Aplicações da Técnica de Emissão Acústica em Dutos e Tubulações

Pedro Feres Filho

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Introdução

Tubulações de gás, óleo e transporte de produtos químicos e petroquímicos são extensas e difícil acesso para inspeção. Um método eficaz de medição da redução de espessura é a utilização de “pigs instrumentados”, na sua grande maioria eletromagnéticos. Entretanto em diversos casos, somente o conhecimento da espessura remanescente não é suficiente para um controle da condição de integridade, em especial, nos casos onde existe a possibilidade da presença de fenômenos de deterioração, gerados na condição de serviço, como corrosão sob tensão e outros que originam trincas as quais não são detectáveis através da inspeção por “pigs”. Outra situação não detectável por esta inspeção é a presença de defeitos de fabricação que podem propagar ao longo dos anos, em função dos ciclos operacionais.

Fatores adicionais que impossibilitam a inspeção através de “pigs”, são tubulações de pequenos diâmetros e curvas acentuadas, assim como pequenos comprimentos que tornam a inspeção economicamente inviável. Normalmente esta inspeção é aplicada na ordem de centenas de quilômetros de tubulação.

Diversos experimentos foram realizados internacionalmente, em particular especialistas do Instituto de Construção de Tubulações de Moscou (VNIIST- “Dr. Victor Shemyakin –Above and Bellow Ground AE Pipeline Testing”) iniciaram trabalhos experimentais em 1982 com o objetivo de utilizar a técnica de emissão acústica para inspeção de tubulações na remota região da Sibéria, onde as técnicas disponíveis não foram eficazes para garantir integridade estrutural de antigas linhas sujeitas a condições bastante adversas.

Aplicação

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Figura 1

Requisitos importantes no procedimento de ensaio são as distâncias entre os sensores e a freqüência de ressonância destes elementos. Inicialmente foram utilizados sensores de freqüência de 60 kHz e filtros na faixa de 30 a 100 kHz o que permitia um espaçamento entre sensores de 80 m em tubulações contendo produtos no estado líquido e 60 m para gasosos. Recentemente, a utilização de sensores de 30 kHz tem permitido a utilização de distancias entre sensores na ordem de 100 m para líquidos e 80 m para gases.

Medidas experimentais de atenuação de ondas superficiais propagando em tubulações com diferentes diâmetros, espessura de paredes, vazias ou cheias de água, são referências importantes para auxiliar na análise da localização de defeitos. Curvas típicas de atenuação estão apresentadas na Figura 2. São resultados de dois modos de propagação de ondas superficiais (“Lamb Wave”) de velocidades 5,5 Km/seg. e 3,3 Km/seg., em uma tubulação sem produto.

Simulações de defeitos através de impactos ou emissão de sinais ultra-sônicos de curta duração em tubulações, podem ser identificados em distâncias de até 50m com utilização de sensores de 30 kHz, em tubulações vazias. Este resultado é melhor quando a tubulação encontra-se com produto liquido, quando parte dos sinais, viajam pelo produto, facilitando a detecção dos sinais. Por outro lado introduzem um outro problema que é o surgimento de diversos modos de propagação com distintas velocidades, problema este que poderá prejudicar a precisão da localização dos defeitos, caso não seja considerado.

Este assunto será melhor discutido quando a questão da localização for abordada

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Figura 2

Localização De Defeitos

A maior contribuição da técnica de emissão acústica na inspeção de tubulações é a localização de áreas portadoras de defeitos comprometedoras da integridade estrutural, particularmente em longos trechos, por vezes isolados e/ou enterrados, onde é praticamente inviável a inspeção global. O método de localização linear é um algoritmo de cálculo, baseado no tempo de chegada dos sinais em cada transdutor e na velocidade de propagação da onda no meio. A Figura 3, ilustra o princípio de localização de defeitos.

