BR102021012726A2

BR102021012726A2 - PORTABLE TOMOGRAPH FOR COMPOSITE INSPECTION

Info

Publication number: BR102021012726A2
Application number: BR102021012726-0A
Authority: BR
Inventors: Carla Alves Marinho Ferreira; Davi Ferreira De Oliveira; Fabiana Dias Fonseca Martins; Achilles Astuto; Ricardo Tadeu Lopes; Weslley Carlos Dias Da Silva; Alessandra Silveira Machado
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras; Universidade Federal Do Rio De Janeiro - Ufrj
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-12-27

Abstract

A invenção apresenta uma ferramenta de inspeção tomográfica subdividida em acessórios, software de integração, interface com o usuário e aquisição de imagens e 3 conjuntos: Conjunto Motor (movimentação), Conjunto Inferior (suportação) e Conjunto Irradiador (contendo equipamentos de raios X e detector). A ferramenta é fixada na tubulação em que se deseja inspecionar através do Conjunto Inferior e com o uso de um software de interface com o usuário, aciona-se os Conjuntos Motor e Irradiador para obter várias imagens ao redor do tubo/junta, inspecionando, portanto, este componente em 360°. Posteriormente, as imagens são trabalhadas em um software, o qual executa a reconstrução tomográfica do tubo/junta.

The invention presents a tomographic inspection tool subdivided into accessories, integration software, user interface and image acquisition and 3 sets: Motor Set (movement), Lower Set (support) and Irradiator Set (containing X-ray equipment and detector ). The tool is attached to the pipe to be inspected through the Lower Assembly and, using a user interface software, the Motor and Radiator Assembly is activated to obtain several images around the tube/joint, thus inspecting , this component in 360°. Subsequently, the images are processed in software, which performs the tomographic reconstruction of the tube/joint.

Description

PORTABLE TOMOGRAPH FOR COMPOSITE INSPECTION

Field of Invention

[0001] A presente invenção está baseada no desenvolvimento de um equipamento para inspeções e ensaios não destrutivos aplicado em juntas de tubulação de materiais compósitos.[0001] The present invention is based on the development of equipment for inspections and non-destructive tests applied in pipe joints of composite materials.

Description of the State of the Art

[0002] Tubulações de materiais compósitos são utilizadas na condução de água ou água oleosa em temperatura ambiente ou moderada, seja em instalações onshore ou offshore. No cenário offshore, a junção tubo-tubo é feita através de juntas coladas (adesivadas ou laminados). Cerca de 75% dos casos de falha em uniões de material compósito são causadas por problemas relacionados a montagens deficientes. Tomando por base as falhas ocorridas nos FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading) Cidade de Mangaratiba e Cidade de Ilha Bela, uma inspeção de campo confiável poderia evitar gastos da ordem de US$ 11 milhões/dia. Em 2019, a FPSO P-76 teve problemas de falhas em tais juntas que levaram à parada operacional da unidade. A solução proposta visa oferecer condições para realização de inspeções com uso de um tomógrafo portável, com geração de imagens 3D, possibilitando a visualização camada a camada, de modo a oferecer subsídios a uma avaliação de integridade inequívoca das juntas. A aplicação da solução abrange etapas de construção e montagem em estaleiro e, talvez, inspeção em serviço de tubulações em plataformas e refinarias, a depender das condições de acesso às mesmas.[0002] Pipes made of composite materials are used in conducting water or oily water at room or moderate temperature, whether in onshore or offshore installations. In the offshore scenario, the pipe-pipe joint is made using glued joints (adhesive or laminated). About 75% of failures in composite material joints are caused by problems related to poor assemblies. Based on the failures that occurred in FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading) Cidade de Mangaratiba and Cidade de Ilha Bela, a reliable field inspection could avoid expenses of around US$ 11 million/day. In 2019, FPSO P-76 had problems with failures in such joints that led to the operational stoppage of the unit. The proposed solution aims to provide conditions for carrying out inspections using a portable tomograph, with 3D image generation, enabling layer-by-layer visualization, in order to offer subsidies for an unequivocal integrity assessment of the joints. The application of the solution covers construction and assembly stages at the shipyard and, perhaps, in-service inspection of pipelines on platforms and refineries, depending on access conditions.

[0003] O procedimento mais usual de inspeção de campo das juntas de tubulações compósitas é apenas a execução de ensaio visual e teste hidrostático (TH), os quais não garantem a continuidade operacional, conforme as falhas supracitadas deixam claro. Torna-se imperioso inspecionar juntas coladas de material compósito com eficiência, confiabilidade e geração de registro permanente na forma de imagens. Existem tomógrafos portáveis apenas para uso em ambiente submarino, com uso de isótopo e detectores do tipo cintiladores. Não existe, no entanto, tomógrafo de campo para uso em superfície, empregando equipamento de radiação X e detector de imagens tipo DDA (Digital Detector Array).[0003] The most usual procedure for field inspection of composite pipe joints is just the execution of a visual test and hydrostatic test (TH), which do not guarantee operational continuity, as the aforementioned failures make clear. It becomes imperative to inspect glued joints of composite material efficiently, reliably and generate permanent records in the form of images. There are portable tomographs only for use in a submarine environment, using isotopes and scintillator-type detectors. However, there is no field tomograph for surface use, using X-radiation equipment and a DDA-type image detector (Digital Detector Array).

