BRMU9001279U2 - ferramenta de inspeção de tubulação com conjunto de sensor emat com dupla espiral - Google Patents

Abstract

FERRAMENTA DE INSPEçãO DE TUBULAçãO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL. Uma ferramenta de inspeção de tubulação (10) inclui dois pólos magnéticos (41), (61) orientados em ângulo oblíquo em relação ao eixo longitudinal central (27) do corpo (21) da ferramenta (10); um conjunto (90) de bobinas de sensor está localizado entre bordas opostas dos dois pólos magnéticos (41), (61) e orientado perpendicularmente ao eixo longitudinal central (27); cada conjunto de bobinas (90) de sensor inclui uma bobina transmissora (95) e dois pares opostos de bobinas receptoras (97), (98) que são articulados para receber reflexos da parede de um elemento tubular; considerando que a linha de bobinas de sensor é girada em relação ao campo de inclinação magnética, as bobinas receptoras (97), (98) estão alinhadas e possuem a mesma orientação angular da bobina transmissora (95); a ferramenta (10) oferece sensibilidade melhorada de pequenos defeitos, diminuição substancial dos requisitos de energia para o pulsador de RF, cobertura circunferencial plena, autocalibração dos sinais transmitidos e menor interferência entre as bobinas transmissoras (95), provocada pelo anel acústico ao redor.

Description

"FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO

DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL" Referência a Pedidos Pendentes

Este pedido é continuação do Pedido de Patente Provisório norte-americano número 61/230.879, depositado em 3 de agosto de 2009 e Pedido, de Patente Não Provisório norte-americano N0. 12/572.752 depositado em 2 de outubro de 2009, o qual por sua vez reivin- dicou prioridade do Pedido de Patente Provisório norte-americano n°. 61/220.734 depositado em 26 de junho de 2009.

Campo da Invenção

Esta invenção se refere, de modo geral, a ferra- mentas de inspeção projetadas para detectar anomalias em tubulações, en- canamentos e oleodutos e, mais particularmente, ferramentas de inspeção em linha empregando técnicas de detecção de vazamento de fluxo magnéti- co.

Histórico da Invenção

Muitas tubulações instaladas podem ser inspecio- nadas utilizando a técnica de Vazamento de Fluxo Magnético (MFL), basi- camente com a finalidade de identificar anomalias de perda de metal. O vazamento de fluxo magnético vem demonstrando responder de maneira previsível a anomalias na parede da tubulação quando o eixo principal da anomalia de perda de metal e o ângulo de campo são modificados. Tanto resultados experimentais como de modelagem vêm sendo utilizados para confirmar esse efeito, o qual também está amplamente descrito na literatu- ra.

Devido em parte às limitações impostas pela aqui- sição de dados, pela armazenagem de dados e pelos modelos de circuitos magnéticos, a maioria das ferramentas de inspeção em linha vem utilizando magnetizadores orientados axialmente (ver, por exemplo, Patente norte- americana N° 6.820.653 de Schempf e outros). Contudo, os modelos de magnetizadores de campo axial atuais dificultam a identificação e a quanti- ficação de características axiais extremamente limitadas, ou, em alguns ca- sos, as tornam impossíveis. Para essas classes de características, uma solu- ção que utiliza um campo magnético na direção circunferencial ou trans- versal vem sendo comercializada e colocada em operação ao longo da ulti- ma década por prestadores de serviços de inspeção de tubulações. Contu- do, devido às limitações da física, em geral, o desempenho e a precisão dessas ferramentas de inspeção de fluxo magnético transversal (TFI) são inferiores aos de ferramentas de campo axial para anomalias de perda de metal geral.

Além disso, essas ferramentas TFI geralmente ne- cessitam de no mínimo dois conjuntos de magnetizadores a fim de obter uma cobertura adequada, tornando inviável ou difícil sua incorporação a uma ferramenta MFL axial existente.

Para aquelas tubulações que podem ter caracterís- ticas de perda de metal extremamente limitadas, ou certas classes de ano- malias de solda contínua, as ferramentas de campo axial padrão não possu- em capacidades de detecção e quantificação adequadas. Nesses casos, para ferramentas baseadas em MFL, pesquisas iniciais ou suplementares são realizadas utilizando uma ferramenta TFI. Embora as ferramentas TFI pos- sam ser capazes de detectar anomalias extremamente limitadas e certas a- nomalias na solda contínua, elas também detectam todas as características volumétricas de perda de metal restantes geralmente encontradas em tubu- lações, complicando o processo de identificação das classes de anomalia visadas.

Uma das primeiras disposições de TFI é descrita na Patente norte-americana n° 3.483.466 de Crouch e outros. Crouch des- creve um par de eletroímãs dispostos perpendicularmente entre si com de- tectores, tais como magnetômetros ou bobinas exploradoras, posicionados de cada lado dos ímãs. Exceto pelo uso de ímãs permanentes e sensores tipo dispositivo de Hall, a disposição de Crouch permanece a base da maio- ria das implementações modernas. Além disso, alguns modelos envolvem ímãs segmentados ou individuais separados que, na maioria dos casos, pre- servam a direção do campo transversal ou circunferencial. Por exemplo, a Patente norte-americana N0 3.786.684 de Wiers e outros descreve ímãs in7 dividuais dispostos em conjuntos oblíquos ao eixo do tubo com campos de cada conjunto perpendicular aos outros. Contudo, essa disposição limita o campo a seções e áreas entre os pólos de cada ímã individual. Além disso, o curto espaço do pólo necessário para a implementação do tipo Wiers di- minui o comprimento do circuito magnético, fazendo desse modo com que a ferramenta sofra os efeitos da velocidade e também mascare, distorça ou degrade a qualidade dos dados nas soldas, entalhes ou outras anomalias.

