IBP1054_05 NOVAS FERRAMENTAS PARA INSPEÇÃO DE RISERS TIPO SCR

1 _{MSc, Engenheiro Metalúrgico- PETROBRAS} 2 _{Engenheira Metalúrgica e de Materiais - PETROBRAS}

3 _{Técnica mecânica—PETROBRAS} 4 _{Engenheiro Mecânico- PETROBRAS} 5 _{Engenheiro Eletrônico – PUC-Rio} 6_{DSc, Físico – UFRJ/COPPE} 7_{MSc, Físico – UFRJ/COPPE}

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IBP1054_05

NOVAS FERRAMENTAS PARA INSPEÇÃO DE RISERS TIPO SCR

Claudio Soligo Camerini

_{, Carla Alves Marinho}

_{, Fabiana N.}

Raphael

, Carlos Maia

, Miguel Freitas

, Ricardo Tadeu Lopes

,

Henrique Rocha

Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Pipeline Conference & Exposition 2005, realizada no período de 17 a 19 de outubro de 2005, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas na sinopse submetida pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho Técnico, como apresentado, não foi revisado pelo IBP. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás, seus Associados e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Pipeline Conference & Exposition 2005.

RESUMO

O Centro de Pesquisas da Petrobras, em parceria com duas universidades brasileiras - PUC-Rio e UFRJ/COPPE - está desenvolvendo dois projetos de pesquisa para viabilizar a inspeção de dutos rígidos de produção de petróleo. A primeira ferramenta é um pig instrumentado para a perfilagem da corrosão interna, que possui a capacidade de se adaptar a diferentes diâmetros e não tem limitações quanto a grandes espessuras. A segunda ferramenta é um sistema de gamagrafia totalmente operado por ROV, que será empregado na detecção de alvéolos de corrosão e trincas de fadiga em dutos rígidos submarinos. Apresenta-se a trajetória do desenvolvimento das duas ferramentas descrevendo-se testes de laboratório, testes de campo e a programação das próximas atividades.

ABSTRACT

The Research Center of Petrobras and two of the Federal Brazilian Universities, PUC-Rio and UFRJ, have been developing two new projects in order to inspect risers of petroleum production. The first tool is an instrumented pig for profiling internal corrosion, having flexibility under diameter variations and independence related to thickness wall pipeline. The second one is a gamagrafy system remotely operated by ROVs, to be employed in alveoli corrosion and fatigue cracks deteccion in underwater pipelines. This work shows the trajetory of these two tools, describing laboratory and field tests and the future activities.

1.INTRODUÇÃO

As características de projeto, fabricação e montagem dos dutos submarinos, com freqüência levam a configurações que dificultam o uso dos métodos tradicionais de inspeção. Variações bruscas de diâmetros, grandes espessuras, curvas de pequeno raio, existência de obstáculos como PLEMs (pipeline end manifold), são alguns exemplos que conferem a estes dutos a impossibilidade de uso das ferramentas convencionais. No caso de dutos de produção em águas profundas, este contexto se torna ainda mais complexo com a existência de dutos mistos – rígidos + flexíveis – e a possibilidade de ocorrência de fadiga. Neste contexto estão sendo desenvolvidas duas ferramentas de inspeção: um pig multi-size para detecção da corrosão interna e um sistema de gamagrafia totalmente operado por ROVs. Deste modo a PETROBRAS espera ter solucionado uma significativa parcela dos problemas de inspeção em dutos submarinos de produção e risers tipo SCRs.