[0004] A indústria de óleo e gás é considerada conservadora e com certa aversão ao risco. Por isto, tradicionalmente ela tem baseado os seus projetos em materiais metálicos, cabendo aos nãos metálicos aplicação em situações de baixo risco e com consequências reduzidas em caso de falha. Porém, a necessidade de exploração e produção de petróleo em cenários mais desafiadores, onde se tem maiores profundidades de trabalho, maiores níveis de pressão e fluidos corrosivos têm fomentado o redirecionamento estratégico pela escolha de materiais compósitos. Recentemente, tem-se observado na Petrobras o uso de materiais compósitos em sistemas de tubulações de captação de água do mar, grades de piso e escadas de UEPs (Unidades Estacionárias de Produção), sistemas de combate a incêndio, aplicação de reparos em regiões metálicas corroídas, eletrocalhas, tanques, tubulações e vasos de plantas de produção, risers de perfuração e produção, reparos a frio de estruturas de FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading) e cabos de ancragem de fibra de carbono (Martins, 2015). Além destas aplicações, Roseman et al (2016) reportam diversas aplicações de materiais compósitos na indústria de óleo e gás, a saber: dutos rígidos para aplicação onshore, liners para tubos de aço, umbilicais submarinos, isolamento térmico, proteção de equipamentos submarinos e camada de barreira dos dutos flexíveis. Apesar das vantagens concernentes a estes materiais e os exemplos citados acima, o seu uso ainda é pequeno com relação aos aços. Kaw (2006) reporta que o mercado norte-americano para aços está por volta de 450 bilhões de dólares por ano, enquanto o de compósitos está por volta de 10 bilhões de dólares por ano.[0004] The oil and gas industry is considered conservative and somewhat averse to risk. For this reason, it has traditionally based its projects on metallic materials, with non-metallic materials being used in low-risk situations and with reduced consequences in case of failure. However, the need for oil exploration and production in more challenging scenarios, where there are greater depths of work, higher levels of pressure and corrosive fluids have encouraged the strategic redirection of choosing composite materials. Recently, it has been observed at Petrobras the use of composite materials in piping systems for capturing seawater, floor gratings and ladders of UEPs (Stationary Production Units), fire fighting systems, application of repairs in metallic regions corroded cable trays, tanks, pipes and vessels of production plants, drilling and production risers, cold repairs of FPSO structures (Floating Production, Storage and Offloading) and carbon fiber anchoring cables (Martins, 2015). In addition to these applications, Roseman et al (2016) report several applications of composite materials in the oil and gas industry, namely: rigid pipelines for onshore application, liners for steel pipes, submarine umbilicals, thermal insulation, protection of subsea equipment and layer barrier of flexible pipes. Despite the advantages concerning these materials and the examples cited above, their use is still small in relation to steels. Kaw (2006) reports that the North American market for steel is around 450 billion dollars a year, while that of composites is around 10 billion dollars a year.

[0005] De forma geral, a literatura menciona que os materiais compósitos são mais leves, apresentam maior resistência à corrosão, maior módulo de rigidez e resistência mecânica na direção das fibras do que, por exemplo, o tradicional aço carbono. Além disto, eles têm flexibilidade de conformação, estabilidade dimensional, alta resistência dielétrica, resistência à fadiga, boa tenacidade à fratura, bom acabamento superficial e exigem baixo custo de ferramentaria (Price, 2002).[0005] In general, the literature mentions that composite materials are lighter, have greater corrosion resistance, higher stiffness modulus and mechanical strength in the direction of the fibers than, for example, traditional carbon steel. In addition, they have forming flexibility, dimensional stability, high dielectric strength, fatigue resistance, good fracture toughness, good surface finish and require low tooling cost (Price, 2002).