Outros modelos envolvem geometrias complexas elaboradas, múltiplas seções de magnetizador e elaboradas disposições me- cânicas, tais como acionamentos helicoidais, engrenagens e rodas projeta- das para induzir um movimento espiral ou helicoidal da seção do magneti- zador. Por exemplo, a Patente norte-americana N0 5.565.633 de Wernicke descreve um dispositivo mecanicamente complicado para uso com seções de magnetizador dotadas de dois ou mais circuitos magnéticos e uma gran- de quantidade de unidades sensoras. Em um modo de realização, os blocos de ímã são dispostos com pólos paralelos situados em espiral. Em outro modo de realização, os blocos de ímã são pares de pólos torcidos desloca- dos axialmente. Ambos os modos de realização exigem rotação induzida mecanicamente a fim de atingir plena cobertura da superfície interna do tubo. De modo semelhante a Wernicke, a Patente norte-americana N0 6.100.684 de Ramuat descreve uma disposição de magnetização de campo substancialmente transversal que envolve múltiplas seções de magnetizador e uma disposição complexa de rodas para induzir o movimento helicoidal das seções e realizar a sobreposição ou cobertura total da parede do tubo. A Patente norte-americana N0 7.548.059 de Thompson e outros inclui duas travessas (pólos) que incorporam ímãs fixos dispostos em pares espaçados próximos entre si para criar um campo nominalmente transversal em espi- ral ao redor do tubo. Esta ferramenta - a qual inclui uma variedade de par- tes móveis, tais como tendões de apoio, polias e molas — exige maior com- plexidade a fim de ser flexível o suficiente para acomodar dobras na tubu- lação. Além disso, os ímãs nesta disposição induzem um campo entre dois pólos paralelos, formando um único circuito fechado entre os pólos dos blocos de ímãs separados individuais.

De modo semelhante a Thompson e outros, os í- mãs utilizados no estado da técnica anterior são descritos como blocos, sem referência a uma superfície superior flexível ou conformável utilizada para o bloco de ímã. O uso de uma disposição de contato rígida para o circuito magnético degrada a qualidade dos dados introduzindo aberturas de ar ou zonas de relutância variáveis no trajeto do campo magnético nos entalhes ou ao longo das soldas e outras distorções que podem estar presentes dentro da tubulação. Para certas classes de características, perturbações criadas no campo ambiente mascaram ou de outro modo distorcem os sinais de vaza- mento de fluxo presentes por causa das características de interesse. Quais- quer anomalias magnéticas existentes dentro de entalhes ou zonas de solda têm maior importância devido a sua presença dentro dessas zonas e, como tal, representam áreas nas quais a qualidade dos dados é crucial.

Além disso, a técnica anterior exige o uso de um grande número de pólos ou superfícies em disposição com contato íntimo na superfície da parede do tubo. Essa disposição pode resultar em forças de atrito extremamente altas ou o movimento do conjunto magnetizador pode sofrer resistência, inibindo ou evitando assim seu uso em aplicações que necessitam de menor atrito.

Como já discutido, atualmente, os operadores de tubulações conseguem inspecionar muitas tubulações instaladas utilizando a técnica de vazamento de fluxo magnético (MFL), basicamente com a fi- nalidade de identificar anomalias de perda de metal. Contudo, para certas classes de anomalias, os modelos de magnetizadores de campo axial atuais utilizados na técnica MFL dificultam a detecção e a quantificação de carac- terísticas axiais extremamente limitadas, rachaduras ou tipo rachadura, ou em alguns casos, as tornam impossíveis. Para possibilitar a detecção e a quantificação dessas características, técnicas alternativas vêm sendo estu- dadas ou empregadas utilizando ondas acústicas (ultrassônicas). Essas on- das acústicas são normalmente geradas pelos transdutores piezoelétricos ou transdutores acústicos eletromagnéticos (EMAT).

As implementações EMAT são geralmente de um dentre dois tipos básicos: Lorentz e magnetostritivo. Ambos os tipos ne- cessitam da presença de um campo de polarização magnética externo. O EMAT tipo Lorentz, o campo de polarização magnética é perpendicular à parede do tubo e interage com os trajetos induzidos pela corrente de Eddy ou forças na parede do tubo. O EMAT tipo magnetostritivo usa um campo de polarização magnética que está no plano da parede do tubo, axial ou cir- cunferencial e interage com as forças induzidas magneticamente.

É bem conhecido na indústria de ensaios não des- trutivos que a magnetostrição em aço é muito mais eficiente na geração de ondas acústicas de tensão horizontal (SH) quando o campo de polarização magnética está em um ângulo em relação aos condutores da bobina sensora do EMAT. Esse resultado foi confirmado pelos inventores durante o de- senvolvimento inicial de um conjunto de sensores EMAT de acordo com a invenção aqui descrita. Durante o estudo, descobriu-se que muitas das fen- das produzidas nas placas de teste não eram detectáveis usando um campo de polarização magnética orientado axialmente. Girar o ângulo do campo de polarização magnética em relação ao eixo de deslocamento e ao sensor EMAT proporcionou um aumento de aproximadamente 20 decibéis no si- nal medido. Essa disposição produziu uma resposta de sinal muito maior se comparada ao ruído eletrônico resultando em indicações de rachaduras distintas acima de uma linha de partida relativamente uniforme.

