aplicações e limitações da técnica de ultra-som b-scan

APLICAÇÕES E LIMITAÇÕES DA TÉCNICA DE ULTRA-SOM B-SCAN –
UMA EXPERIÊNCIA PRÁTICA
Mauro Duque de Araujo
German Engenharia - Rua Banda, 58 Jd. do Mar – São Bernardo do Campo – SP - Brasil
[email protected]
Arilson Rodrigues da Silva
German Engenharia - Rua Banda, 58 Jd. do Mar – São Bernardo do Campo – SP - Brasil
[email protected]
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José Fransico de Oliveira
Dow Quimica - Av. Santos Dumont, 4444 - Guarujá – SP - Brasil
[email protected]
Colaboradores: Marcelo de Freitas e Tiago Ortega
Resumo: Este trabalho descreve a experiência prática da GERMAN na aplicação da técnica de ultra-som B-SCAN com o aparelho
TMI-150 para localização, dimensionamento e caracterização de danos em equipamentos industriais, são discutidas também as
limitações observadas.
O trabalho aborda experiências vividas em alguns tipos de equipamentos industriais, são abordadas também algumas peculiaridades
de interpretação de resultados bem como a forma de registro e apresentação de resultados para possibilitar análises por normas atuais
tais como API-579 e a BS-7910.
Keywords: B-SCAN , API-579 , BS-7910 , perda de espessura , alvéolos.
1.
Introdução
B-Scan é um método de apresentação gráfica dos resultados de uma série de medições de espessura que mostra, em
escala, o perfil da seção transversal do componente ou peça inspecionada.
O rastreamento de espessuras em B-Scan, permite a localização, identificação e dimensionamento de perdas de
espessura e alvéolos, fornecendo um registro permanente através de uma impressora ou fita de vídeo e mapeamentos em
croquis com vista planificada.
Fig. 1: Representação gráfica de perda de espessura
A técnica vem sendo usada como ferramenta na inspeção de equipamentos pela German há aproximadamente 2
anos, já foi aplicada em aproximadamente 720 equipamentos. Suas principais aplicações são a identificação e
dimensionamento de regiões danificadas por alvéolos e desgastes resultantes de processos corrosivos atuantes nos
equipamentos. Quando existe acesso visual direto a região danificada é possível o dimensionamento da área afetada
02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003
Rio de Janeiro - RJ - Brasil
diretamente sobre a superfície. Quando não existe acesso, a área tem sido determinada através da demarcação das
regiões contínuas dentro de faixas de espessura que são estabelecidas em função das variações encontradas no local. Os
resultados mais importantes referem-se a precisão das medidas de espessura detectadas pelo B-Scan, nota-se que a
avaliação visual auxiliada por instrumentos tais como paquímetros e micrômetros apresentam grande diferença em
relação aos valores obtidos pela técnica. Estes dois aspectos , o dimensionamento das regiões danificadas e a precisão
das medidas de espessura residual, são fundamentais para aplicação das técnicas modernas de avaliação da criticidade
dos danos em relação ao comportamento mecânico do equipamento tais como os critérios da ANSI B-31G, API-579 e
BS-7910.
Observa-se limitações relativas a detecção de danos de pequenas dimensões e localizados, a dificuldade de detecção
deste tipo de dano está ligada a freqüência dos transdutores disponíveis e a dificuldade de “acertar” o dano devido ao
método de varredura manual e a análise visual direta sobre a tela. Outro fator de imprecisão é a delimitação da área
afetada, a qual é demarcada pela passagem do cabeçote sobre a região e marcação diretamente sobre a superfície
inspecionada. Observam-se dificuldades também na identificação da natureza dos danos quando o material apresenta
grande quantidade de imperfeições internas e também em algumas aplicações específicas tais como em equipamentos
cladeados. Certas regiões que não permitem o acesso do cabeçote diretamente sobre as regiões de interesse tais como
regiões do casco localizadas sobre reforços de conexões e suportes, e soldas, também constituem uma limitação para
aplicação da técnica.
É possível realizar o exame mesmo sobre superfícies pintadas sem a necessidade de remoção da pintura em
temperaturas de até 1500 C, porém a precisão necessária nas medidas deve ser avaliada previamente pois observa-se
casos onde variações da espessura da película refletem significativamente nos resultados, principalmente em espessuras
pequenas, usualmente mede-se a espessura das películas e desconta-se dos valores medidos.
2.
