BR112015013573B1

BR112015013573B1 - método de teste de um tubo reformador de aço austenítico.

Info

Publication number: BR112015013573B1
Application number: BR112015013573-0A
Authority: BR
Inventors: Michael Masleid; George Tsvik; Zofia Niemczura
Original assignee: Arcelormittal Investigacion Y Desarrollo, S.L.
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2020-11-03
Also published as: US20150300989A1; EP2929342A2; JP6545872B2; CA2893330A1; ES2765182T3; MY175114A; JP2018189656A; KR20150093234A; WO2014093404A2; PL2929342T3; HUE047605T2; US10060882B2; MX347147B; USRE48734E1; SA515360550B1; KR20160128436A; EP2929342A4; MX2015007368A; EP2929342B1; JP2016506502A

Abstract

MÉTODO DE TESTE DE UM TUBO REFORMADOR DE AÇO AUSTENÍTICO A presente invenção refere-se a métodos de ensaios não destrutivos e aparelhos para isso. Mais especificamente, a mesma se refere a métodos e aparelhos de ensaio não destrutivos (NDT) para tubos reformadores de aço austenítico e similares. Mais especificamente, a mesma se refere a um método e aparelho eletromagnético para a detecção precoce de alterações prejudiciais na microestrutura da liga antes que quaisquer outros métodos NDT disponíveis possam detectar as mesmas, desse modo, estimando a condição e a vida útil restante para tubos reformadores de aço austenítico em serviço. Trata-se de métodos e aparelhos de teste para testar a condição dos tubos de aço usados em reformadores e outros tubos e canos usados em outras aplicações de temperatura alta. O método inclui as etapas para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais, em que cada um tem uma frequência diferente F1 e F2 no tubo reformador, receber um sinal de resposta e analisar as frequências de intermodulação do sinal de resposta recebido para determinar o estado do tubo reformador de aço.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a métodos de ensaios não destrutivos e aparelhos para isso. Mais especificamente, a mesma se refere a métodos e aparelhos de ensaio não destrutivos (NDT) para tubos reformadores de aço austenítico e similares. Mais especificamente, a mesma se refere a um método e aparelho eletromagnético para a detecção precoce de alterações prejudiciais na microestrutura da liga antes que quaisquer outros métodos NDT disponíveis possam detectar as mesmas, desse modo, estimando a condição e a vida útil restante para tubos reformadores de aço austenítico em serviço.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os tubos reformadores de aço austenítico são usados em diversos processos químicos. Os exemplos incluem tubos usados para produzir amónia, metanol, hidrogênio, ácidos nítricos e ácidos sulfúricos e craqueamento de petróleo. Os tubos reformadores, também chamados de tubos catalisadores, é um dos componentes de maior custo de tais instalações, tanto em capital quanto em manutenção. Uma instalação típica consiste em diversas centenas de tubos verticais. Esses tubos representam um custo significativo para substituição e podem ser uma fonte principal da inviabilidade da instalação se falhas não planejadas ocorrerem.

[003] Tais tubos são submetidos tipicamente a temperaturas altas, gradientes de temperatura, alterações de pressão e contato com substâncias corrosivas. Sob tais situações, fluência, empoeiramento de metal e irregularidades de superfície frequentemente se desenvolvem. A fluência é um processo relacionado à difusão que se desenvolve gradualmente. As indicações não são notáveis pelo operador de reformador. A fluência forma espaços vazios microscópicos que se coalescem e, eventualmente, formam fissura de fluência (rachaduras). Se não tratada, a fluência irá se desenvolver em rachaduras que se propagarão resultando em falhas catastróficas do tubo durante o serviço.

[004] O operador de instalação se depara com necessidades de produção equilibrada contra a vida útil e o risco de falha do tubo. Durante a operação da instalação, os tubos preenchidos com catalisador são aquecidos externamente para permitir que a reação de reformação ocorra. Uma das preocupações principais na operação de instalação consiste no fato de que os tubos reformadores operam a uma temperatura altamente elevada (até 1.150 a 1.200 °C) de modo que esses estejam suscetíveis à falha do mecanismo referida acima como "fluência". Essa condição existe devido às temperaturas e tensões elevadas impostas pela pressão interna, gradientes térmicos e ciclos de carregamento mecânico. Ter capacidade para identificar e localizar tal dano em seus estágios iniciais é essencial para melhorar a operação de instalação e estender a vida útil do tubo.

[005] Os métodos de ensaio não destrutivo (NDT) conhecidos baseados nas medições de intermodulação são usados para encontrar materiais condutivos não lineares contidos em um substrato não condutivo. Um método diferente é necessário para lidar com materiais magnéticos não lineares contidos em um substrato condutivo. Os métodos NDT existentes para aço austenítico tem como base medições em formato de laser, teste de corrente parasita para rachaduras de superfície e teste de ultrassom para rachaduras de subsuperfície. Esses métodos são úteis, mas dizem pouco ou nada sobre as alterações precoces na vida útil do material. Além disso, os métodos existentes exigem conhecimento das condições iniciais do material e estão sujeitos a erro devido às alterações nas condições de superfície.

[006] As técnicas de inspeção NDT convencionais aplicadas atualmente aos tubos reformadores são orientadas para encontrar danos de fluência na forma de rachadura interna. No entanto, com a tendência voltada para diâmetros de tubos mais largos e intervalos mais longos entre os reviramentos, a detecção de tais defeitos pode não permitir o tempo suficiente para planejamento futuro das substituições de tubo. Adicionalmente, as técnicas de "fim de vida” não permitem nenhuma diferenciação entre os tubos em condições "boas" e os tubos em condições "ruins". A detecção precoce de vida de tubo subutilizada pode impedir tanto a produção não realizada através da operação muito fria do mesmo quanto à "concessão" da vida útil do tubo caso os tubos em bom estado sejam descartados prematuramente

[007] Tipicamente, o ensaio destrutivo é usado em um número menor de tubos removidos do reformador para tentar e determinar a vida absoluta restante. Independente do método usado, os resultados são usados em um tamanho de amostra que não é válido estatisticamente. É preferível que todos os tubos sejam avaliados com uma técnica NDT para caracterizar suas condições relativas.

