BRPI0710986A2 - aparelho e método para inspecionar um tubo, e, transdutor para transmitir energia de ultra-som em um tubo - Google Patents

Abstract

APARELHO E METODO PARA INSPECIONAR UM TUBO, E, TRANSDUTOR PARA TRANSMITIR ENERGIA DE ULTRA-SOM EM UM TUBO. Um aparelho para inspecionar um tubo compreendendo um corpo adaptado para passagem através do furo de um tubo a ser inspecionado, um arranjo de transdutor principal compreendendo uma pluralidade de transdutores espaçados circunferencialmente para transmitir energia de ultra-som, os transdutores estando montados no corpo para movimento entre uma posição retraida, em que o corpo pode se mover livremente através do furo do tubo, e uma posição estendida, em que a pluralidade de transdutores é apertada em contato operativo com a parede interna do tubo, meio de atuação sendo provido para impelir seletivamente a pluralidade de transdutores a suas posições estendidas, meio de controle sendo provido para transmitir energia de ultra-som em dito tubo para propagar uma onda guiada dentro das paredes de tubo em pelo menos uma direção longitudinal ao longo do tubo quando o transdutores estão na sua posição operativa e para receber a onda propagada e analisar dita onda para determinar a presença ou ausência ou defeitos na parede de tubo.

Description

"APARELHO E MÉTODO PARA INSPECIONAR UM TUBO, E,TRANSDUTOR PARA TRANSMITIR ENERGIA DE ULTRA-SOM EMUM TUBO"

A presente invenção relaciona-se a um método e aparelho parainspecionar tubos, em particular tubos ascendentes de catenária de aço deágua profunda (SCR) e tubulações de gás (ambos fora da costa e na costa,compreendendo tubulações embutidas).

Devido a carregamento ambiental, correntes de submar eprofundidades de água crescentes, SCRs são suscetíveis à rachadura de fadiganas áreas de toque abaixo e nos locais de junca de tensão onde eles conectamà plataforma de hospedeiro. A orientação e natureza das rachaduras de fadigaque se desenvolvem nas soldas circunferenciais e zonas afetadas por calorassociadas são difíceis de detectar com técnicas de inspeção em linha ou de'pigging' atuais. Freqüentemente, uma cobertura isolante é aplicada aos SCRse outras linhas de fluxo para prevenir formação de hidrato dentro do tubo. Talcobertura restringe o uso de técnicas de inspeção externamente aplicadas.

Defeitos críticos a serem detectados em SCRs são rachadurasde fadiga em soldas circunferenciais (ou em zonas afetadas por calorassociadas) adjacentes a áreas de contato inferior onde as tensões de flexãosão geralmente maiores e a vida de fadiga do SCR é portanto mais curta.Estas rachaduras críticas geralmente se formam paralelas à solda e suaorientação é portanto circunferencial com referência ao tubo.

Corrosão em SCRs e outras tubulações também é um problemaprincipal nas indústrias de petróleo, gás, químicas e outras. Muitos tubos sãoisolados que significa que até mesmo corrosão externa não pode ser vista semremover o isolamento, que é proibitivamente caro e pode conduzir a dano aotubo. Corrosão e erosão internas também são problemas particulares em SCRse gasodutos onde fluidos agressivos são carregados pelas tubulações.

A inspeção em linha de gasodutos de transmissão de gás é omodo mais apropriado para verificar a integridade da tubulação. A exposiçãoe inspeção externas de tubo embutido na terra, não só é extremamente caro,mas em muitos locais totalmente impraticável. Em locais fora da costa podenão haver os mesmos constrangimentos como aqueles experimentados emterra para expor a tubulação, mas em ambos grande cuidado de incidentes étomado para assegurar que o gás transmitido tenha alcançado um certo pontode orvalho e esteja seco. E portanto benéfico que o método de inspeção emlinha não introduza qualquer umidade na tubulação durante a inspeção.

Muitas das linhas de fluxo em campo de SCR e tubosascendentes estão entre aproximadamente 200 e 305 mm de diâmetro, comtrabalho de tubo coletor entre aproximadamente 100 e 160 mm em diâmetro.Trabalho de tubo coletor, especialmente no lado de produção, como os SCRs,normalmente tem uma cobertura isolante no lugar que pode ser até 50,4 mmde espessura, portanto, como SCRs, métodos de inspeção externa só podemser usados em uma capacidade limitada, por exemplo a orifícios de inspeçãodesignados. As linhas de diâmetro menor no local de coletor também fazemextremamente difícil para os 'pigs' de inspeção em linha atuais passarem porcurvas apertadas.

Caixões flutuantes de plataforma podem ser usados para váriasaplicações fora da costa, para bombear água do mar para o sistema deinundação de água de incêndio de plataforma, ou para propósitos de descarga.Embora sua integridade não seja tão crítica quanto um tubo ascendente de gásou de produção, suas conseqüências podem ser sérias da sua falha. Falhaspodem fazer caixões flutuantes romperem e colidirem tubulações no solooceânico ou conduzir à falha das bombas internas que entregam água do marpara sistemas de combate de incêndio no lado de cima. A inspeção destescomponentes por rachadura ou perda de parede é difícil devido à cobertura decrescimento marinha externa normalmente pesada.

