Sistema Automatizado para Recuperação de Rotores de Turbinas Hidráulicas de Grande Porte

 
(Observe, na foto acima, a erosão provocada 
pela cavitação nas pás das turbinas) 
 
 
 
 
 
 

 
        Soldadores entre as pás da turbina

 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA   

Turbinas hidráulicas de grande porte apresentam o fenômeno da erosão por cavitação, pois apesar de grandes avanços nas técnicas de modelamento numérico em mecânica dos fluídos, ainda não se consegue evitar definitivamente o problema. Nas turbinas mais antigas, que ainda estarão em operação por pelo menos meio século, este problema é mais intenso, sendo economicamente inviável e tecnicamente complexa a substituição das mesmas. Desse modo, o processo de erosão deve ser mantido sob controle, o que é efetuado por deposição de material utilizando processos de soldagem, onde são necessárias quantidades da ordem de 1000 kg de ligas especiais de aço inoxidável por turbina.   
    
Normalmente as regiões erodidas ocorrem em posições bastante desfavoráveis à soldagem, tanto do ponto de vista de conforto para o soldador, como de adesão do metal fundido em transferência do eletrodo à superfície da turbina.   

A qualificação do procedimento de soldagem torna-se um ponto crítico do trabalho. Se isto não for conduzido com rigorosos critérios, a deposição de material pode até ser realizada com grande produtividade, através da utilização do processo MIG/MAG, mas a resistência à cavitação do material reposto pode estar muito abaixo das especificações. Um ponto crítico na qualidade do depósito é o aparecimento de porosidades que são pontos nucleantes ao início do arrancamento de material pelo fenômeno da cavitação. Testes de laboratório têm mostrado forte dependência entre a homogeneidade da superfície e a resistência à cavitação, e também que a resistência à cavitação é muito maior em depósitos efetuados automaticamente do que em depósitos feitos manualmente. Tanto o aparecimento de porosidades como as deficiências de homogeneidade têm sua maior dependência na forma com que o material do eletrodo se funde e se deposita na peça. 

OBJETIVOS / METAS 

O projeto envolve o desenvolvimento da tecnologia e de um sistema automatizado capaz de realizar a recuperação de superfícies erodidas por cavitação em rotores de turbinas hidráulicas de grande porte. Seu elemento central é um manipulador com junta telescópica, integrado ao processo de soldagem, capaz de operar no pequeno espaço confinado no canal entre pás adjacentes do rotor. 
O sistema deverá: (a) realizar o mapeamento dos defeitos e a medição da forma geométrica inicial da pá do rotor, (b) efetuar a deposição de material na superfície danificada por processo de soldagem MIG/MAG robotizada (c) tratar e dar acabamento na superfície por processo de plasma alimentado robotizado e (d) iterativamente, controlar a forma geométrica obtida e indicar alterações que necessitam ser realizadas para recompor a geometria ideal da pá, já conhecida pelo sistema. 
Uma vez operacional, este sistema permitirá: 
 

  • maximizar a resistência à cavitação das turbinas pela preservação da forma original, otimização do material e qualidade do acabamento superficial da camada depositada, elevando o tempo de operação entre reparos em 50%.
  •  reduzir o consumo de arame entre 15 e 20%
  •  reduzir o tempo de soldagem em 40%
  •  reduzir em 50% o tempo de esmerilhamento pós-soldagem
  •  reduzir em 60% o tempo de retrabalho (correção dos defeitos após inspeção)
  •  reduzir em 50% o custo total de recuperação de rotores de turbinas de grande porte
 

Para atingir estas metas, será necessário:

    (a) desenvolver e construir um manipulador especial com uma junta telescópica, quatro juntas articuladas e sua unidade de controle, capaz de posicionar e orientar a tocha de soldagem e um sistema de medição a laser em todo o volume de trabalho confinado entre duas pás adjacentes de rotores de turbinas hidráulicas de grande porte com incerteza de posicionamento não superior a 0,4 mm; 

(b) integrar um sensor de medição a laser tipo folha de luz no braço do manipulador e medir as coordenadas da superfície analisada da pá, combinando dados do sensor com o posicionamento e orientação do braço do manipulador com incerteza não inferior a 0,5 mm. Este sensor também deverá monitorar em tempo real e realimentar o sistema de posicionamento, conforme a morfologia dos cordões de solda; 

(c) otimizar os parâmetros do processo de soldagem MIG/MAG robotizado e adaptar as fontes microprocessadas e demais equipamentos de soldagem para uso nas condições de operação na turbina; 

(d) desenvolver o processo de plasma alimentado e robotizado para otimizar as características e a qualidade superficial do passe de acabamento do processo de soldagem; 

(e) desenvolver o sistema de controle cinemático e dinâmico do manipulador; 

(f) desenvolver programa de computador para gerenciamento de todos os módulos do sistema (manipulador, sensor e fonte de soldagem microprocessada), capaz de coordenar as operações de medição da superfície, soldagem e acabamento; 

(g) desenvolver e implementar o processo MIG/MAG robotizado de duplo arame para maximizar a produtividade e qualidade do processo de deposição de material;

O sistema gerado estará totalmente operacional no final do projeto e deverá ter sido usado para recuperar ao menos parte de uma turbina de grande porte. 

 

Vista geral do manipulador com junta telescópica com configuração para soldagem.

 FINANCIADOR: MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA PADCT III 

CO-FINANCIADOR:  COPEL