Marcus Vinicius Maciel Martins PETROBRAS S.A. Francisco Carlos Rodrigues Marques PETROBRAS S.A. Ricardo de Oliveira Carneval PETROBRAS S.A.

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1 APLICAÇÃO DA TÉCNICA ACFM (Alternating Current Field Measurement) NA INSPEÇÃO DE EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS Marcus Vinicius Maciel Martins PETROBRAS S.A. Francisco Carlos Rodrigues Marques PETROBRAS S.A. Ricardo de Oliveira Carneval PETROBRAS S.A. Carlos Gilberto David de Sousa PETROBRAS S.A. Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).

2 SINÓPSE A técnica ACFM (Alternating Current Field Measurement) foi usada inicialmente para a detecção de trincas de fadiga em estruturas offshore tanto na região submersa como na emersa. As aplicações desse método de inspeção têm sido estendidas internacionalmente para equipamentos industriais como tubulações e vasos de pressão. Testes realizados em nível de laboratório e em aplicação de campo mostraram a capacidade de detecção e de dimensionamento de descontinuidades da técnica ACFM. Descreve-se os princípios físicos, aplicações, vantagens e desvantagens da técnica ACFM, bem como os primeiros resultados na inspeção equipamentos e tubulações pressurizadas e outros acessórios utilizados em áreas industriais, incluindo materiais diferentes do aço carbono.

3 1. Introdução A PETROBRAS em seu esforço de produção e refino de petróleo opera hoje aproximadamente 100 plataformas, 13 refinarias e 33 terminais, instaladas ao longo do território brasileiro. Para garantir um mínimo de confiabilidade em suas operações e, no caso das plataformas móveis, atender às exigências estatutárias das Sociedades Classificadoras, a PETROBRAS necessita assegurar que essas instalações mantenham sua integridade estrutural visto que estão sujeitos a diversos tipos de esforços cíclicos indutores de fadiga. Em atendimento a esse requisito são executadas inspeções estruturais periódicas, submarinas e emersas, onde os Ensaios por Partículas Magnéticas (EPM) em juntas soldadas selecionadas são responsáveis por mais de 50% dos custos envolvidos no processo. Na inspeção submarina essa participação nos custos pode ser, em alguns casos, ainda maior, pois o EPM exige condições de mar, de posicionamento e de limpeza de superfície bem peculiares para a sua execução. A empresa inglesa TSC-Technical Software Consultants Limited desenvolveu a técnica ACFM para utilização, em princípio, nas inspeções submarinas executadas em plataformas marítimas de petróleo instaladas no Mar do Norte. A PETROBRAS teve um primeiro contato com a TSC e o ACFM em 1994 através da participação de seus técnicos em Congressos de Ensaios Não Destrutivos. Ao vislumbrar o potencial técnico e econômico oferecido pelo ACFM na substituição do EPM submarino, a PETROBRAS adquiriu os dois primeiros equipamentos a TSC em Desde então vêm sendo desenvolvido um trabalho de pesquisa, avaliação e implantação da técnica através do CENPES e da E&P, sendo que atualmente, todos os esforços estão direcionados para a utilização em equipamentos industriais pressurizados. 2. Características da técnica ACFM A técnica ACFM foi desenvolvida a partir da técnica de queda de potencial por corrente alternada (ACPD), que tem sido empregada para localizar e dimensionar trincas, bem como monitorar o seu crescimento. A técnica ACPD tem sido utilizada na inspeção submarina apesar da necessidade de ser mantido contato elétrico entre a sonda e o componente sob inspeção. A técnica ACFM é operacionalmente mais simples, visto que não depende da medição dos campos magnéticos na superfície, e sim próximos a ela, não necessitando de contato elétrico com a peça a ser inspecionada. Os trabalhos teóricos realizados determinaram a relação entre esses dois campos. Dessa forma, os modelos existentes de campos elétricos em torno de trincas podem ser utilizados para dimensioná-las pelo emprego da medição dos campos magnéticos. Essa capacidade de dimensionar sem contato tem por base o emprego de corrente de entrada unidirecional na região sob inspeção, similar ao que é exigido para a técnica ACPD. Para a técnica ACFM, a corrente de entrada é induzida nessa região, fazendo assim com que o sistema seja inteiramente sem contato. Na operação ACFM com uma única sonda, esta envia dois sinais para o software de detecção e dimensionamento de trincas (WAMI). O primeiro é a intensidade do campo magnético, medida na direção paralela à borda da trinca (Bx) e o segundo é a

