MÉTODO RÁPIDO PARA DETECÇÃO DE PROCESSO CORROSIVO POR ULTRA-SOM (MEDIUM RANGE ULTRASONICS) Ricardo de Oliveira Carneval PETROBRAS S.A. Juliana Garcia Ramos ABENDE. José Renato Francisco Henriques SBCQ. Fábio Gallo PETROBRAS S.A. Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, 2002. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).
SINÓPSE As perdas econômicas causadas por processo corrosivo de deterioração de equipamentos são enormes. Os especialistas da área de corrosão citam que essas perdas são da ordem de 3% do PIB. Por isso nunca é demais se pensar em técnicas ou processos que possam prever a sua ocorrência em um tempo que permita a tomada de decisão antes que as falhas sejam catastróficas e os prejuízos de grande monta. Por suas características, o ensaio ultra-sônico é uma das principais técnicas nãodestrutivas utilizadas para a detecção de processo corrosivo, no entanto, como outros ensaios ele tem uma característica marcadamente pontual ou localizada, ou seja, sua área de atuação (inspeção) é limitada e restrita as cercanias do cabeçote (distâncias não maior que alguns centímetros afastadas do cabeçote). Esse aspecto torna o teste por ultra-som extremamente demorado quando se quer mapear uma área corroída, tornando quase que proibitiva sua utilização. Esse trabalho apresenta os testes realizados no intuito de verificar a eficácia de um procedimento que emprega equipamentos (aparelho de ultra-som e cabeçotes) comumente utilizados na inspeção convencional manual para detecção e localização de descontinuidades do tipo corrosão em chapas de equipamentos (vasos e tubulações de grande diâmetro). O procedimento elaborado emprega a técnica ultrasônica na detecção de descontinuidades à médias distâncias do cabeçote (até 1.000 mm).
1. Introdução As perdas econômicas causadas por processo corrosivo de deterioração de equipamentos são enormes. Os especialistas da área de corrosão citam que essas perdas são da ordem de 3% do PIB. Por isso nunca é demais se pensar em técnicas ou processos que possam prever a sua ocorrência em um tempo que permita a tomada de decisão antes que as falhas sejam catastróficas e os prejuízos de grande monta. Também devido ao fato citado no primeiro parágrafo, nos últimos anos, tem havido um aumento significativo da aplicação dos ensaios não-destrutivos em equipamentos industriais baseado nos seguintes fatos: - Podem ser utilizados como ferramenta econômica na manutenção preditiva; - Podem fornecer informações importantes para o estabelecimento da integridade estrutural dos equipamentos; - Permitem aplicar técnicas de extensão de vida baseada na troca planejada de componentes deteriorados, por ela indicados. Essa tendência implica na necessidade de algumas modificações na sistemática de inspeção normalmente adotada quando se emprega os ensaios não-destrutivos convencionais, quais sejam: - inspeção total dos equipamentos ao invés da realização dos ensaios por amostragem; - inspeção executada com o equipamento em serviço (operação). Essa atitude implica no uso dos ensaios não-destrtutivos em superfícies quentes e/ou a execução dos ensaios sobre isolamento; - tais fatos tornam a inspeção quase que proibitiva para os ensaios não-destrutivos convencionais, pois eles, normalmente, não permitem uma rápida definição das regiões críticas dos equipamentos. Por suas características, o ensaio ultra-sônico é uma das principais técnicas nãodestrutivas utilizadas para a detecção de processo corrosivo, no entanto, como outros ensaios ele tem uma característica marcadamente pontual ou localizada, ou seja, sua área de atuação (inspeção) é limitada e restrita as cercanias do cabeçote (distâncias não maior que alguns centímetros afastadas do cabeçote). Esse aspecto torna o teste por ultra-som extremamente demorado quando se quer mapear uma área corroída, tornando quase que proibitiva sua utilização. Recentemente têm surgidos algumas técnicas ultrassônicas alternativas que procuram contornar esses inconvenientes, são elas: 1.1. Ensaio Ultra-sônico à Longa Distância Enquadram-se grupo uma série de técnicas ultra-sônicas que diferentemente da inspeção convencional na qual o volume de solda restringe-se ao alguns centímetros afastados do cabeçote permite a inspeção de regiões em alguns casos até vários metros afastados do cabeçote. São elas: 1.1.1. Lorus - Long Range Ultrasonic System
