Perspectiva atual e oportunidades para implementação de novas tecnologias no monitoramento remoto de proteção catódica

PEREIRA, Thiago Marques.

Perspectiva atual e oportunidades para implementação de novas tecnologias no monitoramento remoto de proteção catódica

Resumo

O mundo está passando por uma transformação digital em todos os setores da sociedade, comércio e indústria, o que contribui para a implementação de novas tecnologias no setor de Óleo e Gás. Instrumentos mais eficazes com IoT e tecnologia da Indústria 4.0, a implementação de inteligência artificial na análise de dados, a expansão da cobertura global de redes via satélite e celular, tudo isso tem incentivado os operadores de oleodutos a investir em monitoramento remoto como solução para reduzir custos operacionais e o risco à integridade física das pessoas envolvidas em inspeções de sistemas de proteção catódica. Essa solução permite que as empresas otimizem seus processos, gerenciem a integridade de oleodutos de forma mais eficaz e contribui como uma boa prática em governança de dados devido à sua transparência.

Cada operador de dutos enfrenta seus próprios desafios na implementação do monitoramento remoto: dificuldades de implementação em regiões com riscos sociais e descargas elétricas intensas, necessidades específicas, padrões internos de análise e apresentação de dados, entre outros.

Este artigo tem como objetivo identificar os desafios encontrados pelas empresas quanto à tecnologia a ser utilizada que melhor se adapta à realidade encontrada no campo, analisar as tecnologias existentes e suas praticidades/limitações, apresentar a relação custo/benefício gerada na implementação do monitoramento remoto e expor uma discussão sobre o uso da inteligência artificial na tecnologia embarcada nos dispositivos, que ainda é pouco explorada.

Palavras-chave: Monitoramento remoto, Proteção Catódica, IoT, Indústria 4.0, Inteligência Artificial.

1. Introdução

            A eficácia de um sistema de controle de corrosão é confirmada através da verificação do efetivo controle da mesma. O método mais usado para testar a eficácia de um Sistema de Proteção Catódica é a medição do potencial da estrutura para comparação com um critério selecionado. Correntes fluindo no sistema também são medidas como um parâmetro adicional de desempenho. Como parâmetro para aferição do nível de potencial elétrico de proteção é utilizado um eletrodo de referência específico para cada eletrólito. É medido, através de um multímetro de alta resistência interna, o potencial da estrutura em relação ao eletrólito na qual está imersa, através do eletrodo de referência. Uma vez mantido um nível pré-estabelecido como de proteção em toda a estrutura, o mesmo é considerado protegido contra corrosão.

Hoje a maioria dos proprietários de dutos no Brasil utilizam de empresas terceirizadas para realizar inspeções presenciais nos equipamentos de proteção catódica, cuja periodicidade é regida pela Norma ABNT NBR ISO 15589-1, que estabelece no item 13 uma rotina de inspeções para garantir a operacionalidade constante e efetiva do sistema. Entretanto, tem-se observado um cenário cada vez mais desafiador para a realização de visitas em campo pelos profissionais de Proteção catódica. O aumento do custo de contratação dos serviços de inspeção devido a Elevação dos custos de materiais, serviços e pessoas no Brasil, bem como questões sociais como dutos em áreas de construções irregulares, vandalismos constantes, riscos de violência aos profissionais de campo, são alguns dos fatores que tornam cada veiz mais necessário o investimento em tecnologias de monitoramento remoto de proteção catódica.

Além de evitar riscos à segurança de profissionais, o monitoramento remote reduz custos operacionais e proporciona melhor confiabilidade dos dados, que podem ser acessados em tempo real a um custo baixo de transmissão. A tendência é que os sistemas continuem a evoluir, com maior automação e integração de tecnologias como IoT (Internet das Coisas), redes 5G e Inteligência Artifical, tornando o monitoramento ainda mais eficiente, acessível e independente.

O objetivo deste artigo é discutir sobre a eficácia dos dispositivos de monitoramento remoto existentes, as novas tecnologias que podem ser implementadas e também propor novos trabalhos de pesquisa para ampliar a discussão, com vistas ao aprimoramento do controle da corrosão de estruturas metálicas enterradas e submersas.

