BR102019025999A2

BR102019025999A2 - dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal do domínio da técnica

Info

Publication number: BR102019025999A2
Application number: BR102019025999-0A
Authority: BR
Inventors: Jean Kittel; Alexandre BONNEAU
Original assignee: IFP Energies Nouvelles
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-11-10
Also published as: FR3090108B1; EP3667292A1; US20200188901A1; FR3090108A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal, o dispositivo sendo destinado a ser disposto em um ambiente hidrogenante. O dito dispositivo de acordo com a invenção compreendendo pelo menos: (a) um meio de medição da pressão, (b) uma câmara fechada delimitada por paredes formadas no metal, (c) pelo menos um corpo formado em um material não poroso e inerte ao hidrogênio disposto dentro da câmara, o volume do ou dos corpos representando pelo menos 50% do volume interno da câmara.

Description

DISPOSITIVO PARA DETECTAR UM RISCO DE FRAGILIZAÇÃO PELO HIDROGÊNIO DE UM METAL DO DOMÍNIO DA TÉCNICA

[001] A presente invenção refere-se ao domínio da detecção de um risco de fragilização pelo hidrogênio (FPH) de um metal tal como o aço, risco que pode notadamente sobrevir em ambientes hidrogenan-tes tais como o refino de petróleo, a produção de petróleo, o transporte de produtos do petróleo ou ainda o refino do biogás proveniente da decomposição de matérias orgânicas.

[002] Mais especialmente, a presente invenção refere-se a um dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal. Além disso, a presente invenção refere-se a um sistema que compreende pelo menos um tal dispositivo e um equipamento industrial a vigiar do qual pelo menos uma parte é formada nesse metal, assim como a um processo para vigiar um tal equipamento industrial submetido a um ambiente hidrogenante por meio de um tal dispositivo.

[003] A fragilização pelo hidrogênio é um fenômeno relativamente frequente nas avarias de equipamentos industriais feitos de materiais metálicos, com consequências às vezes desastrosas. A origem física desse fenômeno vem da facilidade de difusão do hidrogênio na maior parte dos metais, devido a seu tamanho muito pequeno (ele é o menor dos átomos). Quando os ambientes agressivos aos quais são submetidos os metais contêm hidrogênio, seja sob a forma de molécula gasosa, seja como constituinte de moléculas suscetíveis de reagir na superfície do metal, esse último pode então eventualmente penetrar no metal, e notadamente no aço.

[004] Uma vez dentro do metal, o hidrogênio pode, portanto, se difundir bastante facilmente, e eventualmente se acumular em zonas metalúrgicas favoráveis, como defeitos cristalinos (deslocamentos, lacunas, precipitados), juntas de grãos, inclusões.

[005] Essa acumulação de hidrogênio leva a um enfraquecimento das propriedades mecânicas do metal.

[006] Se o metal for submetido a tensões (externas ou residuais), e que a resistência mecânica associada ao hidrogênio diminuir abaixo das tensões aplicadas, uma fissuração local pode se produzir. As tensões em questão podem ter diferentes fontes: tensões residuais locais associadas aos defeitos metalográficos, tensões provenientes das etapas de conformação, tensões de serviço dos equipamentos (peso, pressão interna...). Em seguida, com a acumulação de hidrogênio gasoso sob alta pressão dentro das cavidades formadas, uma propagação da fissuração pode se produzir.

[007] Esse tipo de fissuração representa uma aposta industrial grande, na medida em que se trata de um fenômeno geralmente repentino, sem sinais precursores evidentes, e que pode levar a rupturas completas de equipamento. Existe, portanto, um real interesse em dispor de um sensor que permite antecipar a sobrevinda desse risco de rupturas.

[008] Uma grande diversidade de ambientes é concernida pela FPH, como por exemplo os meios gasosos que contêm hidrogênio, os meios aquosos corrosivos nos quais uma reação de redução que emprega um composto hidrogenado (como a água ou como os íons H+ em meio ácido) se produz.

Técnica anterior

[009] A fim de avaliar os riscos de fragilização pelo hidrogênio em equipamentos industriais, duas grandes famílias de métodos são majo-ritariamente utilizadas:

- a inspeção periódica por ferramentas de controle não destrutivo,
- a utilização de sensores que visam avaliar fluxos de hidrogênio que atravessam o metal.

[0010] A inspeção periódica tem como objetivo principal detectar a presença de eventuais fissuras, com um limite de detecção que seja tão fino quanto possível, e/ou acompanhar a evolução no tempo de fissuras já detectadas por ocasião de uma precedente inspeção. Esse tipo de método apresenta, no entanto, um nível de risco bastante elevado, ligado, por um lado ao caráter geralmente rápido da propagação das fissuras depois do início das mesmas, e por outro lado ao caráter localizado das fissuras, resultando como consequência uma probabilidade elevada de não detectar as ditas fissuras por uma inspeção que cobre raramente a integralidade dos equipamentos. Em consequência disso, a inspeção específica à FPH é com frequência restrita aos equipamentos para os quais as consequências de fissuras não são graves demais, por exemplo, equipamentos sob pressão moderada com fluidos pouco perigosos.

[0011] A utilização de sensores específicos permite um acompanhamento mais regular.

