BR112017018094B1

BR112017018094B1 - Aparelho para inspeção de uma tubulação e método para testar a parede de uma tubulação

Info

Publication number: BR112017018094B1
Application number: BR112017018094-4A
Authority: BR
Inventors: Petter Norli; Wayne Fleury; Paul Doust
Original assignee: Halfwave As
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2021-06-29
Also published as: AU2016224101A1; CA2977449A1; HK1247665A1; BR112017018094A2; CN107430096A; CH712357B1; NZ734897A; AU2016224101B2; WO2016137335A1; CN107430096B; NO20150256A1; GB2553215B; NO346618B1; CA2977449C; DE112016000885T5; US20180017533A1; US10527590B2; GB201713162D0; SA517382142B1; GB2553215A

Abstract

aparelho e método para inspeção de uma tubulação. um aparelho para inspeção de uma tubulação é descrito, o dito aparelho incluindo um corpo cilíndrico (15) adaptado para ser transportado dentro da dita tubulação, um conjunto de transdutores acústicos (tx,y) instalados na superfície do corpo cilíndrico (15), os transdutores acústicos sendo organizados em colunas e fileiras em uma correia em torno do corpo cilíndrico, um controlador adaptado para iniciar uma transmissão de um sinal acústico de um primeiro transdutor (t2,2) e uma recepção do dito sinal acústico a partir de outros transdutores no dito conjunto cercando o primeiro transdutor, o controlador sendo adicionalmente adaptado para determinar a direção de uma falha na parede da dita tubulação a partir dos sinais acústicos recebidos.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se ao campo de teste não destrutivo, e mais especificamente a uma ferramenta de inspeção de tubulação para teste da integridade de tubulações de óleo e gás utilizando transdutores acústicos.

Fundamentos

[002] Na indústria de óleo e gás, existe uma necessidade de se realizar testes eficientes de tubulações. Tais tubulações são frequentemente difíceis de acessar, por exemplo, tubulações offshore que podem estar parcialmente enterradas e que formam estruturas estendidas. As tubulações são submetidas ao desgaste por fluidos corrosivos e areia, e à deformação decorrente de movimentos no leito do mar. As ditas tubulações também tendem a desenvolver rachaduras, em particular em junções de solda. As junções de solda são pontos inerentemente fracos decorrentes de mudanças na estrutura do aço causadas pelo processo de solda. Rachaduras podem se desenvolver devido à tensão causada pelo ciclo de temperatura e movimentos no leito do mar.

[003] A integridade estrutural das tubulações pode ser testada utilizando- se pigs de inspeção que percorrem o interior das tubulações medindo a condição da parede do duto. Foram vislumbrados vários métodos para medir a condição das paredes de duto. Aqui, serão mencionados os métodos utilizando teste de vazamento de fluxo magnético e ultrassônico. Os métodos utilizando vazamento de fluxo magnético são basicamente eficientes apenas para detecção de perda de metal (afinamento da parede do duto) causada por corrosão. Os métodos de teste ultrassônico são utilizados para detectar a corrosão e rachaduras nas paredes de tubulação, apesar de haver alguma sobreposição entre as tecnologias. O teste ultrassônico utilizando transdutores piezelétricos convencionais é limitado ao teste de tubulações para líquidos, visto que um líquido é necessário para se conduzir energia ultrassônica para dentro da parede do duto. A diferença extrema na impedância acústica entre ar/gás e aço reduzirá em muito a quantidade de energia acústica sedo conduzida para dentro da parede do duto em um duto "seco". Foi proposta a utilização de tecnologia de Transdutor Acústico Magnético (EMAT) para testar as tubulações de gás; esse tipo de transdutor gera um campo eletromagnético que introduz ondas ultrassônicas de modo de onda de Cisalhamento Horizontal (SH) diretamente para dentro da parede da tubulação. No entanto, tais transdutores são grandes, possuem uma largura de banda limitada, e devem ser posicionados muito próximos à parede do duto, preferivelmente a menos de 1 mm da superfície da parede.