Conseqüentemente, aplicações de onda SH que usam bobinas sensoras EMAT colocadas em um ângulo em relação ao campo magnético, geralmente são superiores às aplicações em que as linhas de plano de campo ficam em paralelo com os condutores da bobina sensora (vide, por exemplo, Publicação de Pedido de Patente na Alemanha n° 10/2007/0058043 cedido a Rosen Swiss AG). A detecção e quantificação da rachadura por corrosão sob tensão (SCC) é um dos principais tipos de anomalias visados por esta técnica. Além da SCC, que é geralmente orien- tada axialmente, soldas circulares que são orientadas circunferencialmente são conhecidas por exibirem características tipo rachadura. Portanto, para um sistema EMA ser globalmente eficiente, é necessário um método que seja prontamente adaptável para detecção de características orientadas tanto axial como circunferencialmente.

As ferramentas em linha do estado da técnica em- pregam conjuntos anelares de ímãs permanentes para magnetizar o tubo em sentido paralelo ao eixo do tubo. Para obter o ângulo útil entre o campo de polarização magnética e as bobinas sensoras, as bobinas sensoras são gira- das na direção do eixo do tubo (vide, por exemplo, Pedido de Patente cana- dense N0 CA 2.592.094 de Alers e outros). As ondas SH chocam-se com o plano da SCC orientada axialmente nesse mesmo ângulo. Portanto, os re- flexos das ondas SH a partir de SCC são detectados eficientemente apenas pelas bobinas sensoras do receptor que são posicionadas lateralmente e gi- radas na direção da bobina transmissora. Também, as medições de atenua- ção utilizadas para detectar o descolamento do revestimento utilizam bobi- nas receptoras que são posicionadas diagonalmente e giradas na direção das bobinas transmissoras. Essas bobinas receptoras de atenuação são desloca- das circunferencialmente para que fiquem em linha com a onda transmitida. Um aumento apreciável da amplitude do sinal recebido é indicação de des- colamento do revestimento.

Existe necessidade de uma ferramenta EMA que ofereça plena cobertura da superfície da parede interna do tubo sem preci- sar de estruturas mecanicamente complicadas e que produza um campo que pode ser usado com sensores EMAT para detectar características volumé- tricas orientadas axial ou circunferencialmente e descolamentos de reves- timento.

Sumário da Invenção

Uma ferramenta de inspeção de tubulação consti- tuída de acordo com esta invenção inclui pelo menos dois pólos magnéticos dispostos na superfície externa do corpo da ferramenta e orientados em sen- tido oblíquo ao eixo central longitudinal do corpo da ferramenta. É previs- to um conjunto de sensores entre as bordas opostas dos dois pólos magnéti- cos. O conjunto de sensores inclui uma linha ou conjunto de bobinas sen- soras orientadas em um ângulo diferente daquele dos pólos magnéticos em relação ao eixo longitudinal do corpo da ferramenta. Portanto, o conjunto de sensores está a um ângulo em relação ao campo de polarização magnéti- ca gerado pelos pólos magnéticos. Os pólos magnéticos e o conjunto de sensores podem prolongar o comprimento do corpo da ferramenta e possuir formato geral helicoidal. De preferência, os conjuntos de bobinas sensoras são perpendiculares ao eixo longitudinal do corpo da ferramenta, porém, dependendo do tipo de anomalia a ser detectado, podem ser dispostos em paralelo ao eixo longitudinal do corpo da ferramenta.

Cada bobina sensora pode repousar a 180° em o- posição a um conjunto de bobinas sensoras correspondentes, com uma par- te dos conjuntos de bobinas sensoras opostos dentro de uma faixa circunfe- rencial comum da ferramenta. Os conjuntos de bobina sensora do mesmo lado do corpo da ferramenta são deslocados uns dos outros, ficando geral- mente separados uniformemente e eqüidistantes às bordas opostas dos pó- Ios magnéticos com orientação oblíqua. Cada conjunto de bobinas sensoras inclui pelo menos uma bobina transmissora e pelo menos dois pares opos- tos de bobinas receptoras. Uma bobina receptora em cada par pode ser uma bobina receptora RD e a outra bobina receptora pode ser uma bobina receptora RA. Considerando que os conjuntos de bobinas sensoras são gi- rados em relação ao campo de polarização magnética, as bobinas receptoras ficam alinhadas e possuem a mesma orientação angular da bobina trans- missora. Em outras palavras, as bobinas receptoras são orientadas em para- lelo à bobina transmissora e não precisam ser deslocadas diagonalmente ou giradas com relação à bobina transmissora.