[0012] Em matéria de fragilização pelo hidrogênio, o parâmetro mais frequentemente utilizado é o fluxo de hidrogênio que atravessa uma membrana metálica. De fato, como indicado acima, a fragilização pelo hidrogênio dos metais provém da penetração do hidrogênio a partir do meio agressivo para dentro do aço. Esse fluxo de entrada se mostra ser relativamente fácil de medir com dispositivos de permeação através de uma membrana, em aplicação direta das leis de difusão de Fick. Os sensores utilizados consistem em geral em uma membrana feita de aço, da qual uma das faces é exposta ao meio hidrogenante, enquanto a outra face é mantida em condições que permitem que o hidrogênio saia com um dispositivo de medição desse fluxo que sai. No caso exemplar de uma difusão de hidrogênio sem interação com o metal (difusão puramente intersticial), a medição do fluxo estacionário permite estimar a concentração em hidrogênio no metal ao nível da face de entrada do sensor. Vários tipos de dispositivos de medição do fluxo de hidrogênio que sai da membrana são utilizados. Os mais frequentemente recenseados na literatura científica são dispositivos ele-troquímicos, para os quais a face metálica de saída do hidrogênio é colocada em contato com uma solução eletrolítica e mantida a um potencial no qual a oxidação dos átomos de hidrogênio se produz espontaneamente e gera uma corrente elétrica que pode ser medida por um dispositivo de tipo amperímetro. Esse tipo de dispositivo é pouco adaptado a aplicações de acompanhamento de equipamentos em serviço, em razão da complexidade de utilização, que necessita o emprego de uma camada de medição cheia com uma solução eletrolítica e equipada com um sistema de medições eletroquímicas.

[0013] São conhecidos também dispositivos que empregam uma medição de volume do hidrogênio dentro da cavidade fechada e parcialmente cheia com um líquido (patente US4416996A). A evolução do volume dá assim uma medição direta do fluxo de hidrogênio que sai da membrana, e esse fluxo pode então ser utilizado a fim de estimar os riscos de fragilização pelo hidrogênio.

[0014] A avaliação da velocidade de corrosão da parede interna de metal é uma outra aplicação frequentemente citada para os dispositivos precedentemente evocados que medem um fluxo de hidrogênio através de uma parede metálica. O princípio dessas medições repousa na ligação entre a quantidade de hidrogênio que entra no aço e a velocidade de corrosão. Essa ligação é relativamente direta, por exemplo no caso da corrosão em meio aquoso ácido, onde a reação catódica é a redução do próton que dá um átomo de hidrogênio que pode então entrar no metal e se difundir. Tais métodos para o acompanhamento de corrosão são assim mencionados nas patentes US6058765A e US2013236975A.

[0015] Certos limites podem ser identificados para os dispositivos da técnica anterior precedentemente citados. Em primeiro lugar, a grandeza medida é sempre um fluxo de hidrogênio através de uma parede metálica. Uma correlação é em seguida proposta entre o valor desse fluxo e o risco de fragilização pelo hidrogênio ou a velocidade de corrosão da parede interna. Ora, essa ligação está longe de ser direta. É de fato conhecido pelo profissional que a fragilização pelo hidrogênio que leva à fissuração interna (fenômeno de "blistering", ou "hydrogen induced cracking", anotado HIC na terminologia anglo-saxônica) está bastante ligada à quantidade de hidrogênio absorvida no metal, e a sua atividade química dentro do metal. O início da fissuração necessita que seja atingida uma concentração suficiente em hidrogênio absorvido. Se o valor do fluxo de hidrogênio é um dos parâmetros mais facilmente mensuráveis, nem por isso ele é o mais pertinente: de fato, esse último indica a velocidade na qual o hidrogênio entra no metal, mas não indica em nada o valor limite (concentração ou atividade em hidrogênio absorvido) que será atingido no estado estacionário. Esse valor de atividade ou concentração de hidrogênio no estado estacionário é designado Ce. Ele corresponde a uma pressão interna de hidrogênio (por aplicação da lei de Sieverts), que é designada na sequência do texto como pressão no equilíbrio, ou Pe. Ora, é bem a ultrapassagem de uma concentração interna em hidrogênio superior a um limite dado (designada como concentração limite Cs ou pressão limite Ps, de acordo com a que se utiliza as grandezas de concentração ou de atividade, ou as grandezas de pressão, que são ligadas entre si pela lei de Sieverts) que condiciona a fissuração ou a ausência de fissuração. Esse valor de concentração de equilíbrio (Ce) pode ser estimado com o auxílio das medições de fluxo, mas de modo bastante aproximativo, e levando em consideração para isso numerosas hipóteses simplificadoras sobre o modo de difusão, o coeficiente de difusão, e a espessura de parede, e considerando para isso que a concentração de equilíbrio (Ce) é igual à concentração em hidrogênio absorvido no metal ao nível da face de entrada (C0) calculada a partir das medições de fluxo.

[0016] São conhecidos também dispositivos que empregam uma medição de pressão, mas tendo em vista estimar o fluxo de hidrogênio. Nesse caso, a face de saída do hidrogênio desemboca dentro de um recinto estanque no qual a pressão é medida, e o fluxo de hidrogênio pode então ser deduzido da velocidade de subida em pressão. Esse tipo de sensor é geralmente equipado com um sistema de expurgação a fim de evacuar regularmente o hidrogênio acumulado no sensor, e de manter um gradiente máximo de hidrogênio dentro da membrana. Esse princípio é descrito na patente US6537824B. Como destacado nesse documento, esse tipo de sensor pode ter tempos de resposta bastante longos, da ordem de um mês, o que não permite uma vigilância em tempo real de um equipamento industrial.