[008] Os tubos reformadores sofrem deformação por fluência, na forma de um crescimento longitudinal e/ou diametral a partir do primeiro dia em que os mesmos são ligados. A medição do alongamento de efluência de tais tubos é o método de detecção de deterioração mais popular em uso atualmente, mas esse método é muito impreciso para monitorar a deterioração de tubo em serviço. Isso ocorre porque não há método conhecido para medir o crescimento longitudinal local, apenas o crescimento total que é medido ao longo de toda a extensão do tubo.

[009] A medição do crescimento diametral é mais precisa, mas pode resultar em medições imprecisas precoces na vida de serviço de um tubo devido ao efeito de escama. Isto é, a medição precisa de um crescimento circunferencial é dificultada pelo crescimento e escamação de uma camada de corrosão (escama) na superfície do tubo que imita a expansão diametral. A medição do crescimento diametral exige, também, equipamento de ascensão de tubo.

[010] A habilidade de medir e registrar precisamente a deterioração de tubo significa que a condição dos tubos pode ser monitorada no dia um. Portanto, não só os tubos individuais podem ser retirados de serviço em um tempo adequado, mas também o reformador como um todo pode ser investigado para o desempenho.

[011] Para ter uma idéia do escopo do problema a ser solucionado, deve-se observar que, no momento, a ArcelorMittal tem 8 reformadores que usam cerca de 2.500 tubos reformadores. Os tubos são muito dispendiosos, custando mais de $30.000, cada um, mais os custos de catalisador que dobram os custos do tubo em conjunto com os custos de instalação. Os reformadores operam continuamente a partir de 2 a 5 anos entre os desligamentos frios.

[012] Um método é necessário para avaliar a condição atual do tubo durante o desligamento frio agendado e remover os tubos em condições ruins para evitar a falha catastrófica de quaisquer tubos durante o período de operação de 2 a 5 anos. Tal falha pode resultar em um desligamento prematuro do reformador e em perda significativa de tempo e dinheiro.

[013] Além disso, uma ferramenta é necessária para investigar o desempenho do reformador como um todo porque as condições de operação do reformador podem não ser consistentes de uma região de reformador à outra. Se o aumento na deterioração dos tubos for mais rápido em certas regiões reformadoras, isso indica que a condição de operação de reformador não é bem equilibrada. O ajuste fino do reformador para o melhor equilíbrio irá melhorar a produtividade e salvar os tubos que de outra forma deteriorariam mais rapidamente nessa área. O objetivo consiste em detectar a anormalidade de operação de reformador suficientemente cedo para impedir a deterioração mais rápida dos tubos visto que as alterações que ocorrem na microestrutura de tubo devido à condição de operação são irreversíveis.

[014] Consequentemente, há uma necessidade de um método e aparelho automáticos para o exame dos tubos reformadores. O método deve ser não destrutivo e ter a capacidade de detectar alterações muito cedo na liga de tubo para permitir o ajuste do reformador enquanto ainda houver tempo para salvar os tubos. Adicionalmente, o método e o aparelho devem ter a capacidade de fornecer uma estimativa de "aviso de vida de tubo" para auxiliar nas decisões de substituição de tubo.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[015] A presente invenção compreende um método e aparelho para medir/testar o grau de deterioração de um tubo reformador de aço austenítico. O presente método se beneficia do fenômeno metalúrgico que, conforme a liga de tubo paramagnético se deteriora, a mesma desenvolve regiões ferromagnéticas que, em estágios iniciais, são extremamente pequenas e indetectáveis por outro método disponível. Os presentes inventores concluíram que há boa correlação entre as propriedades magnéticas de liga e a vida dos tubos de liga de Cr-Ni resistentes a calor. O presente projeto de método e aparelho utiliza a correlação encontrada entre as propriedades magnéticas da liga, transformações estruturais e tempo de vida de serviço dos tubos de liga de Cr-Ni resistentes a calor. O método e o aparelho utilizam a correlação para medir danos térmicos dos tubos causados pelo ambiente de serviço de temperatura alta.

[016] O método inclui as etapas para fornecer um tubo reformador de aço austenítico de amostra a ser testado, escolher uma ou mais posições de teste no dito um tubo reformador de aço austenítico, transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais, em que cada um tem uma frequência diferente F1 e F2, em uma posição de teste no tubo reformador de aço austenítico, receber um sinal de resposta da dita posição de teste e analisar as ditas magnitudes de frequência fundamental e de intermodulação de sinal de resposta recebido para determinar o estado do tubo reformador de aço austenítico na dita posição de teste.

[017] A etapa para receber um sinal de resposta da posição de teste pode incluir receber um sinal de resposta analógico em uma bobina receptora. A etapa para receber um sinal de resposta da posição de teste pode inclui adicionalmente a etapa para converter o sinal de resposta analógico em um sinal de resposta digital, com o uso de um conversor analógico em digital. O conversor analógico-digital pode ter uma frequência de amostragem Fs. A etapa para converter o dito sinal de resposta analógico em um sinal de resposta digital, com o uso de um conversor analógico-digital que pode incluir a combinação de múltiplas amostras em uma amostra representante única, em que o número de amostras que são combinadas na dita amostra representativa única pode ser designado conforme o tamanho de amostra Ss. O tamanho de amostra Ss pode ser uma potência inteira de 2. O tamanho de amostra Ss pode ser um número selecionado a partir do grupo que consiste em 4.096, 8.192 e 16.384 amostras. A frequência de amostragem Fs pode ser 44.100 amostras por segundo.

