Inspeção de Reatores Tubulares por Correntes Parasitas
Adolpho Soares
Technotest – Consultoria e Assessoria Ltda.
Rua Juparanã, 397, Bairro Concórdia, Belo Horizonte, Minas Gerais technotest@technotest.com.br
Giuseppe Fenocchio Petroquímica Triunfo S.A.
Via do Contorno, 1178, Complexo Básico, Triunfo, Rio Grande do Sul giuseppe@ptriunfo.com.br
Abstract: Indústrias petroquímicas que atuam no ramo de fabricação do PVC têm, em suas plantas, um equipamento de fundamental
importância no processo, que se chama reator tubular. Este equipamento é constituído de uma série de segmentos de tubos, retos e curvos, interligados entre si formando “loops” de geometria retangular e dispostos um sobre o outro, em forma espiral. Quando em operação, esses tubos têm de suportar pressões internas muito elevadas e pulsantes, por isto, são feitos de um aço especial e se apresentam com grandes espessuras. Existe uma preocupação constante quanto à integridade e segurança desses equipamentos e a história tem revelado algumas falhas, até mesmo catastróficas. O objetivo deste trabalho é o de apresentar o Ensaio por Correntes Parasitas como uma ferramenta importante na detecção de trincas longitudinais que se formam na superfície interna desses tubos, antes de ocorrer a fratura. Pode-se constatar, em laboratório que, mesmo utilizando uma sonda convencional (“bobbin coil”), especialmente projetada para este fim, é possível detectar rasgos internos de pequeno comprimento, largura da ordem de 0,3 mm e profundidades até mesmo inferiores a 5% da espessura do tubo. Com o uso de sondas superficiais internas, como, por exemplo, uma sonda interna rotativa, a sensibilidade e resolução do ensaio se apresentam muito maiores.
Keywords: inspeção, correntes parasitas, reator tubular, sonda interna convencional, sonda superficial interna, sonda interna rotativa.
1. Introdução:
Em indústrias petroquímicas de fabricação de PVC, um componente importante do processo de obtenção desse produto são os tubos do reator tubular e, para operarem convenientemente, esses tubos são encamisados para a circulação externa de um fluido, constituído de água desmineralizada com tratamento para qualidade de água de caldeira. Como informações específicas de um dado reator, em seu interior passa um outro fluído, constituído de uma mistura de gás etileno e polietileno, sujeito a uma pressão pulsante, em torno de 2.800 kgf/cm2, em intervalos de tempo de 20 a 40 segundos. A temperatura, nesta fase do processo, varia de 250 oC a 320 oC e a velocidade desse fluído é de 12 m/s. Nos reatores os tubos se apresentam com comprimentos que variam de 8.500 mm a 11.000 mm. Verifica-se, pois, que as condições de operação desses tubos são muito severas e, a despeito do material ser especial e de sua grande espessura, tem havido a ocorrência de trincas longitudinais, sobretudo nos trechos retos e de trincas transversais, com uma menor freqüência, nos trechos curvos. Por isto mesmo, esses reatores operam, por questão de segurança, dentro de uma “casa mata”.
O controle desses tubos, quanto ao aparecimento de trincas longitudinais, sobretudo e quanto à sua propagação, é muito importante. Uma avaliação visual do estado interno dos tubos é sempre muito importante, o que pode ser feito, sem grandes problemas por meio da videoendoscopia. Há que se tomar cuidados quanto à limpeza da superfície interna, uma vez que, duração a operação do reator tubular, ocorre uma impregnação nessa superfície do produto processado, causando um encobrimento de possíveis trincas ali existentes e, até mesmo uma redução do diâmetro interno dos tubos. Quando possível, o brunimento interno desses tubos, é altamente desejável, o que permitiria uma melhor visualização de sua superfície. Entretanto, quando a visualização da superfície interna desses tubos não é boa, o ensaio por videoendoscopia não pode ser aplicado.
Se é importante verificar a existências de trincas internas, mais importante ainda é saber as trincas estão se propagando, longitudinalmente e radialmente. Neste caso, o Ensaio por Correntes Parasitas, apresenta resultados muito interessantes. A despeito do material ser ferromagnético, o que realmente se constitui num fator complicador, é possível detectar e avaliar, dentro de certos limites, a profundidade e o comprimento de trincas longitudinais, formadas na superfície interna desses tubos.