A fim de diminuir o risco de falha ou vazamentos, é desejávelinspecionar e detectar rachadura de fadiga em SCRs e outros tubos e linhas defluxo e também detectar qualquer redução na espessura de parede de taistubos devido à corrosão e/ou erosão. É particularmente desejável detectarqualquer rachadura tendo uma seção maior que 1% da seção transversal detubo.

Técnicas de teste não destrutivo (NDT) para tubos de aço, epara inspecionar soldas em particular, foram desenvolvidas e tais técnicasacharam aplicação na inspeção de tubulações. Exemplos de tais técnicas sãoteste de raio X, teste ultra-sônico, teste de partícula magnética, teste devazamento de fluxo magnético e corrente parasita. Porém, tais técnicasconhecidas todas possuem desvantagens que as fazem inadequadas para usona inspeção de SCRs devido ao ambiente severo no qual SCRs operam e afalta de acessibilidade às áreas a serem inspecionadas.

Dispositivos de vazamento de fluxo magnético (MFL) sãomuito comuns no campo de petróleo e gás, normalmente providos em 'pigs'para passagem pelo tubo a ser inspecionado. Porém, eles não podem detectarconfiavelmente rachaduras circunferenciais e são mais adequados paradetecção de perda de metal de corrosão. Além disso, dispositivos de MFLcarecem de flexibilidade para acomodar diâmetros de tubo diferentes.Finalmente, dispositivos de MFL só trabalham em materiais magnéticos econseqüentemente não podem ser usados para tubos feitos de um grau de açoinoxidável não magnético.

Ondas ultra-sônicas podem se propagar pela parede de umtubo. A presença de defeitos, tais como rachaduras, no caminho das ondaspode ser detectada, tanto por um detector remoto de uma fonte de ondas ultra-sônicas ou detectando reflexões do defeito por um detector na ou adjacente àfonte. WO 99/31499 expõe um 'limpador' usando ondas ultra-sônicas de altafreqüência (0,5 MHz a 1 MHz) para inspecionar comprimentos curtos de tuboenfrentando a cabeça de inspeção (tipicamente menos de 0,5 m). Tais ondasde alta freqüência provêem alta resolução e sensibilidade de detecção, massofrem alta atenuação e portanto curto alcance. A fim de inspecionar ocomprimento inteiro de um tubo, o 'limpador' tem que ser movido ao longodo tubo enquanto transmitindo continuamente e detectando ondas ultra-sônicas. Tal sistema é volumoso e caro e seria inadequado para muitasaplicações, tais como gasodutos, porque o tubo precisa ser carregado com umlíquido, tal como óleo ou água, para assegurar acoplamento ultra-sônico entreos transdutores piezelétricos e a parede de tubo. Além disso, tal sistema émuito sensível à contaminação nas paredes de tubo porque sujeira ou bolhasde ar aprisionadas podem causar falsas leituras de defeito.

Ondas guiadas ultra-sônicas na parede de tubo, tais comoondas Lamb, são particularmente úteis para inspecionar tubos por defeitosporque elas podem ser excitadas em um local no tubo e se propagarão muitosmetros ao longo do tubo, retornando ecos indicando a presença de corrosão,rachaduras de fadiga ou outros defeitos de tubo. Ondas guiadas ultra-sônicassão modos vibracionais guiados de um corpo de material em que energiaultra-sônica é aprisionada entre os limites de dito corpo de material e guiadapor dito corpo de material pelo grande descasamento em impedânciamecânica entre a parede do corpo de material e um meio circundante. Aterminologia é explicada mais completamente no artigo por M. G. Silk e K. F.Bainton no diário "Ultrasonics" de janeiro de 1979 nas páginas 11-19,intitulado "The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modesequivalent to Lamb waves".

WO 96/12951 (incorporada aqui por referência) expõe o usode ondas guiadas ultra-sônicas de longo alcance para detectar faltas e reduçãona espessura de parede em um tubo. O método se confia na propriedade deondas guiadas de baixa freqüência (< 100 kHz) para se propagar dentro daparede de tubo paralelo ao eixo de tubo, com pequena atenuação, assimtornando possível detectar defeitos localizados até dezenas de metros dacabeça de inspeção, dita detecção de falhas sendo feita pela detecção do ecorefletido pelo defeito. O método é implementado apertando a seco um anel detransdutores piezelétricos à superfície exterior do tubo. Porém, esta técnicarequer acesso à superfície exterior do tubo a intervalos regulares ao longo docomprimento do tubo. Isto pode não ser prático para tubulações isoladas,particularmente para SCRs que podem operar a grande profundidade, fazendoremoção do isolamento e depósitos de submar na superfície de tubo inviável.Tal método também é inadequado para tubulações embutidas pela mesmarazão.

