FERRAMENTA PARA INSPEÇÃO GEOMÉTRICA DE DUTOS DE 3 J. A. Pereira da Silva 1, Adriano F. Pinho 2 3,Miguel Copyright 2001, Brazilian Petroleum and Gas Institute - IBP This paper was prepared for presentation at the 3 rd Seminar on Pipeline, held in Rio de Janeiro, Brazil, 21-23 November, 2001 This paper was selected for presentation by the Event Technical C ommittee following review of information contained in an abstract submitted by the author(s). Contents of the paper, as presented, have not been reviewed by the IBP. Organizers will neither translate nor correct texts received. The material, as presented, does not necessarily reflect any position of the Brazilian Petroleum Institute, its officers, or members. Abstract The pipeline geometry inspection allow the detection of dents and ovalities that damage all the structural integrity, favoring the corrosion and forbidding the utilization of magnetic inspection tools. This activity has already been performed on the construction and operation of 6 to 40 diameters pipelines very frequently. In relation to the world -wide market, doesn t exist a geometric pig capable to inspect pipelines with diameter smaller than 4. Due to the high demand, Pipeway developed a geometric pig to inspect 3 diameter pipelines. Actually, notice the digital technology evolution, like microprocessors, sophisticated softwares, graphic visualization and analysis. This high technology in data processors describes the 3 geometric pig activities and the inspection results. This geometric pig is composed by many modules where the geometry sensors, microcontroler, memories (where the run datas are stored), the batteries and the odometer are distributed. This tool benefits itself because of the high level of eletronic and mechanical integration. Resumo A inspeção geométrica de dutos permite detectar mossas e ovalizações que afetam toda a integridade estrutural, favorecendo a corrosão e impedindo a utilização de ferramentas de inspeção magnética. Esta atividade já está sendo realizada com freqüência na construção e operação de dutos com diâmetro de 6 a 40. Em relação ao mercado mundial, não há pig geométrico capaz de inspecionar dutos de diâmetros menores que 4. Devido a grande demanda, a Pipeway está desenvolvendo o pig geométrico para inspecionar dutos com diâmetro de 3. Observa-se atualmente a evolução da tecnologia digital, como microprocessadores, softwares sofisticados de visualização gráfica e de análise. Esta alta tecnologia em processamento de dados descreve as atividades do pig geométrico de 3 e os resultados obti dos na inspeção. O pig geométrico é composto por diversos módulos, nos quais são distribuídos os sensores de geometria, o microcontrolador, a memória de massa (onde são armazenados os dados da corrida), a bateria e o odômetro. Esta ferramenta se beneficia pela aplicabilidade do sofisticado software de visualização e análise utilizado com os pigs de diâmetros maiores. 1 Mestre, Diretor PipeWay Engenharia Ltda. 2 Projetista Mecânico PipeWay Engenharia Ltda. 3 Analista de sistema Centro de Estudos em Telecomunicações PUC-Rio
Introdução A ferramenta para inspeção geométrica de dutos (PIG geométrico) é um equipamento que verifica medidas internas em dutos de óle o e gás, tais como amassamentos e ovalizações. Para efeitos práticos ele é como um computador, só que menor, mais resistente e muito mais confiável. À medida que o PIG se desloca (impulsionado por gás, ar, água ou óleo que são injetados no duto) ele faz as medidas de diâmetro da seção e armazena estes resultados em sua memória flash. Ao término da passagem os dados adquiridos são levados para análise, descobrindo -se quais são os pontos da linha em que existem problemas. É possível então fazer a manutenção d a linha antes que ocorra uma falha real como, por exemplo, um vazamento. O objetivo da presente pesquisa foi o desenvolvimento de um PIG geométrico (capaz de medir amassamentos e outras avarias) para linhas de 3 polegadas de diâmetro. As maiores dificuldad es para o desenvolvimento deste equipamento são o tamanho reduzido que impede a utilização de sistemas comerciais de aquisição de dados, limitando também a capacidade das baterias e os projetos mecânicos dos conjuntos de sensores de geometria e dos odômetros. Corpo do Trabalho 1. Pig Geométrico de 3 O PIG geométrico de 3 polegadas é o primeiro no mundo a ser desenvolvido com esta dimensão. Este projeto de grande dificuldade tecnológica só foi possível devido a integração dos componentes em uma eletrônica 100% nacional. Este conceito difere