2. Metodologia

    2.1 Evolução do monitoramento remoto no Brasil

O monitoramento de proteção catódica iniciou-se, como todo processo produtivo, de forma manual, com inspeções de campo periódicas e medições locais dos parâmetros necessários para garantia da proteção das estruturas. Esse método, majoritariamente usado em todo o mundo inclusive no Brasil, é eficaz, porém limitado em termos de alcance, frequência e segurança de dados e pessoas, além da necessidade de uma rede logística específica.

No Brasil, especificamente na década de 90, começaram a ser implementados sistemas de monitoramento remoto, utilizando tecnologias como comunicação via rádio e GPRS, como medida para acompanhamento em tempo real do funcionamento de retificadores, sendo estes dispositivos os principias “cases” de estudo para implantação na tecnologia ora iniciante no país. Com o passar do tempo, outros dispositivos como drenagens elétricas e pontos de teste passaram a ser alvo da monitoração remota, visto o sucesso alcançado por grandes companhias de transporte e exploração de óleo e gás no monitoramento da proteção catódica de seus ativos.

Hoje, empresas de tecnologia IoT (Internet of Things) no Brasil e no exterior veem em nosso país uma grande oportunidade de prover sistemas de monitoramento remoto para as empresas de dutos que possuem sistemas de proteção catódica em seus ativos. Estima-se que a infraestrutura dutoviária representa cerca de 4% do transporte de cargas no Brasil, atuando como um modal logístico de produtos específicos. A malha dutoviária do Brasil constitui de cerca de 80 mil quilômetros de dutos instalados, sendo estes utilizados para exploração de petróleo, transporte de derivados e minérios, distribuição de gás natural e água, entre outros.

Fig. 1: Mapa das empresas distribuidoras de gás no Brasil.

Fig. 2: Mapa geral dos gasodutos e oleodutos de transporte do Brasil.

           Houve avanços importantes no que diz respeito às tecnologias implantadas para monitoramento remoto de proteção catódica, como a integração da inteligência artificial (IA), aprendizado de máquina (ML) e sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), cujas ferramentas permitem não apenas a coleta de dados em tempo real, mas também a análise preditiva e a detecção de falhas antes que elas ocorram. A utilização de drones e sensores avançados ampliam a cobertura e a precisão do monitoramento. A tendência do mercado é a integração dos sistemas remotos à indústria 4.0 com as redes 5G, no conceito da IIoT (Industrial Internet of Things), de forma a buscar a interoperabilidade e autonomia dos sistemas de monitoramento remoto para tomadas de decisão em tempo real.

2.2 Estrutura básica de um sistema de monitoramento remoto

Um sistema de monitoramento remoto possui uma estrutura básica conforme demonstrado na Figura 3.

Fig. 3: Estrutura básica de um sistema de monitoramento remoto para proteção catódica.

           As entradas são os dispositivos a serem monitorados (retificadores, drenagens elétricas, pontos de teste, etc.), cujos parâmetros são inseridos em entradas analógicas, cujos valores serão convertidos em sinais digitais para leitura e interpretação pela unidade, através de transdutores de sinal 4-20 mA, os quais podem ser internos ou externos à unidade remota, a depender do fabricante.

A interface é o sistema que recebe os dados e controla a unidade remota, podendo ser um sistema ERP (Enterprise Resource Planning), sistema SCADA ou uma plataforma Web que armazena os dados em nuvem. Com este sistema, é possível configurar, controlar e monitorar à distância os dispositivos de monitoramento remoto. O ideal é que não haja a possibilidade de alteração das configurações pelo equipamento, para que não haja possíveis mudanças indevidas nas configurações iniciais que prejudiquem a monitoração do equipamento ao longo do tempo.

A alimentação elétrica do dispositivo será escolhida com base nas condições de instalação dos equipamentos do sistema de proteção catódica. No caso de retificadores, geralmente se utiliza dispositivos que convertem alimentação CA (corrente alternada) em CC (corrente contínua), visto que estes equipamentos possuem alimentação elétrica fornecida por concessionária de energia. Em alguns casos, como retificadores com alimentação fotovoltaica ou termogeradores (TEG), pontos de teste e drenagens elétricas unidirecionais, onde não há energia elétrica disponível, o ideal é que sejam instalados dispositivos de monitoramento alimentados por painel solar ou com bateria interna de lítio de alta duração, com até 5 anos de autonomia, a depender da quantidade de transmissões demandadas pelo cliente.