A bobina transmissora transmite um estímulo a- cústico ou sinal que se choca com a parede do elemento tubular que está sendo inspecionado e retorna aos receptores. As bobinas receptoras são espaçadas em relação à bobina transmissora para que o sinal transmitido pela bobina transmissora não mascare a detecção do sinal refletido pelas bobinas receptoras. Cada bobina receptora é comutada para receber esses sinais refletidos — os quais podem ser normalizados — dentro da zona de amostragem visada e detectar anomalias no elemento tubular. O transmis- sor então pode transmitir um segundo sinal depois do primeiro ter passado um número predeterminado de vezes ao redor da circunferência do elemen- to tubular. Dependendo da orientação do conjunto de bobinas sensoras em relação aos ímãs de orientação oblíqua, o conjunto de sensores é capaz de detectar anomalias na parede tanto no sentido axial como circunferencial. É um objetivo desta invenção fornecer uma fer- ramenta de vazamento de fluxo magnético (MFL) que responde a uma am- pla gama de anomalias capaz de gerar sinais de vazamento de fluxo magné- tico. Outro objetivo desta invenção é fornecer uma ferramenta MFL capaz de uma cobertura de 360° da parede interna do tubo usando um único mag- netizador sem necessidade de múltiplas seções de magnetizador, magneti- zadores ou movimento relativo entre os sensores ou seções para realizar a detecção de características axialmente orientadas nominalmente. E outro objetivo desta invenção fornecer uma ferramenta MFL com conjunto E- MAT que reduza a probabilidade de perder rachaduras na parede do tubo e que tenha maior sensibilidade a pequenos defeitos, isto é, aumento de até .20db na amplitude do sinal. Ainda outro objetivo desta invenção é forne- cer um conjunto EMAT que precise de uma diminuição substancial dos re- quisitos de potência do pulsador RF. Ainda outro objetivo desta invenção é fornecer um conjunto EMAT incluindo autocalibração dos sinais transmiti- dos usando as bobinas receptoras mais próximas das bobinas transmissoras. Ainda outro objetivo desta invenção é fornecer um conjunto EMAT que sofra menos interferência entre os transmissores provocada pelo anel acús- tico ao redor.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista isométrica de um modelo de magnetizador orientado axialmente. A direção do campo magnético é circunferencial ou transversal ao eixo longitudinal do tubo.

A Figura 2 é uma vista isométrica de um modo de realização de um conjunto de magnetizador oblíquo de acordo com esta invenção que utiliza um modelo de pólo magnético espiral. Os pólos mag- néticos são girados ou espiralados cerca de 30° e incluem uma superfície superior flexível ou conformável.

A Figura 3 é uma vista de outro modo de realiza- ção do conjunto de magnetizador oblíquo no qual os pólos magnéticos são girados cerca de 60°.

A Figura 4 é uma vista de outro modo de realiza- ção do conjunto de magnetizador oblíquo no qual os pólos magnéticos são girados cerca de 90°.

A Figura 5 é uma vista de outro modo de realiza- ção do conjunto de magnetizador oblíquo no qual os pólos magnéticos são girados cerca de 120°.

A Figura 6 é uma vista de outro modo de realiza- ção do conjunto de magnetizador oblíquo no qual os pólos magnéticos são girados cerca de 150°.

A Figura 7 é uma vista de extremidade de outro modo de realização do conjunto de magnetizador oblíquo ilustrando o rela- cionamento entre as duas extremidades dos pólos magnéticos espiralados ou girados. Neste exemplo, os pólos magnéticos são girados cerca de 135°. A superfície conformável superior de cada pólo magnético inclui uma su- perfície tipo cerda ou escova.

A Figura 8 ilustra resultados de campo da disposi-

ção do magnetizador oblíquo. A direção de campo é diagonal ou oblíqua ao eixo longitudinal do tubo.

A Figura 9 é uma vista de um modo de realização do conjunto de magnetizador oblíquo que inclui um conjunto de sensores em forma helicoidal montado de uma extremidade do magnetizador a outra, oferecendo cobertura completa da superfície da parede interna do tubo e incorporando um grau de sobreposição para acomodar qualquer rotação da ferramenta que possa ocorrer.

A Figura 10 é uma vista do conjunto de magneti- zador oblíquo da Figura 8 encaixado em uma seção do tubo.

A Figura 11 é uma vista da ferramenta de inspe- ção em linha que inclui o conjunto de magnetizador oblíquo, um magneti- zador axial e uma seção de detecção de deformação.

A Figura 12 é uma ilustração esquemática de um lado de um conjunto de sensores que inclui duas linhas ou conjuntos de bo- binas sensoras EMAT localizados entre os dois pólos magnéticos orienta- dos no sentido oblíquo. Cada conjunto de bobinas sensoras inclui dois pa- res de bobinas receptoras e uma bobina transmissora localizados entre os dois pares de bobinas receptoras. Os conjuntos são alinhados perpendicu- larmente ao eixo longitudinal central da ferramenta de inspeção em linha (e, portanto, perpendicular ao eixo longitudinal central do elemento tubular que está sendo inspecionado) e cada bobina no conjunto partilha de uma linha central comum com outras bobinas do conjunto.

A Figura 13 é uma vista de um lado de um con- junto de sensores dotado da disposição de bobinas sensoras4 EMAT da Fi- gura 12, como aplicado a um elemento tubular de 24 polegadas de diâme- tro.