Resultados
São apresentados os resultados de inspeções realizadas para ilustrar os aspectos citados acima
2.1. Caso 1 - Dimensionamento de região danificada em coluna de processo causado por corrosão externa sob
isolamento
CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO:
TIPO
: Vaso de pressão (Coluna de processo)
PRESSÃO DE PROJETO
: 21,0 Kgf / cm2
PRESSÃO DE TESTE
: 32,5 Kgf / cm2
TEMPERATURA DE PROJETO
: 800 C
MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
: ASTM A-516 60
FLUIDO DE PROCESSO
: HIDROCARBONETOS
Foi executada varredura parcial e dirigida, pelo lado interno de uma coluna de processo de aproximadamente 70
metros de altura e diâmetro de 3 metros para dimensionamento dos danos resultantes da corrosão externa sob o
isolamento térmico. A superfície externa do equipamento já havia sido inspecionada anteriormente através da remoção
total do isolamento térmico e exame visual direto sobre a superfície metálica, quando foi identificada uma faixa
desgastada adjacente a solda do tampo com a saia em todo o seu perímetro, a espessura original desta região era de 48
mm e a espessura residual obtida através do desconto da espessura perdida, medida com auxílio de instrumento manual
aplicado sobre o mesmo, foi de 45 mm , a demarcação e dimensionamento da área foi feita diretamente sobre a
superfície afetada. A região foi avaliada e aprovada pelos critérios da API-510, e foi pintada para impedir a evolução
do processo corrosivo.
A espessura residual medida através da técnica de ultra-som B-SCAN foi de 40,9 mm e o dimensionamento da área
afetada executado através da marcação da área sobre a superfície interna. A perda de espessura foi modelada e as
tensões calculadas pelo método dos elementos finitos . As tensões foram verificadas com o critério de tensões
admissíveis da Norma API RP 579, Apêndice B. Concluiu-se que a coluna atende ao critério de tensões admissíveis do
Código ASME e da Norma API 579 em operação, na pressão de projeto, porém não atende a esse critério na condição
de teste hidrostático.
Fig. 2: Tensões efetivas na superfície interna. A máxima é de 321,8 MPa, maior que a admissível de 310 MPa.
.
Fig. 3: Resultado do exame de B-SCAN em uma das chapas do tampo inferior da coluna (perda de espessura).
2.2. Caso 2 – Perda de espessura no tampo de reator cladeado
CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO:
TIPO
CÓDIGO DE PROJETO
PRESSÃO PROJETO DO CASCO
PRESSÃO PROJETO DA CAMISA
TEMPERATURA DE PROJETO CASCO
TEMPERATURA DE PROJETO CAMISA
MATERIAL DE CONSTRUÇÃO CASCO
MATERIAL DE CONSTRUÇÃO CAMISA
FLUIDO DE PROCESSO CASCO
FLUIDO DE PROCESSO CAMISA
: REATOR
: ASME VIII – DIV.1
: 10 Kgf / cm2
: 6,0 Kgf / cm2
: 2040 C
: 177º C
: AÇO CARBONO + CLAD DE INOX
: AÇO CARBONO
: POLIGLICOL
: VAPOR
O reator de Poliglicol é composto de um casco construído em aço carbono com cladeamento de inox na superfície
interna. Na camisa externa existem duas entradas de vapor, sendo uma localizada no tampo inferior.
No primeiro exame, executado em agosto de 2001, foi encontrada uma região localizada, no tampo inferior com
espessura residual de 7,6 mm, e dentro desta uma com espessura de 3,0 mm (espessura do clad), a qual foi interpretada
como “descolamento do clad”, onde a espessura nominal era de 14,0 mm. A análise da criticidade da descontinuidade,
modelada como perda de espessura em toda a área com espessura nominal de 3 mm, foi aprovada pelos critérios da API
579.
Fig.4 – Exame executado em ago/2001 – Descolamento de clad e perda de espessura externa no tampo inf.
Após 4 meses, durante a parada geral de manutenção da fábrica, foi aberta uma janela na chaparia da camisa, no
tampo inferior, região onde foi observada perda de espessura, causada por erosão pelo vapor injetado através das
conexões localizadas na direção da região. O exame por ultra-som B-scan permitiu o acesso a um dano sem acesso
direto e forneceu os parâmetros necessários e suficientemente precisos para as devidas análises
Foi executado reparo, com instalação de uma chapa na região da perda e enchimento de solda.
Fig. 5: Desgaste detectado através do B-SCAN e confirmado após a abertura de janela na camisa.