[0017] É também conhecido o pedido de patente WO 2017/080780 que descreve um sensor e um processo para a medição do risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal que repousa na medição da pressão dentro de uma cavidade formada nesse metal e na interpretação direta dessa medição de pressão para estimar um risco de fragilização, comparando para isso uma pressão medida com uma pressão limite predefinida acima da qual uma fissuração por fragilização pelo hidrogênio pode sobrevir. A fim de atingir tempos de resposta razoáveis em serviço, esse documento ensina a utilizar espessuras de paredes pequenas. De fato, o fluxo de difusão do hidrogênio no aço é inversamente proporcional à espessura de metal a atravessar, uma redução de espessura permite aumentar o fluxo e, portanto, obter uma elevação de pressão mais rápida dentro da cavidade.

[0018] No entanto, essa concepção apresenta uma contrapartida maior, que é a de abaixar a resistência mecânica do corpo metálico vazado. Há de fato um risco de atingir uma pressão de explosão do corpo metálico. É importante notar que a pressão de explosão não deve ser confundida com a pressão limite acima da qual uma fissuração por fragilização pelo hidrogênio pode sobrevir em um metal. A pressão de explosão define de fato a pressão necessária para fazer explodir um equipamento sob pressão. Ela depende, portanto, das propriedades mecânicas e das características geométricas do sistema, e é calculada pela mecânica da ruptura. A pressão limite em hidrogênio traduz uma concentração limite em hidrogênio dissolvido em um metal, suficiente para acarretar perdas de coesão internas na escala cristalo-gráfica. Ela depende das propriedades metalográficas, que entram no campo da física do sólido.

[0019] A presente invenção visa corrigir esses inconvenientes. Mais precisamente, a presente invenção refere-se a um dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal, que apresente ao mesmo tempo um tempo de resposta e uma resistência mecânica aceitáveis em serviço.

Sumário da invenção

[0020] A presente invenção refere-se a um dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal, o dito dispositivo sendo destinado a ser disposto em um ambiente hidrogenante, o dito dispositivo compreendendo pelo menos:

- um meio de medição da pressão,
- uma câmara fechada, a dita câmara sendo delimitada por paredes formadas no dito metal, a dita câmara compreendendo uma abertura para se comunicar com o dito meio de medição da pressão.

[0021] Além disso, o dispositivo de acordo com a invenção compreende pelo menos um corpo formado em um material não poroso e inerte ao hidrogênio que é disposto dentro da dita câmara, o volume do dito pelo menos um corpo representando pelo menos 50% do vo-lume interno da dita câmara.

[0022] De acordo com uma execução da invenção, o dito volume do dito pelo menos um corpo pode representar pelo menos 75% do volume interno da dita câmara.

[0023] De acordo com uma execução da invenção, o dito material do dito corpo pode ser feito de cerâmica não porosa ou feito de vidro não poroso.

[0024] De acordo com uma execução da invenção, o dito dispositivo pode compreender por outro lado meios para a transmissão das medições realizadas por meio do dito meio de medição da pressão e/ou meios para o tratamento das medições realizadas por meio do dito meio de medição da pressão.

[0025] De acordo com uma execução da invenção, o dito dispositivo pode compreender por outro lado um meio para dar um alerta quando uma pressão superior a uma pressão máxima aceitável em serviço é medida por meio do dito meio de medição da pressão.

[0026] De acordo com uma execução da invenção, as ditas paredes podem ser realizadas em aço.

[0027] A invenção se refere por outro lado a um sistema que compreende pelo menos um equipamento e pelo menos um dispositivo tal como descrito acima, o dito equipamento compreendendo pelo menos uma parede formada no dito metal, a dita câmara do dito dispositivo sendo formada em pelo menos uma parte da dita parede no dito equipamento.

[0028] De acordo com uma execução da invenção, o dito sistema pode compreender pelo menos um equipamento e pelo menos um dispositivo tal como descrito acima, o dito equipamento compreendendo pelo menos um elemento formado no dito metal, o dito dispositivo sendo dissociado do dito equipamento.

[0029] De acordo com uma execução da invenção, o dito equipa-mento pode ser uma canalização.

[0030] De acordo com uma execução da invenção, o dito equipamento pode ser um reator químico.

[0031] A invenção refere-se por outro lado a um processo para vigiar no tempo a integridade do metal de um equipamento colocado dentro de um ambiente hidrogenante, a partir de uma pressão limite de hidrogênio predefinida Ps, acima da qual um risco de fragilização do dito metal pelo hidrogênio existe, por meio do dispositivo tal como descrito acima, no qual:

[0032] O dito dispositivo é disposto no dito ambiente hidrogenante;

[0033] É medida por meio do dito dispositivo a evolução no decorrer do tempo da pressão Pint dentro da dita câmara do dito dispositivo;

[0034] A dita pressão Pint é comparada com uma pressão máxima aceitável em serviço Pser, a dita pressão máxima aceitável em serviço Pser sendo função da dita pressão limite Ps, e, se a dita pressão Pint for superior à dita pressão máxima em serviço Pser, é executado um plano de salvaguarda do dito equipamento.