Descrição Detalhada dos Modos de Realização Preferidos

Os modos de realização preferidos de uma ferra- menta de vazamento de fluxo magnético (MFL) de acordo com esta inven- ção serão agora descritos fazendo referência aos desenhos e aos seguintes elementos ilustrados nos desenhos:

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Primeiro, com referência à Figura 1, um pólo magnético norte 41 e um pólo magnético sul 61 são dispostos cerca de 180° em oposição entre si em um corpo cilíndrico de ferramenta 21 para que a linha central longitudinal respectiva 47, 67 de cada pólo magnético 41, 61 fique em paralelo à linha central longitudinal 27 do corpo cilíndrico da fer- ramenta 21 (e, portanto, em paralelo a um eixo longitudinal central do tubo que está sendo inspecionado). Embora os pólos magnéticos 41, 61 difiram de implementações do estado da técnica nas quais, por exemplo, cada ímã 41, 61 se estende ao longo do comprimento inteiro do corpo cilíndrico 21, sua orientação axial como ilustrada aqui é típica das implementações da técnica anterior. Dispostos deste modo, os pólos magnéticos 41, 61 geram um campo magnético circunferencial ou transversal em relação à parede do tubo - como ilustrado pelos trajetos de fluxo magnético 81 - sendo neces- sárias múltiplas seções de magnetizador para fornecer cobertura completa da superfície da parede interna do tubo.

Com referência agora às Figuras 2 a 6, um con- junto de magnetizador oblíquo 20 de acordo com esta invenção inclui um circuito magnético 40 que possui dois pólos magnéticos espiralados 41, 61 dispostos cerca de 180° em oposição entre si sobre o corpo cilíndrico da ferramenta 121. Cada pólo magnético 41, 61 se estende entre uma primeira extremidade 23 e uma segunda extremidade 25 do corpo cilíndrico da fer- ramenta 21. Também podem ser usados pares adicionais de pólos magnéti- cos espiralados 41, 61, com cada pólo magnético espiralado 41 ou 61 se estendendo entre as extremidades 23, 25 do corpo cilíndrico da ferramenta .21 e espaçados 360°/n a partir de seu pólo magnético adjacente e oposto .61, 41 ("n" sendo um número igual ao número de pólos magnéticos 41, 61 empregados). Os pólos magnéticos 41, 61 possuem de preferência uma superfície superior flexível e conformável 49, 69, respectivamente, que a- juda a reduzir as forças de atrito e a minimizar os efeitos da velocidade en- quanto o conjunto de magnetizador oblíquo 210 se move pelo interior do tubo. A superfície superior conformável 49, 69 também permite que o con- junto de magnetizador 20 comprima uma quantidade suficiente de modo a passar por obstruções internas, curvas e reduções no tubo que poderiam de outro modo danificar o conjunto de magnetizador 20 ou diminuir sua velo- cidade ou impedir sua passagem. A quantidade de rotação dos pólos magnéticos 41, 61 depende da quantidade de rotação necessária para obter plena cobertura da superfície da parede interna do tubo. Passando pela seqüência da Figura .2 até a Figura 6, os pólos magnéticos 41,61 são girados ou espiralados em quantidades incrementais, para uma rotação nominal de cerca de 150 graus (como ilustrado na Figura 6). Quando girada, a segunda extremidade 45, .65 do pólo magnético 41, 61 é deslocada um ângulo predeterminado ou uma quantidade α em relação a sua primeira extremidade respectiva 43, 63 (vide Figura 7). Por causa dessa quantidade de rotação a, a linha central longitudinal respectiva 47, 67 de cada pólo magnético espiralado 41, 61 não é paralela ao eixo longitudinal central 27 do corpo cilíndrico da ferra- menta 21. A rotação dos pólos magnéticos 41,61 também ajuda a induzir uma quantidade suficiente de rotação do conjunto de magnetizador 20 en- quanto este se move no interior do tubo.

A Figura 8 ilustra o campo magnético 80 gerado a partir de um protótipo do conjunto de magnetizador oblíquo 20, o qual foi configurado de modo semelhante ao conjunto de magnetizador 20 ilustrado na seqüência de rotação das Figuras 2 a 6. Diferente das ferramentas de inspeção em linha da técnica anterior, a direção do campo magnético 80 é diagonal ou oblíqua ao eixo do tubo em vez de circunferencial ou transver- sal, com os trajetos de fluxo magnético 81 provenientes dos pólos 41,61 e percorrendo direções opostas até atingir um pólo correspondente 61, 41. As linhas de fluxo magnético 82 geradas em cada pólo magnético 41, 61 são orientadas para o trajeto de menor resistência: para a parede do tubo e na direção do pólo magnético adjacente 61, 41. O ângulo do campo magnético 80 é geralmente perpendicular às linhas de fluxo 81 formadas pelos pólos magnéticos 41,61 e geralmente paralelo a uma linha que constitui a distân- cia mais curta entre os pólos magnéticos 41, 61. A direção do campo mag- nético 80 dentro do perímetro dos pólos 41,61 pode variar de 30 a 60 graus em relação ao eixo do tubo.