É portanto desejável prover uma ferramenta usando ondasguiadas ultra-sônicas que podem inspecionar a tubulação do interior.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, éprovido um aparelho para inspecionar um tubo compreendendo um corpoadaptado para passagem através do furo de um tubo a ser inspecionado, umarranjo de transdutor principal compreendendo uma pluralidade detransdutores espaçados circunferencialmente para transmitir energia de ultra-som, os transdutores estando montados no corpo para movimento entre umaposição retraída, em que o corpo pode se mover livremente através do furo dotubo, e uma posição estendida, em que a pluralidade de transdutores éapertada em contato operativo com a parede interna do tubo, meio de atuaçãosendo provido para impelir seletivamente a pluralidade de transdutores a suasposições estendidas, meio de controle sendo provido para controlar ostransdutores para transmitir energia de ultra-som em dito tubo para propagaruma onda guiada dentro das paredes de tubo em pelo menos uma direçãolongitudinal ao longo do tubo quando os transdutores estão em sua posiçãooperativa e para receber a onda propagada e analisar dita onda paradeterminar a presença ou ausência ou defeitos na parede de tubo.

Preferivelmente, dito meio de atuação compreende um ou maispistões atuados hidraulicamente para impelir dita pluralidade de transdutorescontra a parede interna do tubo. Preferivelmente, cada um de ditos pistõesatuados hidraulicamente está montado em um cilindro respectivo secomunicando com um coletor comum, dito coletor sendo pressurizável paraimpelir os pistões e conseqüentemente os transdutores contra a parede de tubocom pressão substancialmente igual.

Preferivelmente, dita pluralidade de transdutores é impelidapara sua posição retraída, preferivelmente por um ou mais meios de mola.

Preferivelmente, cada transdutor é provido com uma cabeça decontato para contato com a parede interna do tubo a ser inspecionado, asuperfície externa de dita cabeça de contato definindo a interseção de umparalelepípedo retangular e a borda exterior de um toróide, em que os raiosprincipal e secundário do toróide são pelo menos 10% menor que o raiomenor do tubo a ser inspecionado a fim de obter um contato de pontoaproximado da cabeça de contato com a parede interna do tubo.Preferivelmente, dita cabeça de contato é formada de um materialeletricamente isolante, tal como alumina.

Preferivelmente, os transdutores incluem transdutorespiezelétricos polarizados capazes de ambos emitir energia ultra-sônica edetectar ondas ultra-sônicas refletidas.

Em uma concretização preferida, dita pluralidade detransdutores do arranjo de transdutor principal é arranjada em duas filas aoredor da circunferência do corpo. Os transdutores são preferivelmenteorientados para gerar ondas guiadas no modo torcional T(0, 1), tal queexcitação unidirecional possa ser alcançada com duas filas de transdutores. Afim de assegurar que os transdutores sejam apertados contra a superfícieinterna do tubo com força igual, grupos de três transdutores adjacentes, doisde uma fila e um da outra, são montados em um membro portador comum, omembro portador sendo preso a um membro de base por um meio demontagem de esfera e soquete para permitir movimento de inclinação domembro portador em qualquer direção relativa a um eixo espaçadoigualmente de cada um de ditos três transdutores adjacentes.

Além de dito arranjo de transdutor principal, um arranjo detransdutor adicional pode ser provido compreendendo transdutores adicionaismontados dentro de um toróide elastomérico expansível provido ao redor deuma região periférica de dito corpo, dito toróide preferivelmente sendocarregado com um líquido, tal como óleo, a pressão de dito líquido sendoajustável para expandir seletivamente o toróide em engate operativo com asuperfície interna do tubo a ser inspecionado. Preferivelmente, ditostransdutores adicionais incluem transdutores ultra-sônicos de alta freqüência(aproximadamente 1-10 MHz) que podem ser usados para medir a espessurade parede de tubo padrão (por ondas volumosas incidentes normais) comotambém a espessura de parede de tubo média e atenuação e velocidade dasondas guiadas pela parede de tubo (por ondas guiadas orientadascircunferencialmente). Tais medições podem ser usadas para calibrar oarranjo de transdutor principal.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, éprovido um método de inspecionar um tubo usando um aparelho de inspeçãode acordo com o primeiro aspecto da invenção, dito método compreendendoas etapas de:

a) inserir dito aparelho de inspeção no furo de um tubo a serinspecionado;

b) mover dita pluralidade de transdutores a sua segunda ouposição estendida para estar em contato operativo com a parede interna dotubo;

c) operar dita pluralidade de transdutores para transmitirenergia de ultra-som em dito tubo para propagar uma onda guiada no tubo empelo menos uma direção longitudinal ao longo do tubo;

d) detectar reflexões da onda propagada e analisar ditasreflexões para determinar a presença ou ausência ou defeitos na parede detubo;

e) mover a pluralidade de transdutores a sua posição retraída e;

f) carregar o corpo pelo tubo a uma posição de inspeçãoadicional e repetir as etapas (b) a (e).