radicalmente dos projetos convencionais de outros PIGs instrumentados que utilizavam computadores industriais, semelhantes a um computador comum mas de muito maior confiabilidade e robustez. Novas soluções para este problema foram elaboradas, desenvolvendo uma eletrônica própria através de um microcontrolador de 8 bits e um sistema de armazenamento de dados em estado sólido (memória Flash) de alta densidade. Mesmo com suas dimensões reduzidas a nova eletrônica tem capacidade de armazenamento de 64 até 288 Mbytes, capaz de guardar 130km de medidas. O consumo de apenas 20mW, muito menor que projetos anteriores, permite uma autonomia de mais de 48 horas. Além disto o PIG possui um sistema de gerenciamento de energia que se desliga caso esteja sem movimento (problemas com o bombeamento de ar comprimido são comuns durante a passagem), preservando a vida útil das baterias. 2. Características do Pig geométrico de 3 O PIG geométrico de 3 polegadas é composto de quatro módulos separados e articulados. Este sistema é necessário para que o PIG possa fazer curvas acompanhado o traçado do duto. Os módulos principais são: - Módulo de baterias: são utilizadas baterias de lítio por sua boa relação capacidade x volume. Inclui ainda o circuito de regulação de tensão para a eletrônica e proteção de curto -circuito.
- Sensores: 4 sensores geométricos permitem detectar amassamentos e irregularidades ao longo de todo o perímetro interno do duto. Os sensores são protegidos por capas de metal para resistir às pancadas que receberão durante a passagem. - Odômetro: é uma "roda" de metal que fica em contato com a parede do duto mantendo a pressão por um sistema de mola. Esta roda faz a contagem da distância percorrida pelo PIG, permitindo saber depois onde foram encontrados os problemas. - Módulo da eletrônica: constituído por um microcontrolador de 8 bits com conversor analógico/digital integrado. O microcontrolador gerencia todo o funcionamento do PIG, recebendo os dados dos sensores geométricos e odômetros. Os dados são armazenados em uma memória Flash, que é uma tecnologia de memória não volátil, ou seja, não perde o seu conteúdo quando desligada. A memória Flash realiza a mesma função de um disco rígido de computador, com a vantagem de não possuir partes móveis sendo assim imune a vibrações e choques. Durante uma operação de passagem o PIG é colocado numa extremidade da linha de transmissão de gás que em seguida é pressurizada. Através do ar comprimido que é colocado na linha o PIG vai sendo deslocado até o final dela, onde os dados são recolhidos e enviados para análise. Todo o sistema é construído de modo a resistir às condições mais severas de operação. Suas unidades mais sensíveis (como a eletrônica) são colocadas dentro de vaso s de aço inoxidável, projetados para resistir a elevadas pressões. Todos os contatos elétricos são protegidos por conectores especiais para impedir a entrada de água e resíduos químicos. Figura 1 Foto do protótipo do PIG geométrico de 3 polegadas (acima). Detalhe dos sensores (inferior esquerda) e de um odômetro (inferior direita).
3. Funcionamento dos Sensores de Geometria Estes sensores têm a função de verificar a geometria interna dos dutos, ou seja, são eles que possibilitam registrar a informação, na qual poderemos identificar e classificar a anomalia existente. Os sensores de geometrias são compostos por uma parte eletrônica e outra mecânica. A parte eletrônica é formada por um sensor de efeito hall, que ao ser submetido a um campo magnético gerado por dois imãs gera um sinal elétrico, ou seja, quando o campo magnético variar em relaç ão ao sensor, este irá variar também o sinal elétrico. Sensor de efeito hall Imãs Figura 2 Princípio de funcionamento do sensor de geometria A parte mecânica é elaborada a fim de possibilitar que cada sensor eletrônico possa abranger uma parte da seção transversal do duto, assim cada sensor tem o seu sinal independente possibilitando uma identificação e classificação muito mais precisa da anomalia. Neste projeto, a maior dificuldade encontrada foi no que diz respeito às dimensões da parte mecânica do sensor, pois estamos dimensionando sensores para um duto de 3 polegadas. Para início do projeto ficou esclarecido através de estudos que para se obter uma boa precisão no dimensionamento das anomalias seria necessário a presença de 4 (quatro) sensores de geometr ia independentes, ou seja, a seção transversal do duto seria dividida em quatro partes iguais (Veja Figura 3). Figura 3 Área de abrangência de cada sensor na seção transversal do duto.
