BRPI0307247B1 - processo e dispositivo de controle de uma bainha tubular feita de matéria plástica extrudada - Google Patents

Abstract

"processo e dispositivo de controle de uma bainha tubular feita de matéria plástica extrudada". esse processo de controle de bainha por ultra-sons utiliza uma freqüência de ultra-sons escolhida entre 1,5 mhz e 3 mhz, vantajosamente entre 2 e 2,5 mhz, e uma largura de pulso, medida a -20 db, compreendida entre 0,5 <109>s e 1,5 <109>s, vantajosamente inferior a 1 <109>s. o dispositivo compreende um tanque (15) de passagem de bainha que compreende uma entrada e uma saída estanque, e uma máquina de cabeça giratória que leva vários transdutores (3) dispostos em torno da passagem de bainha dentro do tanque.

Description

“PROCESSO E DISPOSITIVO DE CONTROLE DE UMA BAINHA TUBULAR FEITA DE MATÉRIA PLÁSTICA EXTRUDADA” [0001] A presente invenção se refere ao controle de bainhas tubulares feitas de matéria plástica extrudada, notadamente daquelas que são utilizadas nos condutos flexíveis destinados a veicular em grandes distâncias um fluido sob pressão e se for o caso sob alta temperatura, tal como um gás, petróleo, água ou outros fluidos.

[0002] Trata-se notadamente de detectar defeitos de extrusão tais como as bolhas de ar e as inclusões nas bainhas e nos tubos extrudados feitos de material polimérico, por exemplo o PVDF (polifluoreto de vinilideno). As bainhas consideradas na invenção têm geralmente um diâmetro de 60 a 550 mm e uma espessura de 4 mm a 15 mm. Os defeitos a detectar têm geralmente um diâmetro da ordem de 2 mm.

[0003] Para proceder a esses controles, são conhecidas várias soluções.

[0004] É possível proceder a um controle visual da bainha mas isso só é possível se a bainha é feita de matéria translúcida. No entanto, essa solução não se presta à automatização.

[0005] É possível proceder a uma radiografia por raios X, notadamente por tiros cruzados a 90°. Mas, quando a bainha é disposta sobre uma folha metálica (no caso dos condutos de petróleo ditos “rough bore”), a atenuação muito superior dos metais em relação aos polímeros para os raios X leva a efetuar tiros tangenciais na espessura da bainha, com o auxílio de uma cabeça giratória, o que complica a execução do processo de controle a aumenta os tempos de controle.

[0006] É possível pensar em utilizar o princípio da ecografia ultra-sônica, que permite se liberar do problema da carcaça metálica.

[0007] O princípio da ecografia ultra-sônica é bem conhecido em obtenção de imagens medicais, por exemplo pelos documentos US 6 226 228 ou US 5 608 690, mas as prescrições dadas nesses documentos, baseadas em uma observações das propriedades do corpo humano, não têm alcance para o profissional confrontado com o problema específico da presente invenção, a saber o controle das bainhas feitas de plástico extrudado dos condutos. Além disso, numerosos obstáculos fazem com que esse método nunca tenha, no conhecimento da requerente, sido levado em consideração na prática no domínio dos condutos. De fato: - alguns dos plásticos comumente utilizados para as bainhas, como o PVDF, atenuam bastante as ondas ultra-sônicas, o que torna difícil a detecção dos defeitos profundos. Nesse tipo de materiais, a atenuação, expressa em dB/mm, é proporcional à freqüência da onda ultra-sônica. Quanto mais a freqüência aumenta, mais aumenta a atenuação. No PVDF, a atenuação na freqüência de 2 MHz é da ordem de 2 dB/mm, o que é importante. A título comparativo, na mesma freqüência, a atenuação no alumínio se aproxima de 0,03 dB/mm. Portanto, essa atenuação pode ser reduzida se são privilegiadas freqüências ultra-sônicas baixas, mas com o risco de aumentar o obstáculo seguinte, como vai ser visto. - o tamanho muito pequeno dos defeitos a detectar acarreta um problema de sensibilidade, que é possível procurar melhorar escolhendo-se para isso freqüências ultra-sônicas altas, quer dizer em contradição com o aparato no obstáculo precedente. - é desejável que se tenha um método de controle único que cubra o conjunto das aplicações desejadas, ora essas últimas variam muito em termos de espessura de bainha, de diâmetro de tubo (com notadamente efeitos de desfocaiização para os menores diâmetros) e de natureza do material constitutivo.