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2. Pig Espinho – Sistema de Perfilagem da Corrosão Interna

2.1- Motivação do Projeto

Dutos de produção, ou flow lines, são linhas que conectam os diversos poços produtores de petróleo à unidade mais próxima de processamento primário de óleo, onde é feita a separação entre gás, água e óleo. Em águas profundas os flow lines conectam os poços no fundo do mar às plataformas, tendo freqüentemente extensão de vários quilômetros. Tradicionalmente estes dutos não são inspecionados por pigs instrumentados, mas a Petrobras, de forma pioneira, tem especificado para os novos campos em águas profundas a necessidade de inspeção de flow lines, os quais por suas características, demandam o emprego de pigs capazes de atender à exigências não convencionais. Neste contexto, o Centro de Pesquisas da Petrobras (CENPES) em conjunto com a PUC-Rio, lançou um projeto de pesquisas para desenvolver ferramentas do tipo pig apresentando as seguintes características principais: grande tolerância a mudanças de diâmetro, grande flexibilidade na passagem de curvas e precisão no mapeamento de defeitos internos. A simplificação do alcance da ferramenta às paredes internas deve-se ao fato de que os problemas de corrosão ocorrem preferencialmente no interior dos dutos, sendo a proteção catódica muito eficaz na prevenção a corrosão externa. Adicionalmente, dutos submarinos são inspecionados rotineiramente por ROVs –veículos de operação remota – e as ocorrências externas são passíveis de detecção.

2.2. Seleção do Método de Medição

Após a avaliação de alguns dos sensores mais usuais em ensaios não destrutivos, chegou-se à definição de um novo tipo de sensor operando através da perfilagem superficial das paredes internas do duto, com alta sensibilidade e resolução. A figura 1 apresenta o conceito: este sensor é basicamente uma haste que é mantida pressionada contra a parede da tubulação enquanto o sistema eletrônico mede continuamente o ângulo desta inclinação. Devido a sua configuração, estes sensores foram designados de espinhos.

O método de medição do ângulo do espinho é controlado por um sensor de campo magnético, do tipo Hall, posicionado entre dois ímãs de polaridades opostas. O conjunto é posicionado no eixo do sensor e qualquer mudança de inclinação, decorrente de alterações no perfil do duto, significa uma alteração no campo magnético estabelecido pelos ímãs, o que é prontamente detectado pelo sensorHall e convertido emângulo. Adicionalmente, a figura 1 ilustra esta descrição e exemplifica algumas situações nas quais ocorreriam mudanças na inclinação dos sensores.

O sensor geométrico, conforme concebido, possui algumas vantagens importantes para o sistema de inspeção desenvolvido, como por exemplo: adaptável a variações dimensionais permitindo a inspeção de dutos multi-diâmetro, grande espectro de medição permitindo o uso em dutos de paredes espessas, independente do fluído que está sendo transportado, podendo inspecionar tanto oleodutos como gasodutos,

menos exigente em relação à limpeza e, por fim, método simples atingindo elevada precisão.

2.3. Protótipos Construídos

Foram confeccionados dois protótipos para viabilizar o método proposto. O primeiro equipamento foi um pig de 22” de diâmetro, contendo 250 sensores espinho, montado em um corpo rígido de um pig de

(c)

Fig 1 – Funcionamento do sensor espinho. (I) Projeto mecânico: (a) haste cuja extremidade tangencia o interior do duto, (b) medidor de ângulo; (II)Disposição dos ímãs (c) ao redor do sensor Hall (d); (III)Topografia do duto altera a inclinação dos espinhos.

a b

(I) (II)

c d

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limpeza. A taxa de amostragem é de 500 Hz por sensor, gerando uma aquisição a cada 1mm, caso o deslocamento longitudinal de ferramenta seja de 0,5 m/s. Já o espaçamento radial entre os espinhos é de 7 mm, uma vez que os 250 sensores estão igualmente espaçados ao longo da circunferência. Este protótipo foi testado em trechos de tubos contendo defeitos usinados e, posteriormente, em um duto real da Bacia de Campos. Os resultados desta corrida e as características da ferramenta foram descritos em outros trabalhos de Camerini et al.(2005a,b).