[018] A etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais pode incluir a etapa para definir uma frequência de base Fo, em que Fo=Fs/Ss. A etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais pode incluir adicionalmente a etapa para escolher as das duas frequências F1 e F2 de modo que: Fi = N x Fo; F2 = P x Fo; em que N e P são números inteiros, em que N é diferente de P e N e P são escolhidos de modo que nenhuma frequência de intermodulação, F(Q,R) = Q x Fi + R x F2 seja igual a um múltiplo integral de Fi ou F2 para valores de números inteiros (positivos ou negativos) pequenos, diferentes de zero de Q e R.

[019] A etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais pode compreender transmitir ambos os sinais a partir de uma bobina transmissora única ou pode compreender transmitir cada um dos sinais a partir de bobinas transmissoras individuais. As bobinas de transmissão têm um diâmetro maior que a espessura do tubo de amostra a ser testado. A etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais que pode compreender a criação de sinais eletromagnéticos sinusoidais analógicos com o uso de pelo menos um gerador de sinal digital para analógico. Os dois sinais eletromagnéticos sinusoidais podem, também, ser criados por dois geradores de sinal.

[020] A etapa para analisar as frequências de intermodulação e fundamentais de sinal de resposta recebidos pode compreender as frequências fundamental de primeira ordem e de intermodulação de terceira ordem do dito sinal de resposta. O Fundamental pode ser F2. As frequências de intermodulação de terceira ordem podem ser 2Fi + F2 e Fi + 2F2. A etapa para analisar as frequências de intermodulação de terceira ordem pode compreender a conversão da razão da magnitude das frequências de intermodulação de terceira ordem à magnitude da frequência fundamental em decibéis dB.

[021] A intensidade das frequências de intermodulação de terceira ordem que foram convertidas em decibéis dB pode ser comparada à mesma medição dos tubos reformadores de aço austenítico novos e de fim de vida útil. Método que inclui a etapa adicional de estimativa da vida útil restante do tubo reformador de aço austenítico como uma fração da vida útil presente do tubo reformador de aço austenítico pelas formulas a seguir: vida útil fracionária restante Lr =|Se-Sn| / |Se-So|; e vida útil estimada restante Tr =(Lr /(1 -Lr)) x Tn, em que: Lr é a porcentagem estimada de vida útil restante; Se é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB de um tubo reformador de aço austenítico no fim da vida útil; Sn é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB da amostra de teste atual; So a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem quando não há tubo presente sob a sonda ou a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem de um tubo novo que foi aquecido à temperatura de operação por algumas horas, a que for maior; Tr é p tempo de vida útil restante estimado para a amostra de teste; e Tn é a vida útil presente da amostra de teste.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[022] A Figura 1 é uma retratação esquemática de um sistema de medição de sonda da presente invenção que pode ser usado no método da presente invenção;

[023] As Figuras 2a e 2b são plotagens em duas dimensões (2D) dos sinais de frequência de intermodulação (convertidos em dB) em comparação com a distância ao longo do tubo para um tubo reformador completamente novo (2a) e um tubo que esteve em serviço por 5 anos (2b);

[024] A Figura 3 é uma plotagem do sinal de frequência de intermodulação convertido em dBc ao longo da extensão de diversos tubos reformadores da mesma composição após extensão diferente de serviço dentro do reformador;

[025] As Figuras 4a e 4b são micrografias ópticas em corte transversal de uma amostra de tubo reformador usada (tipo 28 % de Cr, 48 % de Ni), que esteve em serviço por 5 anos em uma seção de resfriador do reformador;

[026] As Figuras 5a e 5b são micrografias ópticas em corte transversal de uma amostra de tubo reformador usada (tipo 28 % de Cr, 48 % de Ni) que estiveram em serviço por cinco anos, mas foram expostas a uma região mais quente da fornalha; e

[027] As Figuras 6a e 6bsão micrografias ópticas em corte transversal de uma amostra de tubo reformador usada (tipo 28 % de Cr, 48 % de Ni) que estiveram em serviço por cinco anos, mas foram expostas à região mais quente da fornalha.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[028] A presente invenção refere-se a métodos e aparelhos de teste para testar a condição dos tubos de aço usados em reformadores e outros tubos e canos usados em outras aplicações de temperatura alta. Os inventores usam uma técnica de intermodulação eletromagnética para medir o ferromagnetismo gerado na liga paramagnética durante o serviço. O sinal ferromagnético é inicialmente menor, mas aumenta com a extensão do serviço e a gravidade do ambiente térmico. Os métodos NDT de corrente parasita convencionais não têm a capacidade de detectar esse nível muito baixo de deterioração. Acredita-se que o ferromagnetismo, no estágio inicial da deterioração, se desenvolve nas zonas exaurida de Cr de subescala da parede de tubo, em tomo dos carbonetos e ao longo dos limites de grão, em que, desse modo, cria uma rede distinta de canais durante todo o material paramagnético.

[029] Para aplicar técnicas de intermodulação de sinal através de um meio condutivo (por exemplo, os tubos reformadores de aço) é necessário usar sinais de frequência extra baixos para penetrar rapidamente durante todo o substrato. A configuração de campo deve ser escolhida para ignorar os efeitos de superfície e para fornecer sensibilidade uniforme razoável durante todo o substrato. As técnicas de processamento de sinal são usadas para alcançar sensibilidade suficiente. Além disso, porque a deterioração e a falha desses materiais são um fenômeno local, é necessário ter a capacidade para varrer o substrato inteiro, preferivelmente o mais rápido possível.

[030] Genericamente, o método consiste em usar a sonda da presente invenção para transmitir um par de sinais eletromagnéticos em frequências diferentes no material a ser testado. A sonda, então, registra a resposta do material para o par de sinais e essa resposta é usada para determinar o estado físico do material.