[0006] A integridade de materiais compósitos depende da aplicação de um conjunto de ensaios não destrutivos, pois diferentes descontinuidades podem surgir nas fases de fabricação, construção & montagem e operação dos equipamentos feitos com estes materiais. A literatura reporta as seguintes descontinuidades nos compósitos, a saber: delaminação, falta de adesivo, disbonds, porosidade, contaminação, cura inadequada, resina rica ou pobre, fibras danificadas, vazios, trincas, perda de propriedades (módulos), danos devido a impacto, danos térmicos, problemas dimensionais e orientação incorreta das fibras (Djordjevic, 2009). Desta forma, o estudo e desenvolvimento de metodologias de ensaios não destrutivos são bastante importantes para garantir com segurança a aplicação de materiais compósitos na indústria de óleo e gás. Gholizadeh (2016) menciona que os principais ENDs aplicados a materiais compósitos são os seguintes: ensaio visual, ultrassom, termografia, radiografia (convencional e digital), ensaios eletromagnéticos, emissão acústica e shereografia. Marinho et al (2016) reporta o uso das radiações terahertz e microondas para inspeção de materiais compósitos. A indústria aeronáutica lidera o desenvolvimento e aplicação de materiais compósitos. Desta forma, tal setor se encontra na vanguarda dos ENDs aplicados a estes materiais. Gholizadeh (2016) divide os ensaios não destrutivos em duas categorias, a saber: métodos com contato e métodos sem contato. A Petrobras tem adotado principalmente a inspeção visual, termografia, radiografia, ultrassom convencional, dureza Barcol e shearografia para inspeção de materiais compósitos, iniciando trabalhos com microondas e terahertz. Esforços têm sido feitos para implementar a tomografia computadorizada, como por exemplo, no desenvolvimento de um tomógrafo portável, conforme foi citado anteriormente, além do emprego desta técnica para análise de laboratório de pequenas amostras de partes rompidas durante vida útil no campo.[0006] The integrity of composite materials depends on the application of a set of non-destructive tests, as different discontinuities may arise in the manufacturing, construction & assembly and operation phases of equipment made with these materials. The literature reports the following discontinuities in composites, namely: delamination, lack of adhesive, disbonds, porosity, contamination, inadequate curing, rich or poor resin, damaged fibers, voids, cracks, loss of properties (modules), damage due to impact , thermal damage, dimensional problems and incorrect fiber orientation (Djordjevic, 2009). In this way, the study and development of non-destructive testing methodologies are very important to safely ensure the application of composite materials in the oil and gas industry. Gholizadeh (2016) mentions that the main NDTs applied to composite materials are the following: visual test, ultrasound, thermography, radiography (conventional and digital), electromagnetic tests, acoustic emission and shereography. Marinho et al (2016) report the use of terahertz and microwave radiation for inspection of composite materials. The aeronautical industry leads the development and application of composite materials. In this way, this sector is at the forefront of NDTs applied to these materials. Gholizadeh (2016) divides non-destructive testing into two categories, namely: methods with contact and methods without contact. Petrobras has mainly adopted visual inspection, thermography, radiography, conventional ultrasound, Barcol hardness and shearography for inspection of composite materials, starting work with microwaves and terahertz. Efforts have been made to implement computed tomography, for example, in the development of a portable tomograph, as previously mentioned, in addition to the use of this technique for laboratory analysis of small samples of ruptured parts during useful life in the field.

[0007] Ferreira et al (2018) inspecionou juntas laminadas de polímero reforçado com fibra de vidro com radiografia digital (tamanho focal de 1 mm, tamanho de pixel de 200 μm, tempo de exposição de 1 s e 5 frames) e tomografia (corrente de 500 μA, passo de 0,5°, tamanho de pixel de 116 pm e 131 pm) em corpos de prova de 04” e 06”. Defeitos foram inseridos propositalmente em duas amostras. Os defeitos inseridos e não planejados foram detectados por ambas as técnicas. A microCT foi usada para obter uma percentagem média do volume do reforço analisado, de aproximadamente 6,1 %, um percentual médio da matriz volumétrica de 91,6 % e um percentual de defeitos menor que 1 % para todas as amostras. Silva et al (2017) utilizou também a tomografia para caracterizar defeitos em juntas laminadas e adesivadas, onde foi possível observar que a tomografia computadorizada foi bastante útil para caracterizar os defeitos inseridos nos corpos de prova. Silva et al (2017) exibiu as dimensões lineares dos defeitos, permitindo a comparação dos mesmos com a ISO 14692 (ISO, 2017), possibilitando a avaliação e laudo da junta inspecionada. Silva et al (2017) também fez ensaios com o ultrassom convencional, comparando os resultados obtidos com ambas as técnicas. As duas técnicas possuem as suas especificidades. É importante ressaltar que a técnica de ultrassom se utiliza de equipamentos mais simples e baratos, comparativamente ao custo e complexidade de um tomógrafo. Por outro lado, a visualização dos resultados da tomografia é de mais fácil entendimento e análise. Ambas são complementares. Comparando-se os resultados obtidos com o tomógrafo médico e microCT, observa-se que detalhes mais finos são observados na microCT. Todavia, maiores tempos de exposição e limitação do conjunto fonte-detector é uma desvantagem a ser considerada na microCT quando comparada a tomografia computadorizada convencional.[0007] Ferreira et al (2018) inspected glass fiber reinforced polymer laminated joints with digital radiography (focal size of 1 mm, pixel size of 200 μm, exposure time of 1 s and 5 frames) and tomography (current of 500 μA, 0.5° pitch, pixel size of 116 pm and 131 pm) in 04” and 06” specimens. Defects were purposely inserted in two samples. Inserted and unplanned defects were detected by both techniques. MicroCT was used to obtain an average percentage of the analyzed reinforcement volume of approximately 6.1%, an average percentage of the volumetric matrix of 91.6% and a percentage of defects less than 1% for all samples. Silva et al (2017) also used tomography to characterize defects in laminated and adhesive joints, where it was possible to observe that computed tomography was very useful to characterize the defects inserted in the specimens. Silva et al (2017) displayed the linear dimensions of the defects, allowing their comparison with ISO 14692 (ISO, 2017), enabling the evaluation and report of the inspected joint. Silva et al (2017) also performed tests with conventional ultrasound, comparing the results obtained with both techniques. Both techniques have their specificities. It is important to emphasize that the ultrasound technique uses simpler and cheaper equipment, compared to the cost and complexity of a CT scanner. On the other hand, the visualization of CT results is easier to understand and analyze. Both are complementary. Comparing the results obtained with the medical tomograph and microCT, it is observed that finer details are observed in the microCT. However, longer exposure times and limitation of the source-detector set is a disadvantage to be considered in microCT when compared to conventional computed tomography.

