[pt] O estudo de escoamentos em espaço anular é de fundamental importância para o entendimento e otimização do processo de perfuração de poços. A lama de perfuração deve possuir propriedades reológicas e termofísicas tais que garantam um bom desempenho no carreamento de cascalho, na lubrificação e refrigeração das brocas, na limpeza do poço, manutenção da pressão da coluna de líquido para equilibrar a pressão das formações atravessadas e estabilizar as paredes do poço. Uma análise completa desta situação é extremamente complexa; o cilindro interno (coluna) pode estar girando, a geometria da parede do poço não é um cilindro perfeito, o espaço anular é excêntrico e a excentricidade varia ao longo do poço. Além disto, lamas de perfuração possuem um comportamento pseudoplástico, isto é a viscosidade é função decrescente da taxa de deformação. Os modelos que levam em conta todos esses fatores são extremamente complexos e caros computacionalmente. Os modelos disponíveis na literatura utilizam hipóteses simplificadoras para tornar a análise menos complexa. Muitos trabalhos consideram a rotação do cilindro interno e o comportamento não Newtoniano, mas desprezam a variação da excentricidade ao longo do poço. Mesmo com esta simplificação, os modelos apresentados, que consistem na solução da equação bidimensional para determinar o campo de velocidade axial e tangencial do escoamento desenvolvido em um espaço anular, possuem alto custo computacional. O modelo apresentado neste trabalho leva em conta a variação da excentricidade ao longo do poço, bem como o comportamento pseudoplástico da lama e a rotação do cilindro interno. As equações que governam o problema foram simplificadas utilizando a teoria de lubrificação. As equações diferenciais parciais que descrevem o perfil de velocidade e a pressão ao longo do poço foram resolvidas pelo método de diferenças finitas (diferenças centrais) e linearizadas pelo método de Newton. O modelo de lubrificação foi validado através da comparação dos resultados obtidos com trabalhos na literatura para escoamentos com excentricidade constante. Os resultados mostram o efeito da variação da excentricidade ao longo do poço, da rotação na coluna, das propriedades não Newtonianas no padrão do escoamento e no fator de atrito. / [en] Helical flow in annular space occurs in drilling operation of oil and gas wells. The correct prediction of the flow of the drilling mud in the annular space between the wellbore wall the the drill pipe is essential to determine the variation in the mud pressure within the wellbore, the frictional pressure drop and the efficiency of the transport of the rock drill cuttings. A complete analysis of this situation is extremely complex; the inner cylinder is usualy rotating, the wellbore wall will depart significantly from cylindrical, during driling operation the drill pipe is eccentric, and the eccentricity varies with position along the well. Moreover, drilling muds present pseudoplastic behavior, the viscosity is a strong function of the deformation rate. A complete analysis of this situation would require the solution of the three-dimensional momentum equation and would be computationally expensive and complex. Models available in the literature to study this situation do consider the rotation of the inner cylinder and the non Newtonian behavior of the liquid, but assume the position of the inner and outer cilinders fixed, i.e. they neglect the variation of the eccentricity along the length of the well, and assume the flow to be well developed. This approximation leads to a two-dimensional model to determine the three components of the velocity field in a cross-section of the annulus. The resulting differential equations have to be solved by some numerical method. The model presented in this work takes into account the variation of the eccentricity along the well; a more appropriate description of the geometric configuration of directional wells. As a consequence, the velocity field varies along the well length and the resulting flow model is three-dimensional. Lubrication theory is used to simplify the governing equations into a non-linear, two-dimensional Poisson Equation that describes the pressure field. Lubrication model was validated by comparing the predictions to reported results on fully developed flow on eccentric annular space. The results show the effect of varying eccentricity, non Newtonian behavior and inner cylinder rotation on the flow field and on the friction factor.