[004] A partir de U.S. 8.677.823, é conhecida uma configuração na qual um carretel portando transdutores acústicos (em um conjunto em torno da parte estreita central do carretel) é enviado através de uma tubulação contendo gás pressurizado. Os sinais acústicos são transmitidos a partir de cada transdutor, através do meio de gás para a superfície interna da parede do duto.

[005] Os mesmos são refletidos de volta pela parede e recebidos pelo mesmo transdutor ou por um transdutor pré-selecionado no carretel. Esse equipamento é utilizado para medir o diâmetro da tubulação para identificar as deformações na parede. No entanto, essa configuração não é adequada para testar o material na parede propriamente dita, devido ao contraste de alta impedância entre o ar e o aço.

[006] O pedido de patente europeu EP 2.887.060 A1 descreve um aparelho para inspeção de tubulações. Esse pedido foi depositado em 20 de dezembro de 2013, e publicado em 24 de junho de 2015. A parede do duto é inspecionada por meio de pulsos acústicos emitidos a partir de um conjunto de transdutores, os transdutores sendo localizados em um anel ou fileira único em torno do corpo do aparelho, ver figura 1. As medições são medições de pulso- eco, onde os pulsos são transmitidos e recebidos pelo menos transdutor.

[007] A partir de U.S. 9.852.033, é conhecido um aparelho para logging de poços de óleo e gás. O aparelho inclui um cabeçote de transdutor rotativo com três transdutores acústicos. O cabeçote de transdutor é girado enquanto o aparelho é deslocado verticalmente ao longo do poço. Dessa forma, o poço pode ser coberto por uma série de medições individuais cobrindo a parede ao longo de um percurso em espiral.

Sumário da Invenção

[008] É um objetivo da presente invenção se fornecer um dispositivo e método para teste acústico de tubulações que supere os problemas mencionados acima.

[009] Isso é alcançado em um dispositivo e método como definido nas reivindicações em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos

[010] Aspectos adicionais da invenção aparecerão a partir da descrição detalhada a seguir quando lida em comparação com os desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 é uma ilustração esquemática do dispositivo inventivo e circuitos eletrônicos do dispositivo; A figura 2 é uma vista esquemática ilustrando o percurso de propagação das ondas acústicas entre um transdutor de transmissão e de recepção no dito dispositivo inventivo; e A figura 3 é uma vista plana do dito percurso de propagação.

Descrição Detalhada

[011] De acordo com a invenção, é fornecido um dispositivo projetado como um carretel portando um conjunto de múltiplos elementos de transdutores acústicos, qualquer um dos quais pode ser utilizado para transmitir ou receber energia acústica em qualquer momento especificado em particular, o dispositivo sendo adaptado para ser transportado através do interior de uma tubulação enquanto testa a parede do duto. Tal dispositivo também é conhecido como um pig.

[012] A figura 1 ilustra uma modalidade do dispositivo inventivo 11, juntamente com módulos eletrônicos 16, 18, 19 localizados dentro do dispositivo. O dispositivo é projetado como um carretel com duas placas de extremidade circulares 13, 14 unidas por um corpo cilíndrico 15, o corpo tendo um diâmetro menor do que as placas de extremidade. Na parede do corpo 15 estão instalados vários transdutores Tx,y. Os transdutores são organizados em colunas e fileiras (circulares) cobrindo uma correia em torno do corpo cilíndrico 15 (apenas uma coluna ilustrada na figura). Se necessário, cada transdutor pode ser composto de vários elementos a fim de obter uma intensidade de sinal suficiente e um feixe estreito.

