocâmera, onde:
Desenho esquemático do cálculo de transferência de calor em um
tubo tri-composto
Definição do parâmetro kp
Para o cálculo do grau de liberdade associado à medição em questão tem-se que:
= −1 Eq. 18.0
Onde n é o número de medições.
Cálculo da incerteza expandida
O cálculo da incerteza expandida foi calculado com base na fórmula 20.0:
= ∗ ( ) Eq. 19.0
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Termografia qualitativa
A análise em linha foi feita em uma curva com caixa de concreto. Através dessa análiseobservou-se apenas o gradiente de temperatura que o equipamento está sujeito, sem uma precisãoda temperatura superficial do mesmo. Dessa forma foi possível verificar o trecho de maiordesgaste como pode-se ver nas Figuras 11, 12, 13 e 14. Com uma periodicidade da manutenção épossível prever a troca do equipamento. A contínua aplicação do método irá treinar a observaçãodo técnico, que em um período de tempo aprimorará sua capacidade de tomada de decisão combase nos valores alcançados nas imagens da termocâmera.
Figura 12: Vista superior da curva Figura 11: Análise termográfica qualitativa
Figura 14: Curva desmontada Figura 13: Curva apresentando desgaste
justamente no trecho identificado
Com essa inspeção, foi possível chegar à primeira conclusão (uma vez que o ensaio foirealizado antes da análise de laboratório): é possível analisar o desgaste de equipamentos portermografia.
Termografia quantitativa em laboratório
Resultado das medições e cálculos realizados
Na Figura 15 está registrado o acompanhamento da temperatura nos 4 termopares emfunção do tempo. Cerca de 2 horas e 50 minutos foram necessárias para alcançar resultadospróximos ao regime permanente.
Figura 15: Gráfico comparando dados do termopar ao longo do tempo de medição indicando alcançar
condições próximas ao regime permanente
com maior desgaste Figura 16: Termograma do
Nas Figuras 16 e 17 é possível verificar a temperatura adquirida nos pontos específicos.As diferenças de temperaturas entre ambas as figuras ocorre devido ao isolamento térmico dacerâmica. No termograma de maior temperatura (Figura 16) há um menor isolamento, e no demenor temperatura (Figura 17) a espessura da cerâmica é maior.
Figura 17: Termograma do trecho
trecho com menor desgaste
Foram portanto medidos os parâmetros necessários para se realizar os cálculos, conformeinformado abaixo:- Emissividade da tubulação: 0,95- Temperatura ambiente: 22°C- Tensão: 125 V- Resistência: 52 ohms- Potência: 300,48 W- Comprimento do tubo: 0,455- Comprimento da resistência: 0,500- Diâmetro do tubo: 0,107 mm
Para os cálculos, foram utilizados os seguintes dados:- Coeficiente de condutividade térmica ABRESIST: 1 W/mK (dado do fabricante)- Coeficiente de condutividade térmica argamassa: 0,72 W/mK (INCROPERA, 2005)- Coeficiente de condutividade térmica aço: 60,5 W/mK (INCROPERA, 2005)
Na Tabela 2 está apresentado um resumo dos dados do experimento para o trecho semdesgaste. Nela é possível verificar que a espessura calculada da cerâmica é 18,7 mm, enquanto aespessura medida com o paquímetro é 24 mm. Essa diferença ocorreu devido à diferença detemperatura encontrada entre a termocâmera e o termopar. Experimentalmente foi verificado queo gradiente das temperaturas indicadas pela termocâmera e pelo termopar crescia com o aumentoda temperatura na superfície. Essa diferença pode ter sido gerada pelos seguintes motivos:
Diferença de emissividade na superfície do tubo (a pintura não estava homogênea);O termopar foi fixado à parede do tubo com um material epóxico. Portanto, a fixaçãopode ter influenciado na temperatura indicada.
Tabela 2: Trecho íntegro
Item Valor Comparação Unidade Observações
q 117 39% do valor
dissipado pela
resistência.
W Calculado definindo os
dados do termopar
como absolutos.
Temperatura revestimento
termopar
104 100% (valor
absoluto)
°C -
Temperatura aço termopar 80 100% (valor
absoluto)
°C -
Temperatura aço
termocâmera
82,6 102,8% comparado
ao valor do termopar
°C -
Espessura aço paquímetro 3 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura aço termopar 3 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura aço
termocâmera
3 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura argamassa
paquímetro
13 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura argamassa
termopar
13 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura argamassa
termocâmera
13 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura revestimento
paquímetro
24 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura revestimento
termopar
24 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura revestimento
termocâmera
18,7 78% do valor
absoluto.
mm Valor calculado
teoricamente.
Tabela 3: Trecho desgastado
Na Tabela 3 está apresentado um resumo dos dados do experimento para o trecho com desgaste. Nela é possível verificar que a espessura calculada da cerâmica é 0 mm, e teoricamente o desgaste já alcançou a argamassa, reduzindo-a à uma espessura de 4,3 mm. A espessura do revestimento medida com o paquímetro é 1 mm. Essa diferença ocorreu pelo mesmo motivo apresentado referente a Tabela 2.