Com referência agora às Figuras 9 e 10, o conjun- to de magnetizador oblíquo 20 pode inclui um conjunto de sensores em formato helicoidal 90 localizados substancialmente eqüidistantes entre os pólos magnéticos girados 41, 61 e dispostos para fornecer cobertura com- pleta da superfície da parede interna W do tubo P e acomodar qualquer ro- tação do conjunto de magnetizador 20 que possa ocorrer. Os sensores indi- viduais no conjunto de sensores 90 podem ser de um tipo bem conhecido na técnica para detectar sinais de vazamento de fluxo magnético. O con- junto de sensores 90 se estende de preferência entre a primeira extremidade 23 e a segunda extremidade 25 do corpo cilíndrico 21 (e, portanto, entre as respectivas extremidades 43, 45 e 63, 65 dos pólos magnéticos 41, 61) e incorpora um grau de sobreposição Δ entre uma primeira extremidade 91 e a segunda extremidade 93 do conjunto de sensores 90. As superfícies supe- riores conformáveis 49, 69 dos pólos magnéticos 41, 61 (vide, por exem- plo, a Figura 6) podem ter a forma de escovas 51, 71. Os discos radiais 31A e B ajudam a impulsionar e a centralizar o conjunto de magnetizador 20 enquanto avança no tubo P sob pressão diferencial.

A configuração final do conjunto de magnetiza- dor obliquo 20 pode incluir qualquer combinação atual de conjuntos de da- dos, incluindo, mas não se limitando a deformação, MFL axial de alto ní- vel, discriminação interna/externa, dados inerciais para mapeamento e MFL de baixo nível ou residual. Em um modo de realização preferido da ferramenta de inspeção em linha 10 que incorpora o conjunto de magneti- zador oblíquo 20, a ferramenta 10 inclui um magnetizador axial 100 e uma seção de detecção de deformação 110 (vide a Figura 11).

Com referência agora às Figuras 12 e 13, o con- junto de sensores 90 inclui bobinas sensoras com transdutores acústicos eletromagnéticos (EMAT) 95, 97 e 98 localizadas entre as bordas opostas .42, 62 dos pólos magnéticos permanentes orientados no sentido oblíquo 41, .61. As bobinas sensoras 95, 97 e 98 são dispostas de preferência nas linhas ou conjuntos das bobinas sensoras 94a-e como definido por um eixo central do conjunto de bobinas sensoras 99a-e. Cada eixo central 99a-e é geral- mente paralelo aos outros eixos 99a-e e orientado a um ângulo predetermi- nado γ em relação ao eixo central longitudinal 27 do corpo cilíndrico da ferramenta 21. Um conjunto de bobinas sensoras (não ilustrado) substanci- almente idêntico ao conjunto de bobinas sensoras 94a-e é disposto na su- perfície externa oposta do corpo cilíndrico da ferramenta 21, por volta de 180° em oposição aos conjuntos de bobinas sensoras 94a-e.

Os pólos magnéticos orientados no sentido oblí- quo 41,61 geralmente estão a um ângulo β em relação ao eixo longitudinal central 27, com o ângulo β sendo diferente do ângulo γ. Considerando que as linhas de fluxo 81 geradas pelos pólos magnéticos 41, 61 são geralmente perpendiculares às bordas 42, 62 dos pólos magnéticos 41,61, o campo magnético 80 é girado a um ângulo ε em relação ao eixo longitudinal cen- tral 21 e, portanto, está a um ângulo em relação aos conjuntos de bobinas sensoras 94a-e. Em um modo de realização preferido, o ângulo γ é de cerca de 90°, o ângulo β de cerca de 45° e o ângulo ε de cerca de 45°.

Dispor os conjuntos de bobinas sensoras 94a-e perpendicularmente ao eixo longitudinal central 27 do corpo cilíndrico da ferramenta 21 (e, portanto, perpendicular ao eixo do tubo) permite que o conjunto de sensores 90 detecte as características tanto no sentido axial como no circunferencial. As bobinas transmissoras 95 geram ondas SH 96 que se movem circunferencialmente ao redor do tubo e chocam-se a um ângulo normal (perpendicular) às rachaduras axialmente orientadas. Dispor os conjuntos de bobinas sensoras 94a-e em paralelo ao eixo longitudinal central 27 do corpo cilíndrico da ferramenta 21 (e, portanto, em paralelo ao eixo do tubo) permite que o conjunto de sensores 90 detecte as característi- cas no sentido circunferencial. Ondas de tensão horizontal 96 são transmi- tidas ao longo da parede do tubo no sentido axial para que sejam detectados os reflexos das rachaduras transversais, como por exemplo, rachaduras em soldas circulares. Ao contrário da orientação dos receptores das ferramen- tas EMAT do estado da técnica, as bobinas receptoras 97, 98 não têm que ser deslocadas diagonalmente com relação a ou giradas no sentido da bobi- na transmissora 95 a fim de conseguir os benefícios de girar o campo mag- nético 80 com relação às bobinas sensoras EMAT 95, 97 e 98.

As bobinas sensoras 95, 97 e 98 podem ser mon- tadas em um mecanismo adequado, como por exemplo, sapatas carregadas por mola (não ilustradas) que mantêm as bobinas 95, 97 e 98 em íntima proximidade com o diâmetro interno do tubo. As bobinas transmissoras 95 induzem ondas orientadas SH 96 em dois sentidos circunferenciais ao redor do tubo. As bobinas receptoras 97 detectam os reflexos das rachaduras por corrosão sob tensão (SCC) e servem como receptores de calibração. As bobinas receptoras 98 detectam as ondas orientadas SH 96 que se propa- gam a partir das duas bobinas transmissoras 95 no sentido circunferencial. Os elementos característicos desses sinais detectados, tais como amplitude e horário de chegada, podem ser utilizados para detectar características tais como descolamento do revestimento, corrosão e SCC.