[031] Para compreender mais completamente as presentes invenções, a sonda e o critério/técnica de teste serão descritos. Portanto, as especificações do uso da sonda e as técnicas para determinar a condição e projetar a expectativa de vida útil dos tubos de aço que foram submetidos a ambientes de temperatura alta serão descritas.

A SONDA

[032] A Figura 1 é uma retratação esquemática de um sistema de medição de sonda da presente invenção. O material a ser testado 1 é, também, mostrado na Figura 1. Dois geradores de corrente sinusoidal 2, mostrados nesse como D/A 1 e D/A 2, são usados para acionar um campo magnético variável complexo na amostra 1 através de duas bobinas transmissoras 3. Embora essa realização exemplificative retrate dois circuitos transmissores para simplificar o projeto de circuito, uma sonda pode ser projetada com o uso de apenas um. As bobinas transmissoras 3 têm preferencialmente um diâmetro maior que a espessura da amostra 1 de modo que os campos magnéticos sob o centro das bobinas transmissoras 3 sejam essencialmente uniformes. As bobinas transmissoras 3 são dispostas coaxialmente. A bobina receptora 4 é posicionada nessa região de campos magnéticos essencialmente uniformes dentro de duas bobinas transmissoras 3. As tensões induzidas na bobina receptora 4 são detectadas e usadas para determinar as informações em relação às amostras 1 que são testadas. Preferencialmente, um conversor analógico em digital (A/D) 5 é usado para converter a tensão induzida na bobina receptora 4 em amostras digitais que são enviadas ao microprocessador 7. Todos os equipamentos eletrônicos da sonda usam um relógio comum 6.

[033] Embora a descrição acima da sonda inclua duas bobinas transmissoras 3 e dois geradores de corrente sinusoidal 2, essa não é a única configuração que funcionará para alcançar as medições desejadas. Por exemplo, uma bobina transmissora única 3 e o gerador único 2 pode ser usado para produzir os dois sinais. Esse é a sonda menos custosa para ser construída. O gerador 2 é muito mais custoso visto que tem um valor de IMD (distorção de modulação interna) muito baixo. Em outra configuração, a sonda pode ter uma bobina única 3 e dois geradores 2. Essa realização é, provavelmente, mais custosa para construir que a realização de bobina/gerador único visto que há dois geradores 2 e o(s) amplificador(es) final(is) deve(m) ter a capacidade de combinar os sinais.

[034] Em ainda outra realização, a sonda pode ter duas bobinas 3 e um gerador único 2. Essa realização é mais custosa que a bobina/gerador único, mas as duas bobinas 3 adicionam flexibilidade. Se as duas bobinas 3 forem usadas no modo "puxar-empurrar", o amplificador final será mais fácil para construir. A realização descrita acima que inclui duas bobinas 3 e dois geradores 2 é a única configuração de sensibilidade alta que pode ser construída sem componentes de IMD baixos. Em uma variante dessa realização, as bobinas carregam componentes de corrente CC em juxtaposição que podem cancelar ou melhorar os campos magnéticos elétricos.

[035] Finalmente, há uma realização que inclui quatro bobinas 3 e dois geradores 2. A bobina seria muito difícil de montar, mas os dois geradores e amplificadores seriam mais fáceis visto que ambos podem ser operados em modo puxar-empurrar. Se uma segunda sonda for usada, as bobinas nas duas sondas serão conectadas em série, com o sentido do segundo sinal revertido na segunda sonda. Isso cancela mutuamente o efeito de inductância, que melhora consideravelmente os sinais transmitidos. Isso fornece a maior sensibilidade possível com a tecnologia disponível.

Uso GERAL DA SONDA

[036] Independente da configuração específica da sonda, dois sinais sinusoidais são criados e transmitidos em uma amostra a ser testada. A razão para usar dois sinais é agora discutida. As tensões são induzidas na bobina receptora pelo(s) sinal(is) transmitido(s) e quaisquer alterações pequenas induzidas pela amostra que é testada serão indistinguíveis em comparação à potência do sinal transmitido. Desse modo, a potência em algumas frequências, que não está presente no sinal transmitido, precisa ser medida. A amostra de teste também criará, provavelmente, harmônicos do sinal transmitido (isto é, onde x for a frequência do sinal transmitido, os harmônicos seriam 2x, 3x, 4x, etc) que será recebido pela bobina receptora. Desse modo, através da leitura dos sinais de harmônico criados pelas amostras pode fornecer informações úteis na amostra que é testado. Infelizmente, os geradores de sinal também produzirão, provavelmente, harmônicos do sinal transmitido e, novamente, o sinal produzido pela amostra será, provavelmente, menor (isto é, ruído) em comparação com os harmônicos transmitidos. Finalmente, quando dois sinais são transmitidos na amostra, quaisquer propriedades elétricas ou magnéticas não lineares na amostra que é testada produzirão produtos de intermodulação de dois sinais transmitidos, que são também recebidos pela bobina receptora. As frequências dos produtos de intermodulação são combinações aditivas e subtrativas de duas ou mais frequências. Por exemplo, para duas frequências, F1 e F2, algumas frequências de produto de intermodulação são F1+F2; F1-F2; 2F1+F2; 2F1-F2; 2F1+2F2; etc.

[037] Para o uso no mundo real, as frequências de transmissor, F1 e F2, a frequência Fs de amostragem de conversor A/D e o tamanho de amostra Ss são escolhidas para cumprir as exigências a seguir: O tamanho de amostra Ss é uma potência inteira de dois (tal como, por exemplo, 4.096 ou 8.192 ou 16.384). Fs é a frequência de amostragem do conversor A/D em um amostras/segundos. A frequência de base será definida como Fo=Fs/Ss. Fi = N x Fo; Fs = P x Fo; em que N e P são números inteiros, em que N é diferente de P. Adicionalmente, N e P são escolhidos de modo que nenhuma frequência de intermodulação, F(Q, R) = Q x Fi + R x F2 seja igual a um múltiplo integral de F1 ou F2 para valores de números inteiros (positivos ou negativos) pequenos, diferentes de zero de Q e R.