O segundo protótipo foi desenvolvido com dimensões reduzidas, atendendo ao desafio de suportar uma variação de diâmetro interno de 4” para 7”. Para isto, foi necessário o aprimoramento de uma eletrônica compacta, acondicionada em um pequeno vaso metálico, com diâmetro menor que 60 mm. A figura 2 apresenta a eletrônica desenvolvida especificamente para este projeto. No seu estágio atual, pode-se registrar 64 canais, em uma taxa individual de 500 Hz e 4 GBytes de memória.

A figura 3 apresenta o projeto do pig multidiâmetro: (a)módulo de baterias, também responsável pelo tracionamento do pig; (b)módulo deeletrônica, onde está o computador de bordo responsável pela aquisição e registro dos dados e (c)módulo dos sensores, onde 60 sensores geométricos estão acondicionados sobre uma haste flexível. Os espinhos distribuem-se ao longo da haste, sendo que existe uma pequena defasagem angular entre cada um deles, seguindo o desenho de uma espiral. O software de análise de dados processa as informações e corrige o posicionamento dos sensores, gerando ao final uma configuração como se todos os espinhos estivessem lado a lado.

2.4. Testes realizados

A nova tecnologia foi confiabilizada através de uma série de procedimentos como os testes da eletrônica, onde foram mantidas condições de temperaturas elevadas e choques mecânicos durante longos períodos de tempo, testes dos sensores, no que se refere à capacidade de detecção e quantificação de alvéolos, e testes de laboratório, simulando-se corridas reais em trechos de dutos contendo defeitos entalhados. A figura 4 mostra um resultado de um teste feito com dois sensores onde os mesmos perfilaram defeitos do tipo “escada”, com profundidades crescentes em incrementos de 1mm. À partir de testes como este, foi possível se atingir uma

(a)

(c) Fig 2–Micro eletrônica. Desenvolvida

especialmente para aplicação no pig 4x7”.

(b)

Figura 3 – Pig 4 x7” : (a) módulo tracionador e de bateriais; (b) eletrônica; (c) haste com sensores.

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precisão de 0,3 mm na quantificação da profundidade. A figura 5 mostra etapas do teste de laboratório realizado com o protótipo 4x7” em um corpo de prova contendo defeitos internos usinados.

2.5. Primeiros resultados e próximos passos

Os resultados obtidos até o momento são bastante promissores, tanto nos testes de simulação, quanto na corrida realizada. Alguns ajustes são necessários, especialmente no que se refere ao projeto mecânico. Na primeira inspeção conduzida com o protótipo de 22” algumas varetas quebraram, especialmente durante as etapas de lançamento e recebimento do pig. Ocorreu também forte desgaste na extremidade dos espinhos, sinalizando para uma revisão metalúrgica no sentido de aumento da dureza das regiões em contato direto com a superfície interna do duto. A detecção dos defeitos, acessórios e cordões de solda ao longo da extensão do duto apresentou boa correlação, e a quantificação precisa das dimensões dos defeitos - comprimento, profundidade e largura – foi efetuada e descrita em outro trabalho de Camerini et al, conforme já mencionado. À princípio, o protótipo de 22” deverá passar de 250 sensores para aproximadamente 550, enquanto que o protótipo 4x7” deverá ter em torno de 190 espinhos. O aumento do número de sensores é um dos principais desafios a ser perseguido, especialmente para os pigs de pequeno diâmetro.

3. Gamagrafia como Técnica de Inspeção em Dutos Submarinos

Os crescentes investimentos da empresa em sistemas de integridade de dutos incentivaram o estudo de um protótipo, operado remotamente, para realizar a inspeção complementar à passagem de pigs instrumentados e detectar trincas de fadiga em juntas de risers rígidos. As dimensões do protótipo foram

Figura 5 – Testes de laboratório. a) Janela com defeitos entalhados; b) protótipo sendo testado; c) vista geral do corpo de prova.

(a)

(b)

(c)

Figura 4 – Teste de sensores. Baixo nível do ruído registrado e clara identificação

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tomadas com base no gasoduto P-18/P-26 Ø10”, campo de Marlim, no qual serão executados os testes de campo. Com a consolidação de um procedimento de inspeção neste gasoduto, outros dutos de diferentes diâmetros poderão ser inspecionados através do sistema proposto.