A transmissão dos dados para a interface de controle também dependerá das condições de instalação dos equipamentos para a plataforma de controle do dispositivo se dá por diversas formas, sendo as mais usadas atualmente a transmissão via satélite.

    2.3 Limitações dos Sistemas

Analisando os principais dispositivos de monitoramento remoto existentes e as condições de instalação dos sistemas de proteção catódica no Brasil, verifica-se que há limitações para a utilização dos dispositivos, sendo algumas descritas a seguir:

• Autonomia na tomada de decisões: Os dispositivos remotos coletam dados de forma autônoma, porém dependem de um usuário na ponta, para a interpretação dos dados e a consequente tomada de decisões sobre possíveis problemas identificados nos sistemas de proteção catódica decorrentes das amostras coletadas. Isso gera um atraso nas ações de correção dos problemas, pois em geral os pacotes de dados são enviados em periodicidades semanais, quinzenais e até mensais, e após seu recebimento pela plataforma de controle, o corpo técnico da concessionária fará a análise e posterior tomada de ações, sendo algumas in loco, como ajustes dos retificadores do sistema, falhas na operação dos dispositivos remotos, entre outros.
• Interoperabilidade: Em geral dispositivos de diferentes fabricantes são incompatíveis uns com os outros, no que diz respeito ao formato de envio/recebimento dos dados e a plataforma utilizada para acesso aos mesmos. Mesmo com a integração das diversas plataformas em um único ERP através de API’s (Application Programming Interfaces), o que ocorre na prática é que cada dispositivo possuirá seu próprio sistema de controle de dados, todos ligados a um ERP central, aumentando a rede de acesso aos dados.
• Fornecedor do dispositivo: Em alguns casos, os dispositivos de monitoramento remoto são tratados comercial e tecnicamente de forma separada, no que diz respeito ao fornecimento e manutenção do hardware utilizado, o tipo de transmissão contratado e o acesso à plataforma web. Alguns fornecedores vendem seus produtos juntamente com os pacotes de transmissão e o acesso à sua plataforma, além do suporte para configuração, instalação e manutenção, porém não é algo unânime no mercado nacional.
• Medidas antivandalismo: No Brasil registra-se a cada ano um aumento significativo nos furtos e roubos nos equipamentos de proteção catódica, principalmente em áreas urbanas nas regiões Sudeste e Nordeste. Em 2024, o roubo de cabos elétricos gerou um prejuízo de R$ 26 milhões, resultando em 54 mortes e 67 feridos, principalmente devido a acidentes envolvendo cabos energizados. Esses dados geram a necessidade cada vez maior de desenvolver medidas antivandalismo que minimizem o problema, o que envolve também os sistemas de monitoramento remoto. Porém, a maioria dos dispositivos são instalados em pontos acessíveis a atos de vandalismo, o que poderia ser dificultado com a instalação dos dispositivos em caixas enterradas, desde que os mesmos possuam invólucro com grau de proteção IP68 (proteção contra poeira e contra os efeitos da imersão contínua em água) conforme Norma IEC 60529.
• Medidas de proteção contra surtos e descargas elétricas: O Brasil é o país com maior incidência de raios do mundo, registrando entre 70 e 80 milhões de descargas elétricas por ano. Tendo em vista a extensa malha de dutos existentes em todo o território nacional, constata-se que os sistemas de proteção catódica estão sujeitos a danos por descarga elétricas, não somente oriundas de eventos meteorológicos, mas de sistemas interferentes como linhas de transmissão de energia elétrica, linhas de trens eletrificados e outras correntes de interferência CC. Para suportar estes transientes, muitas vezes da ordem de centenas de ampères, é preciso que os dispositivos de monitoramento remoto possuam um robusto esquema de proteção contra surtos, que podem vir pelas tubulações que são grandes massa metálicas condutoras das correntes parasitas. Porém, o que se vê é que algumas tecnologias não possuem a robustez suficiente para proteger os equipamentos, fato que causa a constante queima de componentes e dispositivos em ativos das empresas de dutos.

3. Resultados

Este artigo não apresenta resultados a respeito de estudos espeíficos sobre o assunto, porém amplia a discussão sobre as possíveis tecnologias que podem ser implementadas para que os dispositivos de monitoramento remote se tornem mais robustos, eficientes e independents, eliminando cada vez mais a ação do homem para tomadas de decisão no controle da corrosão de estruturas metálicas enterradas.