[038] Quaisquer propriedades elétricas ou magnéticas não lineares na amostra irão produzir produtos de intermodulação em frequências F(Q, R). O aparelho transmissor não produz essas frequências F(Q, R), de modo que as amplitudes dos componentes F(Q, R) sejam uma medição absoluta das propriedades do material não linear. Dado que: F(Q, R) = (Q x N + R x P) x Fo = M x Fo em que M é um número inteiro, as amplitudes dos componentes F(Q, R) são obtidos facilmente com o uso de uma Transformada Rápida de Fourier ou um filtro de Resposta ao Impulso Finita na definição das medições de amostra assumidas pelo conversor A/D.

EXEMPLO DE USO ESPECÍFICO DA SONDA E MÉTODO DE TESTE

[039] Os presentes inventores concluíram que a sonda e método de teste da presente invenção é muito útil em determinar o estado da deterioração dos tubos reformadores de liga austenítica usados em reformadores de hidrogênio. Observou-se que a deterioração dessas ligas austeníticas está associada ao surgimento de propriedades ferromagnéticas e, a partir disso, os inventores determinaram que pode ser possível prever a vida útil restante se a quantidade de deterioração puder ser medida.

MEDIÇÃO

[040] A sonda e o método descritos são usados para medir a condição de ligas austeníticas resistentes a fluência do tipo usado nos tubos reformadores de reformadores de hidrogênio. Acredita-se que a sonda meça o momento magnético total e a densidade de certas micro-zonas ferromagnéticas que podem ser correlacionadas com o desenvolvimento e a deterioração da resistência à fluência nessas ligas. Conforme revelado acima, o método aplica dois campos magnetizantes sinusoidais em frequências levemente diferentes à liga. O fluxo magnético resultante desses campos magnetizantes, bem como o fluxo magnético, devido aos momentos magnéticos induzidos dentro da liga é mostrado, processado e analisado. As medições são assumidas em intervalos de espaço ao longo da extensão e da circunferência dos tubos. Isso permite mapear em 2d e 3d a condição do tubo.

ANÁLISE

[041] A partir do fluxo magnético total que é recebido pela bobina receptora em cada localização de teste individual, os sinais de frequência fundamental e de intermodulação na mesma serão isolados. Esses sinais de frequência de intermodulação fornecem informações úteis para analisar a condição da liga austenítica nos tubos em posições de teste específicas. De interesse particular são as frequências de intermodulação de terceira ordem. Os níveis de potência na frequência de intermodulação são convertidos em decibéis (dB) em relação à potência de frequência fundamental e plotados em gráficos em 2D ou 3D contra a posição ao longo da extensão e/ou da circunferência do tubo. Da mesma maneira que as porcentagens, os decibéis, nesse caso 20xLOG(Vmeasured/Vreference), devem sempre ser razões de dois números. A comparação com a magnitude fundamental é a mais útil, já que essa razão é independente das características do receptor e não excessivamente sensível às características do transmissor.

[042] As Figuras 2a e 2b são plotagens bidimensionais (2D) dos sinais de frequência de intermodulação (convertidos em dB) em relação à distância ao longo do tubo para um tubo reformador novo (sem inclusão de ferrite delta residual) e um tubo que esteve em serviço por 5 anos, respectivamente). Conforme pode ser visto na Figura 2a, o tubo reformador "novo" livre de resíduo tem uma resposta de frequência de intermodulação de terceira ordem abaixo do nível de ruído para as sondas existentes, portanto, tudo o que se pode observar é o ruído elétrico não correlacionado à própria sonda. Pois tudo o que é gravado é ruido elétrico do sistema de sonda, a intensidade de sinal (convertida em dB) pula rapidamente para qualquer valor entre -95 dB a -115 dB. De modo geral, pode-se observar que um tubo novo tem um sinal de resposta de intermodulação muito baixo de, em média, menos que 100 dB e isso será tomado como marca de um tubo não danificado.

[043] Em contraste com a Figura 2a, a Figura 2b mostra um sinal de resposta de intermodulação de um tubo que, embora seja formado dos mesmos materiais que o tubo da Figura 2a, esteve em uso em um reformador de hidrogênio por 5 anos. Conforme pode ser visto, o uso no ambiente extremo do da fornalha de reformador de hidrogênio mudou a resposta de sinal de frequência de intermodulação. O sinal amentou significativamente em relação ao tubo virgem. Deve-se observar que a parte de topo do tubo é incorporada no teto da fornalha e afixada a um flange. Isso fornece um efeito de resfriamento contínuo, desse modo, evitando que a extremidade mais elevada deteriore tão rapidamente quanto as porções de tubo que são expostas aos efeitos térmicos totais da fornalha. Conforme pode ser visto, o sinal de resposta da porção superior do tubo que é exposto ao ambiente de fornalha ambiente de fornalha aumentou substancialmente, atingindo pico de cerca de -40db. Isso indica que o tubo foi deteriorado significativamente em tal área e pode apontar para um ponto de calor no reformador (possivelmente um vazamento de hidrogênio em um tubo vizinho). A metade inferior do tubo é formada de uma liga diferente da metade de topo. O tubo reformador é formado, na verdade, de dois tubos que são soldados juntos. O tubo superior é formado de um tipo de 28Cr/48Ni/Fe de liga de fundição resiste a calor enquanto o tubo inferior é formado de um tipo de 25Cr/35Ni/Fe de liga de fundição resistente a calor. A metade inferior tem uma reação diferente ao ambiente térmico que a metade de topo. A metade inferior do tubo é, relativamente, deteriorada uniformemente e seu sinal de resposta indicaria que a porção do tubo tem pelo menos uma extensão razoável de vida restante. Finalmente, similar à parte de topo do tubo, a parte de fundo do tubo é incorporada no chão da fornalha e de tal modo é protegida significativamente dos efeitos térmicos da fornalha.