02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003 Rio de Janeiro - RJ - Brasil
2. Desenvolvimento do trabalho com sondas internas convencionais em laboratório
O trabalho foi desenvolvido inicialmente em laboratório, a partir do projeto e fabricação de sondas internas convencionais, adequadas às amostras de tubos recebidas.
2.1 Recebimento de amostras de tubos e preparação de referências
Para este trabalho foram recebidas quatro pequenos segmentos de tubos, do mesmo material, porém com dimensões de diâmetros externos e espessuras diferentes, de acordo com as seguintes especificações:
a) material: aço, material 4333 M4, degasado a vácuo, rotorolado (roto rolled), temperado e revenido para a dureza de 341 HB.
b) dimensões: duas amostras com diâmetro externo de 107 mm (4,21 in) e espessura de 28,5 mm (1,12 in), o que resulta num diâmetro interno nominal de 50 mm (2 in) e duas outras com diâmetro externo de 140 mm (5,51 in) e espessura de 42,0 mm (1,65 in), resultando num diâmetro interno de 56 mm (2,20 in).
Nas duas amostras de diâmetro externo e espessura menores, foram usinados, por eletro erosão, quatro entalhes longitudinais, com comprimento de 5 mm, largura de 0,4 mm e as profundidades de 3,0 mm, 6,0 mm, 9,0 mm e 12 mm, correspondendo, respectivamente a 10,5 %, 21,0 %, 31,5 % e 42,0 % da espessura do tubo. Denominam-se a primeira amostra de tubo 1, onde foram usinados os entalhes de 3,0 mm e de 6,0m de profundidade e a segunda amostra de tubo 2, onde forma usinados os entalhes de 9,0 mm e de 12 mm de profundidade.
Nas duas amostras de diâmetro externo e espessura maiores, foram usinados, por eletro erosão, quatro entalhes longitudinais, com comprimento de 2,0 mm, largura de 0,35 mm e as profundidades de 2,0 mm, 4,0 mm, 6,0 mm e 8,0 mm, correspondendo, respectivamente, a 4,8 %, 9,5 %, 14,2 % e 19,0 % da espessura do tubo. Denominam-se a terceira amostra de tubo 3, onde foram usinados os entalhes de 2,0 mm e de 4,0m de profundidade e a quarta amostra de tubo 4, onde foram usinados os entalhes de 6,0 mm e de 8,0 mm de profundidade.
2.2 Preparação das sondas internas convencionais para os testes 2.2.1 Projeto das sondas
Em função do pequeno comprimento dos entalhes usinados internamente nas amostras, foram projetadas duas sondas internas convencionais, do tipo “bobbin coil”, em arranjo diferencial. A sonda destinada a testar os tubos 1 e 2 foi denominada de S-1 e a destinada a testar os tubos 3 e 4 foi denominada de S-2. Com se sabe, este tipo de sonda, tem como área de inspeção um “anel” do tubo, cuja largura é ligeiramente superior ao comprimento de um dos dois enrolamentos. Como se pode verificar, a área de visão que essas bobinas conseguem ter do material inspecionado é toda a circunferência interna do tubo, numa faixa eqüivalente, aproximadamente, à largura das bobinas. Isto significa que para a sonda S-1 esta área é de 628 mm2 e para a sonda S-2 a área é de 703 mm2. Comparativamente, a área de cada entalhe usinado nas amostras 3 e 4 corresponde a 0,10% de toda a área “enxergada” pela sonda S-2.
Essas sondas foram projetadas com os seguintes diâmetros:
a) 46,0 mm para a sonda S-1, o que proporciona uma folga de 4 mm no diâmetro e um fator de enchimento (η) superior a 80%, considerando-se que a sonda seria testada também em trechos curvos. A sensibilidade resultante de um fator de enchimento deste valor pode ser considera como muito boa para o ensaio.
b) 54,5 mm para a sonda S-2, o que proporciona uma folga de 1,5 mm no diâmetro, e um fator de enchimento melhor ainda, próximo de 95%. Esta sonda foi projetada para testar somente tubos retos.