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma técnica de identificação de falhas em mancais de rolamento até então praticamente inexistente no Brasil. Ela refere-se à mudança da tradicional lubrificação base-tempo, baseada em recomendações de fabricante e fórmulas retiradas de ábacos clássicos para a lubrificação base-condição. Mancais de rolamento são peças obrigatórias em uma infinidade de equipamentos, em sua grande parte, rotativos. A técnica mais difundida de identificação de falhas é a análise de vibração, em seus mais diversos graus de tecnologia embarcada. No entanto, o que ocorre por inúmeras vezes é a identificação da falha já em um estágio onde a falha não pode mais ser reparada, e sim apenas ter seu desenvolvimento monitorado. Isto ocorre devido à freqüência de coleta de dados ser baseada em cartas de severidade, e a falha pode se propagar de uma forma acelerada entre as medições realizadas. A partir desta nova técnica o que se busca é proporcionar à técnica de manutenção preventiva conhecida por lubrificação, que por muitas vezes é tão menosprezada dentro das indústrias, a aquisição de informações importantes a partir de coleta das vibrações ultrassônicas emitidas pelos mancais. Desta forma se fornecem condições para que a lubrificação atue de modo a auxiliar a técnica de análise de vibração, evitando lubrificações em demasia e prevenindo a falta de lubrificante nos mancais, a partir de inspeção baseada em condição. / The aim of this work is to develop a root cause fail identification technique in rolling bearings fairly known in Brazil. This technique refers to the changing from traditional time-based lubrication, done upon manufacturers’ recommendation and formulas taken from classic abacus to condition based lubrication. Rolling bearing are mandatory parts in a large amount of equipments, especially in dynamics. The most known technique for fail identification is vibration analysis, used with different technologies. However several times the identification is made in a stage where the problem can no longer be fixed only monitored. That situation happens because of data collection is made based in severity charts, and fail can propagate in a fast mode between collections. With this condition based technique, it follows to purpose to the other predictive maintenance technique known as lubrication, which is so many cases is undervalued inside industries, the acquisition of important information from bearing ultrasonic vibration data collection. Since this important model apparatus are given to that lubrication acts in order to help vibration analysis technique to avoid over greasing and preventing bearing lack of lubrication, inspection based on condition.

A crescente utilização de técnicas de manutenção preditiva pela indústria exige cada vez mais o aprimoramento dos procedimentos capazes de fornecer informações sobre o estado de um equipamento. Torna-se imperativo, desta forma, não apenas saber quando um equipamento ou componente mecânico irá falhar, mas também, entender o comportamento deste, diante de diferentes regimes de operação. Dentre os procedimentos de análise preditiva existentes para máquinas rotativas, a análise de vibração é um dos mais utilizados e está presente em grande parte das principais indústrias do país. Muito importante na detecção de vazamentos em tubulações industriais, o técnica de detecção de ruído ultrassônico é, entretanto, ainda pouco explorada para avaliação de falhas em componentes mecânicos. Utilizou-se uma metodologia experimental que permitiu avaliar dois motores elétricos por seis horas ininterruptas. Durante este período, variou-se a quantidade de graxa lubrificante aplicada nos respectivos mancais de rolamento e adquiriram-se respostas a estas variações com acelerômetros vibracionais, sensores de ruído ultrassônico e com um pirômetro ótico. Os resultados mostraram que não existe uma correlação entre as técnicas de análise de vibração e detecção de ruído ultrassônico para os motores testados no experimento. Além disso, foi possível definir quais eram as quantidades ótimas de graxa lubrificante para cada mancal de rolamento. Pôde-se concluir que a técnica de detecção de ruído ultrassônico se mostrou robusta na definição destas quantidades e também na determinação dos intervalos de relubrificação para cada rolamento. / The crescent utilization by Brazilian industry of predictive maintenance techniques demands, from predictive procedures, more capability for supplying information on the state of equipment. It becomes extremely important not just to know when a machine is going to fail, but also, to understand how it will be, considering several different conditions. Among the existent analysis procedures for rotating machines, the vibration analysis is the most usual, being nowadays, largely used in national industries. Very important for detecting leakage problems on industrial piping, the ultrasound analysis is still not applied to check mechanical components. It was used an experimental methodology which allowed to analyze two electrical motors for six hours. During this period, the quantity of grease applied on the rolling bearings was changed and new responses were acquired using vibration accelerometers, ultrasound sensors and a optical pyrometer. The results showed that there is not a correlation between vibration analysis and ultrasound detection technique for those electrical motors. Furthermore, it was possible to define the ideal quantities of grease for each rolling bearing. It was concluded that the ultrasound detection technique is robust for the definition of these quantities and also in determining the lubrication intervals for them.