Fig. 6: (1) Reparo executado - Instalação de chapa e enchimento com solda. (2) Vista da região pelo lado interno.
O exame com o B-SCAN foi novamente executado pelo lado interno afim de avaliar a confiabilidade do reparo. Foi
detectada a interface entre a chapa montada e o clad, e a continuidade das soldas executadas. Os bicos injetores
sofreram alterações no projeto original e foram instalados de forma a não direcionar o jato de vapor diretamente na
parte externa do casco.
Fig. 7: Exame executado após o reparo. Descolamento de clad e espessura residual nas regiões soldadas.
Fig. 8: (1) Bicos injetores existentes, (2) Novo bico injetor instalado, (3) Configuração final .
A varredura de 100% do tampo inferior, foi um fator principal na inspeção do reator, pois este dano seria
dificilmente detectado através de técnicas normais de medição de espessura. Foi possível fazer os reparos de modo a
eliminar o mecanismo de deterioração existente.
2.3. Caso 3 – Perda de espessura em tubos de fornalha de caldeira
CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO:
TIPO
: CALDEIRA
CÓDIGO DE PROJETO
: ASME I
PRESSÃO DE PROJETO
: 1000 psi
DIMENSÕES DA FORNALHA
: 84 x 40 x 24 pés
MATERIAL DOS TUBOS
: ASTM SA-210, diâmetro nominal de 3”
Os tubos da fornalha do equipamento foram inspecionados quanto a presença de perda de espessura causada por
corrosão interna devido a suspeita da formação de incrustação na superfície interna dos tubos na face voltada para a
chama, e formação de meio corrosivo sob o depósito. Foram detectadas perdas de espessura generalizada na faixa de
0,2 a 0,6 mm em toda superfície inspecionada e oito regiões localizadas com perdas de até 2,5 mm. As regiões com
perdas localizadas foram removidas e substituídas. Análise destrutiva das amostras removidas confirmou a presença e a
extensão dos danos.
Fig. 9: Localização da região inspecionada através do B-Scan
Fig.9 – Localização dos danos e respectivas profundidades máximas
Fig. 10 – Vista interna dos tubos inspecionados, mostrando a perda de espessura detectada por B-SCAN
2.4. Caso 4 – Tubulação de transferência de produtos
CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO
TIPO
PRESSÃO DE PROJETO
PRESSÃO DE TESTE
TEMPERATURA DE PROJETO
MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
FLUIDO DE PROCESSO
: Tubulação de processo
: 7,0 Kgf / cm2
: 10,5 Kgf / cm2
: 800 C
: ASTM A 312 TP 316 L
: DIVERSOS
A tubulação foi danificada por pites localizados resultantes de corrosão microbiológica, a foto mostra os danos
referidos. Os danos foram identificados através de endoscopia e pesquisa de perda de espessura localizada por medição
A-SCAN. A pesquisa deste tipo de dano através de varredura “cega” por B-SCAN mostrou limitações quanto
capacidade de detecção, foi difícil a identificação do sinal na tela do equipamento em função da velocidade da
varredura, a pesquisa sobre um dano conhecido mostrou que existe a possibilidade de detecção, mas não revelou
vantagens sobre a pesquisa A-SCAN uma vez que a precisão da medida não era importante e o equipamento para ASCAN é mais fácil de ser transportado até o local. A vantagem mostrada pela técnica B-SCAN foi a precisão das
medidas que neste caso não era importante pois uma vez identificado o dano ele era reparo. Danos localizados sobre ou
muito próximos as soldas não poderiam ser identificados.
AMOSTRA 4
Fig. 12: Manchas encontradas na tubulação durante o ensaio de endoscopia.
Fig. 13: Pites sub superficiais resultantes da ação de bactérias
2.5. Caso 5 – Mapeamento de espessuras em fundos de tanques de armazenamento
CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO:
TIPO
PRESSÃO DE PROJETO
TEMPERATURA DE PROJETO
MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
DIÂMETRO DO TANQUE
FLUIDO DE PROCESSO
: Tanque de armazenamento
: ATM
: 800 C
: ASTM A-283 C
: 6.000 mm
: Voranol
Fundo de tanques de armazenamento estão sujeitos a corrosão externa, causada por infiltração de água na região
entre a base de concreto e a chaparia do fundo. O caso ilustrado abaixo, mostra o fundo de um tanque que foi
inspecionado por haver suspeita de furo.