Eletricamente as sonda foram projetadas para operar numa faixa de freqüência de 40 a 400 kHz, apresentando na freqüência de 160 kHz uma impedância de entrada de 50 Ω (Ohms)
2.3 Equipamento de ensaio
Utilizou-se na inspeção um aparelho de correntes parasitas microprocessado, com capacidade de para até 4 (quatro) canais de freqüência, que pode variar na faixa de 40 Hz até 4 MHz, com controle de ganho em 255 degraus, o que eqüivale a um total de 76 dBs; possui um controle de fase, com variação mínima de 1 grau, ajuste de sensibilidade, vertical e
horizontal de 2 V/div a 0,06 V/div e mistura de sinais (“mixer”) os canais 1 e 2 e também para os canais 3 e 4. Para o teste em questão foram disponibilizados apenas 2 (dois) canais de freqüência, o 1 e o 2, independentes entre si; no Canal 1, a freqüência foi ajustada para 150 kHz e no Canal 2, para 250 kHz. A razão para se utilizar o Canal 2 com uma freqüência superior à do Canal 1, serviu apenas como comparação de dois sinais em freqüências diferentes, que proporcional níveis diferentes de ruído. Os sinais do Canal 1 apresentaram-se com uma razão sinal/ruído melhor. Não houve mistura de sinais.
O modo de apresentação dos sinais adotado foi o 2XY – 2Y1(t)Y2(t), o que significa dois canais no plano XY e dois canis para as componentes verticais do Canal 1 e do Canal 2. Desta forma, é possível representar os sinais, nos dois canais, de todo um tubo, seja qual for seu comprimento.
2.4 Critérios de avaliação adotados e resultados obtidos em laboratório
Considerando-se que o material é um aço ferromagnético e que a freqüência utilizada, de 150 kHz, é demasiadamente alta, a profundidade de penetração das correntes parasitas é mínima, fração de milímetros, talvez. Isto significa que o ensaio, nestas condições, só tem condições de detectar descontinuidades existentes na superfície interna dos tubos. Qualquer descontinuidade interna subsuperficial que haja nesses tubos, não será detectada. Entretanto, se houver descontinuidades de mesma largura e comprimento, porém com profundidades diferentes, elas poderão ser detectadas e os sinais terão amplitudes correlacionadas com as profundidades das descontinuidades; maior profundidade, maior amplitude do sinal. Desta maneira, adotou-se o seguinte critério: o sinal do entalhe de menor profundidade, usinado em cada um dos tubos de diâmetros diferentes, servirá como referência para aceitação de tubos inspecionados.
Para conduzir a avaliação dos resultados com base neste critério aceitação, a calibração do sistema de ensaio foi conduzida de modo a posicionar os sinais dos entalhes usinados em cada um dos tubos de referência, na direção vertical, deslocando-se inicialmente para baixo e, em seguida, para cima, nos planos XY do Canal 1 e do Canal 2. Nos planos Y1(t) e Y2(t), os sinais apresentados de cada entalhe detectado, deslocam-se inicialmente para a esquerda e, em seguida, para a direita. Ver Fig. (1), abaixo. Esta figura apresenta a inspeção de todo o tubo 3, com as apresentações Y1(1) do Canal 1 e Y2(t) do Canal 2 mostrando claramente os sinais dos dois entalhes usinados, numa razão sinal/ruído considerada muito boa. Pode-se verificar na apresentação Y1(1) o posicionamento de dois cursores nos extremos do sinal correspondente ao entalhe de profundidade igual a 2,0 mm, no valor medido de 2,50 VPP. O sinal do segundo entalhe, de profundidade igual a 4,0 mm apresenta uma amplitude ligeiramente maior. A diferença entre as amplitudes destes dois sinais seria maior se a sonda estivesse centrada no tubo.
Na Fig. (2) que se segue, tem o teste do tubo 4, que contém também dois entalhes, com 6,0 mm e 8,0 mm de profundidade. Verifica-se claramente também neste segmento de tubo, os sinais dos dois entalhes longitudinais internos. O sinal de maior amplitude, medida em 3,19 VPP, com o posicionamento dos dois cursores, corresponde ao entalhe de profundidade igual a 8,0 mm.