[pt] O conhecimento do escoamento no interior das Bombas de Cavidades Progressivas (BCP) é de grande importância para aprimorar o desenho e a aplicação destas bombas em poços de petróleo. A simulação do escoamento na BCP é extremamente complexa devido ao caráter transiente, à presença de paredes móveis e à diferença de escala do tamanho da folga entre o estator e o rotor. Esta complexidade torna impraticável o uso da simulação como ferramenta de projeto. Esta dissertação apresenta um modelo assintótico do escoamento no interior de BCP monolobular com estator metálico. O modelo foi desenvolvido para fluido newtoniano e utiliza a teoria da lubrificação para reduzir as equações tri-dimensionais de Navier-Stokes a uma equação de Poisson bi-dimensional, para o campo de pressão. As equações diferenciais do modelo, escritas com coordenadas cilíndricas, foram resolvidas numericamente pelo método de diferenças finitas de segunda ordem. O programa desenvolvido em Matlab oferece resultados que reproduzem satisfatoriamente os dados experimentais, com tempo de processamento e capacidade computacional significativamente inferiores aos modelos que resolvem o sistema completo de equações. Os resultados obtidos mostram o efeito de parâmetros geométricos e operacionais, tais com folga estator-rotor, número de estágios, viscosidade e densidade do fluido, rotação e diferencial de pressão, nas curvas de desempenho da bomba. / [en] The fundamental understanding of the flow inside Progressive Cavities Pumps (PCP) represents an important step to improve the efficiency of these pumps in the petroleum artificial lift industry. The simulation of the flow in the PCP is extremely complex due to the transient character of the flow, the moving boundaries and the difference in length scale of the channel height between the stator and rotor. This complexity makes the use of CFD as an engineering tool almost impossible. This dissertation presents an asymptotic model to describe a single phase flow through progressive cavities pumps, using the lubrication theory approach. The model was developed for Newtonian fluid and the lubrication theory was used to reduce the three-dimensional Navier-Stokes equations to a two-dimensional Poisson´s equation for the pressure field. The models differential equations were written in cylindrical coordinates and were numerically solved by the finite difference method. A program was developed in Matlab and the results reproduce the experimental data, with a significantly shorter processing time, which is orders of magnitude faster than the model that solves the complete set of equations. The results show the effect of geometry and operational parameters, such as the clearance between stator and rotor, the number of pitches, viscosity and density of the fluid, rotation and differential pressure, in the pump performance curves.