Durante a inspeção visual interna, mesmo com o fundo do equipamento hidrojateado, não foi possível a localização
do furo. Executando-se o ensaio de B-SCAN, o furo foi detectado em uma região de chapa onde não havia
impermeabilização do lado externo, permitindo a infiltração de água. Todas as demais chapas apresentaram bom estado
físico. O furo tinha diâmetro de aproximadamente 3 mm, por isso a dificuldade de ser encontrado a olho nu durante a
inspeção visual.
Fig. 14: Foto do furo encontrado durante o ensaio / impresso do B-Scan / região sem impermeabilização.
O exame de ultra-som B-SCAN executado nas chapas do fundo do tanque, mostrou-se uma ferramenta importante
para garantir a confiabilidade da inspeção, pois medições de espessura pontuais, usualmente executadas com DMETER, são pouco abrangentes. Com uma varredura executada em 100% das chapas, pode-se ter um mapeamento
completo de todas as chapas do fundo, determinando regiões que necessitam de reparo imediato e outras que devem ser
monitoradas.
Após dois ou mais exames por B-Scan no equipamento, pode-se também ter maior precisão nas estimativas de taxas
de corrosão e vida útil remanescente e determinação de locais preferenciais para deterioração, o que por sua vez facilita
a determinação de causas tais como a observada e fornecendo parâmetros importantes para programação de serviços de
manutenção no equipamento.
2.6. Caso 6 – Mapeamento de espessuras em dutos
CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO:
TIPO
PRESSÃO DE PROJETO
TEMPERATURA DE PROJETO
MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
FLUIDO DE PROCESSO
: Duto enterrado Ø 22”
: 7,9 Kgf / cm2
: 600 C
: A-106 B
: Nafta
O Nafta duto de diâmetro 22” foi examinado com PIG instrumentado, constatando que um trecho de tubo
apresentava algum dano que deveria ser elucidado. O PIG instrumentado capta sinais de danos, que não são
caracterizados, por isso sempre há dúvidas se o dano encontrado está na superfície externa (no caso de tubulações
enterradas, e para isso o trecho deve ser escavado), superfície interna ou internamente à chapa (no caso de inclusões).
Para caracterização dos danos encontrados com o PIG, a experiência da GERMAN mostra que o exame de BSCAN tem sido uma ferramenta importante na detecção e caracterização desses danos, facilitando a tomada de decisões
como substituição, reparo ou monitoramento, assim que o ensaio é concluído.
A agilidade e a capacidade de distinguir alvéolos de inclusões, são diferenciais importantes em comparação aos
métodos de ultra-som convencionais como a medição de espessura com D-METER, onde os danos do como inclusões,
são facilmente confundidos com perda de espessura.
As ilustrações abaixo mostram os alvéolos isolados encontrados no Naftaduto, sendo possível caracteriza-los quanto
as suas dimensões, espessura residual e distanciamento entre os mesmos.
Fig. 15: Resultado do ensaio em duto. Foram encontrados alvéolos isolados com esp. Residual de 2,7 mm.
3.
Discussão dos resultados
A experiência acumulada pela GERMAN na utilização da técnica permite as seguintes colocações em relação a:
3.1. Aplicações:
A técnica encontra aplicações em vários aspectos da inspeção de equipamentos, e está ligada basicamente a
possibilidade de inspeção de superfícies inacessíveis visualmente tais como fundo de tanques, trocadores de espelhos
fixos, tubulações e dutos, tubos de caldeiras, partes de equipamentos encamisados como reatores, camisas de reatores e
dimensionamento de regiões danificadas, fator este ligado a precisão que será discutido abaixo. É fundamental a análise
prévia do tipo de dano que se está procurando detectar, pois a técnica possui limitações relacionadas às dimensões e
distribuição dos danos, recomenda-se a aplicação para detecção de desgastes e alvéolos, localizados e generalizados
com dimensões superiores a 5 mm de diâmetro, danos com dimensões inferiores são detectáveis mas devem ser
pesquisados criteriosamente como exemplificado no CASO 4. O equipamento TMI-150 apresenta vantagem adicional
pois permite a inspeção de superfícies quentes, até 150oC, sobre pintura.
No planejamento da inspeção do equipamento deve-se avaliar também a necessidade de aplicação de outras técnicas
em conjunto com o B-SCAN para inspeção de soldas e regiões do equipamento localizadas sob suportes ou reforços,
onde não existe acesso para o cabeçote.