[0035] De acordo com uma execução do processo de acordo com a invenção, a dita pressão máxima aceitável em serviço Pser pode ser expressa de acordo com uma ponderação da dita pressão limite Ps por um coeficiente de segurança compreendido entre 0,6 e 0,9.

[0036] De acordo com uma execução do processo de acordo com a invenção, é possível determinar por outro lado a dita pressão limite Ps por meio pelo menos das etapas seguintes: é submetido um elemento formado no dito metal a diferentes concentrações em hidrogênio e é determinado o valor de pressão acima do qual o dito elemento se fissura.

[0037] De acordo com uma execução do processo de acordo com a invenção, o dito ambiente hidrogenante pode compreender água e H2S dissolvido, e pode apresentar um pH compreendido entre 3 e 8, e preferencialmente compreendido entre 4 e 7.

[0038] De acordo com uma execução do processo de acordo com a invenção, o dito ambiente hidrogenante pode ser um meio gasoso que contém hidrogênio tal como encontrado nos processos de refino.

Lista das figuras Fig. 1

[0039] A figura 1 apresenta de maneira ilustrativa uma seção longitudinal de um lado ao outro de um exemplo de execução de uma primeira variante de um dispositivo de acordo com a invenção.

Fig. 2

[0040] A figura 2 apresenta de maneira ilustrativa uma seção transversal de um lado ao outro de um exemplo de execução de uma segunda variante do dispositivo de acordo com a invenção, na qual a câmara do dispositivo de acordo com a invenção é feita diretamente em um elemento feito de metal de um equipamento a vigiar.

Fig. 3

[0041] A figura 3 apresenta a evolução da pressão no decorrer do tempo medida por meio de um dispositivo de acordo com a técnica anterior (ensaio C1), de um exemplo de execução do dispositivo de acordo com a invenção (ensaio C2) e de um dispositivo que se distingue do dispositivo de acordo com a invenção por um material impróprio para a execução da invenção (ensaio C3).

Descrição das modalidades

[0042] A presente invenção refere-se a um dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal, o dispositivo sendo destinado a ser disposto em um ambiente hidrogenante. O dispositivo pode notadamente permitir detectar o risco de fragilização pelo hidrogênio de um equipamento que compreende pelo menos um elemento fabricado nesse metal.

[0043] De maneira não limitativa, o ambiente hidrogenante pode resultar da presença de hidrogênio (H2) gasoso e/ou de sulfeto de hidrogênio (H2S) dissolvido em uma fase aquosa em um meio do qual o pH é compreendido entre 3 e 8, ou ainda entre 4 e 7. Um tal ambiente hidrogenante pode ser um meio aquoso que contém H2S dissolvido tal como encontrado em produção de petróleo ou no tratamento do biogás proveniente da decomposição de matérias orgânicas. Um tal ambiente hidrogenante pode também ser um meio gasoso que contém hidrogênio tal como encontrado nos processos de refino de petróleo.

[0044] De maneira não limitativa, o equipamento do qual o risco de fragilização pelo hidrogênio deve ser vigiado pode ser uma canalização, por exemplo uma canalização própria para os transportes de produtos de petróleo, brutos ou refinados.

[0045] O equipamento do qual o risco de fragilização pelo hidrogênio deve ser vigiado pode ser também um reator químico, tal como utilizado no refino do petróleo. Em especial, o equipamento a vigiar pode ser um reator de hidrotratamento.

[0046] O dispositivo de acordo com a invenção repousa na medição da pressão no equilíbrio (também chamada de pressão estacionária) dentro de uma câmara metálica para avaliar a atividade do hidrogênio absorvido no aço. De fato, em aplicação da lei de Sieverts, a atividade de um elemento gasoso dissolvido em um metal é diretamente proporcional à raiz quadrada da pressão desse mesmo gás em equilíbrio com o metal, que corresponde, portanto à pressão no equilíbrio (Pe) gerada por esse gás dentro da cavidade de medição. Em consequência disso, a medição da pressão dentro da cavidade do sensor pode ser diretamente correlacionada com a atividade ou concentração do hidrogênio dentro do aço no equilíbrio (Ce). Ora, o risco de fissura-ção interna de tipo "blistering" ou "hydrogen induced cracking", anotado em abreviado HIC, está diretamente ligado à atividade do hidrogênio dentro do aço. A medição da pressão permite, portanto, uma de-tecção direta do risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal.

[0047] Na sequência, é chamada de "pressão limite" que é anotada Ps, a pressão em hidrogênio acima da qual uma fragilização do metal de interesse sobrevém. A pressão limite em hidrogênio traduz uma concentração limite em hidrogênio dissolvido em um metal, suficiente para acarretar perdas de coesão internas na escala cristalográfica. Ela depende das propriedades metalográficas, e é, portanto, função do próprio metal.

[0048] O dispositivo de acordo com a invenção compreende pelo menos:

- um meio de medição da pressão, como por exemplo um sensor de pressão;
- uma câmara fechada, a câmara sendo delimitada por paredes formadas no metal do qual é procurado vigiar a fragilização pelo hidrogênio. De acordo com a invenção, a câmara compreende por outro lado uma abertura, para se comunicar com o meio de medição da pressão. De acordo com uma execução da invenção, a abertura da câmara pode se apresentar sob a forma de um corpo tubular vazado, realizado de preferência em um material que resiste ao ambiente hi-drogenante e que apresenta uma resistência mecânica suficiente, como por exemplo um aço inoxidável austenítico ou ainda uma liga de níquel. Além disso, essa abertura permite a passagem de um sistema de conexão a um sensor de pressão;
- pelo menos um corpo formado em um material não poroso e inerte ao hidrogênio, disposto dentro da câmara, o volume desses corpos representando pelo menos 50% do volume interno da câmara. De preferência, a câmara compreende uma pluralidade de corpos não porosos e inertes ao hidrogênio.

