Por World oil – 24 de octubre de 2024
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Un principio de medición para el control del espesor de pared de toda la superficie. A principios de la década de 2000, ClampOn desarrolló su monitor de corrosión y erosión CEM, un instrumento no intrusivo para controlar el espesor de pared de las tuberías a lo largo de su vida útil de varias décadas. Los primeros ensayos se basaron en ultrasonidos de espesor completo, que en ese momento se consideraba el principio más destacado para la medición del espesor de la pared de la tubería.
El registro de los C-scans tradicionales con una resolución fina requiere muchas mediciones sobre la superficie de la pared, ya sea realizadas por personal de inspección o por grandes conjuntos de rejillas de transductores de monitoreo puntual. ClampOn pronto experimentó un equilibrio imposible entre una densidad suficiente de puntos de medición y, por lo tanto, la probabilidad de detección, por un lado, y una complejidad razonable del sistema de monitoreo por el otro. No se podía lograr un equilibrio aceptable entre la calidad de los datos, la confiabilidad y el costo al basar un sistema de monitoreo en mediciones puntuales. Sobre todo para aplicaciones submarinas, era necesario encontrar una tecnología alternativa de monitoreo del espesor de la pared que pudiera proporcionar una cobertura de área aceptable utilizando instrumentación que funcionara de manera confiable durante décadas.
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Las ondas Lamb guiadas acústicamente eran una tecnología emergente para la medición y detección de fallas en áreas continuas de estructuras de placas y paredes de tuberías. Se puede colocar una cantidad relativamente pequeña de transductores de ultrasonidos alrededor de un área monitoreada, transmitiendo ondas Lamb guiadas entre ellos. Esto se reconoció como una mejora potencialmente considerable con respecto a los métodos de medición puntual convencionales.
Las ondas guiadas Lamb también demostraron ser resistentes a la rugosidad superficial interna y externa de la pared de la tubería. Esto se había considerado problemático para la técnica de ultrasonidos de espesor completo, especialmente para sistemas instalados permanentemente y para sondas operadas de forma remota mediante vehículos de orugas o ROV. ClampOn inició una colaboración con proveedores y grupos de investigación académica que trabajan con ondas acústicas guiadas en todo el mundo. Se probaron varios enfoques en estudios de laboratorio para identificar una técnica de medición de ondas guiadas que tuviera la sensibilidad y la robustez necesarias para el monitoreo del espesor de la pared industrial.
Los esfuerzos pusieron a la empresa en contacto con un grupo científico altamente capacitado que comprende las aplicaciones industriales. El grupo propuso explotar la propiedad de dispersión del modo de onda Lamb guiada por flexión fundamental. En una frecuencia ultrasónica conocida como punto de velocidad de grupo constante (CGV) , el tiempo de vuelo de una onda de flexión fundamental es constante (independiente del espesor de la pared), mientras que su velocidad de fase depende del espesor de la pared.
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Se puede instalar un par de transductores de ultrasonidos de forma permanente en la superficie de la pared de una tubería y se puede transmitir una señal de onda guiada acústica ( Fig. 1 ) entre ellos, siguiendo el contorno de la pared. Se puede registrar una señal propagada inicial como una medición de referencia y asociarla con un espesor de pared medio conocido entre los dos transductores. Cuando se repite esta transmisión de señal de onda guiada, se puede medir un cambio de fase en la señal recibida con alta sensibilidad y codificar un cambio en la velocidad de fase media a lo largo de la trayectoria de propagación de la onda guiada. Un cambio medido de este tipo en la fase de la señal se puede convertir en un cambio en el espesor de pared medio a lo largo de un área elíptica de sensibilidad entre los transductores de ultrasonidos transmisores y receptores. Se ha demostrado que el área de sensibilidad es mucho más amplia que las huellas de los transductores de ultrasonidos.
Del principio de medición física a la instrumentación industrial. El método de puntos CGV se probó ampliamente en ensayos de laboratorio. Se variaron parámetros como la temperatura, el revestimiento y la carga de fluido de manera controlada mientras se detectaban pérdidas de espesor de pared debido a defectos de diversos tamaños y formas. También fue necesario realizar pruebas de campo para determinar cómo funcionaría el principio de medición en la amplia gama de condiciones operativas que se encuentran en tierra, mar adentro y bajo el mar.
Se desarrolló y certificó un prototipo industrial para su uso en lugares peligrosos, a fin de permitir una amplia prueba de campo en entornos de superficie. Se realizaron revisiones y recertificaciones varias veces, hasta que se pudo realizar la primera versión de producción del instrumento. El primer producto se basó en una plataforma electrónica existente utilizada para monitoreo de partículas, detección de PIG y detección de fugas.
Se añadieron circuitos de conmutación y amplificadores para hacer posible la transmisión y recepción de ondas guiadas ultrasónicas en ocho canales. Se instalaron hasta ocho transductores de ultrasonidos en la superficie de la pared de una tubería, delimitando un área de pared de tubería monitoreada. Las mediciones de ondas guiadas se realizaron a lo largo de, por lo general, 10 a 20 rutas de propagación de señales. Las señales acústicas sin procesar fueron registradas por el instrumento y transmitidas digitalmente a una computadora que administra la programación de mediciones, el análisis de señales y la integración del sistema de control.