A técnica Lorus (Long Range Ultrasonic System) foi desenvolvida pela RTD para a detecção de corrosão em locais de difícil acesso, como por exemplo: - regiões em tubulações ou vasos sob suporte (selas); - tubulações isoladas térmicamente; - chapas da região anular de tanques; - risers nas regiões dos suportes ( clamps ) - sob chapas de reforço em bocais juntas de geometria complexa Trata-se de uma técnica pulso-eco otimizada em termos de cabeçote, sistema eletrônico e software, para permitir a inspeção à distância considerável, tipicamente 1m, figura 1. O cabeçote empregado pela técnica produz ondas ultra-sônicas internas (bulk) otimizadas para propiciar uma pequena atenuação. O sistema de armazenamento de dados foi desenvolvido especialmente para emprego com essa técnica. Uma das principais aplicações da técnica LORUS e a detecção de corrosão em chapas anulares de fundo de tanque. Esta região é considerada crítica devido estar sustentando todo costado do tanque, logo está sujeita a alta tensão e possíveis falhas podem acarretar em derrame de produto, colocando em risco pessoas e o meio ambiente. As técnicas não-destrutivas convencionais, magnética e ultra-sônica, requerem acesso interno para serem realizadas (somente durante as paradas de manutenção) e necessitam de limpeza da chapa para sua realização (implicando em altos custos). Dessa forma á vantajosa a aplicação da técnica LORUS que ser aplicado com o tanque sem operação pois não necessita de se entrar no tanque (fotos 1 e 2). Foto 1 Inspeção LORUS em chapa anular de tanque. (cedida pela RTD- Quality Services - Röntgen Technische Dienst bv)
Figura 1 Mostra detecção de corrosão em chapa anular com a técnica LORUS. (cedida pela RTD- Quality Services - Röntgen Technische Dienst bv) Foto 2 Destalhe do manipulador do sistema de inspeção LORUS em chapa anular tanque. (cedida pela RTD- Quality Services - Röntgen Technische Dienst bv) As máximas amplitudes de reflexões em todas as direções são armazenadas e formam as imagens na tela. Os níveis de amplitude são mostrados através de cores, possibilitando a interpretação das áreas com corrosão. A técnica LORUS tem alta reprodutibilidade para monitoração periódica do crescimento da corrosão; pode ser executada para tanque de qualquer diâmetro; para chapas anulares com espessuras de 6mm a 25mm; detecção de corrosão severa por pitting; detecção de corrosão gradual localizada; mapeamento de corrosão e estimativa de áreas de corrosão. A técnica LORUS tem restrições tais como: condições da chapa anular pode diminuir a área de inspeção; a superfície de varredura deve esta livre de impurezas, soldas, corrosão, revestimento; não descrimina o lado onde esta havendo corrosão. A técnica LORUS não permite o dimensionamento preciso dos alvéolos de corrosão pela amplitude do sinal, mas a reflexividade da área corroída é usada para estimar a
gravidade da corrosão. Na técnica LORUS só é possível discriminar o lado da corrosão só é possível na vizinhança do cabeçote. 1.1.2. CHIME - Creeping Headwave Inspection Method Diferentemente da técnica LORUS a técnica CHIME (desenvolvida pela firma inglesa AEA Technologies) é um método ultra-sônico de transmissão-recepção também empregado para detecção de corrosão em locais de difícil acesso, suas principais aplicações são: - inspeção de regiões de tubulações ou vasos sob suporte (selas, figura 2); - inspeção de tubulações isoladas térmicamente; - inspeção das chapas da região anular de tanques, nesse caso requerendo a entrada no tanque; - inspeção de risers nas regiões dos suportes ( clamps ); - inspeção das regiões do casco de vasos e tanques sob chapas de reforço em bocais; - inspeção de juntas de geometria complexa A técnica CHIME necessita de acesso aos lados opostos da região inspecionada para posicionar os cabeçotes transmissor e receptor. Os resultados da inspeção são apresentados sob a forma B-Scan, o que requer alguma habilidade para interpreta-los Figura 2 Técnica CHIME na inspeção da região sob suporte. (cedida pela AEA Technologies)
Figura 3 Região da chapa inspecionada compreendida entre os dois cabeçotes da técnica CHIME. (cedida pela AEA Technologies) Figura 4 Sinais característicos obtidos na técnica CHIME. (cedida pela AEA Technologies)
Figura 5 Apresentação de sinais segundo representação B-Scan típica da técnica CHIME. (cedida pela AEA Technologies)
1.2. Ultra-som a Distâncias Muito Longas (Ultra Long Range Ultrasonic Guide Waves Ultrasonic) As técnicas de ultra-som à distância LORUS E CHIME estão limitadas a distâncias de 1 metro e trabalham com ondas internas ( bulk ) ao material, com determinados ângulos de refração. A técnica de ultra-som Ultra Long Range Ultrasonics trabalha com ondas superficiais ( guided waves / Lamb waves ) e detecta anomalias até distâncias de 50 metros da sonda. O principal uso da Ultra Long Range Ultrasonics é na inspeção de tubulações isoladas térmicamente. Necessita a remoção de aproximadamente 1 metro do isolamento para acoplamento (foto 3) do cabeçote e de técnica complementar para avaliação quantitativa do dano. É uma técnica que encontra-se em fase de validação e estão sendo realizados estudos para adaptação do seu uso em superfícies planas (vasos, tanques de armazenamento e cascos de navios).