[044] Desse modo, a análise do sinal de resposta de intermodulação indica que a inferior do tubo de 5 anos de idade envelhece igualmente, enquanto que a metade de topo é submetida a uma variação de ambiente de fornalha que pode incluir um "ponto de calor" que envelhece prematuramente a porção mais elevada do tubo. Esse envelhecimento prematuro pode fazer com que o tubo falhe em tal área (isto é, causar o vazamento de hidrogênio ou até mesmo quebra ou queda) o que pode danificar outros tubos em sua proximidade. Desse modo, o conhecimento da condição do tubo ao longo de toda a sua extensão permite que os operadores substituam tubos individuais conforme necessário e também, principalmente, permite que os operadores continuem a usar o tubo mais antigo que não tenha deteriorado ao ponto de necessitar de substituição.

[045] Para determinar a vida útil restante esperada de um tubo, as medições do sinal de resposta de intermodulação de tubos múltiplos de idades diferentes são tomados (isto é, novos tubos, tubos que estiveram em serviço no reformador para variar a quantidade de tempo e tubos falhados). A Figura 3 é uma plotagem do sinal de frequência de intermodulação convertido em dBc ao longo da extensão de diversos tubos reformadores da mesma composição após extensões diferentes do serviço dentro do reformador. Conforme pode ser visto, quanto mais tempo um tubo estiver em serviço mais forte será a intensidade do sinal de frequência de intermodulação do tubo. Uma vez que esses dados sejam coletados, a vida útil restante como uma fração da idade atual poderá ser determinada através de comparação com as medições tiradas em tubos similares em intervalos durante sua vida de serviço.

[046] A vida útil restante do tubo reformador como uma fração da vida útil presente e a vida útil restante atual podem ser estimadas pelas fórmulas a seguir: % de vida útil restante Lr =|Se-Sn| / |Se-So|; e vida útil estimada restante Tr =(Lr /(1 -Lr)) x Tn

[047] Em que Lr é a fração estimada da vida restante; em que Se é a força de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB de um tubo reformador de aço austenítico na extremidade da vida de serviço; em que Sn é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB da amostra de teste atual; So é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem quando não há tubo presente sob a sonda ou a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem de um tubo novo que foi aquecido à temperatura de operação por algumas horas, independendo de qual for maior; em que Tr é o tempo de vida de serviço restante estimado para a amostra de teste; e em Tn é a vida útil presente da amostra de teste.

[048] O melhor valor para So é o ponto de calibragem ao ar livre para a sonda usada para teste de tubos, ou seja, a intensidade de sinal de terceira ordem quando não há tubo presente. Esse valor geralmente está em uma faixa de -90 a -109 dBc para as combinações de sonda e amplificador testadas até o momento. Há motivo para acreditar que o valor real para So seja entre -120 a -130 dBc, mas não é possível realizar medições significativas abaixo do ponto de calibragem ao ar livre do dispositivo de teste. O melhor valor seguinte seria tomado de um tubo que foi levado à temperatura de operação por algumas horas. Pois tubos novos, bem como de fundição, podem obter uma forma instável de ferrita delta que algumas vezes resta do processo de fundição. Esse resíduo desaparece mediante o aquecimento. O impacto desse resíduo sobre a vida de tubo média é desconhecido, mas essa não pode ser usada para as equações apresentadas acima. Houve casos em que não houve IMD inicial para o tubo de fundição, mas isso é uma exceção, não uma regra.

[049] Como um exemplo, supõe-se que a presente intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB do tubo a ser testado seja -50 dB, que a de um tubo novo do mesmo tipo (composição de liga, processamento, etc.) que aquele a ser testado seja -100 dB; e que a de um tubo no fim da sua vida de serviço seja -40 db. A vida útil restante fracionária Lr seria |-40-(-50)| /1-40-(-100)|= 10/60 = 1/6. Assume-se adicionalmente que a vida útil presente da amostra de teste Tn seja de 85 meses. Então, o tempo de vida de serviço restante estimado para a amostra de teste Tr = (1/6 / (1-1/6)) x 85 meses = 17 meses.

[050] Deve-se observar que os presentes inventores aprenderam que o presente método de teste e as equações não funcionam para tubos com danos profundos. Em tubos tão danificados, o valor de IMD começa a decair, enquanto, para a magnitude dos tubos FFor com danos profundos, o valor de IMD começa a decair, enquanto a magnitude do componente F2 no receptor aumenta. O efeito se torna notável a um valor de IMD de -40 dBc e, quando o F2 alcança metade de seu valor máximo, o valor de IMD alcança -35 dBc. Além desse ponto o IMD começa a decair conforme F2 continua até um máximo. Em tal um caso, um valor IDM sintético pode ser projetado desse que se estende acima de -35 dBc e quando o valor de IMD sintético alcançar 0 o tubo será rachado completamente.

POSICIONAMENTO/USO DA SONDA ATRAVÉS DE UMA LAGARTA

[051] Uma ou mais sondas podem ser afixadas a um dispositivo de transporte que permite que as sondas atravessem a extensão e a espessura da amostra a ser testada. O dispositivo de transporte pode assumir a forma de uma lagarta que tem a habilidade de atravessar amostras horizontais ou de escalar e descer uma amostra vertical. Adicionalmente, dependendo do número de sondas na lagarta, a lagarta pode ter a habilidade de virar circunferencialmente ao redor da amostra para reposicionar a sonda em pontos diferentes na circunferência da amostra. Preferencialmente, a lagarta inclui meios para medir a posição da sonda em relação às dimensões da amostra de modo que os sinais de frequência de intermodulação medidos possam ser correlacionados aos locais específicos na amostra.