A crescente utilização de técnicas de manutenção preditiva pela indústria exige cada vez mais o aprimoramento dos procedimentos capazes de fornecer informações sobre o estado de um equipamento. Torna-se imperativo, desta forma, não apenas saber quando um equipamento ou componente mecânico irá falhar, mas também, entender o comportamento deste, diante de diferentes regimes de operação. Dentre os procedimentos de análise preditiva existentes para máquinas rotativas, a análise de vibração é um dos mais utilizados e está presente em grande parte das principais indústrias do país. Muito importante na detecção de vazamentos em tubulações industriais, o técnica de detecção de ruído ultrassônico é, entretanto, ainda pouco explorada para avaliação de falhas em componentes mecânicos. Utilizou-se uma metodologia experimental que permitiu avaliar dois motores elétricos por seis horas ininterruptas. Durante este período, variou-se a quantidade de graxa lubrificante aplicada nos respectivos mancais de rolamento e adquiriram-se respostas a estas variações com acelerômetros vibracionais, sensores de ruído ultrassônico e com um pirômetro ótico. Os resultados mostraram que não existe uma correlação entre as técnicas de análise de vibração e detecção de ruído ultrassônico para os motores testados no experimento. Além disso, foi possível definir quais eram as quantidades ótimas de graxa lubrificante para cada mancal de rolamento. Pôde-se concluir que a técnica de detecção de ruído ultrassônico se mostrou robusta na definição destas quantidades e também na determinação dos intervalos de relubrificação para cada rolamento. / The crescent utilization by Brazilian industry of predictive maintenance techniques demands, from predictive procedures, more capability for supplying information on the state of equipment. It becomes extremely important not just to know when a machine is going to fail, but also, to understand how it will be, considering several different conditions. Among the existent analysis procedures for rotating machines, the vibration analysis is the most usual, being nowadays, largely used in national industries. Very important for detecting leakage problems on industrial piping, the ultrasound analysis is still not applied to check mechanical components. It was used an experimental methodology which allowed to analyze two electrical motors for six hours. During this period, the quantity of grease applied on the rolling bearings was changed and new responses were acquired using vibration accelerometers, ultrasound sensors and a optical pyrometer. The results showed that there is not a correlation between vibration analysis and ultrasound detection technique for those electrical motors. Furthermore, it was possible to define the ideal quantities of grease for each rolling bearing. It was concluded that the ultrasound detection technique is robust for the definition of these quantities and also in determining the lubrication intervals for them.

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Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-06-15Bitstream added on 2014-06-13T19:57:38Z : No. of bitstreams: 1 silvaneto_jf_me_bauru.pdf: 1785488 bytes, checksum: 20f9f159b1b215b07f4c95af3fa0d932 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / No processo de retificação e utilização de fluidos de corte é uma maneira de implementar a qualidade final ao processo, pois os fluidos têm como finalidade a lubrificação na área de contato entre a peça e ferramenta e a refrigeração das superfícies, assim evitando danificações na superfície da peça. Com isso, a utilização de fluidos de corte tem sido constantemente estudada, visando diminuir a utilização deste, pois a utilização de fluidos de corte tem seus problemas. O custo do produto final aumenta consideravelmente com o uso de fluidos de corte no processo de retificação, além de que os fluidos de corte são substâncias tóxicas e nocivas tanto às pessoas quanto ao meio ambiente. Portanto indústrias, universidades e centro de pesquisas são levados a pesquisar métodos alternativos menos prejudiciais ao meio ambiente. Dentre as alternativas surge e técnica da mínima quantidade de lubrificante (MQL), que também tem suas desvantagens, como por exemplo, a formação de uma borra de óleo na superfície de corte do rebolo, o que gera uma rugosidade maior na peça. Porém, visando minimizar esse problema podem ser usados jatos de ar comprimido incidindo na superfície de corte do rebolo, com o objetivo de limpar a superfície de corte do rebolo, com o objetivo de limpar a superfície do rebolo. Dessa forma, avaliou-se a eficiência desse sistema de ar comprimido para a limpeza e pôde-se verificar que, a utilização da limpeza juntamente com a técnica do MQL, torna-se viável, pois de uma maneira geral a técnica do MQL com limpeza obteve melhores resultados na qualidade da peça e desgaste da ferramenta, em relação ao MQL sem limpeza. A limpeza com um ângulo tangente à superfície do rebolo foi a condição de limpeza que obteve melhores resultados para a limpeza o que comprova que a melhoria na