Preferivelmente, ditas reflexões da onda propagada sãodetectadas por dita pluralidade de transdutores.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, éprovido um transdutor para transmitir energia de ultra-som em um tubo parauso com um aparelho de inspeção de tubo, dito transdutor compreendendouma cabeça de contato para contatar uma superfície interna de dito tubo, asuperfície externa de dita cabeça de contato definindo a interseção de umparalelepípedo retangular e a borda exterior de um toróide, em que os raiosprincipal e secundário do toróide são pelo menos 10% menor que o raiomenor do tubo a ser inspecionado a fim de obter um contato de pontoaproximado da cabeça de contato com a parede interna do tubo.Preferivelmente, dita cabeça de contato é formada de um materialeletricamente isolante, tal como alumina.

A presente invenção será descrita agora, por meio de exemplo,com referência aos desenhos acompanhantes, em que:

Figura 1 é uma vista de perspectiva de um aparelho deinspeção de acordo com uma primeira concretização da presente invenção;

Figura 2 é uma vista explodida detalhada da cabeça detransdutor do aparelho da Figura 1;

Figura 3 é uma vista secional lateral de um transdutorpiezelétrico do aparelho de arranjo de transdutor principal da Figura 1;

Figura 4 é uma vista secional de extremidade do transdutorpiezelétrico da Figura 3;

Figura 5 é uma vista esquemática do arranjo de transdutorsecundário do aparelho da Figura 1; e

Figura 6 é uma vista esquemática do arranjo de transdutorsecundário da Figura 5 mostrando o toróide inflável em seu estado expandidooperativo.

Uma primeira concretização da presente invenção será descritacom referência aos desenhos. O aparelho compreende um 'limpador'adaptado para ser passado através do furo de um tubo a ser inspecionado, talcomo um tubo ascendente de catenária de aço. O 'limpador' inclui múltiplasunidades que estão ligadas juntas. À frente do 'limpador' está uma cabeça detransdutor A seguida por um recipiente de pressão B provendo uma fonte deenergia do 'limpador'. Seções adicionais C, D, E podem alojar a eletrônica desistema e equipamento auxiliar. Ao término do 'limpador' está uma âncora Fpara uma corda.

A cabeça de transdutor é mostrada em mais detalhe na Figura2. A cabeça de transdutor inclui um arranjo de transdutor principalcompreendendo elementos de transdutor piezelétricos de cisalhamento ultra-sônicos 1 arranjados em uma ou mais filas (duas neste caso)circunferencialmente ao redor do tubo.

O projeto dos elementos de transdutor é semelhante àqueleexposto em WO 96/12951. Cada elemento de transdutor está arranjado paraprover uma força na parede de tubo em uma direção circunferencial paraalcançar excitação de modo torcional da parede de tubo. Uso do modotorcional axi-simétrico T(0,1) permite o uso só de um anel ou transdutorespara excitação bidirecional ou dois anéis, como mostrado nos desenhos, paraexcitação unidirecional.

Também é possível excitar ondas longitudinais axialmentesimétricas (tipo Lamb) na parede de tubo. Para alcançar isto, os transdutoresdevem ser orientados para aplicar força à parede de tubo em uma direçãoparalela ao eixo longitudinal do tubo. Porém, tal configuração é maiscomplexa, requerendo pelo menos dois anéis de transdutores para excitaçãobidirecional do modo único L(0,2) com supressão do modo L(0, 1) e trêsanéis para excitação unidirecional do modo único L(0, 2) com supressão domodo L(0, 1).

Também é possível excitar várias ondas de modo de flexão naparede de tubo, variando a fase e opcionalmente a amplitude dos sinais quesão aplicados a cada um dos transdutores ao redor da circunferência do tubo.

A fim de prover bom contato com a parede interna do tubopara habilitar cada elemento de transdutor exercer uma força de cisalhamentona parede de tubo, cada elemento de transdutor 1 é provido com uma placa deface de alumina curvada dupla 2 que isola o elemento de transdutoreletronicamente do tubo, enquanto provendo um contato de ponto aproximadocom a parede interior do tubo.

Como mostrado nas Figuras 3 e 4, a forma desta placa de face2 é a interseção de um paralelepípedo retangular e a borda do toróide. O raioprincipal Rl e secundário R2 do toróide são escolhidos para assegurar que suasoma seja pelo menos 10 por cento menor que o raio menor do tubo que seráinspecionado. Isto assegura que haja uma aproximação íntima a um contato deponto.

Os elementos de transdutor 1 são presos a tríades de transdutor3 em grupos de três, dois de uma fila e um de uma fila adjacente. Cada tríadede transdutor 3 está montada em um pino radialmente em cúpula seestendendo 4 tendo um eixo longitudinal substancialmente eqüidistante decada um dos três elementos no grupo. O pino 4 é retido no lugar por umacobertura 5 para permitir à tríade 3 se inclinar ligeiramente em qualquerdireção. Esta flexibilidade ajuda a assegurar que todos os três elementos detransdutor 1 toquem a parede de tubo e tenham força aproximadamente igualaplicada por eles. Pinos de orientação na tríade (não mostrado) impedem degirarem.Pares de tríades 3 estão montados (pelos pinos em cúpula)sobre um pistão de transdutor respectivo 6. Um eixo oval de cada pistão 6 évedado por selos de anel 'O' e se encaixa em um cilindro associado em umcoletor de transdutor 7, que está parcialmente escondido na Figura 1. Quandopressão hidráulica é aplicada ao centro do coletor de transdutor 7, os pistõesde transdutor 6 e elementos de transdutor 1 associados são estendidos etrazidos em contato com a parede de tubo com força de contatopredeterminada igual (preferivelmente 40 N).