O diâmetro interno do duto pode variar caso exista alguma anomalia, ou reduções de diâmetro, ou seja, o sensor de geometria tem que atuar em uma faixa de diâmetros e garantir que o mesmo sempre abrangesse a seção transversal total do duto, assim garantindo a total inspeção do duto. Para uma melhor visualização pode-se verificar na figura 4 a dificuldade do projeto. Nesta figura podemos verificar que o sensor em um determinado diâmetro abrangia a quarta parte da seção, porém quando havia uma redução de diâmetro o sensor já não abrangia de forma igual e total a quarta parte da seção do duto, assim não podendo dimensionar de uma forma precisa a anomalia, pois caso esta estivesse na posição central (1) teria uma dimensão X, caso a anomalia estivesse na posição lateral do sensor (2) teria uma dimensão Y. 1 2 Figura 4 Simulação com a parte mecânica do sensor de geometria. Após esta primeira análise, foram gerados diversos protótipos de possíveis sensores em softwares de CAD - 3D gerando superfícies complexas, para que fosse possível garan tir a inspeção total do duto em uma determinada faixa de diâmetros. O protótipo escolhido (figura 5), garante a inspeção em determinada faixa de diâmetro devido sua superfície complexa, podemos verificar que mesmo diminuindo o diâmetro interno do du to, o
sensor sempre estará abrangendo a quarta parte do duto, ou seja, o sensor sempre estará em contato com a superfície do duto, assim possibilitando um dimensionamento correto da anomalia em qualquer parte da superfície do sensor. Figura 5 Protótipo do sensor de geometria Figura 6 Simulação de reduções de diâmetros com o sensor de geometria Figura 7 Ilustração dos quatro sensores de geometria
Observando a figura 8 pode-se verificar que a disposição dos sensores de geometria no seu respectivo módulo é disposta de dois sensores a frente e depois um pouco mais deslocados há mais dois sensores. Esta disposição evita que os sensores se colidam, pois caso contrário, ou seja se todos estivessem no mesmo plano quando houvesse uma redução de diâmetro os sensores ao se movimentarem iriam se colidir, esta disposição mostrada elimina este problema. Vale ressaltar que esta defasagem será considerada no software de análise para que se possa ter a real identificação e classificação da anomalia. Figura 8 Disposição dos sensores no seu respectivo módulo 4. Análise dos Dados Os dados da passagem do PIG geométrico são analisados em um computador ou estação gráfica utilizando softwares desenvolvidos pela Pipeway. No computador, estas ferramentas podem visualizar os amassamentos do duto em diversos modos, mostrados abaixo em uma situação real. Figura 9 Demonstração do software de análise
Neste caso, o amassamento foi encontrado à 9431,7 metros do início da linha. Ele pode ser observado como um corte transversal da seção do duto (janela à esquerda), através dos sinais dos sensores geométricos (direita inferior) ou como uma projeção tri-dimensional (direita superior). Após a análise o cliente recebe um relatório com informações de todos os problemas encontrados na linha e suas localizações. Assim será possível realizar os reparos necessários antes que a linha apresente vazamentos. 5. Conclusão A aplicação do PIG geométrico é um método muito eficiente para companhias como a Petrobrás preverem acidentes antes que eles ocorram. As economias são enormes, evitando multas por danos ambientais que podem chegar a 50 milhões de reais (legislação atual), prejuízos com a interrupção de uma linha em produção e equipes de emergência. Estima -se que uma linha de 3 polegadas de gás parada pode gerar a empresa prejuízos de até 500 mil reais por dia. O projeto se aplica em outros países como o Canadá, onde se encontra uma grande malha de dutos com diâmetro de 3, estima -se que somente o Canadá possui 3000 km de dutos instalados e em funcionamento. Diversas cidades da America Latina também serão servidas pelo projeto, principalmente agora com a instalação do gasoduto Bolívia - Brasil.