3.2. Sistema de Gamagrafia Submarina

São apresentados os componentes do projeto conceitual do sistema de gamagrafia submarina.

3.2.1 - Veículo Submarino de Operação Remota

Os veículos submarinos de operação remota, ou ROVs (Remotely Operated Vehicles), executam operações importantes na exploração de petróleo em águas profundas em condições nas quais a intervenção de mergulhadores é perigosa ou impossível. Tipicamente os ROVs trabalham conectados a uma embarcação de superfície através de um cabo umbilical, recebendo energia e sinais de comando, e se comunicando com o operador enviando sinais de vídeo.

3.2.2 – Garra Mecânica

Foi desenvolvido o projeto de uma garra mecânica que desempenhará basicamente duas funções: acondicionar o irradiador e o filme radiográfico e acoplar-se mecanicamente à região do duto a ser inspecionada, possibilitando a execução da radiografia. Devido à inviabilidade em se repor filmes novos após cada exposição, foi definido que haverá uma garra para cada um dos pontos a inspecionar. O conjunto de garras mergulhará juntamente com o ROV, e após a fixação em suas respectivas posições, o irradiador será colocado em uma após a outra, de modo a se proceder a exposição radiográfica em todas as áreas desejadas. O controle sobre o início e fim do processo de exposição da fonte radiativa será executado remotamente via umbilical pelo operador de superfície, segundo parâmetros previamente determinados. Finda a inspeção, o ROV recolherá o irradiador e desacoplará todas as garras. O conjunto então será trazido à plataforma. A figura 6 ilustra o procedimento proposto para a inspeção.

Fig 6- Procedimento: (a)ROV e conjunto de garras;(b) Posicionamento de cada garra no respectivo ponto a ser inspecionado; (c) O irradiador é conduzido até a primeira garra; (d) Posicionamento do irradiador; (e) Exposição da fonte radiativa; (f)Ao final, o ROV recolhe o conjunto.

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As gamagrafias serão executadas com o emprego de uma fonte de irídio (Ir192). Esta fonte será acondicionada em um irradiador com blindagem de urânio exaurido e o conjunto será ainda protegido por um vaso de aço de modo a suportar os efeitos da pressão. O controle da posição da fonte é totalmente eletrônico e será efetuado pelo operador de superfície, com base na definição prévia do tempo de exposição. O irradiador é um produto da MDS Nordion SA, enquanto que a adaptação do controle eletrônico e o projeto do vaso de proteção foram desenvolvidos pela equipe COPPE/CENPES.

3.3. Metodologia Experimental

Buscou-se reproduzir as condições de campo realizando-se testes com duas técnicas radiográficas: raios δ e raios X, procurando uma complementação entre elas. Os resultados são apresentados de forma comparativa em termos de sensibilidade e aplicação em situações de corrosão/erosão e análise de cordões de solda em dutos rígidos.

Testes de sensibilidade radiográfica em corpos de prova

A técnica radiográfica utilizada foi a de parede dupla vista simples, PDVS, com a fonte encostada à parede adjacente. Os testes foram executados em tubos de 20”e 10” de diâmetro, espessura de 9,5mm e 22,5mm respectivamente. As condições foram: 1-tubo vazio, 2-tubo vazio revestido com chapa de aço de 3mm e borracha, 3-tubo cheio com água e 4- tubo cheio revestido com chapa de aço de 3mm e borracha. O corpo de prova de ∅20” simula alvéolos de corrosão, nas paredes externa e interna, e defeitos entalhados na costura do tubo, enquanto que o de menor diâmetro simula a condição de uma trinca de fadiga na solda. A figura 7 mostra o arranjo experimental para gamagrafia; o procedimento foi análogo para o tubo de raios X.