Um par de molas de retração 8 reage contra uma tira deretenção 9 para retrair os pistões de transdutor de volta no coletor quandopressão hidráulica é liberada.

A pressão hidráulica pode tanto ser provida da superfície porum umbilical ou por uma pequena bomba hidráulica a bordo ou parafuso.Limitadores de pressão adequados podem ser usados para controlar aquantidade de força que é aplicada aos elementos de transdutor.

Além do arranjo de transdutor principal, um arranjo detransdutor secundário compreendendo uma pluralidade de transdutores decalibração de alta freqüência 10 também é provida na cabeça de transdutor.Este transdutores 10 estão alojados em um furo cheia de fluido cercada poruma membrana de borracha toroidal 11, que foi cortada fora na Figura 1.Quando o 'limpador' é parado para executar um teste, o furo é expandida porpressão hidráulica de forma que a membrana de borracha faça bom contatocom a parede de tubo. As medições de calibração são feitas pela borracha(prevenindo contaminação de líquido da tubulação). Uma borracha com baixaatenuação ultra-sônica é usada para a membrana a fim de obter bonsresultados. Ambas ondas ultra-sônicas incidentes normais e/ou incidentesangulares podem ser geradas. Ondas incidentes normais podem medirdiretamente espessura de parede. Ondas incidentes angulares podem serusadas para criar ondas guiadas se propagando circunferencialmente ouaxialmente para determinar a espessura de parede média ao redor dacircunferência do tubo. Os transdutores podem ser girados dentro de seu furo(ou um espelho ultra-sônico pode ser girado) se múltiplos locaiscircunferenciais forem para ser inspecionados.

Muitos elementos estão presentes para ajudar o movimento eorientação do 'limpador'. Estes incluem as rodas de centralização 12, que sãocarregadas por mola 13 sobre as paredes de tubo para manter o 'limpador'alinhado. Uma ou mais destas rodas pode conter codificadores que podem serusados para ajudar a quantificar a posição ao longo do tubo (conexões decodificador não mostradas no desenho). Além disso, uma ou mais destasrodas podem ser acionadas para ajudar o movimento do 'limpador'(especialmente quando configurado como um 'arrastador que faz movimentode nado crawl').

Um arado plástico 14 é um exemplo de um acessório delimpeza que poderia ser adicionado à frente do 'limpador'.

A eletrônica de controle usada dentro do aparelho de inspeçãoé uma versão especializada da eletrônica Wavemaker G3 fabricada porGuided Ultrasonics Limited. Porém, a disposição foi revisada a fim de adaptarnas dimensões estreitamente constrangidas requeridas para permitir aoaparelho se ajustar pela tubulação. Comunicação à superfície (quandoamarrada) é feita por uma conexão serial.

A presente invenção usa principalmente propagação de ondaguiada ao longo do eixo do tubo de um arranjo de transdutores para ainspeção de tubulações do interior.

O aparelho e método da presente invenção são capazes dedetectar uma ampla variedade de defeitos, especialmente rachaduras, que sãodifíceis para medições de espessura passantes conhecidas. Desde que adireção de propagação principal é ao longo do eixo do tubo, defeitoscircunferenciais, tais como rachaduras em soldas, são muito mais fáceis dedetectar e dimensionar, ao invés de espessura passante ou ondas orientadascircunferencialmente que só refletem da borda de avanço e fuga da rachadura.

O método e aparelho de detecção de defeito da presenteinvenção são menos sensíveis às mudanças de propriedade de esmero delimpeza/material do que sistemas baseados em eletromagnetismo (porexemplo MFL/EMAT). Os transdutores são apertados contra a superfície comforça suficiente para empurrar detritos fora do caminho. Esta grande forçapermite um movimento de cisalhamento ser transmitido diretamente naparede de tubo. O sistema não precisa se confiar na consistência depropriedades magnéticas ou elétricas do tubo.

Ambos dados de transmissão (se confiando em detecção demudanças a onda guiada quando viaja) e dados de reflexão podem ser usadosna presente invenção.

Transmissão passante é usada para:

1. Calibração de transdutores;

2. Determinação de condição de cobertura para procurarcobertura degradada ou desunida que poderia conduzir a falhas futuras;

3. Atenuação devido à presença de defeitos tais como micro-rachadura.

Porém, transmissão passante não é usada como o método dedetecção de defeito primário. Reflexões de volta ao transdutor transmissor (eaquelas ao redor dele) são usadas para a determinação de defeito principal.Este método é muito menos sensível a falsas leituras que métodos detransmissão.

Limites de freqüência são principalmente fixados pelaespessura de parede de tubo para assegurar que a freqüência ultra-sônica doarranjo de transdutor principal esteja abaixo da freqüência de corte do modode onda guiada T(0,2).