As bobinas receptoras 97, 98 são colocadas a uma distância predeterminada a partir da bobina transmissora 95 para que as respostas de sinal sejam detectadas pelas bobinas receptoras 97, 98, mas não afetadas de maneira adversa pelo pulso de excitação eletrônica inicial. Cada bobina transmissora 95 em um conjunto 94a-e é agrupada com duas bobinas receptoras 97, 98 de cada lado. O conjunto de sensores 90 inclui, de preferência, o número indispensável de bobinas transmissoras 95 e bo- binas receptoras 97, 98 a fim de prover cobertura de sobreposição de SCC e detecção de descolamento de revestimento. Em um modo de realização preferido, cada um dos dois conjuntos de sensores 90 - dispostos em oposi- ção entre si e para uso em um tubo com 24 polegadas de diâmetro - inclui cinco bobinas transmissoras 95 e um total de 20 bobinas receptoras 97, 98.

Cada bobina transmissora 95 quando acionada faz com que as ondas orientadas SH 96 se propaguem tanto à esquerda como à direita da bobina 95 e ao redor da circunferência do tubo. As bobinas re- ceptoras 97, 98 mais próximas da bobina transmissora ativa 95 são amos- tradas primeiro no tempo (comutadas) para receber as ondas de saída 96 e então comutadas em um retardo de tempo predeterminado mais longo, de preferência na ordem de 50 e 90 microssegundos para um tubo com 24 po- legadas de diâmetro para detectar reflexos de SCC. Esses reflexos são a partir das zonas de amostragem visadas "Z" localizadas entre as bobinas receptoras RD 97 e a uma distância predeterminada "D" além das bobinas receptoras RA 98 de modo a maximizar a cobertura e minimizar a interfe- rência. Os sinais de reflexo são normalizados, i.e. divididos pelos sinais de saída detectados nos receptores RD 97 para oferecer calibração contínua dos reflexos de sinal.

A título de exemplo, considerando um tubo de 24 polegadas e uma amostra de espaçamento axial alvo de 6 mm (0,24 polega- da), uma taxa de pulso de 390 Hz produzirá uma resolução axial de 5,1 mm (0,20 polegada). Essa taxa de pulso permite que a onda SH 96 percorra aproximadamente 4,25 vezes ao redor da circunferência do tubo antes do segundo pulso ou estímulo acústico ser disparado. Conseqüentemente, os resíduos do primeiro pulso estão entre as bobinas receptoras 97, 98 e, por- tanto não possuem influência sobre as bobinas receptoras 97, 98 localizadas do lado oposto do corpo da ferramenta 21 dentro daquele anel circunferen- cial no intervalo de tempo de amostragem (canal).

As ondas SH 96 ainda estão dentro dos canais do receptor durante o terceiro estímulo acústico, depois da onda 96 ter percor- rido cerca de 8,5 vezes ao redor do tubo. Usando um fator de atenuação de .0,8 em um percurso de 2 pés (um fator determinado a partir de experimen- tos laboratoriais), um estímulo acústico transmitido a 100 porcento da esca- la completa tem uma amplitude de menos de 0,3 porcento quando chega às bobinas receptoras 97, 98 localizadas no lado oposto do corpo cilíndrico da ferramenta 21. Essa quantidade de ruído é geralmente desprezível se com- parada a outras fontes de ruído, por exemplo, ruído termoeletrônico, o qual pode chegar a 3 porcento da escala completa.

O descolamento do revestimento é detectado nas zonas de amostragem visadas Z entre as bobinas receptoras RD 97 e as bo- binas receptoras RA 98 que estão localizadas em linha com as bobinas transmissoras 95. A detecção do descolamento de revestimento pode ser realizada computando a relação dos sinais do receptor comutado. As rela- ções acima de um limite definido indicam falta de revestimento ou desco- lagem em uma zona em particular 99 do tubo.

Em estudos conduzidos pelos inventores, um con- junto de sensores 90 constituído de acordo com esta invenção mostrou os seguintes benefícios em relação à técnica anterior:

• maior sensibilidade a defeitos pequenos, i.e. aumento de até 20 db da amplitude de sinal;

• diminuição substancial dos requisitos de potência do pulsador RF;

• cobertura total para inspeção circunferenci- al, reduzindo a probabilidade de perda de rachaduras;

• autocalibração dos sinais transmitidos u- sando as bobinas receptoras mais próximas das bobinas transmissoras; e

• menos interferência entre bobinas transmis- soras causadas pelo anel acústico ao redor.

Configurações adicionais· são possíveis, depen- dendo do diâmetro do tubo, com números diferentes de pólos magnéticos .41,61, bobinas sensoras 95, 97 e 98 e conjuntos de sensores 90. Para de- tecção circunferencial, por exemplo, o conjunto de sensores 90 seria girado a um ângulo oblíquo γ em relação ao eixo do tubo, ficando ainda localizado dentro do campo de polarização magnética angular 80. Além de SCC e ca- racterísticas tipo rachadura, essas configurações podem responder a carac- terísticas tais como descolamentos de revestimento e perda de metal. O sistema resultante também pode ser utilizado como sistema EMAT somente ou combinado com qualquer uma das várias outras tecnologias disponíveis em ferramentas de inspeção em linha, incluindo, mas não se limitando a MFL, Deformação, Calibrador e Mapeamento.