4. Discussão

Com base nas limitações observadas no item 2.3 deste artigo, é apresentada a seguir uma série de medidas que podem ser estudadas pelas empresas fornecedoras de dispositivos de monitoramento remoto, a fim de desenvolver tecnologias que ofereçam maior confiabilidade e praticidade às empresas de dutos.

    4.1 Autonomia na tomada de decisões: Implementação de Aprendizado de Máquina (ML)

O aprendizado de máquina (ou machine learning – ML) é uma área da inteligência artificial que permite que sistemas computacionais aprendam e façam previsões ou decisões com base em dados, sem serem programados explicitamente para isso. Em vez de seguir um conjunto fixo de regras, os algoritmos de aprendizado de máquina criam modelos a partir dos dados para identificar padrões e tomar decisões autônomas.

O aprendizado de máquina supervisionado pode ser explorado para que dispositivos de monitoramento remoto, instalados ao longo dos equipamentos de proteção catódica da tubulação, possam analisar dados e tomar decisões, além de atuar diretamente nos equipamentos sem a necessidade de intervenção em campo, como por exemplo:

a) Influência dos retificadores no Sistema de proteção catódica: Dispositivos remotos instalados em retificadores poderiam possuir algoritmos de processamento de dados, treinados para identificar ao longo do duto, em dispositivos instalados em pontos de teste, deficiências de Proteção causadas pela diminuição da Corrente do Sistema, seja pela falha na operação de um retificador, seja pelo aumento da resistência do leito de anodos por desgaste ou rompimento de cabos elétricos. Ao identificar que um dispositivo apresentou valores anômalos aos medidos periodicamente, os demais dispositivos atuariam de forma autônoma nos equipamentos a eles conectados, alterando os valores de Corrente e comparando com os novos registros medidos nos pontos de teste após ajuste, de forma a conferir valores de Potencial “OFF” que atendam os critérios de proteção catódica, monitotamento este feito através dos cupons de polarização.

b) Correntes de interferência CC sobre o duto: Em pontos de teste instalados em áreas urbanas sujeitas a correntes de interferêcia, é comum observar a influência destas correntes no sistema, causando perturbações nos valores de Potencial Tubo/Solo para paratamares até mesmo positivos. Com um algoritmo treinado para identificar estas Interferências, seria possível o dispositivo realizar imediatamente um registro gráfico prolongado, para avaliar a influência desta interferencia ao longo do tempo e identificar qual sua característica, e enviar o registro por email após o término para o cliente. Além disso, poderia enviar um sinal ao dispositivo remoto da drenagem elétrica mais próxima para medir um valor instantâneo da corrente drenada, com vistas à identificação de uma possível inoperância da mesma por conta de algum dano aos componentes internos. Também seria possível enviar um sinal aos retificadores de influência da região para que os mesmos elevassem a corrente de saída, de forma a mitigar a interferência, caso esta não seja causada pela inoperância de uma drenagem, porém só seria efetuado o aumento da corrente caso haja ajuste para tal e tomando o cuidado de não elevar os níveis de Potencial “OFF” para valores mais negativos que -1,20 V.

c) Controle dinâmico do Potencial Tubo/Solo “ON”, “OFF” e CA e predição de eventos: com um algoritmo treinado para identificar mudanças sensíveis de valores ao longo do tempo, seria possível identificar em pontos de teste instalados ao longo do duto as variações que venham a ocorrer nos níveis de Potencial Tubo/Solo “ON”, “OFF” e CA, de forma a prever que em uma determinada região poderá acontecer um evento de desproteção, superproteção ou influência de corrente CA acima do limite adimissível em norma, apontando quando irá ocorrer e sugerindo ações a serem tomadas com base no disposto em normas vigentes, cujos valores seriam fatores de comparação para a resposta do algoritmo.

    4.2 Interoperabilidade: Protocolo LoRaWAN

            O protocolo LoRaWAN é uma tecnologia de comunicação sem fio projetada para dispositivos de baixo consumo de energia e longo alcance, sendo amplamente utilizado na Internet das Coisas (IoT). Esta tecnologia poderá interligar diferentes dispositivos, que comuniquem na mesma frequência de operação no Brasil (915 – 928 MHz), em um único protocolo de rede que conecte os dados, permitindo que os sistemas interajam entre si e realizem operações complexas, como o aprendizado de máquina citado no item 4.1.