4 intensidade do campo magnético medida num plano perpendicular à superfície do metal (Bz). O software (WAMI) em seguida apresenta esses dois sinais em três formas (figura 1): os gráficos de Bx e Bz contra o tempo separadamente (figura 2); um display de medidor dual digital e; uma plotagem polar na qual uma componente é traçada contra a outra (Bx (t) versus B z (t)), sendo esta última conhecida como plotagem em borboleta por causa do gráfico característico produzido por um defeito. Figura 1 - Tela do sistema de inspeção ACFM. Figura 2 Distribuição dos campos elétrico e magnético no ensaio ACFM. A capacidade para dimensionar trinca que aflore a superfície, sem a necessidade de limpeza na região da solda a ser inspecionada oferece benefícios potencialmente significativos sobre as técnicas existentes, tais como a inspeção por partículas magnéticas (MPI), queda de potencial (ACDP) e correntes parasitas (EC). Além de permitir a estimativa da profundidade das trincas, o emprego de uma corrente de entrada unidirecional oferece outros benefícios práticos. Em primeiro lugar, a queda de intensidade do campo de entrada em função da altura da sonda é relativamente pequena, de maneira que as variações no sinal com o levantamento da sonda (lift off) são reduzidas. Em segundo, o fluxo de corrente é disposto normalmente ao longo da

5 solda, de modo que não há perturbação na direção da corrente; por conseguinte, não há sinal oriundo da interface em decorrência da mudança na permeabilidade do metal. Um benefício final é que a técnica não requer calibração para o dimensionamento de trincas. As técnicas que exigem calibração dependem da medição da intensidade do sinal numa amostra padronizada com entalhes. Para a inspeção de soldas, o bloco padrão é invariavelmente de um material diferente daquele da região a ser inspecionada, o que leva a erros de interpretação. 3. Sondas de Inspeção Existem diversos modelos de sondas disponíveis com diferentes geometrias para o melhor desempenho durante a inspeção manual. A sonda padrão para soldas (mostrada à esquerda na figura 3) é utilizada sempre que possível. Outras sondas encontram-se disponíveis para inspeção em áreas de acesso restrito, ou próximas de bordas de chapas. Uma sonda de aplicação especial, freqüentemente usada, é a tipo lápis (mostrada à direita na figura 3), que foi concebida para inspecionar regiões onde foi removido material por esmerilhamento ou outras áreas de difícil acesso. Cada sonda contém um par de bobinas sensoras, consistindo de uma bobina Bx e outra Bz, enroladas concentricamente. O corpo da sonda é feito de resina epóxi moldada a quente. Sua face inferior tem sapatas de latão, sendo a chapa frontal utilizada para desgaste e proteção, sendo ambas componentes intercambiáveis. Os sensores também são protegidos por meio de um disco branco cerâmico embutido no epóxi. Figura 3 A sonda padrão para soldas e a sonda tipo lápis. 4. Procedimento de Execução A organização adequada levará o leitor, através de seus dados e teorias de suporte, a uma conclusão lógica. A estrutura geral a seguir pode ser aplicada com as adaptações e variações pertinentes.

6 4.1 Pessoal necessário Para a execução do ensaio são necessários um técnico com formação específica em ACFM, que ficará responsável pelo controle das atividades de inspeção, e um operador de sonda, que fará a varredura nas soldas de acordo com as orientações fornecidas pelo primeiro. 4.2 Equipamento Os equipamentos usados neste trabalho foram desenvolvidos especificamente para inspeção de unidades industriais, estes são mostrados nas figuras 4 e 5 e compostos de: - Um laptop de controle onde é rodado o software QFM de tratamento dos dados da inspeção; - A unidade de inspeção contendo os sistemas eletrônicos e com interface para computador; - Sondas de inspeção para varredura. Figura 4 - Aparelho de inspeção ACFM - U9b. Figura 5 - Aparelho de inspeção ACFM - AMIGO.