La primera serie de instrumentos de campo se construyó con transductores piezocerámicos como los que se utilizan para la detección pasiva y la medición de espesores por ultrasonidos convencionales. Se eliminó el revestimiento de la superficie de la pared externa de la tubería donde se instalaron los transductores con soportes de sujeción. Se utilizó un adhesivo de alta resistencia como acoplador acústico permanente entre los transductores y la pared de la tubería.
Las pruebas a largo plazo generaron inquietudes sobre la posibilidad de que tanto los transductores piezocerámicos como el acoplador adhesivo pudieran cambiar con el tiempo. La operación de campo de remoción de pintura, limpieza, adhesión y resellado en la superficie externa de la tubería también se consideró complicada y propensa a errores en climas que van desde entornos tropicales y costeros cálidos hasta regiones polares en invierno. El monitoreo del espesor de pared mediante ondas guiadas se basa en una comparación de referencia y requiere mediciones de fase estables y repetibles durante la vida útil del activo, que puede durar décadas.
Esta preocupación llevó a la búsqueda de tecnologías alternativas de transductores de ultrasonidos que brindaran solidez durante la vida útil de las instalaciones típicas, en toda la gama de perfiles de misión encontrados en tierra, mar adentro y submarinos. Los transductores de parche piezoeléctricos, que funcionan de manera similar a los extensómetros, son adecuados para mediciones de ondas guiadas y se descubrió que exhiben efectos de envejecimiento menos severos que los transductores de ultrasonidos de modo de espesor convencionales con respecto a la medición de fase.
Sin embargo, dependen en gran medida de la estabilidad del acoplamiento de la fuerza de corte a la superficie de la pared, lo que resultó poco realista con los adhesivos poliméricos disponibles aplicados en condiciones de campo. Además, se planeó que una versión submarina del instrumento pudiera modernizarse bajo el agua. Los transductores de ultrasonidos que requieren acoplamiento de corte no son una solución práctica para tal requisito.
La búsqueda de tecnología de transductores condujo a una adopción exitosa de transductores acústicos electromagnéticos (EMAT). Los EMAT pueden funcionar como transmisores y receptores de ondas ultrasónicas en materiales conductores de electricidad, a través de los principios físicos de la fuerza de Lorentz y la magnetostricción. Su principio de funcionamiento no implica oscilaciones mecánicas en el propio transductor, por lo que no es necesario el acoplamiento acústico entre el transductor y la pared de la tubería.
Los transductores desarrollados para el CEM pueden, por lo tanto, instalarse sobre revestimientos con un espesor de hasta 1 mm en la superficie y 3 mm en el fondo marino. Se desarrolló un EMAT especialmente diseñado para mejorar la transmisión y recepción del modo fundamental de onda guiada por flexión con una estabilidad muy alta en la medición de fase a lo largo del tiempo.
Se requirió una nueva electrónica de instrumentos para operar los EMAT, lo que dio como resultado dos generaciones de plataformas electrónicas “CEMAT” hasta la fecha. Una versión submarina del instrumento se lanzó poco después de la introducción de la tecnología EMAT. El actual CEM submarino ClampOn ( Fig. 2 ) opera hasta 16 transductores y es un transmisor de espesor de pared autónomo con electrónica en una cámara atmosférica recuperable opcionalmente mediante ROV.
Se han desarrollado varias versiones de ingeniería para adaptarse a varios módulos y tuberías, para funcionamiento con cables o con baterías, y para varios modos de instalación. La versión superior ( Fig. 3 ) del instrumento admite hasta 32 transductores en ubicaciones peligrosas de la Zona 1, con una computadora o un controlador de automatización en un área segura como parte del sistema. El instrumento se instala de forma permanente para monitorear una tubería o una sección de codo con una longitud típica de 0,5 m a 1,0 m, según las dimensiones de la tubería.
Mapeo del espesor de pared mediante tomografía de ondas guiadas. Las pérdidas medias de espesor de pared entre pares de transductores acústicos se controlan de forma continua y se registran en el instrumento y, por lo general, en el sistema SCADA (control de supervisión y adquisición de datos) de la planta. Los pares de transductores se combinan de forma flexible para lograr una cobertura redundante del área de pared. Las áreas de sensibilidad parcialmente superpuestas, debido a un conjunto diverso de trayectorias de propagación de ondas guiadas (entre pares de transductores de transmisión y recepción), se pueden combinar para generar un mapa de espesores de pared en toda el área monitoreada.
El paquete de software de tomografía CorrPRINT™ se desarrolló en la década de 2010 para generar dichos mapas de espesor de pared a bordo del CEM submarino y en la computadora de área segura o el controlador de automatización que acompaña a los instrumentos de superficie. Esto puede complementar o reemplazar la salida del instrumento con datos clave, como los espesores y las posiciones de los mínimos de espesor de pared.