[013] Dentro do corpo 15 existem circuitos eletrônicos para excitar os transdutores, receber sinais de resposta dos transdutores e armazenar os sinais recebidos. Os circuitos eletrônicos podem ser organizados em vários módulos separados como ilustrado. Um módulo analógico 16 portando os transdutores Tx,y e um número de baterias 17 energizando todo o dispositivo. O módulo analógico 16 é conectado a um módulo digital 18. O módulo digital 18 inclui circuitos para controlar os transdutores Tx,y, conversores AD e DA, unidades de armazenamento de dados e uma interface de host para configuração de sistema e comunicação de dados. Adicionalmente, o dispositivo 11 inclui um módulo de posição 19 suprindo informação de posição para o módulo digital 18. O módulo de posição 19 pode incluir odômetros 110 em contato com a parede do duto. Aqui são utilizados três odômetros igualmente distribuídos em torno da circunferência da ferramenta para garantir que pelo menos um dos mesmos esteja em contato com a parede. Os odômetros enviarão pulsos quando a ferramenta estiver percorrendo ao longo da tubulação, cada pulso indicando que uma determinada distância foi coberta. Os pulsos serão utilizados para controlar o disparo dos transmissores. Sensores de pressão 111 são utilizados para informar às partes eletrônicas que a ferramenta foi introduzida em uma tubulação, onde o processo de medição será iniciado. É incluída também uma unidade indutora 112, um chamado rastreador de pig, que enviará as ondas magnéticas de baixa frequência que podem ser rastreadas a partir de fora da tubulação.

[014] O dispositivo pode operar em dois modos: no "modo conectado" o dispositivo está conectado a um computador 113 para configuração de sistema e recuperação de dados coletados, ao passo que no "modo autônomo"o dispositivo está operando sozinho dentro de uma tubulação sem acesso ao computador. Nesse modo os dados de medição coletados devem ser armazenados a bordo.

[015] O dispositivo deve ser transportado através da tubulação impulsionado pela pressão diferencial através do dispositivo, enquanto alguns dos transdutores (notadamente os transdutores em uma das colunas, tal como os transdutores Tx,2, X sendo 1-n) sejam disparados enquanto os outros transdutores estão ouvindo. No entanto, deve-se notar que todos os transdutores podem servir como transmissores e receptores, e seu papel é escolhido a gosto.

[016] Como mencionado acima, é um objetivo da presente invenção investigar as propriedades da parede da tubulação utilizando transdutores acústicos, tal como transdutores piezelétricos, para evitar as desvantagens de EMATs. No entanto, isso cria a questão de como obter um sinal acústico de intensidade adequada na parede. Outra questão é como decidir a posição correta de uma rachadura ou estrutura não homogênea encontrada na parede. Uma terceira questão é como obter uma densidade de ponto de amostra suficiente quando a ferramenta está percorrendo ao longo da tubulação, isso é, como medir de forma rápida o suficiente quando a ferramenta se está movendo em velocidade total. Quando da transmissão de energia acústica para dentro de uma tubulação, um sinal razoavelmente claro será inicialmente recebido, mas, posteriormente, o sinal será mascarado pelo ruído criado pelos efeitos de dispersão, etc. Isso significa que deve existir um retardo de período de tempo de "inatividade" entre cada transmissão. A primeira e última questões são respondidas pelos pulsos acústicos particulares utilizados para excitar a parede de tubulação, enquanto a segunda questão é solucionada pelo arranjo particular dos transdutores utilizados na ferramenta e como são operados, como será explicado abaixo.