Foto 3 Emprego da técnica Ultra Long Range Ultrasonic em tubulação isolada termicamente. A técnica GUIDE WAVES assim como as técnicas LORUS e CHIME são novas que encontram-se em estágio de validação. Pesquisas tem sido feitas no sentido de levantar os valores de POD (probability of detection - probabilidade de detecção) e de FCR (false call rate -quantidade de indicações falsas). Essas técnicas não se aplicam ao dimensionamento exato e sim a definição de regiões críticas ( screening ). Uma solução simples e barata para agilizar a detecção de processo corrosivo em tubulações de grande diâmetro e vasos antes que as técnicas acima citadas atinjam um grau de confiabilidade tal que incentive a sua utilização é o método que se descreve a seguir e que está perfeitamente definido no procedimento anexo a essa comunicação técnica. Deve-se atentar entretanto que a distância de atuação desse método é menor que a prevista para as técnicas acima citadas. Esse trabalho apresenta os testes realizados no intuito de verificar a eficácia de um procedimento que emprega equipamentos (aparelho de ultra-som e cabeçotes) comumente utilizados na inspeção convencional manual para detecção e localização de descontinuidades do tipo corrosão em chapas de equipamentos (vasos e tubulações de grande diâmetro). O procedimento elaborado emprega a técnica ultrasônica na detecção de descontinuidades à médias distâncias do cabeçote (até 1.000 mm).
Cita-se que outras iniciativas desse tipo já foram feitas anteriormente como é o caso do dispositivo para detecção de processo corrosivo na região sob suportes de tubulação desenvolvido pela Shell Global Solutions. Foto 4 Dispositivo para Detecção de Processo corrosivo Sob Suporte de Tubulações. (cedida pela Shell Global Solutions) Para a realização deste trabalho foram fabricados corpos-de-prova com descontinuidades que simulassem os alvéolos de corrrosão e utilizou-se também de um trecho de duto (retirado de oloduto) com descontinuidades reais do tipo trincas de corrosão sob tensão. O procedimento elaborado, permite a otimização da inspeção em termos de um tempo menor dispendido e uma área de cobertura maior.
2. Corpos-de-prova Inspecionados Para a realização do ensaio foram inspecionadas as seguintes regiões: a) 4 trechos de 2 metros de oleoduto A retirado de operação, com espessura aproximada de 8 milímetros e diâmetro de 12 ; b) 1 trecho de tubo com 10 de diâmetro, comprimento de 1880 mm e espessura de 9.6 mm; c) 1 meia-cana de curva de tubulação de refinaria C e espessura de 10 mm. d) 1 meia cana de tubo com 18 de diâmetro e espessura de 10 mm; 3. Sistema de Inspeção Utilizado Para a inspeção dos corpos-de-prova citados, foi utilizado um sistema de inspeção ultrassônica (USAquis, desenvolvido pelos autores) com os respectivos componentes: - aparelho de ultra som digital, marca Panametrics, modelo EPOCH III; - cabeçote angular, marca Krautkraemer, tipo MWB 45-N2, dimensões 8 x 9 mm, número de série 5353-1 e freqüência 2 MHz; - programa de computador USAquis- desenvolvido pela PETROBRAS/CENPES/TMEC, para o armazenamento, tratamento, análise dos dados de inspeção e apresentação dos resultados. O programa USAquis foi instalado em um notebook marca Panasonic, IBM PC compátível com processador Intel Pentium II, freqüência de operação 266 MHz (foto 5) Foto 5 - Foto de um corpo-de-prova e dosistema de inspeção utilizado.