7 4.3 Coleta de dados Os dados de inspeção são coletados através da varredura das margens das soldas, com uma sonda de inspeção por ACFM pré-selecionada, a uma velocidade constante. Os dados enviados pela sonda são processados e armazenados em banco de dados específicos abertos dentro do programa QFM. 4.4 Análise dos dados obtidos Os dados coletados pela sonda são analisados por um técnico qualificado e certificado. Uma primeira análise é feita através da reprodução da coleta de dados, que é possibilitada por um comando de repetição da inspeção fornecido pelo software. Essa segunda análise pode ser feita em data, local e computadores diferentes daqueles da inspeção original, bastando para tal que os dados e o software sejam armazenados em disquetes. 5. Treinamento e qualificação Para todas as técnicas de inspeção não destrutivas é importante que os inspetores sejam adequadamente treinados e certificados. Treinamento e certificação de inspetores na técnica ACFM é disponibilizado nos sistemas Lloyds, CSWIP e PCN e desde de julho de 2000 a PETROBRAS possuí implementado no seu próprio sistema de qualificação de inspetores a modalidade ACFM, prevendo os níveis de qualificação 1, 2 e 3, sendo este reconhecido pelo TWI (CSWIP). A Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos ABENDE, através do seu DOCUMENTO COMPLEMENTAR Nº 005 DC-005, estabelece um programa mínimo de treinamento para a formação de profissionais de inspeção para a ACFM. Esse programa atende às exigências do CSWIP-Div.8-96 Requirements for the Certification of Personnel Engaged in the Electromagnetic Inspection of Welds Level 1 and Level 2, emitido pelo TWI The Welding Institute ingles. 6. Vantagens e limitações da técnica ACFM A utilização da técnica ACFM na inspeção de soldas de equipamentos e estruturas em serviço oferece uma série de vantagens em relação ao ensaio por partículas magnéticas (EPM), dentre as quais podemos destacar: - requer uma preparação pouco apurada da superfície a ser inspecionada; - não sofre limitações ao uso perante condições adversas; - pode ser executada sobre superfícies pintadas ou com revestimentos não metálicos de espessura até 5mm; - permite a determinação do comprimento e da profundidade da indicação ( trinca ); - grande velocidade de execução; - fornece registro permanente dos resultados em meio magnético; - aquisição de dados pode ser feita por um inspetor sem grandes habilidades e sua análise por um técnico em local e data diferentes da primeira operação; - o equipamento AMIGO é tão portátil quando o de EPM. Entre as limitações ao uso da técnica podemos citar: - custo inicial elevado do equipamento;