[0008] Com base nesses conhecimentos usuais, notadamente tais como eles resultam das normas fixadas para os transdutores ultra-sônicos, é revelado ao profissional que é necessário prever vários transdutores diferentes para cobrir com boa sensibilidade a totalidade da bainha em todas suas aplicações, a saber pelo menos um tipo de transdutor para detectar os defeitos na superfície da bainha ou para as bainhas de pequena espessura e pelo menos um outro tipo de transdutor para o fundo da bainha.

[0009] O objetivo da invenção é propor um processo e um dispositivo de controle por ultra-sons que sejam polivalentes.

[0010] A invenção atinge seu objetivo propondo para isso um processo de controle de uma bainha feita de matéria plástica extrudada, caracterizado pelo fato de que trata-se de um processo ecográfico ultra-sônico por imersão e pelo fato de que a freqüência central dos ultra-sons é escolhida entre 1,5 MHz e 3 MHz, preferivelmente entre 2 e 2,5 MHz. A largura de pulso, medida a -20 dB está compreendida entre 0,5 ps e 1,5 ps, e preferivelmente inferior a 1 ps (e ótima a 0,7 ps). O espectro do feixe emitido deve compreender uma parte suficiente de ondas de baixa freqüência da ordem de 1 MHz cuja diferença de amplitude em relação à freqüência central não deve ser superior a 30 dB.

[0011] Vantajosamente, o feixe ultra-sônico é focalizado e dá, na água, uma mancha de largura “d” compreendida entre 1,6 mm e 3,2 mm, e preferivelmente próxima de 2 mm, e de comprimento “I” compreendido entre 15 e 50 mm, preferivelmente 40 mm. O coeficiente de focalização acústica é inferior a 0,65 e preferivelmente inferior a 0,6.

[0012] A invenção, além disso, vantajosamente recorre a uma ou várias das características secundários seguintes.

[0013] O transdutor ultra-sônico, de tipo piezelétrico, é de preferência de tipo piezocompósito. Nesse caso, é vantajoso que a focalização seja obtida por conformação do próprio piezocompósito.

[0014] A posição do ponto de focalização na bainha está situada a cerca de ou para além dos três-quartos da espessura da bainha, e mesmo fora da bainha.

[0015] A dimensão principal do transdutor, a saber seu diâmetro quando ele é realizado sob a forma de elemento único ou a largura da vareta de transdutores de vários elementos, está compreendida entre 12 mm e 26 mm, e de preferência é próxima de 19 mm.

[0016] A máquina que executa o processo da invenção é de preferência uma máquina de mecânica oscilante, associada vantajosamente a transdutores em varetas.

[0017] O feixe ultra-sônico e sua focalização podem ser obtidos por meios clássicos, notadamente por transdutores de elemento único acompanhados com a “óptica” acústica adequada para a focalização.

[0018] O tratamento de sinal de retorno compreende preferivelmente uma monitorização da porta eletrônica “integridade física” em função da porta de saída do transdutor. Ele compreende também um sistema de compensação da atenuação em profundidade por amplificação do sinal de retardo.

[0019] A invenção também se refere ao dispositivo de execução do processo, a saber um dispositivo de controle de bainha que compreende meios de imersão de bainha e pelo menos um transdutor de controle que emite um feixe de ultra-sons cuja freqüência central está compreendida entre 1,5 MHz e 3 MHz e a largura de pulso, medida a -20 dB, está compreendida entre 0,5 ps e 1,5 ps.

[0020] Vantajosamente, o dispositivo compreende um tanque de passagem de bainha que compreende uma entrada e uma saída estanque, e uma máquina de cabeça giratória, de preferência oscilante, que leva vários transdutores dispostos em torno da passagem da bainha dentro do tanque.

[0021] A invenção será melhor compreendida com o auxílio da descrição que se segue, em referência aos desenhos esquemáticos anexos nos quais: [0022] A figura 1 é uma vista esquemática em corte longitudinal de uma bainha tubular inspecionada e de um transdutor de controle ultra-sônico, [0023] A figura 2 é um exemplo de ecograma obtido por ocasião da inspeção da bainha, [0024] A figura 3 representa o espectro de emissão do feixe ultra-sônico utilizado, [0025] A figura 4 representa em corte esquemático um transdutor de elemento único, [0026] A figura 5 representa em perspectiva esquemática um transdutor em vareta de elementos, [0027] A figura 6 representa esquematicamente em vista de lado a mesma vareta de elementos, [0028] A figura 7 representa esquematicamente uma cabeça rotativa que sustenta vários transdutores, [0029] A figura 8 representa esquematicamente os traços de detecção na bainha controlada pela cabeça da figura 7, [0030] A figura 9 representa esquematicamente um dispositivo de controle que integra a cabeça da figura 7, [0031] A figura 10 representa esquematicamente uma cabeça oscilante que sustenta vários transdutores, [0032] A figura 11 representa esquematicamente os traços de detecção na bainha controlada pela cabeça oscilante da figura 10.