[0049] A presença de pelo menos um corpo formado em um material não poroso (e inerte) dentro da câmara, o conjunto dos corpos ocupando pelo menos 50% do volume interno da câmara, permite reduzir o volume disponível para o hidrogênio dentro da câmara do dispositivo. Dessa maneira, a pressão limite em hidrogênio, tal como descrita acima, pode ser atingida mais rapidamente. De fato, com um fluxo de hidrogênio dado, o tempo de resposta do dispositivo, definido como o tempo necessário para atingir a pressão limite de hidrogênio, é diretamente proporcional ao volume da cavidade dentro da qual o hidrogênio se acumula. Assim, a presença de corpos não porosos dentro da câmara do dispositivo de acordo com a invenção permite melhorar o tempo de resposta do dispositivo de acordo com a invenção. Além disso, essa solução apresenta a vantagem de reduzir o tempo de resposta do dispositivo, mas sem degradar sua resistência mecânica própria, contrariamente a uma solução de acordo com a técnica anterior na qual a espessura da parede da câmara é reduzida. Vantajosamente, o volume do ou dos corpos dispostos dentro da câmara representa pelo menos 75% do volume interno da dita câmara.

[0050] O dispositivo apresenta também uma vantagem notável em relação a uma solução técnica de acordo com a qual o tamanho da câmara seria reduzido (por exemplo diâmetro exterior no caso de uma câmara tubular ou dimensões exteriores de maneira geral para uma geometria não tubular da câmara). De fato, são evitadas assim técnicas de usinagem de precisão, potencialmente muito onerosas, em especial para formar a cavidade interna de dimensão reduzida.

[0051] Por outro lado, o dispositivo de acordo com a invenção apresenta também uma vantagem notável no caso em que o dispositivo de acordo com a invenção é utilizado em meio corrosivo hidroge-nante, como por exemplo em um meio que contém água e o H2S dissolvido. De fato, nesses meios, a penetração de hidrogênio no metal é indissociável da reação de corrosão do metal. Em um tal ambiente, a câmara feita de metal é submetida a um adelgaçamento de suas pare-des à medida de sua exposição. A presente invenção, que não necessita que seja reduzida a espessura das paredes da câmara, permite manter uma resistência mecânica suficiente em serviço, mesmo em ambientes bastante corrosivos.

[0052] De acordo com a invenção, o material dos corpos não porosos dispostos dentro da câmara é por outro lado inerte ao hidrogênio, quer dizer que o material dos corpos não pode entrar em interação química e/ou física com o hidrogênio. Isso tem como objetivo evitar que a totalidade ou parte do hidrogênio gasoso presente dentro da câmara seja consumido por reações com o ou os corpos, e assim evitar falsear a medição da pressão dentro da câmara. De acordo com uma execução da invenção, são escolhidos corpos em um material de tipo cerâmica ou vidro, que além disso é não poroso para satisfazer a primeira condição enunciada acima. De maneira geral, são evitados os materiais metálicos, assim como os materiais feitos de polímero: de fato, para esse tipo de materiais, uma interação é possível com o hidrogênio (por exemplo por formação de hidretos ou por permeação na matéria do corpo de enchimento), que pode falsear a medição de pressão dentro da câmara. Isso exclui, por exemplo, utilizar como material para o ou os corpos dispostos dentro da câmara, metais como o titânio, suscetível de reagir com o hidrogênio para formar hidretos.

[0053] A geometria do ou dos corpos não porosos e inertes ao hidrogênio pode ser qualquer uma. No caso de uma câmara tubular, os corpos não porosos e inertes ao hidrogênio podem ter a forma de uma ou de várias hastes com um diâmetro inferior a aquele da camada do dispositivo de acordo com a invenção. No caso de uma câmara de geometria mais complexa, os corpos não porosos e inertes ao hidrogênio podem estar em forma de esferas, de preferência que tenham granu-lometrias diferentes para ocupar o máximo possível do volume interno da câmara.

[0054] De acordo com uma execução da invenção, a espessura da ou de cada uma das paredes feitas de metal que formam a câmara são dimensionadas de maneira que a pressão de explosão da câmara seja estritamente superior à pressão limite em hidrogênio. De preferência, a espessura da ou de cada uma das paredes feitas de metal que formam a câmara são dimensionadas de maneira que a pressão de explosão da câmara seja pelo menos duas vezes superior à pressão limite em hidrogênio do metal considerado. Dessa maneira, a integridade mecânica do dispositivo de acordo com a invenção está garantida em serviço. O especialista tem um perfeito conhecimento de técnicas para determinar a pressão de explosão de uma câmara feita de metal, em função de sua forma. Será possível se referir à fórmula aproximada de Barlow no caso de uma câmara em forma de tubo, que exprime a pressão de explosão (Pmax) de um tubo metálico em função da resistência à ruptura do metal (Rm), da espessura das paredes (I) e do diâmetro exterior do tubo (D) de acordo com uma fórmula do tipo:

[0055] De acordo com uma execução da invenção, de acordo com a qual o dispositivo de acordo com a invenção visa vigiar um equipamento do qual pelo menos um elemento é formado em um metal, a espessura da parede mais fina da câmara é compreendida entre 1/3 e 1/50 da menor dimensão do elemento de metal a vigiar. Dessa maneira, além da redução do volume disponível dentro da câmara, é reduzida também a espessura das paredes da câmara de maneira a melhorar ainda mais o tempo de resposta do dispositivo de acordo com a invenção. Preferencialmente, a espessura da parede mais fina da câmara é compreendida entre 1/4 e 1/10 da menor dimensão do elemento feito de metal.