[017] A figura 2 ilustra o percurso de propagação seguido por um sinal a partir de um transdutor de transmissão 21 para um transdutor de recepção 22. Para se superar a barreira de impedância entre o gás na tubulação e a parede, o transdutor de transmissão está transmitindo pulsos de rajada 23 em uma baixa frequência. A frequência pode estar na faixa de 200 a 1400 kHz. Isso é cerca de dez vezes menos do que os transdutores ultrassônicos utilizados em ferramentas de medição de calibragem. A perda no gás aumenta drasticamente com a frequência. Nessas frequências baixas, descobriu-se ser favorável se sintonizar a frequência transmissora a uma ressonância de espessura da parede. Isso aumentará a sensibilidade das medições, aumentará a capacidade de localizar uma rachadura e reduzir a carga de processamento de dados. Assumindo-se uma onda plana em incidência normal, picos de ressonância são encontrados em frequências onde a espessura de placa é um número inteiro de meios comprimentos de onda. A frequência, f, de uma ressonância de espessura sendo definida como f = nc/2D, c sendo a velocidade acústica do material da parede, D sua espessura e n denotando o harmônico.

[018] Os pulsos excitarão um sinal 24 percorrendo a parede. Esse sinal é convertido em uma onda de compressão na interface de aço/gás antes de impactar o transdutor de recebimento 22. Devido à configuração geométrica dos transdutores, a primeira chegada detectada no transdutor de recebimento será uma onda que percorreu como um sinal de modo de cisalhamento em uma parte da trajetória. Posteriormente, sinais percorrendo como ondas de Lamb chegarão. Ondas de Lamb terão uma amplitude muito maior do que as ondas de cisalhamento, e esse fato pode ser utilizado para diferenciar entre os tipos de onda, que chegam, todas, como ondas de compressão nos receptores.

[019] A figura 3 ilustra como o sinal de um transdutor T2,2 pode ser detectado pelos transdutores T1,1, T1,2, T1,3, T1,4, T2,1, T2,3, T3,1 e T3,2. Os percursos de sinal são indicados com setas. Dessa forma, sinais percorrendo em todas as direções a partir do transdutor de transmissão serão detectados. Se houver uma rachadura na parede, os transdutores localizados na "sombra"atrás da rachadura receberão sinais com amplitude substancialmente reduzida. Esse é o caso dos transdutores T3,3, T3,4 e T2,4, visto que existe uma rachadura no percurso entre o transmissor e o receptor que atenuará o sinal. O sinal do transmissor também será refletido pela rachadura e chegará aos transdutores na frente da rachadura. No entanto, o sinal será invertido na reflexão e isso pode ser utilizado para identificar os sinais refletidos. Isso é indicado com a seta de cabeça dupla entre o transmissor T2,2 e a rachadura. Depois do disparo, o transdutor deve então ouvir por reflexos invertidos. A distância e direção de uma rachadura, ou sua posição, podem ser encontradas pela comparação dos sinais recebidos pelos transdutores.

[020] Como mencionado acima, o transdutor está transmitindo um sinal que é adaptado para excitar uma ressonância de espessura da parede de duto. A excitação da parede de duto pode ser realizada de várias formas.

[021] Um método é a utilização de um processo de dois estágios, no qual o transdutor está primeiramente enviando um sinal de frequência de varredura (por exemplo, um chirp) cobrindo uma possível frequência de ressonância de espessura da parede. A espessura da parede pode diferir, e dessa forma, a frequência de ressonância de espessura também pode ser variável visto que é determinada pela espessura mecânica. Quando a frequência de ressonância exata foi determinada pela análise do sinal recebido, um segundo sinal na frequência de ressonância fixa é transmitido para dentro da parede do duto.

[022] Esse método pode ser expandido deixando-se que a varredura cubra um ou mais harmônicos da ressonância fundamental. A frequência exata da ressonância pode ser determinada com maior precisão pela medição da diferença na frequência entre duas frequências (harmônicas) do que pela contagem da ressonância fundamental diretamente.

[023] Adicionalmente, para se acelerar o processo de medição, vários transmissores podem ser excitados simultaneamente, cada um em uma frequência harmônica diferente. Cada receptor pode receber sinais de vários transmissores, mas pode resolver "quem é quem" pela correlação cruzada com os sinais transmitidos. Dessa forma, várias posições na parede do duto podem ser investigadas simultaneamente.