O número de transdutores ao redor da circunferência doarranjo de transdutor principal é fixado para assegurar que haja pelo menos 2transdutores por comprimento de onda da onda mais rápida de interesse (nafreqüência mais alta de interesse).

Algumas medições ultra-sônicas de alta freqüência do arranjode transdutor secundário serão sintetizadas com os resultados de onda guiadado arranjo de transdutor principal para prover resultados mais quantitativosdesde que os dados de onda guiada principais respondem a mudanças nacondição do tubo do local de teste atual.

O arranjo de transdutor secundário provê dados que são usadospara calibrar o arranjo de transdutor principal, tal como a espessura de tubo ea velocidade e a atenuação das ondas guiadas.

O arranjo de transdutor secundário pode ser usado para fazermedições de espessura ultra-sônicas, por ondas longitudinais incidentesnormais, a um ou mais pontos ao redor da circunferência do tubo. Estasmedições de espessura são úteis não só para calibrar o arranjo de transdutorprincipal, mas também para ajudar na detecção de defeitos que podem serdifíceis de detectar com o arranjo de transdutor principal, tal como porexemplo sulcos do tipo de erosão correndo consistentemente ao longo docomprimento do tubo.

O arranjo de transdutor secundário também pode ser usadopara enviar, receber e medir ondas guiadas que se propagamcircunferencialmente ao redor do tubo. Deste modo, é possível fazernumerosos testes cobrindo modos múltiplos através de uma ampla gama defreqüência. Estes testes podem ser usados de modos diferentes e parapropósitos diferentes, tais como:

a) a análise de velocidade de grupo de certos modos de ondaguiada de flexão circunferenciais pode ser usada para obter a espessura deparede média do tubo;

b) ondas guiadas circunferenciais também podem ser usadaspara determinar se há muita variação em espessura de parede ao redor dacircunferência do tubo.

Isto ajudará a detecção dos certos tipos de defeitos, tal comoerosão, que pode ser relativamente consistente ao longo do comprimento dotubo;

c) Finalmente, estas medidas podem ser usadas para umacalibração precisa do arranjo de transdutor principal. Realmente, os múltiplosmodos de onda guiada orientada circunferencialmente enviados e recebidospelo arranjo de transdutor secundário tem velocidades dependentes defreqüência que variam com as propriedades do tubo e da cobertura fora dotubo. Portanto, casando iterativamente as medidas a um modelo teórico dequal modos guiados podem se propagar, as propriedades de material do tubo eda cobertura, como também suas condições de união, podem ser extraídas.Uma vez que estas propriedades sejam conhecidas, elas podem serrealimentadas no modelo teórico para predizer como elas afetarão as ondasguiadas principais sendo usadas pelo arranjo de transdutor principal.

O algoritmo de processamento é uma extensão simples doprocessamento de onda guiada que é usado para inspeção do exterior do tubo.Isto é baseado em uma combinação faseada (ou atrasada em tempo) demúltiplos transdutores de saída e entrada. Combinação correta dos traços detempo permite a modos de onda guiada de ordem diferente serem extraídos,que permite a caracterização de qualquer refletor que seja encontrado.

Também é possível tratar o arranjo de transdutor principalcomo elementos em um arranjo faseado a fim de dirigir a energia a locaisespecíficos perto da cabeça de transdutor. Isto permite melhor discriminaçãode qualquer defeito que é achado pela varredura inicial do tubo.

MÉTODOS DE DESENVOLVIMENTO

A presente invenção se presta a vários métodos dedesenvolvimento que são descritos abaixo. Uma das vantagens principais dapresente invenção sobre outras tecnologias é que pode ser re-empacotadafacilmente para desenvolvimento em aplicações diferentes para cumprirconstrangimentos operacionais específicos do cliente.

'Limpador' natatório livre

Na primeira concretização, como discutido acima, o aparelhode inspeção pode ser provido em um sistema de 'limpador' natatório livre. Aferramenta pode ser dividida em componentes/segmentos separados unidospor uma conexão semi-rígida que permite a comunicação entre cadasegmento. O 'limpador' pode ser impelido tanto por gás (para injeção de gás)ou produto recuperado.

Em uso, o 'limpador' parará a certos pontos baseado emcálculos de tempo/distância ou por hodômetros fixados permitindo a algumada pressão desviar a ferramenta e desviar em um atuador que empurra ostransdutores fora; os transdutores serão desenvolvidos da cabeça de transdutore um teste executado. Uma vez que o teste esteja completo, a pressão atrásdos transdutores será liberada e os transdutores estarão livres para seremempurrados de volta na cabeça de transdutor quando a ferramenta é movidaadiante permitindo a pressão ser elevada novamente.