[052] A lagarta pode também carregar os equipamentos eletrônicos de sustentação para a sonda, tais como os geradores de sinal, conversores A/D e D/A, etc. Os sinais de frequência de intermodulação recebidos podem ser registrados a bordo da lagarta, tal como em um meio de armazenamento dedicado, para recuperação posterior. Alternativamente, os sinais podem ser transmitidos para um dispositivo de armazenamento separado (transferência por fio ou sem fio). Os equipamentos de processamento de sinal de frequência de intermodulação podem estar a bordo, mas preferencialmente não estão.

INVESTIGAÇÃO METALÚRGICA

[053] Embora seja desejado estar vinculado por teoria, os inventores apresentam a explicação metalúrgica por trás das medições/resultados produzidos através da aplicação do método e da sonda da presente invenção.

[054] O presente método e sonda usam magnetização induzida para detectar a deterioração nos tubos de liga de carbono de cromo de níquel de ferro. O material inicial não é ferromagnético, mas a perda de cromo e um aumento nos carbonetos alterará a microestrutura e produzirá regiões ferromagnéticas com permeabilidade alta. Sabe-se que as ligas de cromo de níquel de ferro obtêm suas resistências a fluências a partir dos carbonetos que se precipitam na matriz em estado bruto de fundição e que os carbonetos adicionais se precipitam e ampliam com o tempo e a temperatura. Concluiu-se que conforme o cromo e o ferro migram para esses carbonetos, será formada uma zona próxima ou circundante aos carbonetos que é reforçada em níquel e exaurida em cromo. As estruturas ferromagnéticas resultantes são levadas facilmente à saturação por campos de magnetização fraca. Conforme a fluência se estabelece o cromo também é perdido para rachaduras que se formam dentro da liga, deixando o níquel e o ferro para formar chapas ferromagnéticas finas dentro da matriz próxima às rachaduras. Mais uma vez, essas estruturas são levadas facilmente à saturação pelo campo de magnetização fraca da sonda da presente invenção. Esses momentos magnéticos induzidos contêm produtos harmônicos e de intermodulação dos dois campos magnetizantes sinusoidais originais que podem estar relacionados ao tamanho e densidade das estruturas.

[055] As Figuras 4a e 4b são micrografias ópticas em corte transversal de uma amostra de liga de tubo reformador usada (tipo de 28% de Cr, 48% de Ni), que esteve em serviço por 5 anos em uma seção de resfriador do reformador. A amostra foi tomada da área de subsuperfície do tubo no diâmetro interno (ID). A superfície ID está no canto direito de fundo das fotomicrografias. A amostra foi polida metalograficamente, mas não foi causticada. Na Figura 4a, a superfície polida da amostra é revestida com uma camada fina de ferrofluido previamente, porém nenhum campo magnético foi aplicado. Um ferrofluido é um líquido que se toma magnetizado fortemente na presença de um campo magnético. Os ferrofluidos são líquidos coloidais feitos de um ferromagnético em nanoescala ou partículas suspensas ferrimagnéticas em um fluído transportador (geralmente um solvente orgânico ou água). Cada partícula pequena é revestida completamente com um agente tenso ativo para inibir a acumulação.

[056] A Figura 4b mostra a mesma amostra (que a 4a) após um campo magnético ter sido aplicado. Pode-se observar que o ferrofluido migra para as áreas magnéticas em tomo dos carbonetos e aos limites de grão. Através da comparação das áreas dentro das áreas ovais entre as Figuras 4a e 4b (isto é, antes e depois de aplicar o campo magnético) se pode observar que há limites de grão dentro do círculo que são visíveis claramente uma vez que os mesmos atraem o ferrofluido.

[057] Deve-se observar que as regiões magnéticas são confinadas a regiões estreitas (abaixo da escala de superfície) ao redor dos carbonetos e aos limites de grão para essa amostra. No entanto, em uma área mais quente da fornalha, ou conforme a duração do tempo em que o tubo está em serviço aumenta, as regiões (abaixo da escala de superfície) ao redor dos carbonetos e os limites de grão aumentam. As Figuras 5a e 5b são micrografias ópticas em corte transversal de uma amostra de tubo reformador usada (tipo de 28% de Cr, 48% de Ni) que também esteve em serviço por cinco anos, mas foi exposta a uma região mais quente da fornalha. Novamente, a amostra foi polida metalograficamente, mas não foi causticada. Na Figura 5a, a superfície polida da amostra é revestida com uma camada fina de ferrofluido previamente, porém nenhum campo magnético foi aplicado. A Figura 5b mostra a mesma amostra (que a 5a) após um campo magnético ter sido aplicado. Pode-se observar novamente que o ferrofluido migra às áreas magnéticas. No entanto, dessa vez se pode observar que as regiões magnéticas estão mais espessas (vide as setas brancas) e mais abundantes que aquelas nas Figuras 4a e 4b. Acredita-se que seja porque a liga deteriora mais rapidamente nas regiões mais quentes, que por sua vez acredita-se que sejam causadas pela migração do Cr ao carboneto, transformação de carboneto em óxidos de Cr e, por fim, volatilização de alguns tipos de óxidos de Cr, que deixam uma região em expansão contínua que é exaurida de Cr. É por esse motivo que os sinais de intermodulação aumentam durante o tempo de vida de serviço do aço.