[024] Outro método é excitar a parede de duto com um pulso senoidal do transmissor. Dessa forma, a abrangência da frequência dos pulsos senoidais deve cobrir um harmônico escolhido da ressonância de espessura com alguma folga para diferenças de espessura. Também nesse caso, vários transmissores podem ser disparados simultaneamente em diferentes harmônicos da frequência de ressonância.

[025] Outro método adicional é excitar a parede utilizando sinais de espectro espalhado (spread spectrum). Isso fornece a possibilidade de codificação de vários transmissores diferentemente, isso é, podem transmitir simultaneamente e os sinais podem ser resolvidos nos receptores. Cada sinal também pode ser personalizado para cobrir uma faixa pequena de frequências em torno de um harmônico selecionado da ressonância de espessura de parede, apesar de essa faixa de frequência não ser tão estreita e igualmente coberta como nas duas modalidades anteriores. Pode haver muitas variações da técnica de espectro espalhado que podem ser empregadas para essa finalidade, mas, em particular, uma técnica de espectro espalhado de sequência direta (DSSS) utilizando modulação por chaveamento de mudança de fase binária (BPSK) foi considerada possível.

Claims

1. Aparelho para inspeção de uma tubulação incluindo: um corpo cilíndrico (15) adaptado para ser transportado dentro da dita tubulação, um conjunto de transdutores acústicos (Tx,y) instalados na superfície do corpo cilíndrico (15), os transdutores acústicos sendo organizados em colunas e fileiras em uma correia em torno do corpo cilíndrico, caracterizado pelo fato de que o aparelho inclui um controlador adaptado para iniciar uma transmissão de um sinal acústico a partir de um primeiro transdutor, o sinal excitando uma ressonância de espessura da parede de tubulação viajando na, e ao longo da, parede e para iniciar uma recepção do dito sinal acústico a partir de outros transdutores localizados nas ditas colunas e fileiras, os ditos outros transdutores cercando os primeiros transdutores, em que os ditos outros transdutores detectam sinais viajando em múltiplas direções a partir do primeiro transdutor, o controlador sendo adaptado adicionalmente para determinar a distância e direção de uma falha na parede da dita tubulação pela comparação dos sinais recebidos pelos ditos outros transdutores.

2. Método para testar a parede de uma tubulação caracterizado pelo fato de incluir as etapas de: (i) transmitir um sinal acústico a partir de um primeiro transdutor de transmissão voltado para a parede e posicionado a uma distância da parede, o sinal excitando uma frequência de ressonância de espessura selecionada da dita parede, o sinal viajando na, e ao longo da, parede, (ii) receber um sinal acústico retornado da parede em um número de transdutores de recebimento também voltados para a parede a uma distância da parede, os transdutores de recebimento sendo organizados em colunas e fileiras e cercando o dito transdutor de transmissão, em que os ditos outros transdutores detectam sinais viajando em múltiplas direções a partir do dito primeiro transdutor; e (iii) processar os sinais acústicos retornados para determinar a distância e a direção de uma falha na parede da dita tubulação pela comparação dos sinais recebidos pelos ditos outros transdutores.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a parede é excitada primeiramente pela transmissão de um sinal de frequência de varredura contra a parede, observando quaisquer ressonâncias nos sinais recebidos, e então transmitindo um único sinal de rajada de frequência contra a parede em uma frequência de ressonância selecionada da parede a partir de um transdutor selecionado.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a parede é excitada pela transmissão de um sinal senoidal contra a parede, o sinal senoidal abrangendo uma faixa de frequências cobrindo um harmônico escolhido da frequência de ressonância.

5. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a parede é excitada pela transmissão simultânea de um segundo sinal acústico a partir de um segundo transdutor, em que os ditos primeiro e segundo sinais acústicos são sinais codificados de espectro espalhado, em que cada transdutor de transmissão é diferentemente codificado.