técnica do... / In grinding process the use of cutting fluids is a way to implement the final quality of the process because the fluids are intended for the lubrication in the contact area between the work piece, the tool and the cooling of the surfaces avoiding damages on the work piece surface. However, the use of cutting fluids has been constantly studied in order to reduce its use since this practice brings a lot of problems about. The final product cost increases considerably along with the use of cuting fluids in gringing process, besides those substances are toxic and harmful to people and to the environment as well. Therefore, industries, universities and research center have been taken as sites for investigating less harmfulll alternative methods to the environment. Among such alternatives comes up of minimum quantify of lubricant technique (MQL), which also has some disadvantages, such as the formation of oil sludge on the cut surface of the wheel, which creates a greater surface roughness on the work piece. However, in order to minimize this problem compressed air jets can be used focusing on the cut surface of the wheel, in order to clean it. Thus, we could evaluated the effectiveness of that compressed air system used for cleaning, and it was possible to observe that the use of cleaning with the MQL technique is feasible because from a general view the use of the MQL technique in the cleaning process showed better results in the quality of the work piece and wornout of the tool comparing to the to the MQL with no cleaning. The cleaning with a tangent angle to the surface of the wheel was the condition of cleanliness that showed better results for the cleanliness which proves that the improvements for the MQL techniques does not lead to significant results compared to the conventional technique. However, the MQL technique with cleanliness has its... (Complete abstract click electronic access below)

Neste trabalho investigou-se o revestimento protetor nitreto de titânio com a incorporação de dissulfeto de molibdênio como lubrificante sólido, visando aplicação em peças e ferramentas de corte na indústria metal-mecânica. Este revestimento foi obtido na forma de filme fino pela técnica de magnetron sputtering reativo modificando a quantidade de MoS2 de 2,9 a 40,3 % . As propriedades estruturais, físico-químicas, morfológicas, mecânicas e elementares foram analisadas observando a variação na quantidade de dissulfeto de molibdênio nos filmes finos. Estas propriedades foram analisadas por diferentes métodos, tais como espectrometria de retroespalhamento Rutherford, espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X, difração de raios X de ângulo rasante, nanoindentação e microscopia eletrônica de transmissão. O MET revela que o composto MoS2 está estruturado na forma de partículas formadas durante a deposição na matriz de TiN. As análises de XPS revelam apenas ligações químicas de Ti-N, Mo-S e não o composto Ti-S pôde ser detectado. Na análise de DRX pode ser observado que em quantidades de MoS2 superiores a 40% sugere um stress compressivo e trativo entre os grãos de MoS2 e TiN causando um deslocamento dos picos para ambas as estruturas. Com o desgaste mecânico não se observou nenhuma modificação nos resultados de XPS e DRX. As propriedades mecânicas tiveram melhores resultados para amostras que contém o percentual de MoS2 abaixo de 12%. / Submitted by Marcelo Teixeira (mvteixeira@ucs.br) on 2014-06-03T18:51:53Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Gilmara Strapasson.pdf: 6933686 bytes, checksum: f899af08e7e81dde6373ff00102fc235 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-03T18:51:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Gilmara Strapasson.pdf: 6933686 bytes, checksum: f899af08e7e81dde6373ff00102fc235 (MD5) / In this study we investigated the protective coating of titanium nitride using incorporation of molybdenum disulfide as a solid lubricant, seeking application in parts and cutting tools in the metal working industry. This coating was obtained in the form of thin film by dc magnetron reactive sputtering technique. The structural, physicochemical, morphological, mechanical and quantitative elemental analysis were observing the different amounts of molybdenum disulfide in thin films (2,9 to 40,3%). These properties were analyzed using different methods such as Rutherford backscattering spectrometry, photoelectron spectroscopy induced by X-rays, X-ray diffraction, nanoindentation and transmission electron microscopy. TEM reveals a MoS2 compound structured as clusters formed during depositions into TiN matrix; XPS analysis show just Ti-N and Mo-s chemical bindings and no Ti-S compound could be detected; XRD analysis can be observed that amounts of MoS2 over 40% suggests a compressive stress and tractive between the grains of TiN and MoS2 causing a shift of the peaks for both structures. With the mechanical stress that there was no change in the results of XPS and XRD. The mechanical properties showed best results for samples containing a value of MoS2 below 12%.