Figura (2), Sinais obtidos do tubo de referência 4.
3. Resultados obtidos em campo com a utilização de sondas internas convencionais
A partir dos resultados obtidos em laboratório, foram inspecionados alguns tubos de reator, em tamanho real, devidamente encamisados, porém, colocados um a um sobre bancada. Os tubos inspecionados vieram de um trabalho de brunimento, permitindo obter um nível de ruído muito baixo. Ver Fig (3) de um dos tubos inspecionados. Nesta figura pode-se constatar com muita clareza que nenhuma descontinuidade (trinca) que tenha, pelo menos, 2,0 mm de comprimento, 0,35 mm de largura e 2,0 mm de profundidade existe no tubo inspecionado. Os dois cursores posicionados na Fig (3) marcam 2,50 VPP.
4. Desenvolvimento do trabalho com sondas superficiais internas
Uma outra etapa do trabalho é o desenvolvimento de sondas superficiais internas. Essas sondas podem ser configuradas em diferentes tipos: rotativa, tipo “pancake” com várias bobinas cobrindo todo o perímetro interno do tubo ou com apenas uma ou duas bobinas superficiais fixas, cobrindo apenas uma parte do perímetro interno do tubo. Qualquer que seja a configuração, o resultado obtido tem de ser muito melhor em termos de sensibilidade de detecção de pequenas descontinuidades. Na utilização deste tipo de sonda, a (s) bobina (s ) fica (m) voltada (s) frontalmente para a superfície interna do tubo, em movimento circunferencial, em movimento axial ou num movimento combinado circunferencial e axial.
O motivo que leva à conclusão de que este tipo de sonda tem um sensibilidade muito maior que as sondas internas convencionais, advém do fato de que a área de visualização de cada uma das bobinas que compõem a sonda, é muito menor que a área “enxergada” pelas outras. È comum, na fabricação de sondas superficiais internas para tubos de grandes diâmetros internos, como os apresentados neste trabalho, que as bobinas tenham um diâmetro da ordem de 5 mm. Quando se compara a área superficial dos entalhes usinados nos tubos 3 e 4, com a área que uma sonda desta consegue varrer, chega-se ao resultado de, aproximadamente, 3,6 %. Este percentual representa um aumento da ordem de 36 (trinta e seis) vezes.
Na utilização de sondas superficiais internas, é desejável que suas bobinas “cortem” ou cruzem a descontinuidade (trinca) em direção perpendicular ou próximo disto. Nesta situação, essas sondas, pelo fato de serem muito pequenas, apresentam uma outra vantagem, qual seja a de determinar o comprimento da descontinuidade. Esta informação torna-se muito importante, quando se torna necessário dimensionar as descontinuidades detectadas, até mesmo para aplicações no estudo da Mecânica da Fratura
Neste trabalho, esta parte ainda se encontra em desenvolvimento, não sendo possível apresentar resultados práticos. Estão sendo desenvolvidas sondas superficiais dos tipos “pancake” e rotativa. Já existe um protótipo de uma sonda rotativa, e os resultados obtidos estão sendo otimizados.
5. Conclusões
Do exposto acima, pode-se concluir que, mesmo considerando os resultados obtidos com uma sonda interna convencional, os benefícios oferecidos são consideráveis. Se os tubos de reatores, mesmo sendo ferromagnéticos, se apresentarem com uma boa limpeza internas, e não magnetizados, é possível detectar e localizar, ao longo do comprimento do tubo, trincas longitudinais internas que tenham profundidade, pelo menos, em torno de 5% a 10% da espessura do tubo. A existência de trincas longitudinais internas com profundidades desta ordem, muito provavelmente não levará o tubo à fratura. Se esta situação for detectada a tempo e o tubo retirado da operação, tem-se aí uma grande contribuição para a segurança.
A idéia, entretanto, é que se consiga detectar trincas longitudinais internas em estágio de desenvolvimento muito anterior, avaliá-las periodicamente e, para condições de operação bem determinadas, tentar estabelecer no tempo, o desenvolvimento dessas descontinuidades.