Embora a ferramenta EMAT que inclui um mag- netizador oblíquo e conjunto de sensores helicoidais tenha sido descrita com certo grau de particularidade, é evidente que muitas modificações po- dem ser feitas nos detalhes construtivos e de disposição dos componentes sem fugir do espírito e do escopo desta invenção. Uma ferramenta EMAT de acordo com este relatório, portanto, está limitada apenas pelo escopo das reivindicações anexas, incluindo a gama completa de equivalências à qual cada elemento da mesma está designado.

Claims (20)

1."FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL"; dito conjunto de sensores caracterizado por - um primeiro e um segundo conjunto (90) de bobinas de sensor, cada um de ditos primeiro e segundo conjuntos (90) de bobinas de sensor incluindo um primeiro (97) e um segundo (98) par de bobinas receptoras e uma bobina transmissora (95); - dita bobina transmissora (95) e dito primeiro (97) e segundo (98) pares de bobi- nas receptoras, cada qual sendo disposto em paralelo entre si e compartilhando uma linha central comum (94a), (94b), dita bobina transmissora (95) estando localizada entre ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas receptoras; -dita linha central comum (94a), (94b) é orientada a um ângulo γ em relação a um eixo longitudinal central (27) de uma ferramenta de inspeção (10) sobre o qual é montado cada dito conjunto (90) de bobinas de sensor; - a ferramenta de inspeção (10) dotada de pelo menos dois pólos magnéticos (41), (61) dispostos de forma oblíqua ao eixo longitudinal central (27) da ferramenta de inspe- ção (10); e cada um de ditos primeiro e segundo conjuntos (90) de bobinas de sensor es- tando localizado sobre a superfície externa da ferramenta de inspeção (10) e repousando entre e substancialmente eqüidistante das bordas opostas de pelo menos dois pólos mag- néticos (41), (61).

2. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo ângulo γ é selecionado para que dita linha central comum (94a), (94b) seja oblíqua em relação a um eixo longitudinal central (27) de cada pólo magnético (41), (61) em pelo menos dois pólos magnéticos (41), (61).

3. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo ângulo γ é selecionado para que dita linha central comum (94a), (94b) seja substan- cialmente paralela ao eixo longitudinal central (27) da ferramenta de tubulação (10).

4. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo ângulo γ é de cerca de 90°.

5. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo primeiro e segundo conjuntos (90) de sensores de bobina são espaçados entre si cer- ca de 180°.

6. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por uma parte de dito primeiro conjunto (90) de bobinas de sensor e uma parte de dito segundo conjunto (90) de bobinas de sensor repousam dentro de uma faixa circunferenci- al comum da ferramenta de inspeção (10).

7. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por uma parte de dita bobina transmissora (95) em dito primeiro conjunto (90) de bobinas de sensor é deslocada de uma parte de dita bobina transmissora (95) em direção perpen- dicular ao eixo longitudinal central (27) da ferramenta de inspeção (10).

8. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pela bobina transmissora (95) em pelo menos um de ditos primeiro e segundo conjuntos (90) de bobinas de sensor transmite um sinal, o sinal sendo refletido por uma superfície de parede de um elemento tubular sendo inspecionado pela ferramenta de inspeção (10).

9. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SEN- SOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 8, caracterizado pelo sinal percorre um número predeterminado de vezes ao redor de uma circunferência do elemento tubular antes de ditas bobinas transmissoras (95) transmitirem um segundo sinal.

10. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 8, caracte- rizado por pelo menos um de ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas recep- toras retira amostra do sinal.

11. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 8, caracte- rizado por pelo menos um de ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas recep- toras retira amostra do sinal refletido.

12. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 11, caracte- rizado pelo sinal refletido ser um sinal normalizado.

13. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 11, caracte- rizado pela amostragem ocorre a um intervalo de tempo de amostragem predeterminado.

14. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 11, caracte- rizado pelo sinal percorrer um número predeterminado de vezes ao redor de uma circun- ferência do elemento tubular antes que pelo menos uma de dita primeira (97) e dita se- gunda (98) bobinas transmissoras retire uma amostra do sinal refletido.

15. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 11, caracte- rizado pela amostragem ocorre dentro de uma zona de amostragem dirigida, a zona de amostragem dirigida se estende entre uma primeira (97) bobina receptora e uma distância "D" predeterminada além de uma segunda (98) bobina receptora.

16. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 11, caracte- rizado por cada um de ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas receptoras é espaçado em relação a dita bobina transmissora (95) de modo que o sinal transmitido por dita bobina transmissora (95) não mascare a detecção do sinal refletido por ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas receptoras.

17. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracte- rizado por compreender ainda ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas recep- toras cada qual incluindo uma bobina receptora de RD e uma bobina receptora de RA.

18. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracte- rizado por compreender ainda pelo menos uma bobina receptora em ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas receptoras sendo uma bobina receptora articulada.

19. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracte- rizado por compreender ainda pelo menos uma bobina receptora em cada um de ditos primeiro (97) e segundo (98) pares de bobinas receptoras sendo uma bobina de calibra- ção.

20. "FERRAMENTA DE INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO COM CONJUNTO DE SENSOR EMAT COM DUPLA ESPIRAL", de acordo com a Reivindicação 1, caracte- rizado por compreender ainda pelo menos um de ditos primeiro (97) e segundo (98) con- juntos de bobinas de sensor sendo capaz de detectar pelo menos uma anomalia na parede orientada axialmente em uma anomalia na parede orientada circunferencialmente.