3.2. Precisão:
A aplicação de técnicas modernas de análise tais como a API-579 requer precisão no dimensionamento dos defeitos
ou danos a serem analisados sob pena de fornecer resultados errados, sendo neste caso mais grave pois os métodos
comuns tais como avaliações visuais auxiliadas ou não por instrumentos de medição, tendem a sub-dimensionar os
danos levando a resultados não conservativos. A técnica de ultra-som B-SCAN encontra aplicações importantes na
caracterização e dimensionamento de defeitos do tipo “ non-crack-like flaws” como desgaste generalizado (section 4 –
Assessment of General Metal Loss), desgaste localizado (section 5 – Assessment of Local Metal Loss) e alvéolos (
section 6 – Assessment of Pitting Corrosion), sendo possível também a detecção de danos ou defeitos do tipo “cracklike flaw”, desde que orientados favoravelmente como ilustrado no caso 2, onde é possível a distinção entre inclusões
não-metálicas e alvéolos.
Observou-se diferenças significativas entre valores medidos por ultra-som B-SCAN e valores medidos por outros
métodos. No CASO 1 foi apresentado um exemplo onde foi registrada uma diferença de 5 mm entre um método e
outro, o que se refletiu significativamente na análise; pôde se constatar que o equipamento não apresentava condições
física para ser submetido a teste hidrostático. Julga-se que a diferença observada neste caso liga-se as imprecisões
inerentes a inspeção visual que não necessariamente é capaz de identificar as regiões mais comprometidas para proceder
a medida da profundidade dos danos, aliado a outros fatores ligados a presença de produtos de corrosão aderidos a
superfície desgastada, além de dificuldades de acesso impostas pela localização dos danos no equipamento e a
geometria da região, contribuem também para a imprecisão as características inerentes dos equipamentos de medição,
no paquímetro por exemplo a ponta da haste possui dimensões que interferem com a medida de profundidade.
Observa-se que a técnica, tal como vem sendo aplicada pela GERMAN, apresenta resultados suficientemente
precisos para dimensionamento da profundidade dos danos, o dimensionamento das áreas afetadas apresenta imprecisão
que normalmente não é significativa e tende a fornecer resultados conservadores.
4.
Desenvolvimentos
A GERMAN vem desenvolvendo ferramentas auxiliares com objetivo de minimizar limitações citadas, e facilitar a
execução do ensaio, aumentar a precisão no dimensionamento das áreas afetadas, acessórios para permitir pesquisa
precisa da presença de danos de dimensões reduzidas e também a incorporação da técnica de C-SCAN no equipamento
TMI-150.
4.1. MapE
É um software desenvolvido para fornecer um mapeamento de espessuras em vista planificada, com visualização do
tipo C-Scan, através da coleta e inserção de dados (espessuras).
Partindo de uma serie de medições de espessuras, manual ou automatizada, são registradas todas as variações de
espessura através de valores (espessuras) e coordenadas (X e Y), gerando o mapeamento destas variações em escala de
cores.
O MapE permite a caracterização de regiões desgastadas e a determinação do perfil de espessura critica (Critical
Thickness Profile – CTP), segundo a metodologia da API-579.
Fig. 15: Resultado do ensaio em um trecho de tubulação onde o MapE mostra a perda de espessura.
4.2. C-Scan para tubulações
Está em desenvolvimento um sistema automatizado de ultra-som para tubulações, que integra a utilização do TMI150 (B-Scan) e o MapE, compondo um conjunto que fornece a visualização dos danos em C-SCAN. Estas técnicas
permitirão uma fácil caracterização dos danos pois integram imagens em B-Scan e C-Scan, além de fornecerem
registros permanentes das inspeções executadas. Estes recurso está sendo desenvolvido, principalmente para aumentar a
capacidade de acesso a regiões difíceis, sem a necessidade de criação de acesso físico para os operadores. Permitirá
também a determinação automática do perfil crítico de espessuras, assim como a demarcação das áreas afetadas.
Fig. 16: Dispositivo para execução do C-Scan na tubulação.
5.
Conclusões
A técnica de ultra som B-SCAN possui várias aplicações na inspeção de equipamentos industriais, destacam-se a
inspeção de componentes que não permitem acesso direto a superfície de interesse e que possa estar afetados por danos
do tipo “non-crack-like flaws”, apresenta resultados importantes relativos a precisão das medidas de espessuras
residuais, fundamentais para resultados coerentes através das análises executadas por metodologias modernas de
análise, tais como API-579 e BS-7910 e até por outras não tão modernas como a API-510,570,653 e ANSI B31-G.
6.
Referências
Arquivos da German
Manual do TMI-150