Modelamento e simulação por método de elementos finitos do aquecimento por indução aplicado a operações de soldagem in-service
Autor: João Cairo Pereira Alcântara
Orientador: Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva
Data: 12/05/2021, 08h30min
Local: https://meet.google.com/dqr-aehu-fpx (videoconferência)
Resumo:
A exploração da tecnologia de indução como processo de aquecimento para dutos em situação de reparo in-service foi realizada mediante experimentos e de simulações computacionais. Os experimentos de aquecimento por indução foram realizados em duto de API 5L GRADE B e uma fonte de 35 kW de potência, com uma fase em que o tubo estava sem fluxo e outra com escoamento interno de água. A bobina de indução foi construída com cabos flexíveis e foram utilizadas três configurações de espiras. Os ciclos térmicos dos experimentos foram adquiridos por termopares, e monitorados mediante imagens termográficas. O comportamento elétrico da fonte de aquecimento foi monitorado e seus valores foram os dados de entrada das simulações. A partir das características dos experimentos foram desenvolvidas simulações utilizando o software COMSOL Multiphysics®, com os módulos de Induction Heating e Noisothermal flow. A simulação do escoamento interno de fluido no duto utilizou o modelo de turbulência k-ε. Os aquecimentos realizados com tubo ausente de escoamento foram capazes de proporcionar a temperatura desejada (400º C) no centro da bobina em no máximo 7 minutos. Observou-se que entre os arranjos utilizados o com menor número de espiras é o mais indicado para operações de soldagem. Nos tubos com fluido em escoamento observou-se a ocorrência de uma distribuição heterogênea de temperatura, que foi tipificada como consequência de uma convecção natural e da formação de vapor durante a operação. Os resultados obtidos pelos modelos de simulação mostraram razoável, principalmente em relação aos valores registrados pelos termopares próximos ao centro da bobina de indução. Ainda nas simulações, foi observado que para operações em altas frequências a malha necessita possuir elementos menores que a penetração da corrente induzida. Os modelos que incluíram o escoamento foram capazes de simular as distribuições de temperatura presentes nos experimentos, incluindo a presença de hotspot. As temperaturas simuladas demonstram que o modelo tem razoável exatidão. Os coeficientes de convecção medidos durante os experimentos nos modelos de simulação foram comparados com coeficientes presentes em demais trabalhos que abordam soldagem in-service e são de forma majoritária superior aos encontrados em campo.