Item Valor Comparação Unidade Observações
q 208,7 69,5% do valor
dissipado pela
resistência.
W Calculado definindo os
dados do termopar como
absolutos.
Temperatura revestimento
termopar
97 100% (valor
absoluto)
°C -
Temperatura aço termopar 85 100% (valor
absoluto)
°C -
Temperatura aço
termocâmera
89 104,7% comparado
ao valor do termopar
°C -
Espessura aço paquímetro 3 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura aço termopar 3 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura aço termocâmera 3 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura argamassa
paquímetro
6 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura argamassa
termopar
6 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura argamassa
termocâmera
4,3 71,6% do valor do
paquímetro
mm Valor calculado
teoricamente.
Espessura revestimento
paquímetro
1 100% (valor
absoluto)
mm -
Espessura revestimento 1 100% (valor mm -
Tabela 4: Medição direta incerteza tipo A - trecho sem desgaste
Com o objetivo de saber as incertezas dos valores de espessura alcançados nas Tabelas 2 e3, foi calculado a incerteza de medição. Na Tabela 4 está registrado 5 medições de temperatura,retiradas do termograma apresentado na Figura 16, referente ao trecho sem desgaste.
Na tabela 5está registrado 5 medições de temperatura, retiradas do termogramaapresentado na Figura 17, referente ao trecho com desgaste.
Como o objetivo é calcular a espessura com base na temperatura medida, com base nasTabelas 4 e 5, foi possível calcular a incerteza de medição pelo método GUM:
termopar absoluto)
Espessura revestimento
termocâmera
0 - mm Valor calculado
teoricamente.
Item ValorMedição 1 82,95Medição 2 82,95Medição 3 82,95Medição 4 84,5Medição 5 84,25Valor esperado (x^) 83,52Variância experimental (s²(xi)) 0,617Variância média (s²(x^)) 0,1234Desvio padrão experimental da média, ou incerteza padrão (u(xi)) 0,351
Item ValorMedição 1 89,65Medição 2 90,6Medição 3 91,4Medição 4 88,5Medição 5 89,2Valor esperado (x^) 89,87Variância experimental (s²(xi)) 1,312Variância média (s²(x^)) 0,2624Desvio padrão experimental da média, ou incerteza padrão (u(xi)) 0,512
Cálculo da incerteza de medição pelo método GUM
Item Trecho com desgaste Trecho sem desgaste
ci 0,00073 0,0013
u²(xi) 0,26 0,12
uc² 1,38*10^-7 2,0*10^-7
veff 4 4
Kp95% 2,87 2,87
Up (m) 0,001 0,00128
CONCLUSÕES
A implementação da manutenção preditiva pode trazer resultados satisfatórios tanto para oprocesso produtivo como para a manutenção. Possuindo o apoio de técnicas preditivas é possívelmensurar de forma mais precisa e real a vida útil do acessório crítico da tubulação em questão.Conseguindo prever a real falha do revestimento interno, é possível não só programar a melhordata para a intervenção, mas também economizar em componentes trocando-os nos momentosadequados.
Uma limitação da técnica é o fato de não ser possível realizar o ensaio para equipamentoscujos fluidos transportados estão à temperatura ambiente, pois a temperatura que alcança o raioexterno do tubo se iguala à temperatura ambiente, e dessa forma não cria um gradiente térmico,requisito básico para a geração dos dados.
Utilizando a técnica de análise qualitativa, usuário irá observar apenas o gradiente detemperatura que o equipamento está sujeito, sem uma precisão da temperatura superficial domesmo. Dessa forma conseguirá verificar o trecho de maior desgaste, e com uma periodicidadeda manutenção ou a utilização de uma outra técnica preditiva, como ultrassom, irá prever a trocado equipamento. A contínua aplicação do método irá treinar a observação do técnico, que em umperíodo de tempo aprimorará sua capacidade de tomada de decisão com base nos valoresalcançados nas imagens do termovisor.