8 - inspetor precisa de treinamento e escolaridade maiores; - sensibilidade para trincas rasas é menor que o EPM em algumas situações; - podem ocorrer sinais complexos quando da inspeção de geometrias restritas, bordas de chapas e trincas ramificadas. 7. Resultados obtidos Os equipamentos de ACFM de propriedade da PETROBRAS vêm sendo utilizados regularmente desde 1997 nas inspeções submarinas de plataformas marítimas e mais atualmente também na inspeção de equipamentos industriais pressurizados. Nos subitens listados a seguir são apresentados algumas das inspeções levadas a termo com a técnica ACFM e os respectivos resultados encontrados. 7.1 Inspeção interna em 3 esferas de armazenamento de gás no TECARMO Inspeção interna executada em soldas previamente submetidas a EPM. Foram encontradas indicações de trincas em uma solda de uma das esferas em ambas as inspeções. A inspeção nas duas primeiras esferas foi executada com toda a logística montada dentro das mesmas, inclusive o aparato eletrônico, sob temperatura elevada (34ºC) e ambiente sem ventilação. O ponto notável dessa inspeção foi a ACFM ter sido executada num tempo 3 vezes inferior ao despendido pelo EPM, sem considerar a emissão de relatórios, o que poderia ampliar tal diferença. 7.2 Inspeção em Drill Pipe Riser aluminizado Tubos Drill Pipe Risers com diâmetro de 6 5/8 e com revestimento aluminizado estavam sendo utilizados na perfuração de um poço na Bacia de Campos, e operavam a uma profundidade de até 1853 metros. Para esta inspeção com a técnica ACFM, foi confeccionado um padrão para calibração do aparelho com as mesmas características metalúrgicas dos tubos e um entalhe usinado por eletroerosão com dimensões conhecidas. Foram confeccionados também corpos de prova com estas mesmas características, onde trincas de fadiga foram induzidas para verificação da sensibilidade e eficácia da técnica. Após o teste não foram encontradas descontinuidades nos tubos, sendo que na inspeção dos corpos de prova por ACFM as trincas foram detectadas, o mesmo não acontecendo com a utilização do EPM para esse fim. 7.3 Inspeção do tampo A1 do vaso de pressão V-2058 Foi estabelecida uma sistemática de inspeção, na qual, o tampo foi inspecionado tanto com a técnica ACFM quanto com a técnica por partículas magnéticas - MPI. Após estas duas inspeções algumas áreas desse tampo foram cortadas tanto para

9 confirmar a existência das trincas, de modo a verificar a sensibilidade de cada técnica para esta condição específica, quanto conferir a precisão das medidas de sua profundidade obtidas com a ACFM. A inspeção foi realizada no laboratório de ensaios não destrutivos da PETROBRAS em condições ideais para ambas as técnicas, sendo que o tempo despedido com a ACFM foi 3 vezes inferior ao com a MPI. Os resultados das inspeções, bem como sua avaliação quantitativa, são apresentados na tabela 1. Indicação ACFM (profundidade) MPI Profundidade real A 0,6 mm Trinca 0,59 mm B 1,2 mm Trinca 1,23 mm C 2,0 mm Trinca 1,38 mm D 1,2 mm Trinca 1,17 mm E 1,3 mm Trinca 1,12 mm F Não Trinca Não G Não Trinca Não H 1,7 mm Trinca 1,07 mm I 0,7 mm Trinca 0,65 mm J 0,6 mm Trinca 0,56 mm K 0,9 mm Trinca 0,46 mm L Não Trinca Não M 0,6 mm Trinca 1,36 mm N 1,0 mm Não Mordedura O 0,9 mm Trinca 0,83 mm P 1,4 mm Trinca 1,12 mm Q 0,4 mm Não Mordedura R 0,7 mm Não Mordedura S 1,1 mm Não Defeito T 1,4 mm Trinca 0,37 mm U 1,2 mm Não 0,34 mm V 0,8 mm Trinca 0,72 mm W 0,9 mm Trinca 0,81 mm X 1,4 mm Trinca 0,95 mm Y 0,4 mm Não Mordedura Z Não Trinca Não Tabela 1 Comparação dos resultados de ACFM com EPM e verificação com metalografia. 7.4 Medição da profundidade de trinca nos reatores 2401 A e B da refinaria RLAM Foi realizada com a técnica ACFM a medição da profundidade das trincas detectadas com líquidos penetrantes no overlay dos reatores 2401 A e B da RLAM. Esta inspeção teve como objetivo verificar se a profundidade das trincas já havia ultrapassado a região do overlay, construído de aço inoxidável 306 com espessura de 9 mm e, com isso, atingido a região do metal de base, construído de aço carbono, o que colocaria em risco a integridade do equipamento, que ficaria exposto a ataque corrosivo muito severo.

