Orientador: Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva
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RESUMO
A exploração da tecnologia de indução como processo de aquecimento para dutos em situação de reparo in-service foi realizada em duas etapas, mediante experimentos e por meio 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 a presença de 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 fixados no duto, e monitorados mediante imagens termográficas. O comportamento elétrico da fonte de aquecimento foi monitorado e esses valores foram utilizados como dados de entrada das simulações executadas. A partir das características dos experimentos foram desenvolvidos modelos computacionais utilizando o software COMSOL Multiphysics®, utilizando 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 ocasionada pelo fluido, e da formação de vapor de água durante a operação. Os resultados obtidos pelos modelos de simulação mostram razoável exatidão quando comparados aos ensaios de tubo ausente de fluxo, principalmente em relação aos valores registrados pelos termopares dispostos próximos ao centro da bobina de indução. Ainda nas simulações, foi observado o fato de que para operações em altas frequências a malha necessita possuir elementos menores que a penetração da corrente induzida. Os modelos que incluíram o escoamento na parte interna do duto foram capazes de simular adequadamente as distribuições de temperatura presentes nos experimentos, incluindo a presença de hotspot na parte superior do duto. Os valores de temperaturas simulados demonstram que o modelo tem razoável exatidão na previsão de temperaturas, apesar de apresentar uma queda na eficiência quando comparados aos valores experimentais adquiridos pelo termopar posicionado no centro da bobina. 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 concluiu-se que os valores proporcionados nos experimentos em bancada são de forma majoritária superior aos em campo.
Palavras-chave: Modelagem computacional. Aquecimento por indução. Soldagem de Reparo. Soldagem em linha viva. Soldagem em carga.
ABSTRACT
The exploration of induction technology as a heating process for ducts in a in-service repair situation was made in two parts, through experiments and through computational simulations. The experiments of inductive heating were made in a API 5L GRADE B pipe using a power source of 35 kW, and they were performed in two steps, one with internal water flux and other without flux. The induction coil was built with flexible cables, and three setups were used. The heat flux was acquired by placing thermocouples inside the tube and, and it was monitored using thermographic images. The electric behaviour of the power source was monitored and these values were used as input for the simulations. Based on the characteristics of the experiments, computational models were developed using the COMSOL Multiphysics® software, using the Induction Heating and Noisothermal Flow modules. The simulation of internal flow in the tube used the k-ε turbulence model. The heating process performed in the no-flow tube was able to provide the desired temperature (400ºC) in the center of the coil in a maximum of 7 minutes. It could be noted that, among the used setups, the one with fewer turns is the most suitable for welding. On the water flow tube, there was a heterogeneous distribution of temperature, which was typified as consequence of natural convection caused by the fluid and of the formation of water vapor. The results obtained by the simulation models show a reasonable accuracy in comparison to the non-flow tube tests, mainly when compared to the values acquired by the thermocouples disposed near the center of the induction coil. In these simulations, it was also observed that mesh elements smaller than the induction current penetration are required for high frequency operations. The models who have included the internal flow were able to properly simulate the temperature distributions in the experiments, including the presence of a hotspot at the top of tube. The simulated temperature values show that the model has reasonable accuracy in predicting temperatures, despite having a drop in thermocouple efficiency when positioned in the center of the coil. The convection coefficients measured during experiments in the simulation model were compared with coefficients found in other works that address in-service welding, and it can be concluded that the values provided in the bench experiments are, in general, higher than those in the field.
Keywords: In-service welding. Computational simulation. Inductive Heating. Repair welding
REFERÊNCIA
ALCÂNTARA, João Cairo Pereira. Modelamento e Simulação por Método de Elementos Finitos do Aquecimento por Indução Aplicado a Operações de Soldagem In Service. 2021. 139 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2021.