[0008] A tomografia computadorizada (TC) é um ensaio não destrutivo com grande aplicabilidade na área médica e uso crescente na área industrial. Alahmad (2015) reporta que 67 milhões de tomografias foram realizadas nos Estados Unidos em 2006. Além da vasta e já bastante difundida aplicação da tomografia na área médica, a mesma vem sendo utilizada na indústria desde a década de 1980. Além disto, aplicações menos populares, como área forense, arqueologia, museologia, entre outras, também se utilizam da TC. Buzug (2008) menciona que a metodologia básica da tomografia computadorizada pode ser descrita da seguinte forma: reconstruir um objeto a partir de suas sombras, ou mais precisamente, de suas projeções. De maneira geral, sobre um lado do objeto a ser analisado (paciente, peça, amostra, etc.) são emitidos os raios X ou raios gama. No outro lado, estas radiações são contabilizadas pelo detector após as mesmas serem transmitidas/moduladas ao longo do objeto. Por uma perspectiva matemática, a reconstrução da imagem na tomografia computadorizada é a tarefa de inferir a estrutura espacial de um objeto a partir de suas inúmeras sombras. Buzug (2008) descreve isto como um problema matemático a ser resolvido a partir da física, matemática e ciência da computação. Este problema foi resolvido em 1917 com a transformada de Radon. Cada ângulo de projeção produz uma sombra específica, que medida com um conjunto (array) de detectores representa a integral do perfil de atenuação dos raios X. Os limites das sombras geométricas são indicados com as linhas tracejadas. Contudo, a análise do perfil sob o primeiro ângulo de projeção não permite por si inferir sobre o objeto como um todo (Buzug, 2008).[0008] Computed tomography (CT) is a non-destructive test with great applicability in the medical area and increasing use in the industrial area. Alahmad (2015) reports that 67 million CT scans were performed in the United States in 2006. In addition to the vast and widespread application of CT in the medical field, it has been used in industry since the 1980s. Popular areas, such as forensics, archeology, museology, among others, also use CT. Buzug (2008) mentions that the basic methodology of computed tomography can be described as follows: reconstructing an object from its shadows, or more precisely, from its projections. In general, X-rays or gamma rays are emitted on one side of the object to be analyzed (patient, piece, sample, etc.). On the other hand, these radiations are accounted for by the detector after they are transmitted/modulated along the object. From a mathematical perspective, image reconstruction in computed tomography is the task of inferring the spatial structure of an object from its innumerable shadows. Buzug (2008) describes this as a mathematical problem to be solved from physics, mathematics and computer science. This problem was solved in 1917 with the Radon transform. Each projection angle produces a specific shadow, which, measured with an array of detectors, represents the integral of the X-ray attenuation profile. The limits of geometric shadows are indicated with dashed lines. However, the profile analysis under the first projection angle does not allow inferring about the object as a whole (Buzug, 2008).

[0009] A obtenção das imagens tomográficas pode ser dividida em duas etapas, a saber; aquisição das projeções e reconstrução das imagens. Ambas devem ser feitas com as devidas preocupações para que se atenda aos requisitos de qualidade de inspeção. É importante ressaltar que um número razoável de variáveis não pode ser alterado durante a etapa de aquisição das projeções. Por exemplo, os parâmetros ligados ao detector e fonte de raios X, programas de reconstrução das imagens, entre outros. Ao realizar uma tomografia industrial, o operador tem que estabelecer os valores de algumas variáveis, como por exemplo, tensão, corrente, tempo de aquisição, número de frames por projeção, número de projeções e magnificação. Evidentemente, é necessário buscar um equilíbrio entre a qualidade da imagem e o tempo de aquisição de imagens. A avaliação do histograma por meio de uma dada área selecionada, anteriormente à aquisição tomográfica, é de vital importância para que se anteveja a adequação dos parâmetros estabelecidos ao objetivo da inspeção tomográfica.[0009] Obtaining tomographic images can be divided into two stages, namely; acquisition of projections and image reconstruction. Both must be done with due care in order to meet inspection quality requirements. It is important to point out that a reasonable number of variables cannot be changed during the projection acquisition stage. For example, parameters related to the X-ray detector and source, image reconstruction programs, among others. When performing an industrial tomography, the operator has to establish the values of some variables, such as voltage, current, acquisition time, number of frames per projection, number of projections and magnification. Evidently, it is necessary to seek a balance between image quality and image acquisition time. The evaluation of the histogram through a given selected area, prior to the tomographic acquisition, is of vital importance in order to foresee the adequacy of the established parameters to the objective of the tomographic inspection.

[0010] O documento US20190186658A1 revela um método para montar juntas de componentes não metálicos, tais como juntas em tubulações não metálicas. Os componentes são unidos por um adesivo contendo um aditivo absorvente de raios X para inspeção. As juntas são analisadas de maneira não destrutiva pelo posicionamento apropriado de uma fonte de raios X e um detector de raios X. Porém, não é capaz de realizar a varredura total da circunferência de maneira automática, é necessário que ou a fonte de raio X ou a tubulação sejam movimentados manualmente. Adicionalmente, a metodologia altera os procedimentos usuais de montagem de juntas de materiais compósitos, mediante o uso de aditivos na formulação do adesivo, o que não é viável nas condições práticas de campo devido às consequentes alterações nas propriedades mecânicas das juntas.[0010] Document US20190186658A1 discloses a method for assembling joints of non-metallic components, such as joints in non-metallic pipes. Components are held together by an adhesive containing an X-ray absorbing additive for inspection. Joints are analyzed non-destructively by properly positioning an X-ray source and an X-ray detector. However, it is not capable of automatically scanning the entire circumference, it is necessary that either the X-ray source or piping are moved manually. Additionally, the methodology changes the usual procedures for assembling composite material joints, through the use of additives in the adhesive formulation, which is not feasible under practical field conditions due to the consequent changes in the mechanical properties of the joints.