[0056] De acordo com uma execução da invenção, o dispositivo compreende por outro lado, meios para a transmissão (por exemplo por fio elétrico ou por fibra óptica) das medições realizadas por meio do dito meio de medição da pressão, e/ou meios para o tratamento (por exemplo por via informática com o auxílio de um microprocessador) das medições realizadas por meio do meio de medição da pressão.

[0057] De acordo com uma execução da invenção, o dispositivo compreende por outro lado, um meio de alerta, para alertar quando uma pressão superior a uma pressão máxima aceitável em serviço é detectada dentro da câmara. Esse meio de alerta pode ser por exemplo uma indicação visual ou sonora, que pode ser posicionada na proximidade imediata do dispositivo, ou então transportada para um sistema de medição informatizado de tipo supervisão. De acordo com a invenção, a pressão máxima aceitável em serviço Pser é função da pressão limite Ps de hidrogênio a partir da qual uma fragilização do metal considerado se produz. De acordo com uma execução da invenção, a pressão máxima aceitável em serviço Pser corresponde à pressão limite Ps ponderada por um coeficiente de segurança c compreendido entre 0 e 1, de acordo com uma fórmula do tipo Pser = Ps.c. Vantajosamente, o coeficiente de segurança c é compreendido entre 0,6 e 0,9. Meios para determinar a pressão limite Ps são descritos abaixo.

[0058] De acordo com uma primeira variante da invenção, o dispositivo de acordo com a invenção é distinto do equipamento a vigiar, ou seja, eles não têm um elemento estrutural em comum. Nesse caso, o metal no qual é formada a câmara do dispositivo de acordo com a invenção é vantajosamente representativo do metal de um elemento de um equipamento submetido a um ambiente hidrogenante do qual se deseja vigiar o risco de fragilização pelo hidrogênio. De fato, os valores de pressão limite Ps que definem a partir de qual quantidade de hidro-gênio absorvido o metal é suscetível de fissurar, são próprios a cada metal ou cada grau de aço. É, portanto, importante que o metal utilizado para a câmara do dispositivo seja representativo do metal do equipamento a vigiar, e seja de maneira preferida idêntico ao metal do equipamento a vigiar. De acordo com uma execução da invenção de acordo com a qual o metal de interesse é o aço, o grau do aço no qual é formada a câmara é o mesmo que o grau do aço no qual é formado o elemento feito de metal do equipamento a vigiar. Nessa primeira variante da invenção, o dispositivo de acordo com a invenção é vantajosamente disposto na proximidade do equipamento a vigiar, de maneira a ser colocado no mesmo ambiente hidrogenante. Nessa primeira variante, a câmara metálica pode ter uma forma qualquer, visto que ela é dissociada do equipamento a realizar. Vantajosamente, a câmara pode ter uma forma tubular, mas a câmara pode ter uma forma qualquer, e por exemplo ser esférica ou paralelepipédica. A figura 1 apresenta um exemplo de execução dessa primeira variante da invenção, no qual a câmara 2 é formada por paredes 1 constituídas por um tubo fechado em uma de suas extremidades, a extremidade oposta do tubo sendo não fechada de maneira a formar uma abertura 4 para se comunicar com um sensor de pressão 3.

[0059] De acordo com uma segunda variante da invenção, a camada do dispositivo de acordo com a invenção é formada no elemento feito de metal do equipamento do qual se deseja vigiar o risco de fragilização pelo hidrogênio. Mais precisamente, o equipamento a vigiar compreende pelo menos um elemento do qual pelo menos uma parede é formada em metal, e a câmara do dispositivo é formada em pelo menos uma porção dessa parede do equipamento. De acordo com uma execução dessa variante da invenção, a câmara pode ser usinada diretamente em uma parede metálica do equipamento a vigiar. A figura 2 apresenta um exemplo de execução dessa segunda variante, no qual o equipamento a vigiar é uma canalização por exemplo feita de aço, a câmara 2 e, portanto, suas paredes 1 sendo formadas dentro mesmo de uma porção da canalização a vigiar, a câmara 2 se comunicando via uma abertura 4 com o sensor de pressão 3.

[0060] A invenção refere-se por outro lado a um processo para vigiar no tempo a integridade do metal de um equipamento colocado em um ambiente hidrogenante, a partir de uma pressão limite Ps em hidrogênio predefinida acima da qual um risco de fragilização do metal pelo hidrogênio existe.

[0061] O processo de acordo com a invenção é descrito abaixo como executado por meio do dispositivo tal como descrito acima, mas ele pode também ser executado por meio de qualquer dispositivo para medir a pressão que resulta da permeação do hidrogênio dentro do metal do equipamento a vigiar.