10 Foi confeccionado um padrão específico, com as mesmas características do material objeto da inspeção, para verificação e ajuste da sensibilidade do equipamento. Após o uso da ACFM foi verificada em uma determinada região trinca com profundidade igual a 15 mm, evidenciando a necessidade de reparo imediato do equipamento de modo a evitar sua falha catastrófica. Esta medida de profundidade pelo ACFM foi confirmada após a remoção da trinca por esmerilhamento, onde se constatou a eficiência dessa técnica quando aplicada em aço inoxidável austenítico, um material não magnético. Em outras regiões todas as profundidades de trincas medidas estavam com valores menores que 3 mm, o que foi confirmado pelo método ultra sônico e mecanicamente após sua remoção. 7.5 Inspeção do Subkelly-Spinner na E&P-BA Durante inspeção de rotina por MPI foi detectada uma trinca de fadiga. A localização e dimensionamento do comprimento da trinca foram confirmados em inspeção posterior com emprego da ACFM, onde foi obtida a medida da profundidade da mesma, o que permitiu a sua remoção e reparo com mais eficácia e segurança. 7.6 Inspeção da calota superior do Methanator 106-D da FAFEN-SE Durante a parada de manutenção programada da unidade de amônia da fábrica de fertilizantes de Sergipe (FAFEN-SE), foi realizada inspeção com a técnica ACFM nas soldas da calota superior do Methanator 106-D. Nesta inspeção existia a necessidade da utilização de aparato de respiração autônoma para o operador de sonda permanecer no interior do equipamento e a restrição de tempo máximo de trinta minutos para permanência neste, nestas condições podemos garantir que o tempo de inspeção foi no mínimo vinte vezes inferior ao tempo que seria gasto na realização da inspeção por partículas magnéticas. Foram detectadas algumas trincas, sendo todas com profundidades inferiores a 2 mm, permitindo com isso uma avaliação das condições estruturais do equipamento e a continuidade operacional do mesmo. 7.7 Inspeção da Torre 3251 da REPLAN Durante a parada de manutenção programada das unidades da Refinaria de Paulínia (REPLAN), foi realizada inspeção com a técnica ACFM na solda interna C3 da torre Nesta solda foi detectada uma trinca em todo o seu comprimento de 7600 mm, ou seja, em toda a circunferência da torre, no ensaio por partículas magnéticas. Na inspeção com ACFM, verificou que não se tratava de uma única trinca, mas uma grande quantidade de pequenas trincas ao longo do comprimento, e a maior apresentava comprimento de 56,1 mm e profundidade de 2,1 mm. Devido a esta melhor discriminação das indicações com ACFM, verificou-se que com a remoção do reforço da solda, todas as trincas seriam removidas, o que foi confirmado após a devida remoção deste.

11 8. Conclusões A luz dos dados apresentados neste trabalho pode-se depreender que a técnica ACFM ainda não teve a sua potencialidade de uso totalmente delimitada. Ela tem sido empregada com sucesso na PETROBRAS para a inspeção ou avaliação de trincas nos mais variados itens relacionados à industria do petróleo, tais como eixos de navios, turrets de FPSOs, tubulares de produção e perfuração, esferas de gás, vasos de pressão, clads, etc... A PETROBRAS obteve uma economia estimada em 3 milhões de dólares com a utilização da técnica ACFM em substituição a outros métodos, principalmente a MPI, sendo que 70% deste valor foi proveniente de inspeções submarinas em plataformas marítimas de perfuração e produção de petróleo. Visto o que foi apresentado a Petrobras pretende continuar seu programa de avaliação de novos usos da técnica ACFM, desenvolvendo procedimentos específicos para cada nova aplicação e adaptando os programas de treinamento e qualificação de seus inspetores. 9. Referências bibliográficas (1) Smith, M. Underwater ACFM Inspection Procedure, Technical Software Consultants Ltd, setembro, (2) Martins, M.V.M., Carneval, R.O., Medição de profundidade de trinca com a técnica ACFM nos reatores 2401 A e B da RLAM, PETROBRAS, julho, (3) Martins, M.V.M., Souza, C.G.D., Carneval, R.O., Inspeção por ACFM nos tubos Drill Pipe Risers, PETROBRAS, setembro, (4) Martins, M.V.M. et all. Avaliação a Integridade de Vasos de Pressão com END Não Convencional, PETROBRAS, dezembro, (5) Marques, F.C.R., Martins, M.V.M. e Top, D.A. Experiences in the use ACFM for offshore platform inspection in Brazil, INSIGHT, june, 2001.