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma técnica de identificação de falhas em mancais de rolamento até então praticamente inexistente no Brasil. Ela refere-se à mudança da tradicional lubrificação base-tempo, baseada em recomendações de fabricante e fórmulas retiradas de ábacos clássicos para a lubrificação base-condição. Mancais de rolamento são peças obrigatórias em uma infinidade de equipamentos, em sua grande parte, rotativos. A técnica mais difundida de identificação de falhas é a análise de vibração, em seus mais diversos graus de tecnologia embarcada. No entanto, o que ocorre por inúmeras vezes é a identificação da falha já em um estágio onde a falha não pode mais ser reparada, e sim apenas ter seu desenvolvimento monitorado. Isto ocorre devido à freqüência de coleta de dados ser baseada em cartas de severidade, e a falha pode se propagar de uma forma acelerada entre as medições realizadas. A partir desta nova técnica o que se busca é proporcionar à técnica de manutenção preventiva conhecida por lubrificação, que por muitas vezes é tão menosprezada dentro das indústrias, a aquisição de informações importantes a partir de coleta das vibrações ultrassônicas emitidas pelos mancais. Desta forma se fornecem condições para que a lubrificação atue de modo a auxiliar a técnica de análise de vibração, evitando lubrificações em demasia e prevenindo a falta de lubrificante nos mancais, a partir de inspeção baseada em condição. / The aim of this work is to develop a root cause fail identification technique in rolling bearings fairly known in Brazil. This technique refers to the changing from traditional time-based lubrication, done upon manufacturers’ recommendation and formulas taken from classic abacus to condition based lubrication. Rolling bearing are mandatory parts in a large amount of equipments, especially in dynamics. The most known technique for fail identification is vibration analysis, used with different technologies. However several times the identification is made in a stage where the problem can no longer be fixed only monitored. That situation happens because of data collection is made based in severity charts, and fail can propagate in a fast mode between collections. With this condition based technique, it follows to purpose to the other predictive maintenance technique known as lubrication, which is so many cases is undervalued inside industries, the acquisition of important information from bearing ultrasonic vibration data collection. Since this important model apparatus are given to that lubrication acts in order to help vibration analysis technique to avoid over greasing and preventing bearing lack of lubrication, inspection based on condition.

This thesis is based on two different projects, one more focused on applied research and one on more basic research. The first project examines the po- tential of nitriding as an alternative to case hardening in tribologically loaded components while the second project involves micro scale studies of the relations between roughness, transfer and friction between metals. The first project consists of an evaluation of the tribological properties of nitrided steels. The aim is to increase the understanding of the wear and fric- tion behavior of different nitrided steels in relation to the choice of steel grade, microstructure, thickness and composition of the compound layer, among other parameters. This study is a part of a bigger project called Surf- Nit, which primary objective is to optimize the nitriding process in order to increase the use of nitrided steels for applications like high stress compo- nents. Today case hardening is the standard heat treatment for these applica- tions but nitriding is both more environmentally friendly and less time con- suming. In the present study, the steel grade with the highest content of ni- tride-forming elements and highest hardness showed the best wear re- sistance, regardless of the composition of the compound layer. Further, steels of a given grade but with different phase compositions of the compound layer showed differences in their wear behaviour. It was also shown that nitrided steels with ε-phase in the compound layer acted more brittle than those containing Υ’. The goal of the more basic project is to increase the understanding of the mechanism behind sliding friction. The main focus has been the relation between friction and material transfer. A better understanding can be of help when developing new tribological materials, for example wear resistant components that can operate without lubrication. It could also enable specif- ic recommendations for surface finishes to avoid material transfer and be of help when trying to make more realistic tribological models. Scratch tests have been performed on samples with different surface roughness and dif- ferent surface composition. It was shown that nano scale topography had a bigger impact on both material transfer and friction compared to micro scale topography. Experiments both in air and in situ in a SEM have been per- formed to determine the effect of presence of air on the friction and material transfer. The experiments in air resulted in more material transfer and higher friction than those performed in vacuum. Both lubricated and unlubricated contacts have been studied in order to see how surfaces otherwise separated by boundary lubrication will be affected if the lubrication fails.