[0062] O processo de acordo com a invenção compreende pelo menos as etapas seguintes:

[0063] O dispositivo de acordo com a invenção é disposto no ambiente hidrogenante;

[0064] É medida por meio do dito dispositivo de acordo com a invenção a evolução no decorrer do tempo da pressão Pint dentro da câmara do dispositivo;

[0065] A pressão Pint é comparada com uma pressão máxima aceitável em serviço Pser, que é função da pressão limite, e é executado um plano de salvaguarda do equipamento se a pressão Pint for superior à pressão máxima aceitável em serviço Pser.

[0066] De acordo com uma execução da invenção, é determinada a pressão limite Ps do metal de interesse por meio de qualquer método de ensaio de fragilização pelo hidrogênio bem conhecido pelo profissional. De maneira geral, para esse método, um elemento formado no metal de interesse é submetido a diferentes concentrações em hi-drogênio e é determinado o valor de pressão acima do qual o elemento se fissura, por meio de um sensor de pressão. Esses ensaios podem ser realizados por meio do dispositivo de acordo com a invenção. Dentre esses métodos de ensaio de fragilização pelo hidrogênio, pode ser citado por exemplo o ensaio descrito no documento NACE TM0284 (NACE International) que descreve a realização de ensaios de resistência à fissuração HIC de aços pouco ligados em meio aquoso que contém H2S dissolvido.

[0067] De acordo com uma execução da invenção, a pressão máxima aceitável em serviço Pser corresponde à pressão limite Ps ponderada por um coeficiente de segurança c compreendido entre 0 e 1, de acordo com uma fórmula do tipo Pser = Ps.c. Vantajosamente, o coeficiente de segurança c é compreendido entre 0,6 e 0,9.

[0068] De acordo com uma execução da invenção, o plano de salvaguarda do equipamento a vigiar pode compreender a paralisação da exploração do equipamento a vigiar, por exemplo despressurizando para isso um equipamento sob pressão e depois esvaziando o mesmo de seus produtos, ou no caso de um conduto de transporte de hidro-carbonetos, interrompendo para isso a circulação de produtos e depois procedendo a isso um esvaziamento.

[0069] De acordo com uma outra variante, o plano de salvaguarda do equipamento a vigiar pode compreender a execução de medidas que visam diminuir o carregamento em hidrogênio, por exemplo injetando para isso inibidores de corrosão. A eficácia das medidas pode nesse caso ser avaliada com o auxílio do dispositivo de acordo com a invenção, que deve nesse caso mostrar uma estabilização ou uma diminuição da pressão de hidrogênio.

[0070] O processo de acordo com a invenção pode ser executado por meio de um equipamento (por exemplo um posto de trabalho informático) que compreende meios de tratamento dos dados (um pro-cessador), meios de estocagem de dados (uma memória, em especial um disco rígido), uma interface de entrada e de saída para interagir com um usuário, e meios de comunicação.

[0071] Os meios de tratamento de dados podem ser configurados para notadamente realizar as etapas b) e c) do processo de acordo com a invenção, nas quais é determinado se uma pressão interna Pint foi atingida de maneira numérica e essa pressão de equilíbrio é comparada com uma pressão máxima aceitável em serviço Pser.

[0072] Os meios de comunicação podem ser configurados para enviar um alerta à distância, quando se verifica que a pressão interna é superior à pressão máxima aceitável em serviço.

Exemplos

[0073] As vantagens do dispositivo e do processo de acordo com a invenção são apresentadas abaixo em um exemplo de aplicação comparativo.

[0074] Para este exemplo, é utilizado um dispositivo que compreende uma câmara tubular formada em ferro puro, com 80 mm de comprimento, 3,2 mm de diâmetro externo e 1,8 mm de diâmetro interno. O dispositivo compreende por outro lado um suporte metálico feito de aço inoxidável austenítico de tipo AISI 316L que liga a câmara ao sensor de pressão. Este dispositivo é exposto a um meio corrosivo hidro-genante constituído de água salgada (50 g/L NaCl) saturada em H2S dissolvido a uma pressão de 1 bar.

[0075] Com finalidade de comparação, três ensaios foram realizados:

1 - Ensaio 1: nenhum corpo é introduzido dentro da câmara do dispositivo. Trata-se, portanto, de um dispositivo similar à técnica anterior. O volume livre dentro da câmara é de 3,7 mL.
2 - Ensaio 2: corpos feitos de cerâmica, mais precisamente de tipo alumina, foram introduzidos na câmara. Este ensaio corres-ponde, portanto, a um exemplo de execução do dispositivo de acordo com a invenção. As geometrias desses corpos correspondem a porções de haste de diâmetro ligeiramente inferior (inferior de - 0,1 a - 0,2 mm) ao diâmetro da câmara. O volume livre dentro da câmara, levando para isso em consideração esses corpos adicionais, é de 0,56 mL, ou seja, mais de 6 vezes menor do que no ensaio 1.
3 - Ensaio 3: corpos feitos de material polimérico, mais precisamente feitos de polietileno, foram introduzidos na câmara, e isso de maneira a que o volume livre dentro da câmara seja o mesmo que o volume livre no caso do ensaio 2, ou seja de cerca de 0,56 mL. Este ensaio visa avaliar a pertinência do material dos corpos colocados dentro da câmara de acordo com a invenção.