[0011] O documento US9433395B2 revela um dispositivo gerador de imagens através de raios X, que inclui um método para controlá-lo. O equipamento possui um emissor móvel de raios X, um detector móvel de raios X, um sensor de localização para detectar a posição do objeto a ser irradiado e um controlador para controlar o emissor ou o detector, com base nas informações do sensor de localização do objeto a ser irradiado. Embora seja capaz de se movimentar, não é capaz de se fixar no objeto a ser inspecionado e não realiza a tomografia do objeto.[0011] Document US9433395B2 discloses an X-ray image generating device, which includes a method to control it. The equipment has a mobile X-ray emitter, a mobile X-ray detector, a location sensor to detect the position of the object to be irradiated and a controller to control the emitter or detector, based on information from the location sensor of the object to be irradiated. Although it is able to move, it is not able to fix itself on the object to be inspected and does not perform a tomography of the object.

[0012] O documento US5119408A revela um método de inspeção de objetos que possuem dimensões grandes, quando comparadas a um feixe de raios X emitido por uma fonte. Para tal, um ângulo do feixe de raios X é selecionado para irradiar parte do objeto em análise, estando o mesmo em uma base que é capaz de realizar um giro de 360°. Embora seja capaz de se movimentar, sua portabilidade e montagem em tubulações não é possível.[0012] Document US5119408A reveals a method for inspecting objects that have large dimensions, when compared to an X-ray beam emitted by a source. For this, an angle of the X-ray beam is selected to irradiate part of the object under analysis, being the same on a base that is capable of performing a 360° rotation. Although it is able to move around, its portability and mounting in pipes is not possible.

[0013] Diante das dificuldades presentes no estado da técnica citado acima, e para soluções de inspeção tomográfica, surge a necessidade de desenvolver uma tecnologia capaz de realizar tomografia de maneira eficaz e que esteja em acordo com as diretrizes ambientais e de segurança. O estado da arte da técnica em aplicações fora de ambiente de laboratório, como citado acima, não conta com soluções que apresentem as características únicas que serão detalhadas a seguir na invenção ora apresentada.[0013] In view of the difficulties present in the state of the art mentioned above, and for tomographic inspection solutions, the need arises to develop a technology capable of performing tomography effectively and that is in accordance with environmental and safety guidelines. The state of the art of the technique in applications outside the laboratory environment, as mentioned above, does not have solutions that present the unique characteristics that will be detailed below in the invention presented here.

Purpose of the invention

[0014] É um objetivo da invenção o desenvolvimento de um tomógrafo portável para inspeção de tubulações em materiais compósitos.[0014] It is an objective of the invention to develop a portable tomograph for inspection of pipes in composite materials.

Brief Description of the Invention

[0015] A invenção apresenta uma ferramenta de inspeção tomográfica subdividida em acessórios, software de integração, interface com o usuário e aquisição de imagens e 3 conjuntos: Conjunto Motor (movimentação), Conjunto Inferior (suportação) e Conjunto Irradiador (contendo equipamentos de raios X e detector). A ferramenta é fixada na tubulação que se deseja inspecionar através do Conjunto Inferior e com o uso de um software de interface com o usuário, aciona-se os Conjuntos Motor e Irradiador para obter várias imagens ao redor do tubo/junta, inspecionando, portanto, este componente em 360°. Posteriormente, as imagens são trabalhadas em um software, o qual executa a reconstrução tomográfica do tubo/junta.[0015] The invention presents a tomographic inspection tool subdivided into accessories, integration software, user interface and image acquisition and 3 sets: Motor Set (handling), Lower Set (support) and Radiator Set (containing ray equipment X and detector). The tool is attached to the pipe to be inspected through the Lower Assembly and, using a user interface software, the Motor and Radiator Assembly is activated to obtain several images around the tube/joint, thus inspecting this component in 360°. Subsequently, the images are processed in software, which performs the tomographic reconstruction of the tube/joint.

[0016] Tomógrafo portável para inspeção de compósitos caracterizado por compreender um Conjunto Motor (1100), Conjunto Inferior (1200) e Conjunto Irradiador (1300).[0016] Portable tomograph for inspection of composites characterized by comprising a Motor Assembly (1100), Lower Assembly (1200) and Radiator Assembly (1300).

Brief Description of the Drawings

[0017] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos de realização da mesma. Nos desenhos, têm-se:

- A Figura 1 ilustra ο tomógrafo portável com os seus principais componentes;
- A Figura 2 ilustra o Conjunto Motor;
- A Figura 3 ilustra o Conjunto Inferior;
- A Figura 4 ilustra o Conjunto Irradiador;
- A Figura 5 ilustra um desenho esquemático de integração dos hardwares do tomógrafo;
- A Figura 6 ilustra um fluxograma de integração software/hardware.
- A Figura 7 ilustra o projeto de blindagem do tomógrafo portável.