[0033] A bainha tubular inspecionada 1, de eixo longitudinal 2, é mergulhada em um meio condutor dos ultra-sons apropriado não representado, tal como a água, e um transdutor 3 envia radialmente para o conduto um feixe ultra-sônico 4 que é maiôs ou menos refletido por obstáculos tais como a interface água/bainha 5, um defeito 6 ou o fundo de bainha 7. Os sinais refletidos aparecem no ecograma ilustrado na figura 2 dando o sinal de retorno recebido em função do tempo e permitem a determinação dos obstáculos 5, 6, 7. A localização da película 5 e do fundo 7 da bainha também permite controlar a espessura dos mesmos.

[0034] A figura 3 mostra o espectro do feixe ultra-sônico com uma freqüência central compreendida entre 1,5 e 3 MHz e de preferência entre 2 e 2,5 MHz. Freqüências muito baixas favorecem uma atenuação pequena mas em detrimento da sensibilidade e se a freqüência é alta demais, a atenuação faz com que não se possa mais controlar a bainha em sua integralidade quando sua espessura é grande.

[0035] A largura de pulso a -20 dB é inferior ou igual a 1 με: um pulso breve permite uma boa detecção próximo da superfície exterior e uma boa resolução em profundidade. A largura de pulso é de preferência superior a 0,5 ps para ser suficientemente enérgica.

[0036] O espectro do feixe emitido deve compreender uma parte suficiente de ondas de baixa freqüência da ordem de 1 MHz cuja diferença de amplitude Δ em relação à freqüência central não deve ser superior a 30 dB. Essas ondas de baixa freqüência permitem a detecção dos defeitos escondidos profundamente em razão da menor sensibilidade dos mesmos à atenuação no material da bainha. O espectro e a largura de pulso estão diretamente ligados e dependem do amortecimento do transdutor.

[0037] No presente dispositivo, a freqüência central e a banda passante do espectro ultra-sônico dependem essencialmente das características do transdutor ilustrado na figura 4, e principalmente de sua freqüência de ressonância, ligada à espessura do elemento piezelétrico 8 e de sua taxa de amortecimento ligada à natureza do amortecedor 9. De fato, o gerador de pulsos elétricos utilizado para excitar o transdutor utiliza formas de ondas unipolares do tipo pulso breve ou sinal quadrado de frentes de subida e de descida rápidas, tais para que a banda passante do sinal elétrico de excitação que resulta dele seja muito superior à banda passante da função de transferência do transdutor. Na prática, por exemplo, a banda passante a -6 dB da excitação elétrica cobre a gama 500 kHz a 8 MHz, enquanto que a banda passante a -6 dB da função de transferência do transdutor cobre a gama 1,5 MHz a 4 MHz. A conseqüência é que o transdutor trabalha próximo de sua freqüência própria de ressonância.

[0038] Esse tipo de excitação apresenta varias vantagens: - Melhor rendimento do transdutor, visto que o elemento piezelétrico vibra a freqüências próximas da freqüência de ressonância. - Simplicidade do gerador. Esse tipo de gerador é muito utilizado no domínio do controle.

[0039] A focalização que permite obter um feixe acústico é medida a -6 dB, na água e ela apresenta vantajosamente as seguintes características.

[0040] A largura “d” da mancha está compreendida entre 1,6 e 3,2 mm e é idealmente escolhida entre 2 mm e 2,5 mm, o que permite assegurar que os defeitos cujo diâmetro médio é justamente da ordem de 2 mm serão detectados; o comprimento da mancha está compreendido entre 18 mm e 50 mm, idealmente a 40 mm, o que permite cobrir toda a espessura da bainha, visto que um comprimento de mancha de 18 mm na água corresponde a cerca de 15 mm em um material polimérico típico das aplicações consideradas. De fato, é preferível escolher um comprimento de mancha muito superior à espessura de bainha, e focalizar a mancha próximo de último quarto, ou para além dele, da espessura da bainha, e mesmo para além do fundo da bainha, de maneira a cobrir amplamente toda a bainha e a estar menos sensível às variações da distância entre o transdutor e a bainha. O coeficiente de focalização acústica é inferior a 0,65 e mesmo de preferência a 0,60; isso corresponde a um transdutor bem focalizado, que permite a homogeneidade e a reprodutibilidade do feixe, a planura das frentes de onda e a aplicação para o controle de materiais atenuantes.