Já a análise quantitativa deve ser feita de forma mais criteriosa e estudada. No presentetrabalho foi realizado uma termografia ativa com o objetivo de criar um cenário propício e similarpara teste do modelo matemático. Em um caso na indústria, essa análise deverá levar emconsideração outros fatores como:- encontrar o coeficiente convectivo (h) do fluido, ou realizar uma aproximação para um fluidoconhecido e realizar os cálculos;- fazer diversos ensaios visando prever a espessura do desgaste, uma vez que no meio podemhaver interferências como calor do forno, sol etc, ou quantificar a quantidade de interferências;- definir o coeficiente convectivo do ar com base em convecção natural ou forçada, dependendodas características do ambiente onde o equipamento está inserido;- realizar o balanço de energia através do modelo matemático com a análise de incerteza xtolerância.Realizando uma inspeção periódica no equipamento, é possível calcular:
a taxa de desgaste;projeção do desgaste;planejamento de troca do equipamento
Como foi apresentado nas Tabelas 2 e 3, a temperatura medida pela termocâmera ficouum pouco superior do que a temperatura medida pelo termopar. Para as condições estudadas,foram encontrados uma variação máxima de aproximadamente 40% na espessura dorevestimento, comparando espessura teórica e espessura real. Esse número demonstra que ainda énecessário um aprimoramento do ensaio e que pode ter havido falha na medição por contato. Aimportância do teste e deste estudo é fornecer uma ferramenta a mais para o engenheiro outécnico tomar a decisão mais acertada, ou seja, quanto maior o número de informações, melhoresdecisões serão feitas. Possuindo como base esse princípio, foi interessante verificar que apesar deser percentualmente uma grande diferença, para a tomada de decisão a mesma não irá influenciar,como pode ser visto na Tabela 7:
Tabela 7: Análise dos cálculos para trechos com e sem desgaste
Para auxiliar na tomada de decisão, foi elaborado um critério apresentando na Tabela 8,com o objetivo de padronizar a manutenção:Tabela 8: Critério de análise da espessura do revestimento
Com os dados gerados pelo estudo, é possível criar a Tabela 9:
Item Espessurarevestimento+argamassa(mm)
Decisão
Real trecho desgastado 7 Planejar troca urgente pois jánão há mais espessura derevestimento.Teórico trecho desgastado 4,3
Real trecho sem desgaste 37 Em boas condições de uso.Monitorar o equipamento paradescobrir a taxa de desgaste eplanejar a troca do mesmo.
Teórico trecho sem desgaste 31,5
Tabela 9: Método de tomada de decisão com base na espessura total (revestimento + argamassa)
Espessura /situação
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
2
1
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
2
9
3
0
3
1
3
2
1
2
3
Mediçãotrechodesgastado
Mediçãotrecho semdesgaste
Legenda:Azul: MediçãoAmarelo: Zona de dúvidaPela Tabela 9 é possível verificar que apesar dos erros de medição e das incertezas envolvidas noprocesso, as decisões a serem tomadas estão dentro da mesma faixa. Com esse estudo é possívelverificar portanto, que a termografia pode ser uma técnica muito útil.Segue abaixo as vantagens e desvantagens para a análise termográfica:
Vantagens- Tomada de decisão com base em uma maior número de informações;- Análise fácil e rápida, após ter estabelecido os parâmetros para os cálculos;- Todas as vantagens de uma técnica preditiva;- Planejamento de estoque e paradas.
Desvantagens- Dificuldade na definição do coeficiente convectivo do fluido;- Interferências externas, como forno, sol, etc;- Para uma tubulação revestida não é possível saber previamente a espessura da argamassa;- Para uma tubulação com caixa de concreto, a geometria da peça é totalmente desconhecida,dificultando e até impossibilitando o cálculo;
- O fluido transportado deverá possuir temperatura acima da ambiente, para produzir o gradientetérmico na carcaça externa.
Como sugestões para trabalhos futuros, apresenta-se:Estudo metrológico rigoroso dos resultados alcançados através da análise termográfica;;Desenvolver um software para cálculo e análise de desgaste, indicando as incertezasinerentes ao processo;Definir método para tratamento de casos com influencias externas, como incidência solar,convecção forçada ou radiação térmica externa ao sistema analisado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 ARAÚJO, Altobelli. Termovisão, aplicação da termografia na inspeção preditiva emtubulação revestida gera economia, In the mine, 2011
2 CIELO. Optical Techiques form Industrial Inspection , Academic Press, 1988
3 INCROPERA, DeWitt, Bergman e Lavine. Fundamentos de Transferência de Calor e deMassa, LTC, 6ª edição.
4 LUBRICATION (TRIBOLOGY, EDUCATION AND RESEARCH), Departamento deCiência e Educação da Inglaterra, 1966.
5 MOUBRAY, John. Reliability centred maintenance. 2 ed. Oxford: Butterworth Heinemann,1997.
6 PUJATTI, Fabrício. Manutenção Mecânica – Notas de aula, UFMG – 2012
7 TAVARES, S. Desenvolvimento de uma metodologia para aplicação de ensaios térmicos
não destrutivos na avaliação da integridade de obras de arte , 2006
8 TEIXEIRA, Guilherme. Confiabilidade metrológica em termografia aplicada em sistemas
elétricos, 2012
9 VILLANI, Paulo e Silvério Júnior. Ensaios Não destrutivos, 2012
10 GONÇALVES, Armando Albertazzi. Metrologia Parte I, 2004
ANEXO A
A.1 Exercício acadêmico para a disciplina Termografia Básica
Foi desenvolvido um exercício acadêmico para a disciplina Termografia básica, como objetivo de estudar a transferência de calor a utilização da termografia em um exemplo práticona indústria.
ANEXO B
B.1 Relatório de acompanhamento de desgaste através de termografia qualitativa,quantitativa de um tubo tricomposto, quantitativa para um tubo bicomposto, quantitativapara uma parede plana tricomposta e qualitativa para uma parede plana bicomposta
Relatório qualitativo: Foi elaborado um modelo de relatório que é possível de serutilizado na indústria para acompanhamento de desgaste através de termografia qualitativa paraum equipamento.
Relatórios quantitativos: Para os vários tipos de equipamento conforme listado, foielaborada uma planilha que possibilita os cálculos de transferência de calor após inserir os dadosde entrada.