Foram executadas gamagrafias com uma fonte de irídio (Ir192), de atividade 10Ci. O tubo de raios X utilizado foi de marca FEDREX com tensão de operação de 200 kV e corrente de ânodo de 4 mA; a energia efetiva do feixe foi considerada de 140 keV. As imagens foram obtidas em filmes radiográficos KODAK T200 e digitalizados em scanner MICROTEK, modelo 9800XL com resolução de 600 dpi e 256 níveis de cinza. Buscou-se a homogeneidade de exposição (mesma densidade ótica), igualando-se o nível de cinza na região sem defeito. A esse valor foi estabelecido perfil de background (Kehoe e Parker, 1990), que serviu de referência para quantificação dos defeitos.

3.4. Resultados Tubo ∅ 20”

A figuras 8 mostra o resultado obtido através do isótopo na condição 2 e o perfil de níveis de cinza exibido ao lado da imagem.

Fig 7- Arranjo experimental: (a) tubo de ∅20”; montagem do filme sobre os

alvéolos e exposição da fonte na parede oposta; (b)tubo de ∅10”; montagem do

filme sobre o cordão de solda e simulação do revestimento de aço e borracha sob a fonte.

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A figura 9 mostra uma imagem obtida através do irídio, para tubo cheio e com revestimento. A linha amarela na figura indica a direção segundo a qual a comparação entre níveis de cinza, obtidos na mesma posição para as condições de teste 1, 2 e 4, foi feita (figura 10). Através do uso de raios X os resultados para as condições de tubo vazio foram aceitáveis enquanto que para tubo cheio com água não se obteve formação de imagem.

Tubo ∅ 10”

A figura 12 mostra as gamagrafias para as condições 1 e 2, e a comparação entre os perfis obtidos para as quatro condições de teste. A linha amarela indicada em 12(a) mostra a direção de obtenção dos perfis. O dimensionamento da trinca foi feito pelo processo de digitalização do filme, com a calibração fornecida ao

scanner. As setas amarelas indicam o início da trinca. A posição final da mesma não pôde ser bem delimitada

em todas as condições de teste.

Fig 8 - Gamagrafia na condição 2 e perfil correspondente.

Perfil da solda

Fig 9- Resultado na condição 4 para o Ir. D=0,4

Fig 10- Comparação entre perfis nas condições de teste 1, 2 e 4. Níveis de cinza corrigidos.

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A figura 13 mostra a comparação entre os perfis obtidos para o tubo FEDREX . A linha indicativa do perfil foi tomada como na figura 12(a). Novamente a posição final da mesma não pôde ser bem delimitada. Neste caso não foi possível dimensionar o comprimento da trinca pela perda de qualidade nas imagens obtidas. Não se obtiveram resultados para tubo cheio.

3.5. DISCUSSÃO 3.5.1. Gamagrafia

Os alvéolos presentes no tubo de ∅20” foram observados com nitidez e o exame dos perfis dos níveis de cinza mostra que é possível, inclusive, avaliar a criticalidade de cada um deles. Para os testes conduzidos com tubo cheio, embora também se observe alvéolos e entalhes, a qualidade radiográfica obtida ainda não foi satisfatória. A digitalização produziu imagens com “falso contraste”, sugerindo que os resultados nas condições 3 ou 4 apresentariam maior definição. O exame dos perfis apresentados na figura 10, porém, mostra a redução do contraste obtido em função da existência de revestimento ou água no interior do CP.

No caso do tubo de ∅10” detectou-se a presença da trinca de fadiga em todas as condições testadas. A localização de suas extremidades através do traçado do perfil foi dificultada pela qualidade das imagens obtidas, porém, foi possível o dimensionamento da trinca. O valor médio encontrado foi de 135,5mm de comprimento, o que representa 86% do comprimento real (158mm); um nível de sensibilidade muito bom para os primeiros experimentos.

No sentido de melhorar a qualidade das radiografias obtidas verifica-se a necessidade de um aumento no tempo de exposição da ordem de 5 vezes em relação à situação inicial.