[0017] The present invention will be described in more detail below, with reference to the attached figures which, in a schematic way and not limiting the inventive scope, represent examples of its implementation. The drawings have:

- Figure 1 illustrates the portable CT scanner with its main components;
- Figure 2 illustrates the Motor Assembly;
- Figure 3 illustrates the Lower Assembly;
- Figure 4 illustrates the Radiator Set;
- Figure 5 illustrates a schematic drawing of the integration of the tomograph hardware;
- Figure 6 illustrates a software/hardware integration flowchart.
- Figure 7 illustrates the shielding design of the portable CT scanner.

Detailed Description of the Invention

[0018] Abaixo segue descrição detalhada de um projeto preferencial para a configuração da presente invenção, de cunho exemplificativo e de forma nenhuma limitativo. Não obstante, ficará claro para um técnico no assunto, a partir da leitura desta descrição, possíveis alterações adicionais da presente invenção ainda compreendidas pelas características essenciais e opcionais abaixo.[0018] Below is a detailed description of a preferred project for the configuration of the present invention, by way of example and in no way limiting. Nevertheless, it will be clear to a person skilled in the art, from reading this description, possible additional changes of the present invention still comprised by the essential and optional features below.

[0019] O tomógrafo portável (1000) é subdividido em 3 conjuntos: Conjunto Motor (1100), Conjunto Inferior (1200) e Conjunto Irradiador (1300). Na figura 1 apresenta-se o tomógrafo portável (1000), composto de partes móveis em alumínio (1400), girante inferior (1500), anéis de fixação (1600), motor (1101), equipamento de raios X (1302) (fonte) e DDA (1307) (detector). Adicionalmente, a blindagem (1700) é realizada com emprego, preferencialmente, de chapas de chumbo revestidas com alumínio. Seu dimensionamento se deu através de um estudo sobre radioproteção, com medição e registro de doses nas vizinhanças do tomógrafo e em várias direções.[0019] The portable tomograph (1000) is subdivided into 3 sets: Motor Set (1100), Lower Set (1200) and Radiator Set (1300). Figure 1 shows the portable tomograph (1000), composed of moving parts in aluminum (1400), lower swivel (1500), fixation rings (1600), motor (1101), X-ray equipment (1302) (source ) and DDA (1307) (detector). Additionally, the shielding (1700) is carried out using, preferably, lead sheets coated with aluminum. Its sizing took place through a study on radioprotection, with measurement and recording of doses in the vicinity of the tomograph and in several directions.

[0020] O sistema compreende uma fonte (1302) e um detector (1307) montados em cima do Conjunto Inferior (1200) com capacidade de rotação em torno de uma estrutura fixa (ex.: tubo). Esta se desloca por meio de um motor de passo (1101), sendo este fixo ao Conjunto Inferior (1200) o qual está preso à tubulação (x).[0020] The system comprises a source (1302) and a detector (1307) mounted on top of the Lower Assembly (1200) capable of rotation around a fixed structure (eg tube). This moves through a stepper motor (1101), which is fixed to the Lower Assembly (1200) which is attached to the pipe (x).

[0021] Na figura 2, vemos o Conjunto Motor (1100) com os seus componentes: motor de passo (1101); redutor (1102); suporte do motor (1103); corrente (1104); pinhão motriz (1105); pinhão de ajuste (1106); parafusos (1107, 1112); arruela (1108); pinhão de transmissão (1109); pino cilíndrico com cabeça (1110); eixo de transmissão (1111); tubo suporte (1113); porcas (1114, 1117, 1119); rolamento do transmissor (1115); rolamento do ajuste (1116); eixo de ajuste (1118); parafuso do redutor (1120) e parafuso do motor (1121).[0021] In figure 2, we see the Motor Assembly (1100) with its components: stepper motor (1101); reducer (1102); engine support (1103); current(1104); driving pinion (1105); adjustment pinion (1106); screws (1107, 1112); washer (1108); transmission pinion (1109); headed cylindrical pin (1110); transmission shaft (1111); support tube (1113); nuts (1114, 1117, 1119); transmitter bearing (1115); adjustment bearing (1116); adjustment axis (1118); reducer screw (1120) and motor screw (1121).

[0022] O tomógrafo portável (1000) é fixado na linha que se deseja inspecionar através do acoplamento do Conjunto Inferior (1200), que é bipartido. Na figura 3 vemos Conjunto Inferior (1200) com os seus componentes: rolamentos (1201, 1203); rolamento externo (1202); guia bipartida (1204); rolamento interno (1205); parafusos (1206, 1215); cremalheira (1207); disco móvel inferior (1208); suporte para rolamento (1209); engrenagem (1210); arruela (1211); eixo transmissor (1212); rolamento transmissor (1213); pino cilíndrico com cabeça (1214); fixador (1216) e disco fixo bipartido (1217).[0022] The portable tomograph (1000) is attached to the line to be inspected by coupling the Lower Assembly (1200), which is bipartite. In figure 3 we see Lower Assembly (1200) with its components: bearings (1201, 1203); outer bearing (1202); bipartite guide (1204); inner bearing (1205); screws (1206, 1215); rack (1207); lower mobile disk (1208); bearing support (1209); gear (1210); washer (1211); transmitter axis (1212); transmitter bearing (1213); headed cylindrical pin (1214); fastener (1216) and split fixed disc (1217).