Figura 2

E-GLEA 2

Entretanto quando lidamos com grandes distâncias entre sensores (100m), podem ocorrer eventos simultâneos, ou “quase simultâneos”em diferentes localizações, que caso não sejam considerados podem prejudicar a exatidão na localização dos defeitos.

O período de tempo equivalente entre a distância dos sensores, sendo usada a velocidade de 1,2 ou 1,4 Km/s, é da ordem de 80ms. Se considerarmos que o tempo de monitoramento é da ordem de alguns minutos, um número significativo de eventos simultâneos ou “quase simultâneos” podem gerar falsas localizações, ou seja, antes que o um mesmo sinal viaje de forma a atingir os dois sensores adjacentes, informação fundamental para o cálculo da localização, um outro sinal próximo ao sensor mais afastado poderá ser sensibilizado por outra distinta fonte próximo a ele, e identificar a diferença de tempo de forma equivocada. O exemplo da Figura 4 ilustra este fato.

Para resolver este problema é necessário considerar a correlação entre os sinais detectados, ou seja, um sinal deverá atingir o sensor mais distante necessariamente com uma amplitude inferior àquela registrada no sensor mais próximo, devido ao fenômeno da atenuação. Mesmo raciocínio deve ser aplicado para os demais parâmetros da técnica, como energia e duração dos sinais. Um programa dedicado que combina localização, curva de atenuação e correlações entre os parâmetros do ensaio, como o programa CORAL, são ferramentas fundamentais para analise e localização de áreas ativas nos ensaios em tubulações.

Exemplo desta aplicação é apresentado a seguir em uma tubulação de petróleo, onde foi localizada uma trinca de 270 graus no perímetro da seção da tubulação.

Figura 4

E-GLEA 2 Exemplo de resultado de localização linear do programa Coral

Trinca localizada com 270 graus no perímetro da seção

E-GLEA 2 avaliação global de toda linha em um único teste; avaliação sem a retirada de serviço; e a avaliação do comprometimento estrutural que eventuais descontinuidades impõe à condição de integridade. Estas inovações contribuem de forma significativa no aprimoramento dos métodos de inspeção sob o aspecto da qualidade da informação e na diminuição dos custos de manutenção, considerando aqui a não necessidade da retirada de serviço.

O ensaio é global, e pode ser realizado nas condições de serviço através de um incremento entre 5% a 10% na pressão de operação, ou durante provas de carga, como por exemplo, testes hidrostáticos. O objetivo é o de avaliar a condição de integridade, localizando e classificando áreas ativas quanto ao grau de comprometimento que eventuais descontinuidades impõe à integridade estrutural. Áreas ativas classificadas como severas deverão ser examinadas localizadamente por técnicas de ensaios não destrutivos, como por exemplo ultra-som e partículas magnéticas, para caracterização da morfologia e dimensionamento dos defeitos presentes. A maior contribuição da técnica é a de analisar o comportamento dinâmico das descontinuidades, recurso este único dentro do elenco dos ensaios não destrutivos. A metodologia de ensaio empregada, é baseada nas recomendações do código ASME Sec. V, Artigo 12. A figura abaixo é exemplo de aplicação nas adutoras da CAESB, (DF), ensaios realizados em 94 para avaliação das tubulações de abastecimento de água da Esplanada dos Ministérios em Brasília .

Teste Hidrostáticos

Sensor Instalado No Trecho Enterrado

E-GLEA 2 equipamentos e tubulações em serviço, exceto daqueles em que seguramente é conhecida a ausência de descontinuidades. Somente estes são os genuínos candidatos à prova hidrostática.

Deste fato vem a metodologia internacionalmente aplicada, ou seja monitorar através do ensaio de emissão acústica com variações de 15% da pressão de operação. O objetivo é evitar danos como o abaixo apresentado durante os teste hidrostáticos. Particularmente esta região rompeu, sendo possível a identificação e reparo. O problema da realização de uma prova hidráulica sem monitoramento é o agravamento de danos já existente, que não romperam durante o teste, e podem representar um risco para operação futura da tubulação.

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