El CEM de ClampOn y el software de tomografía CorrPRINT™ se combinan en un sistema altamente escalable. Se pueden configurar sistemas con solo unos pocos transductores para monitorear principalmente los espesores de pared promedio a lo largo de las rutas de propagación de ondas guiadas. Las tendencias de espesor de pared registradas para cada par de transductores se pueden posprocesar de manera interactiva para producir mapas de espesor de pared basados en los datos disponibles.
En el otro extremo de la escala, se pueden configurar sistemas de tamaño completo con 16 o 32 transductores, que proporcionan datos de monitoreo de cientos de rutas de propagación de ondas. Las ondas guiadas acústicas siguen el camino más corto entre cada par transmisor-receptor, pero también se propagan a lo largo de rutas con forma helicoidal alrededor de la circunferencia de la tubería. De esta manera, un solo par de transductores puede producir datos de monitoreo de hasta cinco rutas de propagación de señales. Potencialmente, se pueden procesar conjuntos muy grandes de datos acústicos mediante el software CorrPRINT™ incorporado y reducirlos a un mapa de espesor de pared y valores clave basados en él, para su transferencia final a una estación de operador y/o SCADA.
MONITOR DE CORROSIÓN ENTERRADA: CASO DE CAMPO
Se seleccionó el ClampOn CEM® (Corrosion-Erosion Monitor) para el monitoreo de la integridad de las tuberías enterradas en una ubicación en la región del Golfo. El instrumento se instaló bajo tierra con cableado a un gabinete con energía solar y telemetría por radio. Se seleccionó el ClampOn CEM® debido a su gran área de cobertura de 360°, resolución, rendimiento y costo.
Los desafíos específicos del sitio incluyeron la instalación subterránea, la energía solar y la integración del sistema a través de un enlace de radio. Las soluciones de telemetría por radio y energía solar se contrataron localmente para garantizar el servicio y el mantenimiento locales. Para el proyecto era importante contar con conocimiento local para una rápida movilización y comprensión del sistema, algo que se suele olvidar en proyectos en los que se importan equipos.
La solución de telemetría ofrecía un enlace transparente, que fue seleccionado para minimizar el equipo en el campo. Esto hizo posible evitar una computadora o un controlador de automatización en el lado del campo alimentado con energía solar del sistema, maximizando la confiabilidad y facilitando el soporte remoto de ClampOn, si se solicita. La configuración ( Fig. 4 ) se basa en una comunicación Modbus TCP-IP bidireccional desde el instrumento, a través de un enlace de radio, a servidores que ejecutan el software ClampOn Server. Los datos procesados se envían al sistema de control del cliente a través de Modbus u OPC DA. El software ClampOn Client se puede utilizar para interactuar con los servidores desde una estación de operador o de forma remota; por ejemplo, en un entorno seguro de Citrix. En este caso, todos los datos se procesan y mantienen dentro de los sistemas del cliente.
Los transductores EMAT de contacto seco ( Fig. 5 ) del Topside CEM® están montados sobre un revestimiento con un espesor de hasta 1 mm. Algunas de las tuberías en este caso de instalación tenían un revestimiento más grueso, que se fresó a 1 mm en las áreas a monitorear.
Para proteger los transductores de rocas, suciedad y limo, seleccionamos una carcasa de compuesto de fibra de vidrio (Fig. 6 ) hecha a medida para adaptarse a los tamaños de las tuberías y sellada con un compuesto viscoelástico. Se incluyó una solución de drenaje en caso de que las carcasas se llenaran de agua. El cableado se lleva a la superficie a través de un conducto metálico flexible hasta la unidad principal CEM® (recopilación de datos de señales acústicas sin procesar).
La comunicación por radio, los paneles solares y el sistema de baterías se seleccionaron localmente, en función de las preferencias y el historial del cliente. ClampOn necesitaba integrar el instrumento con estos componentes y proporcionar datos de consumo de energía para el modo de operación deseado, Fig. 7. En este caso, seleccionamos un cronograma de 6 mediciones por día, que se puede modificar fácilmente en el futuro accediendo al servidor CEM®.
Las instalaciones submarinas del CEM® son abundantes, pero la instalación desde un buque de tendido de tuberías requiere que el instrumento tolere la flexión y torsión de la tubería durante el despliegue. Una ingeniosa cubierta protectora giratoria lo hizo posible.
La unidad completa se instaló en la parte superior del buque de tendido de tuberías ( Fig. 9 ) durante la operación normal y luego se bajó al fondo del mar ( Fig. 10 ) como parte del gasoducto. Ahora está monitoreando la corrosión en una gran línea de exportación de gas en el Mar del Norte, Fig. 11. Como está ubicado lejos de la costa y de otras infraestructuras, el sistema opera de manera independiente con paquetes de baterías recargables. Los datos de monitoreo se registran en una memoria dentro de la unidad de batería intercambiable del ROV, combinando la operación de cambio de batería y recuperación de datos.
Foto tomada de pixabay.com
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