[0041] A focalização pode ser obtida por lentes ultra-sônicas, por espelhos de formas convenientes, pela conformação do transdutor piezelétrico, notadamente se trata-se de um transdutor piezocompósito, ou por um mosaico de transdutores elementares defasados eletronicamente (“phased array”).

[0042] A figura 4 ilustra um modo de realização do transdutor 3 sob a forma de um elemento único cilíndrico 8 piezelétrico, de diâmetro D, contíguo de um lado a um amortecedor 9 e do outro lado a uma lente acústica esférica 10 de raio R. A focal acústica na água, Fac, é dada pela fórmula Fac = gac (ϋ2/4λ), na qual λ é o comprimento de onda, gac é o coeficiente de focalização acústica ligado ao coeficiente de focalização óptica gopt com gac = [(1+4 g0pt2)1/2 - 1 ]/2gopt e gopt = 8 ÀR/D2.

[0043] A figura 5 mostra o exemplo de realização de um transdutor 3’ sob a forma de uma vareta linear, composta por exemplo de 128 elementos e contígua a uma lente cilíndrica 10’. A largura “L” da vareta está preferivelmente compreendida entre 12 e 26 mm. O comprimento unitário X de um elemento da vareta 3’ é preferivelmente inferior ou igual a 2,5 mm (com um ótimo para 1,5 mm).

[0044] Para a focalização em “phased array”, atira-se em k elementos (cf. figura 6), em uma largura L’, dentre os n elementos da vareta 3’, com L’ = kX e escolhe-se k superior ou igual a 5, e de preferência superior ou igual a 8 e L’ compreendido entre 12 e 26 mm.

[0045] Quando são utilizados transdutores de tipo de vareta, vários métodos de tratamento de sinal podem ser utilizados. É possível utilizar uma técnica de defasagem eletrônica dita em “phased array” que consiste em atirar em um grupo de vários elementos da vareta com uma curva de retardo para o tiro de cada elemento dado e atirar sucessivamente em todos os grupos sucessivos da vareta para obter um sinal para cada grupo. Uma outra maneira de utilizar esse transdutor em vareta consiste em utilizar uma técnica dita de “holografia acústica digital” que consiste em atirar de modo simultâneo na integralidade dos elementos da vareta e analisar por um tratamento específico os dados recolhidos.

[0046] A fim de mecanizar o controle, é possível escolher vários tipos de dispositivos.

[0047] De acordo com o tipo representado nas figuras 7 a 9, dispõe-se vários transdutores de elemento único 3 em uma cabeça giratória 11, por exemplo entre 8 e 20 transdutores por cabeça. A cabeça é acionada em rotação em torno da bainha, no sentido da flecha 12 por exemplo, enquanto que a bainha é ela própria acionada em translação, no sentido da flecha 13 por exemplo. As trajetórias de detecção na bainha são portanto hélices 14, espaçadas de um passo que é escolhido suficientemente pequeno, por exemplo de 2,5 mm, para assegurar a detecção dos pequenos defeitos. O acoplamento é realizado por uma imersão total da bainha e da cabeça de transdutores dentro de um tanque 15 cheio de água 16, que a bainha atravessa graças a aberturas providas de juntas de estanqueidade 17. Os sinais da cabeça de transdutores são transmitidos com o auxílio de um coletor giratório. Levando-se em consideração os fenômenos de ruídos que podem aparecer e a relativa fragilidade da cabeça giratória, sua velocidade de rotação é da ordem de 100 rpm. Uma cabeça de 20 transdutores permite controlar uma bainha que se desloca com a velocidade de 5 m/min.

[0048] De acordo com uma outra solução, na realidade preferida, os transdutores de componente único ou em varetas são embarcados em uma cabeça 11 oscilante, como representado esquematicamente nas figuras 10 e 11, com uma amplitude de oscilação angular que é função do número de transdutores 3, por exemplo um quarto de volta para quatro transdutores. O traço de detecção dos transdutores na bainha está representado na figura 11 e está sob a forma de ziguezagues feito de segmentos helicoidais 19, o passo 20 entre dois vértices correspondentes dos ziguezagues devendo ser igual a duas vezes o diâmetro do feixe de elemento único ou à largura de ação da vareta, para permitir uma detecção completa.