Amarrado

Em uma concretização adicional, o aparelho de inspeção podeser desenvolvido com uma corda e sistema de guincho seguindo um conceitode projeto semelhante àquele do 'limpador' natatório livre. Este sistema podeser visado inicialmente para detecção de rachadura de fadiga nas áreas decontato inferior dos SCRs. O aparelho pode ser desenvolvido em um tuboascendente preso a uma corda e guincho. A corda proverá energia ecomunicação ao aparelho como também proverá um método para recuperar oaparelho. O aparelho de inspeção será enviado uma distância específica notubo ascendente/tubulação, além do local de toque abaixo, e então recuperadoem estágios fixos, tipicamente a intervalos de 10 m. A cada intervalo de 10 m,o aparelho será estacionário e o transdutores serão desenvolvidos da cabeçade transdutor por uma pressão hidráulica pela corda ou por uma pequenabomba hidráulica a bordo, e um teste executado. Uma vez que o teste estejacompleto, os transdutores serão retraídos, pela liberação de pressão hidráulicae a ferramenta será recuperada 10 m adicional até que a área de contatoinferior de tubo ascendente (ou o sistema de tubo ascendente inteiro) estejacompleta. Inspeção de soldas críticas será conduzida normalmente de ambosos lados e os dados fundidos juntos.

Desenvolvimento de mergulhador

Uma concretização desenvolvida de mergulhador da presenteinvenção pode ser específica a trabalho de tubo de coletor de diâmetro menoronde acesso é por uma conexão de flange, o sistema foi isolado. Um exemplotípico pode ser quando alguma parte do sistema de produção dentro da cabeçade coletor falhou devido a corrosão interna por um produto agressivo e énecessário inspecionar o resto do trabalho de tubo para modos de falhasemelhantes. Uma inspeção completa só pode normalmente ser executadainternamente devido à cobertura isolante externa. Esta cobertura isolanteexigiria ferramentas de potência para remover e haveria uma chance dedanificar o tubo abaixo se esta operação fosse executada.

A cabeça de transdutor é presa a uma alça adequada e entãoinserida no tubo. O cabo de comunicação da cabeça de transdutor correrá devolta a uma unidade de controle desenvolvida de mergulhador na cesta detrabalho alguns metros longe. A cabeça de transdutor pode então serbombeada até a pressão requerida (hidráulica) para impelir os transdutores noconduto com a parede de tubo.

Veículo Remotamente Operado (ROV)

Como o método de mergulhador, a cabeça de transdutor podeser usada separadamente e desenvolvida de um ROV para a inspeção decaixões flutuantes (aqueles sem grelha protetor). Há várias vantagens deaplicar a tecnologia de dentro do caixão flutuante que não externamente ecentral ao redor preparando o ponto de contato de crescimento marinho antesde aplicar a cabeça de transdutor. Também pode haver algumas vantagens aofabricar e desenvolver a cabeça de transdutor para a inspeção de caixõesflutuantes se a inspeção for executada internamente.

"Arrastador que faz movimento de nado crawl"

Em uma concretização adicional, o aparelho de inspeção podeser desenvolvido por 'arrastadores que faz movimento de nado crawl' dentrodo tubo/tubos ascendentes se as condições operacionais requererem.

VANTAGENS

• O aparelho de inspeção de acordo com a presente invençãose confia na pressão dos transdutores para acoplar à parede de tubo em lugarda exigência de um acoplamento separado. Isto permite à técnica serdesenvolvida internamente em linhas de transmissão de gás que precisampermanecer secas, e linhas que não foram limpas a qualquer padrão.

• O projeto global da cabeça de transdutor e acessórios é muitomais simples e mais facilmente empacotado do que técnicas competidoras.Isto permite desenvolvimento em linhas de diâmetro menor e para aferramenta navegar geometrias diferentes mais facilmente do que tecnologiasde inspeção em linha atuais.

• Quando cada teste é executado, ondas guiadas são enviadasseqüencialmente em ambas as direções da cabeça de transdutor dando dadossobrepostos ao longo do processo de inspeção inteiro.

• Como as ondas guiadas se propagam ao longo da linha, nãohá nenhuma necessidade por precisão de ponto de pino para a ferramenta estara um local de solda específico para detectar qualquer rachadura de fadiga quepoderia estar dentro da solda ou zona afetada por calor associada.

• Durante operações amarradas, anomalias podem serdetectadas e engenheiros informados enquanto o 'limpador' ainda está nolocal permitindo prosseguir ações pela ferramenta em linha se requerido.

• A apresentação dos dados é facilmente compreendida porengenheiros com só uma compreensão básica do conceito ultra-sônico guiado.

• Desenvolvendo internamente na abertura de caixão flutuante,uma ferramenta de limpeza rotativa hidráulica é mais eficiente em limparcrescimento marinho e a cabeça de transdutor terá um melhor acoplamento àparede de caixão flutuante.

Claims (16)

1. Aparelho para inspecionar um tubo, caracterizado pelo fatode compreender um corpo adaptado para passagem através do furo de umtubo a ser inspecionado, um arranjo de transdutor principal compreendendouma pluralidade de transdutores espaçados circunferencialmente paratransmitir energia de ultra-som, os transdutores estando montados no corpopara movimento entre uma posição retraída, em que o corpo pode se moverlivremente através do furo do tubo, e uma posição estendida, em que apluralidade de transdutores é apertada em contato operativo com a paredeinterna do tubo, meio de atuação sendo provido para impelir seletivamente apluralidade de transdutores a suas posições estendidas, meio de controlesendo provido para transmitir energia de ultra-som em dito tubo para propagaruma onda guiada dentro das paredes de tubo em pelo menos uma direçãolongitudinal ao longo do tubo quando os transdutores estão na sua posiçãooperativa e para receber a onda propagada e analisar dita onda paradeterminar a presença ou ausência ou defeitos na parede de tubo.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que dito meio de atuação compreende um ou mais pistões atuadoshidraulicamente para impelir dita pluralidade de transdutores contra a paredeinterna do tubo.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que cada um de ditos pistões atuados hidraulicamente é montadode modo deslizante em um cilindro respectivo se comunicando com umcoletor comum, dito coletor sendo pressurizável para impelir os pistões econseqüentemente transdutores contra a parede de tubo com pressãosubstancialmente igual.