[058] Finalmente, as Figuras 6a e 6b são micrografias ópticas em corte transversal de uma amostra de tubo reformador usada (tipo 28% de Cr, 48% de Ni) que esteve, também, em serviço por cinco anos, mas foi exposta à região mais quente da fornalha. Novamente, a amostra foi polida metalograficamente, mas não foi causticada. Na Figura 6a, a superfície polida da amostra é revestida com uma camada fina de ferrofluido previamente, porém nenhum campo magnético foi aplicado. A Figura 6b mostra a mesma amostra (que a 6a) após um campo magnético ter sido aplicado. Pode-se observar que o ferrofluido migra para fora dos carbonetos e outras inclusões e formam um padrão de característica labiríntica sobre a superfície de matriz de liga. Os limites de grão e os materiais magnéticos de subsuperfície não são mais visíveis, o que indica que a matriz completa se tornou magnética. Nesse ponto os sinais de intermodulação começam a desaparecer visto que o campo de magnetização não é forte o suficiente para saturar a matriz. Ao mesmo tempo, a matriz magnética atua como o núcleo de um transformador que acopla as bobinas transmissoras e receptoras em conjunto, desse modo, permitindo que essa região seja detectada como um aumento na magnitude do sinal F2 no receptor.

[059] O supracitado é fornecido para fins explicativos e revelação das realizações preferidas da presente invenção. As modificações e adaptações às realizações descritas serão evidentes para técnicos no assunto. Essas alterações e outras podem ser realizadas sem se afastarem do escopo da invenção nas reivindicações a seguir.

Claims

1. MÉTODO DE TESTE DE UM TUBO REFORMADOR DE AÇO AUSTENÍTICO caracterizado por compreender as etapas de: fornecer um tubo reformador de aço austenítico de amostra (1) a ser testado; escolher pelo menos uma posição de teste no um tubo reformador de aço austenítico; transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais, em que cada um tem uma frequência diferente Fi e F2, em uma posição de teste no tubo reformador de aço austenítico; receber um sinal de resposta da dita posição de teste; e analisar as frequências de intermodulação e fundamentais do sinal de resposta recebido para determinar o estado do tubo reformador de aço austenítico na posição de teste.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa para receber um sinal de resposta da posição de teste incluir receber um sinal de resposta analógico em uma bobina receptora (4).

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela etapa para receber um sinal de resposta da posição de teste incluir adicionalmente a etapa para converter o sinal de resposta analógico em um sinal de resposta digital, com o uso de um conversor analógico-digital (5).

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo conversor analógico-digital ter uma frequência de amostragem Fs.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela etapa para converter o sinal de resposta analógico em um sinal de resposta digital com o uso de um conversor analógico-digital (5) incluir uma etapa de combinar múltiplas amostras em uma amostra representante única, em que o número de amostras que são combinadas na amostra representativa única é designado como o tamanho de amostra Ss.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo tamanho de amostra Ss ser uma potência inteira de “2”.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo tamanho de amostra Ss ser um número selecionado a partir do grupo que consiste em 4.096, 8.192 e 16.384 amostras.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela frequência de amostragem Fs ser de 44.100 amostras por segundo.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais incluir a etapa para definir uma frequência de base Fo, em que Fo=Fs/Ss.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais incluir adicionalmente uma etapa para escolher as ditas duas frequências F1 e F2 de modo que: Fi = N x Fo; F2 = P x Fo; em que N e P são números inteiros, em que N é diferente de P, e N e P são escolhidos de modo que nenhuma frequência de intermodulação, F(Q,R) = Q x Fi + R x F2 seja igual a um número inteiro múltiplo de Fi ou F2 para valores de número inteiro (positivos ou negativos), pequenos, diferentes de zero de Q e R.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais compreender transmitir ambos os sinais de uma bobina transmissora (3) única.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais compreender transmitir cada um dos sinais das bobinas transmissoras (3) individuais.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelas bobinas transmissoras (3) terem um diâmetro maior que a espessura do tubo de amostra (1) a ser testado.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa para transmitir dois sinais eletromagnéticos sinusoidais compreender uma etapa de criar sinais eletromagnéticos sinusoidais analógicos com o uso de pelo menos um gerador de sinal digital para analógico.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelos dois sinais eletromagnéticos sinusoidais serem criados por dois geradores de sinal.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa para analisar as frequências de intermodulação e fundamentais do sinal de resposta recebido compreender analisar as frequências fundamentais de primeira ordem e de intermodulação de terceira ordem do dito sinal de resposta.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pela frequência fundamental ser F2 e as frequências de intermodulação de terceira ordem são 2Fi + F2 e Fi + 2F2.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pela etapa para analisar as frequências de intermodulação de terceira ordem compreender converter a amplitude das frequências de intermodulação de terceira ordem em decibéis dB em relação à amplitude da fundamental.

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pela intensidade das frequências de intermodulação de terceira ordem que foram convertidas em decibéis dB ser comparada à mesma medição dos tubos reformadores de aço austenítico novos e de fim de vida útil, em que a comparação fornece uma medida qualitativa da condição do tubo reformador de aço austenítico.

20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por incluir a etapa adicional para estimar a vida útil restante do tubo reformador de aço austenítico como uma fração da vida útil presente do tubo reformador de aço austenítico pelas equações a seguir: vida útil fracionária restante Lr =|Se-Sn| / |Se-So|; e: vida útil estimada restante Tr = (Lr Z(1 -Lr)) x Tn em que: Lr é a porcentagem estimada de vida útil restante; Se é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB de um tubo reformador de aço austenítico no fim da vida útil; Sn é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem convertida em decibéis dB da amostra de teste atual; So é a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem quando não há tubo presente sob a sonda ou a intensidade de sinal de frequências de intermodulação de terceira ordem de um tubo novo que foi aquecido à temperatura de operação por algumas horas, a que for maior; Tr é o tempo de vida útil restante estimado para a amostra de teste; equilíbrio Tn é a vida útil presente da amostra de teste.