[0023] Na figura 4, vemos o Conjunto Irradiador (1300) com os seus componentes: disco móvel superior (1301); fonte (1302); cantoneira abas desiguais (1303); placa posicionadora (1304); cantoneira (1305); disco móvel inferior (1306); detector (1307); cantoneira abas iguais (1308) e parafuso (1309).[0023] In figure 4, we see the Radiator Assembly (1300) with its components: upper movable disk (1301); source(1302); unequal flap angle bracket (1303); positioner plate (1304); angle bracket (1305); lower mobile disk (1306); detector (1307); corner bracket equal wings (1308) and screw (1309).

[0024] Com uso do software de interface com o usuário, integração entre componentes da ferramenta e aquisição de imagens, o qual foi desenvolvido exclusivamente para o tomógrafo portável (1000), o acionamento dos Conjuntos Irradiador (1300) e Motor (1100) se dá pelo clique do usuário após seleção dos parâmetros de exposição radiográfica. Várias imagens são aquisitadas ao longo do giro dos Conjuntos Irradiador (1300) e Motor (1100) ao redor do tubo/junta inspecionado em uma trajetória completa de 360°. Estas imagens são posteriormente trabalhadas em um software, o qual executa a reconstrução tomográfica do tubo/junta.[0024] Using the user interface software, integration between tool components and image acquisition, which was developed exclusively for the portable tomograph (1000), the activation of the Irradiator (1300) and Motor (1100) sets is gives by user click after selection of radiographic exposure parameters. Several images are acquired as the Radiator (1300) and Motor (1100) Sets rotate around the inspected pipe/joint in a complete 360° trajectory. These images are later processed in a software, which performs the tomographic reconstruction of the tube/joint.

[0025] A inovação do tomógrafo portável (1000) está no fato de ser a primeira ferramenta portável e prática para realização de tomografia de tubulações de materiais compósitos e suas juntas coladas. Da mesma forma é o primeiro tomógrafo portável de superfície. Este tomógrafo portável (1000) não encontra paralelo, uma vez que os tomógrafos comerciais são equipamentos de exclusivo em laboratório, com peso e dimensões que não permitem sua implantação no campo. O software controla também os acessórios e é subdividido nos seguintes módulos: módulo driver motor, módulo driver RX, módulo driver flat panel, módulo serviço aquisição e módulo serviço exportação. O módulo driver motor é responsável pelo deslocamento do conjunto tubo de raios X - detector em torno do objeto a ser inspecionado. O módulo driver RX é responsável pelo acionamento (turn on/off) do equipamento de raios X, determinação da tensão e corrente. O módulo de serviço de aquisição é responsável pela aquisição das projeções radiográficas, assim como a determinação do tempo/frame e número de frames/imagem. O módulo serviço exportação é responsável pelo envio das imagens das projeções radiográficas para um hard-drive, as quais serão posteriormente utilizadas para a reconstrução tomográfico.[0025] The innovation of the portable tomograph (1000) lies in the fact that it is the first portable and practical tool for performing tomography of pipes made of composite materials and their glued joints. Likewise, it is the first portable surface tomograph. This portable tomograph (1000) is unparalleled, since commercial tomographs are exclusive equipment in the laboratory, with weight and dimensions that do not allow its deployment in the field. The software also controls the accessories and is subdivided into the following modules: motor driver module, RX driver module, flat panel driver module, acquisition service module and export service module. The motor driver module is responsible for moving the X-ray tube - detector assembly around the object to be inspected. The RX driver module is responsible for activating (turn on/off) the X-ray equipment, determining the voltage and current. The acquisition service module is responsible for acquiring radiographic projections, as well as determining the time/frame and number of frames/image. The export service module is responsible for sending the images of radiographic projections to a hard-drive, which will later be used for tomographic reconstruction.

[0026] O software de integração, interface com o usuário e aquisição de imagens (controle de fonte de raios X, motor e detector) apresenta as seguintes características: i) contador de tempo da emissão de raios X; ii) limites de configuração de corrente/tensão; iii) função reset, proteção de overload; iv) configuração na tela de controle de raios X; v) implementação da função raios X de uma imagem (single shot) somente para teste imediato; vi) opção de arquivamento das imagens em um diretório selecionado pelo usuário; vii) indicação na linha de seleção do nome da imagem de ganho adotada pelo usuário; viii) controle do motor; ix) geração de arquivo TIFF para que a imagem gerada seja utilizável pelo software de reconstrução; e x) operação via wi-fi.[0026] The integration, user interface and image acquisition software (X-ray source control, motor and detector) has the following characteristics: i) X-ray emission time counter; ii) current/voltage configuration limits; iii) reset function, overload protection; iv) configuration on the X-ray control screen; v) implementation of the X-ray function of an image (single shot) only for immediate testing; vi) option to archive the images in a directory selected by the user; vii) indication in the selection line of the gain image name adopted by the user; viii) engine control; ix) TIFF file generation so that the generated image can be used by the reconstruction software; and x) operation via Wi-Fi.

[0027] O software faz todo o controle do sistema tomográfico e permite fazer o controle do motor (1101), calibração, controle da aquisição do detector (1307) e controle da fonte (1302). As projeções tomográficas são salvas em um diretório pré-determinado e, posteriormente, tais projeções são utilizadas em um software comercial para reconstrução do sólido 3D. A figura 5 mostra um desenho esquemático da integração dos hardwares do tomógrafo (x).[0027] The software performs all the tomographic system control and allows controlling the motor (1101), calibration, detector acquisition control (1307) and source control (1302). The tomographic projections are saved in a predetermined directory and, later, such projections are used in a commercial software for reconstruction of the 3D solid. Figure 5 shows a schematic drawing of the integration of the tomograph hardware (x).