3.5.2. Radiografia

Os resultados obtidos para o tubo vazio exibiram a presença de todos os defeitos existentes no CP de maior diâmetro com percepção da variação na profundidade dos alvéolos.

Quanto ao menor corpo de prova, a trinca pôde ser detectada apenas nos testes com tubo vazio mas sem que a imagem atingisse uma qualidade satisfatória, de modo que não foi possível o seu dimensionamento. Fig 12- Tubo 10”:(a)Resultado na condição 1 e sentido da obtenção dos perfis. D=2,3; (b)Condição 2 e dimensionamento da trinca. D=1,5; (c)Níveis de cinza comparados para as quatro condições.

(a) (b) (c)

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O perfilresultante da região adjacente do cordão de solda mostra apenas o ínicio da trinca sem discriminação da outra extremidade (fig 13). Nota-se que as variações de contraste foram inferiores ao observado na figura 12(c).

Para ambos os CPs não houve resultados nas condições 3 e 4 mesmo com a variação do tempo de exposição, indicando que a potência do equipamento e/ou a corrente do filamento são baixas para estas condições de trabalho.

4. CONCLUSÕES

Uma nova tecnologia para a detecção e dimensionamento da corrosão interna em dutos está em desenvolvimento e já vem apresentando os primeiros resultados em aplicações de campo. Destacam-se as seguintes vantagens: independe do tipo de fluído, não possui limite inferior de velocidade, sendo que o limite máximo é semelhante ao exigido pelos outros métodos utilizados em pigs instrumentados, menor exigência de limpeza interna do duto, sem limite de espessura a perfilar, possibilidade de inspeção de dutos com obstáculos mecânicos, como por exemplo multi-diâmetros e curvas de pequeno raio. Como limitação importante, o método de perfilagem geométrica é limitado à detecção da corrosão interna.

No caso do segundo protótipo, com uso de radiação gama ou X, pôde-se perceber a existência dos defeitos. Em alguns experimentos os resultados não permitiram a quantificação dos defeitos. Deve-se considerar ainda que as condições de teste foram bastante rigorosas devido às dimensões dos corpos de prova. Desta forma, conclui-se que os primeiros resultados experimentais obtidos indicam que o sistema apresenta boas perspectivas, havendo a necessidade de mais estudos para a obtenção dos melhores parâmetros de ensaio. Observou-se que o aumento no tempo de exposição deve ser um fator obrigatório nas condições testadas, principalmente nos casos em que o tubo está cheio levando à perda de qualidade da imagem obtida, mas isso não é um fator limitante na aplicação da técnica.

Estão sendo adquiridas placas de fósforo para a obtenção de radiografias computadorizadas, e novos testes serão realizados com os mesmos corpos de prova e condições de ensaio de modo a se comparar o desempenho em relação ao processo de radiografia convencional. Esta solução com placas de fósforos exige um menor tempo de exposição, provavelmente compensando o aumento de exposição requerido para uma melhor definição dos defeitos.

A garra mecânica encontra-se em fase de confecção, e será testada em laboratório após a definição dos parâmetros pesquisados no momento atual.

5.Agradecimentos

A empresa Top Check pelo empréstimo da fonte de iridio-192 para a realização dos testes iniciais.

6. Referências

CAMERINI, C., MARINHO, C., NAZÁRIO, F., FREITAS, M. Novo Método de Perfilagem da Corrosão Interna em Dutos. In: 8a _{Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos, Salvador, Brasil, jun.,2005a}

CAMERINI, C., MARINHO, C., NAZÁRIO, F., FREITAS, M. Comparação do Resultado de 3 Técnicas de Inspeção com Pigs Instrumentados em um Mesmo Oleoduto na Bacia de Campos. In: Rio Pipeline 2005, Conference & Exposition, Rio de Janeiro, Brasil, jun.,2005b

KEHOE, A.E. and PARKER, G.A., Image processing for Industrial Radiographic Inspection, British Journal of NDT, 32(4), pp.183-190, 1990.