[0049] O interesse das cabeças giratórias ou oscilantes é o de limitar o número dos sensores, mas um sistema fixo é absolutamente possível se um número suficiente de sensores é previsto para cobrir toda a superfície da bainha.

[0050] A transmissão dos sinais nos dispositivos de cabeça giratória pode também ser feita por via hertziana.

[0051] A fim de melhorar os resultados da detecção, é possível tratar os sinais de diversas maneiras.

[0052] Assim, é possível corrigir a atenuação do material com o auxílio de um amplificador de ganho crescente com o retardo (DAC), o que permite compensar a atenuação por ocasião da aferição.

[0053] Registra-se, para cada tiro, a posição e a amplitude dos ecos de entrada 5, de defeito 6 e de fundo 7 (cf, figura 2) e define-se duas portas eletrônicas respectivamente de integridade física 24 e de espessura de bainha 26, monitorizadas em relação ao eco de entrada 5.

[0054] A técnica de obtenção de imagens empregada é de tipo C-scan, com uma malha máxima de 2,5 mm no sentido do deslocamento e de 1,5 mm angularmente.

[0055] Para compensar as variações lentas de espessura de bainha e/ou as variações lentas da temperatura que têm uma influência direta sobre a velocidade ultra-sônica, é possível acrescentar uma função de auto-aferição das medidas de espessura, válida unicamente na bainha, a partir de uma comparação periódica entre medições ultra-sônicas, e medições de diferença de diâmetro carcaça/bainha realizadas por outros meios.

[0056] Isso pode ser utilizado para monitorar a largura da porta eletrônica de detecção de defeitos ou porta dita de “integridade física” 24, a fim de que essa última cubra a maior proporção possível da espessura da bainha, sem por isso correr o risco de cobrir o eco de fundo, o que geraria falsas indicações.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Processo de controle de uma bainha tubular feita de matéria plástica extrudada, caracterizado pelo fato de que se trata de um processo ecográfico ultra* sônico por imersão, em que a frequência central dos ultra-sons é escolhida entre 1,5 MHz e 3 MHz, preferivelmente entre 2 e 2,5 MHz, em que a largura de pulso, medida a -20 dB, está compreendida entre 0,5 ps e 1,5 ps, preferivelmente inferior a 1 ps, e em que é utilizado um espectro que compreende parte suficiente de ondas de baixa frequência da ordem de 1 MHz cuja diferença de amplitude em relação à freqüência central não deve ser superior a 30 dB.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a forma do feixe ultra-sônico é focalizada e dá uma mancha de largura “d" compreendida entre 1,6 mm e 3,2 mm e de comprimento T na água compreendido entre 15 e 50 mm, preferivelmente 40 mm.

3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o coeficiente de focalização acústica é inferior a 0,65 e preferivelmente inferior a 0,60.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que é utilizado um transdutor ultra-sônico (3, 3') de tipo piezocompósito.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que se regula a posição do ponto de focalização na bainha de maneira que esteja situado pelo menos a cerca de ou para além dos três-quartos da espessura da bainha, e mesmo para além da bainha.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que é utilizado um transdutor (3,3’) de dimensão principal compreendida entre 12 mm e 26 mm, e de preferência próxima de 19 mm.

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a focalização é de preferência obtida por conformação do próprio componente piezocompósito.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que é executado em uma máquina de mecânica giratória.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que é executado em uma máquina de mecânica oscilante.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que são utilizados transdutores sob a forma de varetas (3’).

11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sinal ultra-sônico é gerado por uma técnica de defasagem eletrônica ou uma técnica de holografia acústica digital.

12. Dispositivo de controle de uma bainha tubular feita de matéria plástica extrudada, caracterizado pelo fato de que compreende meios (15) de imersão de bainha e pelo menos um transdutor ultra-sônico (3, 3’) de controle que emite um feixe de ultra-sons cuja freqüência central está compreendida entre 1,5 MHz e 3 MHz e a largura de pulso, medida a -20 dB, está compreendida entre 0,5 ps e 1,5 ps, preferivelmente inferior a 1 ps, o espectro compreendendo uma parte suficiente de ondas de baixa freqüência da ordem de 1 MHz cuja diferença de amplitude em relação à freqüência central não deve ser superior a 30 dB.

13. Dispositivo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende um tanque (15) de passagem de bainha que compreende uma entrada e uma saída estanque, e uma máquina de cabeça giratória que leva vários transdutores (3) dispostos em torno da passagem de bainha dentro do tanque.