[0076] A figura 3 apresenta a evolução da pressão P medida dentro da câmara em função do tempo t, no caso dos três ensaios descritos acima. Assim, a curva C1 mostra que, no caso do ensaio 1, a pressão de hidrogênio estacionária é compreendida entre 45 e 50 bar, e é atingida depois de cerca de 1200 horas de teste. A curva C2 mostra que, no caso do ensaio 2, uma pressão de hidrogênio estacionária de 45 bar é medida (portanto a um nível equivalente a aquele do primeiro ensaio), mas depois de um tempo de somente 200 horas.

[0077] E finalmente, a curva C3 mostra que, no caso do ensaio 3, a curva de elevação de pressão tem um comportamento mais afastado da linearidade do que para os dois outros ensaios, como uma evolução por patamares. Além disso, depois de uma pressão de 5 bar, não foi mais observada uma variação sensível de pressão. Depois da paralisação deste ensaio, foi constatado que o sensor de pressão estava danificado, em consequência da aplicação de uma pressão de contato com um corpo feito de polímero que tinha sido disposto justo sob a membrana do sensor. Esses resultados indicam que uma reação de dilatação se produziu entre o polímero e o hidrogênio gasoso, e que essa dilatação levou a uma deterioração do dispositivo de medição. Isso demonstra que um material feito de polímero, e notadamente feito de polietileno, que não é um material ao mesmo tempo não poroso e inerte ao hidrogênio, não é adaptado para os corpos de acordo com a invenção a serem dispostos dentro da câmara do dispositivo de acordo com a invenção.

[0078] Assim, a presente invenção apresenta uma vantagem grande em relação à técnica anterior, visto que ela permite atingir uma pressão estacionária dentro da câmara do dispositivo em um tempo muito mais curto, o que permite detectar mais rapidamente um risco de fragilização do equipamento a vigiar. Além disso, a escolha do material relativo aos corpos dispostos dentro da camada do dispositivo de acordo com a invenção permite uma medição fiável da pressão e evita a deterioração precoce do dispositivo de acordo com a invenção.

Claims

Dispositivo para detectar um risco de fragilização pelo hidrogênio de um metal, o dito dispositivo sendo destinado a ser disposto em um ambiente hidrogenante, o dito dispositivo compreendendo pelo menos:
- - um meio de medição da pressão (3),
- - uma câmara fechada (2), a dita câmara (2) sendo delimitada por paredes (1) formadas no dito metal, a dita câmara (2) compreendendo uma abertura (4) para se comunicar com o dito meio de medição da pressão (3), caracterizado pelo fato de que pelo menos um corpo formado em um material não poroso e inerte ao hidrogênio é disposto dentro da dita câmara (2), o volume do dito pelo menos um corpo representando pelo menos 50% do volume interno da dita câmara (2).
Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito volume do dito pelo menos um corpo representa pelo menos 75% do volume interno da dita câmara (2).
Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o dito material do dito corpo é feito de cerâmica não porosa ou feito de vidro não poroso.
Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende por outro lado meios para a transmissão das medições realizadas por meio do dito meio de medição da pressão e/ou meios para o tratamento das medições realizadas por meio do dito meio de medição da pressão.
Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende por outro lado um meio para dar um alerta quando uma pressão superior a uma pressão máxima aceitável em serviço é medida por meio do dito meio de medição da pressão.
Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as ditas paredes (1) são realizadas em aço.
Sistema que compreende pelo menos um equipamento e pelo menos um dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o dito equipamento compreende pelo menos uma parede formada no dito metal, a dita câmara (2) do dito dispositivo sendo formada em pelo menos uma parte da dita parede no dito equipamento.
Sistema que compreende pelo menos um equipamento e pelo menos um dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um elemento formado no dito metal, o dito dispositivo sendo dissociado do dito equipamento.
Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizado pelo fato de que o dito equipamento é uma canalização.
Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizado pelo fato de que o dito equipamento é um reator químico.
Processo para vigiar ao longo do tempo a integridade do metal de um equipamento colocado dentro de um ambiente hidro-genante, a partir de uma pressão limite Ps em hidrogênio predefinida acima da qual um risco de fragilização do dito metal pelo hidrogênio existe, por meio do dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que:
- a) o dito dispositivo é disposto no dito ambiente hidrogenan-te;
- b) é medida por meio do dito dispositivo a evolução no decorrer do tempo da pressão Pint dentro da dita câmara do dito disposi-tivo;
- c) a dita pressão Pint é comparada com uma pressão máxima aceitável em serviço Pser, a dita pressão máxima aceitável em serviço Pser sendo função da dita pressão limite Ps, e, se a dita pressão Pint for superior à dita pressão máxima em serviço Pser, é executado um plano de salvaguarda do dito equipamento.
Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a dita pressão máxima aceitável em serviço Pser é expressa de acordo com uma ponderação da dita pressão limite Ps por um coeficiente de segurança compreendido entre 0,6 e 0,9.
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 12, caracterizado pelo fato de que é determinada por outro lado a dita pressão limite Ps por meio pelo menos das etapas seguintes:
submeter um elemento formado no dito metal a diferentes concentrações em hidrogênio e
determinar o valor de pressão acima do qual o dito elemento se fissura.
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que o dito ambiente hidroge-nante compreende água e H2S dissolvido, e apresenta um pH compreendido entre 3 a 8, e preferencialmente compreendido entre 4 a 7.
Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que o dito ambiente hidroge-nante é um meio gasoso que contém hidrogênio tal como encontrado nos processos de refino.