4. Aparelho de acordo com a qualquer reivindicaçãoprecedente, caracterizado pelo fato de que dita pluralidade de transdutores ésolicitada para sua posição retraída, preferivelmente por um ou mais meios demola.

5. Aparelho de acordo com a qualquer reivindicaçãoprecedente, caracterizado pelo fato de que cada transdutor é provido com umacabeça de contato para contato com a parede interna do tubo a serinspecionado, a superfície externa de dita cabeça de contato definindo ainterseção de um paralelepípedo retangular e a borda exterior de um toróide,em que os raios principal e secundário do toróide são pelo menos 10% menordo que o raio menor do tubo a ser inspecionado a fim de obter um contato deponto aproximado da cabeça de contato com a parede interna do tubo.

6. Aparelho de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que dita cabeça de contato é formada de um materialeletricamente isolante, tal como alumina.

7. Aparelho de acordo com a qualquer reivindicaçãoprecedente, caracterizado pelo fato de que os transdutores compreendemtransdutores de piezelétricos polarizados por cisalhamento capaz de ambosemitir energia ultra-sônica e detectar ondas ultra-sônicas refletidas.

8. Aparelho de acordo com a qualquer reivindicaçãoprecedente, caracterizado pelo fato de que dita pluralidade de transdutores doarranjo de transdutor principal é arranjada em duas filas ao redor dacircunferência do corpo.

9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que os transdutores são preferivelmente orientados para gerarondas guiadas no modo torcional T(0,1).

10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8 oureivindicação 9, caracterizado pelo fato de que grupos de três transdutoresadjacentes, dois de uma fila e um da outra, estão montados em um membroportador comum, o membro portador sendo preso a um membro de base porum meio de montagem de esfera e soquete para permitir movimento deinclinação do membro portador em qualquer direção sobre um eixoigualmente espaçado de cada um de ditos três transdutores adjacentes.

11. Aparelho de acordo com a qualquer reivindicaçãoprecedente, caracterizado pelo fato de que uma arranjo de transdutor adicionalé provido compreendendo transdutores adicionais montados dentro de umtoróide elastomérico expansível ao redor de uma região periférica de ditocorpo, dito toróide sendo preferivelmente carregado com um líquido, tal comoóleo, a pressão de dito líquido sendo ajustável para expandir seletivamente otoróide em engate operativo com a superfície interna do tubo a serinspecionado.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que ditos transdutores adicionais compreendem transdutoresultra-sônicos de alta freqüência (aproximadamente 1-10 MHz), que podem serusados para medir a espessura de parede de tubo padrão (por ondas volumosasincidentes normais) como também a espessura de parede de tubo média evelocidade de onda média e atenuação pela parede de tubo (por ondas guiadasorientadas circunferencialmente) para calibrar a arranjo de transdutorprincipal.

13. Método para inspecionar um tubo usando um aparelho deinspeção como definido em quaisquer das reivindicações 1 a 12, caracterizadopelo fato de compreender as etapas de:a) inserir dito aparelho de inspeção no furo de um tubo a serinspecionado;b) mover dita pluralidade de transdutores a sua segunda ouposições estendidas para estar em contato operativo com a parede interna dotubo;c) operar dita pluralidade de transdutores para transmitirenergia de ultra-som em dito tubo para propagar uma onda guiada no tubo empelo menos uma direção longitudinal ao longo do tubo;d) detectar reflexões da onda propagada e analisar ditasreflexões para determinar a presença ou ausência ou defeitos na parede detubo;e) mover a pluralidade de transdutores a sua posição retraída e;f) carregar o corpo pelo tubo para uma posição de inspeçãoadicional e repetir as etapas (b) a (e).

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que ditas reflexões da onda propagada são detectadas por ditapluralidade de transdutores.

15. Transdutor para transmitir energia de ultra-som em umtubo para uso com um aparelho de inspeção de tubo, caracterizado pelo fatode compreender uma cabeça de contato para contatar uma superfície internade dito tubo, a superfície externa de dita cabeça de contato definindo ainterseção de um paralelepípedo retangular e a borda exterior de um toróide,em que os raios principal e secundário do toróide são pelo menos 10% menordo que o raio menor do tubo a ser inspecionado a fim de obter um contato deponto aproximado da cabeça de contato com a parede interna do tubo.

16. Transdutor de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de que dita cabeça de contato é formada de ummaterial eletricamente isolante, tal como alumina.