[0028] O software de controle da fonte (1302) foi desenvolvido em linguagem Java e possui as seguintes funcionalidades: on/off e inserção dos parâmetros de controle do equipamento de raios X (tensão, corrente e tamanho focal). A comunicação foi feita por protocolo serial. O software de controle do detector (1307) foi também escrito em Java, sendo necessário fazer a interface com o código fonte oriundo detector cuja linguagem foi elaborada em C++. A comunicação foi feita por protocolo TCP (Transmission Control Protocol). Por fim, foi construído em Java o software de controle do motor de passo (1101), sendo que a comunicação entre eles foi feita em protocolo serial. Após a construção destes três 3 softwares, foi feita a integração dos mesmos por meio de um outro software em Java. Este faz a comunicação entre os softwares de controle do detector (1307), fonte (1302) e motor de passo (1101), com o software de interface, por meio do qual o usuário faz a inserção dos parâmetros de controle do tomógrafo (1000). Na figura 6 é representado esquematicamente o fluxograma do software de integração.[0028] The source control software (1302) was developed in Java language and has the following functionalities: on/off and insertion of X-ray equipment control parameters (voltage, current and focal size). Communication was done by serial protocol. The detector control software (1307) was also written in Java, making it necessary to interface with the source code from the detector whose language was created in C++. The communication was made by TCP protocol (Transmission Control Protocol). Finally, the stepper motor control software (1101) was built in Java, and the communication between them was done in serial protocol. After building these three softwares, they were integrated using another software in Java. This makes the communication between the detector control software (1307), source (1302) and stepper motor (1101), with the interface software, through which the user inserts the tomograph control parameters (1000 ). Figure 6 schematically represents the flowchart of the integration software.

[0029] A blindagem (1700) é constituída por placas de alumínio e de chumbo com 2 mm e 1 mm de espessura e é capaz de atender aos requisitos normativos nacionais e internacionais. A figura 7 mostra o projeto de blindagem do protótipo.[0029] The shield (1700) consists of aluminum and lead plates with 2 mm and 1 mm thickness and is capable of meeting national and international regulatory requirements. Figure 7 shows the prototype shield design.

Claims

PORTABLE TOMOGRAPH FOR COMPOSITE INSPECTION characterized by comprising a Motor Assembly (1100), Lower Assembly (1200) and Radiator Assembly (1300) and software divided into independent modules for user interface, integration between components and image acquisition.

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that it comprises moving parts in aluminum (1400), lower swivel (1500), fixing rings (1600), motor (1101), an X-ray source (1302) and a detector ( 1307).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Radiator Assembly (1300) comprises a source (1302) and a detector (1307) and are mounted on top of the Lower Assembly (1200) capable of rotation around a fixed structure.

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Lower Assembly (1200) moves by means of a stepper motor (1101).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Motor Assembly (1100) comprises: stepper motor (1101); reducer (1102); engine support (1103); current(1104); driving pinion (1105); adjustment pinion (1106); screws (1107, 1112); washer (1108); transmission pinion (1109); headed cylindrical pin (1110); transmission shaft (1111); support tube (1113); nuts (1114,1117,1119); transmitter bearing (1115); adjustment bearing (1116); adjustment axis (1118); reducer screw (1120) and motor screw (1121).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Lower Assembly (1200) is bipartite.

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Lower Assembly (1200) comprises: bearings (1201, 1203); outer bearing (1202); bipartite guide (1204); inner bearing (1205); screws (1206, 1215); rack (1207); lower mobile disk (1208); bearing support (1209); gear (1210); washer (1211); transmitter axis (1212); transmitter bearing (1213); headed cylindrical pin (1214); fastener (1216) and split fixed disc (1217).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Radiator Assembly (1300) comprises; upper movable disc (1301); source(1302); unequal flap angle bracket (1303); positioner plate (1304); angle bracket (1305); lower mobile disk (1306); detector (1307); corner bracket equal wings (1308) and screw (1309).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the motor driver module rotates 360° around the tube/joint, where the acquisition services module acquires images through the export service module, and after the acquisition sends the images to a storage device, where finally the tomographic reconstruction of the tube/joint is performed by an external commercial software for reconstruction of the 3D solid.

TOMOGRAPH, according to claim 9, characterized by the software having the RX driver module which is responsible for activating the X-ray equipment through the control of the operating parameters comprised by the values of voltage and electric current.

TOMOGRAPH, according to claim 9, characterized in that the acquisition service module has the function of determining the frame time (frames) and the number of frames (frames) per image.

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the software integrates all modules.

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized by software capable of controlling the tomographic system and allowing control of the motor (1101), calibration and control of the acquisition of the detector (1307) and control of the source (1302).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the user interface software integrates and communicates between the detector (1307), source (1302) and stepper motor (1101) control software, in which the user inserts the tomograph control parameters (1000).

TOMOGRAPH, according to claim 1, characterized in that the Radiator Assembly (1300) has a shield (1700) consisting of plates that are preferably composed of aluminum and lead between 1 mm and 2 mm thick.