Os dispositivos ligados a este protocolo, chamados de End Nodes, enviam e recebem dados por meio de Gateways, que retransmitem as informações para um Network Server e, por fim, para um Application Server, onde os dados são processados e exibidos.

Fig. 4: Estrutura básica do protocolo LoRaWAN.

            Existem outros protocolos de redes IoT, porém este protocolo é ideal para sensores que precisam operar por anos com uma única bateria, caso dos dispositivos de monitoramento remoto.

    4.3 Fornecedor do dispositivo: Flexibilidade

O ideal para sistemas de monitoramento remoto é que a empresa fornecedora dos dispositivos de monitoramento remoto possua sistemas flexíveis que se adaptem à realidade das concessionárias de dutos. Por exemplo, fornecer uma possibilidade de transmissão que seja a mais viável ao cliente, sem impor uma tecnologia específica, visto que os clientes muitas vezes já possuem o próprio sistema de comunicação e transmissão de dados para outros fins. Outro exemplo está nos tipos de contratação dos serviços, os quais podem ser oferecidos não somente por venda, mas contratos de comodato, que são interessantes em casos específicos de monitoramento. Além disso, é importante para os clientes que uma empresa única seja responsável pelo fornecimento, instalação, transmissão e suporte, o que facilita a comunicação entre os pares.

    4.4 Medidas antivandalismo: Equipamentos com grau de proteção IP68

Como citado no item 2.3, os índices de vandalismo em equipamentos de proteção catódica têm aumentado no Brasil, o que torna cada vez mais inviável a instalação aérea de dispositivos de monitoramento remoto em áreas abertas, sejam urbanas ou rurais, visto o alto custo de aquisição dos produtos. Em áreas cercadas, como válvulas e estações, este situação não é observada.

Uma possibilidade que pode ser explorada para minimizar o problema seria o desenvolvimento de dispositivos que possuam grau de Proteção IP68, de forma que seja viabilizada sua instalação em caixa enterrada. Uma instalação sob o solo permitirá a comunicação, desde que seja evitado o uso de caixa de concreto para comunicações via satélite. Para sistemas de comunicação via celular, não há este problema.

    4.5 Medidas de proteção contra surtos e descargas elétricas: Proteção robusta e integrada

É fundamental que os dispositivos de monitoramento remoto sejam desenvolvidos com uma proteção robusta contra surtos elétricos e de preferência que esta Proteção seja integrada aos equipamentos, para otimizar e facilitar a instalação em campo. De forma a atestar a efetividade da proteção dos dispositivos contra transientes elétricos, convêm que os mesmos sejam submetidos a testes de compatibilidade eletromagnética com base no disposto da Norma IEC 61000, além de outros testes que sejam correlacionados e que comprovem que o dispositivo está apto para suportar as descargas elétricas observadas em equipamentos de proteção catódica no Brasil.

5. Conclusão

As informações expostas no item 4 deste artigo abrem um caminho importante para discussões futuras sobre o modelo ideal de monitoramento remoto a ser implantado para as empresas de dutos no Brasil. Apesar de algumas empresas possuírem soluções com alta tecnologia embarcada e baixo custo de operação e transmissão, há condições de diversas naturezas que precisam ser melhor estudadas para que os desafios impostos sejam vencidos e possa se chegar em sistemas remotos mais flexiveis, robustos, integrados e independentes.

Para a indústria de dutos no Brasil, esta discussão é importante pois os fatores sociais e econômicos em nosso país indicam que cada vez mais os investimentos em sistema de monitoramento remoto para proteção catódica fazem sentido para as empresas do setor, e o futuro destes produtos é a sua total integração aos sistemas IIot e controlados por Inteligência Artificial.

Ainda que a proposta aqui apresentada tendencie às empresas para uma total automatização da inspeção dos sistemas de proteção catódica, a tecnologia já implementada e as próximas que virão não eliminarão o fator humano, cuja criatividade e experiência de campo permitem estudos complexos e tomadas de decisão que muitas vezes não poderão ser previstas pelos algoritmos de aprendizado de máquina.

A seguir são relacionados alguns temas que podem ser adotados para trabalhos futuros: Estudos de caso na aplicação de Redes sem fio e IoT no monitoramento remoto de proteção catódica, Blockchain e segurança na transmissão de dados e Modelagem preditiva de falhas em sistemas de proteção catódica.

Referências

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