4. Procedimento de Calibração 4.1 Calibração da escala horizontal Para a calibração da escala horizontal com o cabeçote MWB 45 N2 adotou-se escala de 500 mm posicionando o cabeçote em distâncias, projetadas na superfície, conhecidas da borda empregando-as com referência para a calibração, nesse caso as distâncias são 480, 300, 200 e 100mm. Distãncia Distãncia Distância de referência 1 Distância de referência 4 Figura 5 Calibração da escala horizontal 4.2 Calibração da escala de amplitude Para a calibração da escala de amplitude, empregou-se o eco oriundo da borda do corpo-de-prova inspecionado. Para a máxima distância do cabeçote usada durante a inspeção, o ganho do aparelho foi ajustado para obter um sinal com amplitude variando de 40% a 60 % da altura total da tela, sem que a envoltória dos ruídos da linha de base alcançasse uma amplitude de30% da altura da tela. 4.2.1 Traçado da Curva de Referência Para o traçado da curva de referência foram utilizadas três posicões para a disposição do cabeçote (A, B e C, figura 5). O ganho foi ajustado de modo que o sinal da posição de maior distância da borda ficasse entre 60% e 40% da tela. Com o ganho inalterado, o cabeçote foi posicionado nas demais posições, obtendo os sinais que, interligados formaram a curva de referência.
No caso desse trabalho como os próprios corpos-de-prova forma utilizados para calibração e inspeção não foi necessário a correção da perda por transferência. 4.3 Sistemática do registro de resultados Adotou-se como referência (amplitude) para registro e reprovação todos os sinais cuja amplitude fosse igual ou superior a curva de referência. Para verificar a eficiência do procedimento proposto procurou-se registrar os sinais das descontinuidades à maior distância possível do cabeçote (sinal acima da curva de referência). Posição A Posição B Posição C 5. Apresentação dos Resultados Figura 6 Posições do cabeçote. A tabela I a seguir apresenta a de forma resumida os resultados da avaliação do procedimento proposto em corpos-de-prova. Corpode-prova A 12 x 8 mm B 10 x 9,6 mm B 10 x 9,6 mm C 16 x 10 mm D 18 x Tipo de Descontinuidade Agrupamento de trincas transversais Furo único (não passante) usinado,4mm de diâmetro Agrupamento de furos (não passantes) usinados (100 mm) Agrupamento de Alvéolos de Corrosão Agrupamento de furos (não Posição Longitudinal (mm) Posição Circunferencial (mm) Distância de Detecção Amplitude do Sinal (db) Figura e Foto de Referência 1600 0 300 +6 Foto 6 Figura 7 400 0 100 +4 Figura 8 880 180 550 +5 Foto 9 Figura 9 100 100 100 +6 Foto 10 Figura 10 250 240 115 +6 Foto 11 Figura 11
10 mm passantes) usinados (30 mm) D 18 x 10 mm Agrupamento de furos (não passantes) usinados (25 mm) 220 370 115-6 Foto 11 Figura 12 Foto 6 Agrupamento de trincas transversais no trecho 2 do oleoduto A Figura 7 Sinal do agrupamento de trincas transversais no trecho 2 do oleoduto A
O procedimento de que trata esse trabalho recomenda varreduras com o cabeçote (feixe sônico) orientado na direção longitudinal do tubo ou vaso. Essa recomendação se baseia no fato de que a inspeção com orientação do cabeçote na direção circunferencial (foto 8) apresenta uma maior quantidade de sinais espúrios que correspondem a indicações falsas e não a descontinuidades. Foto 8 - Trecho do Oleoduto A com varredura transversal (cabeçote orientado na direção circunferencial do duto). Figura 8 Sinal da indicação do furo único a distância de 100 mm.
Fotos 9 Agrupamento de Furos. Figura 9 Sinal da indicação do agrupamento de furos a distância de 550 mm.
Foto 10 Curva da Refinaria C. Figura 10 Indicação da corrosão na distância 100 mm
Foto 11 - Meia cana de 18 de diâmetro e 10 mm de espessura. Figura 11 Indicação do agrupamento de furos (dimensão 30mm)do corpo-de-prova D à distância de 115 mm.
Figura 12 - Indicação da agrupamento de furos (dimensão 25mm) do corpo-de-prova D a distância de 115 mm 5. Conclusões Após extenso trabalho laboratorial realizado ficou comprovada a eficácia do procedimento desenvolvido. Esse procedimento uttiliza equipamentos (aparelho e cabeçotes) comumente empregados na inspeção convencional manual poe ultra-som. Esse procedimento se presta a detecção e localização de descontinuidades do tipo corrosão em chapas de equipamentos (vasos e tubulações de grande diâmetro). A vantagem do uso desse procedimento é a grande diminuição de tempo de inspeção visto não ser necessário a passagem (varredura) do cabeçote em toda a superfície à inspecionar e sim ao longo de trajetos circunferenciais que podem estar afastados de distâncias que podem chegar até 1.000 mm (definidas pelo procedimento), figura 13
Figura 13 Passo de inspeção no procedimento proposto.