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phased-array technologies

Avanço da monitoração da corrosão pela técnica ultrassônica phased array FMC/TFM

Corrosion monitoring improvement with the ultrasonic phased-array FMC/TFM technique

 

SINOPSE


A contínua monitoração do estado da corrosão presente em equipamentos do setor óleo e gás é de extrema importância para a operação destes com eficiência e segurança, apontando para a necessidade do estabelecimento de metodologias não intrusivas de inspeção a fim de caracterizar a presença e a severidade dos danos existentes nos equipamentos, sem a necessidade de parada da operação. Algumas metodologias estão disponíveis para detectar e estabelecer a severidade da corrosão, todavia algumas apenas detectam o problema sem os caracterizar e outras apresentam muita incerteza nas medições.
Disponível no mercado recentemente, o método de focalização total (FMC/TFM) aplicada à inspeção por ultrassom phased array abre um novo horizonte para a detecção e caracterização de áreas afetadas por corrosão, gerando imagens de alta resolução, fácil interpretação e possibilidade de medição das indicações de maneira confiável nas próprias imagens. Ensaios de campo foram realizados em instalações da PETROBRAS onde vasos foram inspecionados para caracterização do estado de corrosão aplicando o FMC/TFM. Resultados mostram a alta sensibilidade da técnica e a possibilidade de mensurar pites e alvéolos de corrosão desde dimensões bem reduzidas, onde os métodos convencionais falham na detecção ou dimensionamento. Os resultados foram confirmados por testes de laboratório onde corpos de prova com defeitos controlados foram inspecionados.


1. INTRODUÇÃO


Inúmeros avanços vêm sendo conseguidos no âmbito do ultrassom através da utilização de transdutores multi-elementos nos últimos anos. Mas a grande quantidade de informação que pode ser obtida através destes transdutores muitas vezes esbarra nos limites computacionais para tratamento dos dados (1). Desse modo, diversos estudos têm sido realizados ultimamente no intuito de se obter algoritmos para tratamentos de dados da inspeção por phased array que possam atender as demandas da indústria (1-3).
Métodos sintéticos de focalização em tempo real (1,2,4) têm aparecido como a solução para geração de imagens de alta resolução e que facilitam na interpretação dos dados de inspeção. Dentre estes métodos de focalização destaca-se o método de focalização total (do inglês, TFM), que tem apresentado resultados promissores na inspeção ultrassônica, sendo considerado um dos métodos mais robustos no tocante a heterogeneidade do material inspecionado e geometrias de inspeção (5). Normalmente, o TFM é aplicado em inspeção onde se faz uma varredura por captura de matriz completa (do inglês, FMC).

 1.1.Captura de Matriz Completa (FMC)

O procedimento de captura de matriz completa (do inglês, FMC) compreende um sequencia de emissões e recepções de feixes ultrassônicos onde a emissão através de cada elemento individualmente é seguida pela recepção de todos os elementos do transdutor. O processo se repete até que todos os elementos da matriz tenham realizado sua emissão (1). A figura 1 descreve o procedimento para uma matriz linear de quatro elementos, mostrando a emissão e a recepção para cada sequência.

 

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Figura 1: FMC para matriz linear de quatro elementos

 

Uma das grandes vantagens da FMC é que a grande quantidade de dados adquirida permite que sejam aplicados algoritmos convencionais como varreduras setoriais e lineares e também métodos de pós-processamento e geração de imagens avançados como os métodos de focalização sintéticos, entre eles, o método de focalização total (TFM) (6,7).
Se M e N são os números de elementos utilizados respectivamente na emissão e recepção dos sinais ultrassônicos, a FMC consiste no registro para cada ponto P da região de interesse, do tempo de vôo correspondente de um emissor M até o ponto P e chegando a um receptor N, conforme ilustra a figura 2 (1-3).

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Figura 2: registro dos tempos de vôo na FMC.


 

1.2.Método de Focalização Total (TFM)

O TFM é uma técnica de focalização sintética dos sinais elementares de uma matriz de elementos. No TFM a intensidade de cada ponto da imagem é dada por uma soma coerente das contribuições, no domínio do tempo, de cada sinal que corresponde ao tempo de vôo do elemento transmissor ao ponto da imagem e chegada a cada um dos receptores (8). O algoritmo geralmente é aplicado a uma FMC.
A focalização sintética realizada pelo algoritmo é alcançada pelo somatório das amplitudes em cada tempo de vôo descrito na seção 2 e ilustrado pela figura 2, podendo ser sintetizada pela equação 1, onde o tij(P) é o tempo de vôo do elemento emissor a cada elemento receptor passando por cada ponto P da região de interesse da inspeção (1,2,5).

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O resultado do algoritmo do TFM são imagens de alta resolução, uma vez que, por método de pós-processamento dos dados, são feitas focalizações em todos os pontos da área de interesse (5). A figura 3 mostra a diferença entre os resultados obtidos por uma varredura setorial convencional e pelo TFM para um entalhe no fundo de um corpo de prova.
 

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Figura 3: imagem de varredura setorial (a) e resultado da TFM no modo TTT (b) para entalhe
de 3mm de altura no fundo de corpo de prova de alumínio.


 
1.3. TFM Multi-modal
 

Assim como no método convencional utilizando monoelementos, o phased array pode receber sinais oriundos de um reflexão direta como também sinais oriundos de uma ou mais reflexões. Assim, a interação com os refletores e com o fundo do objeto inspecionado gera conversões de modo que podem ser utilizados para extrair dados específicos da inspeção através de algoritmos que separam os diferentes modos para reconstruir imagens relativas a estes (3). As conversões de modo podem gerar variados sinais permitindo uma gama de combinações de modos que aumentam de acordo com o número de pontos de interação entre o feixe e a estrutura do material. Assim, na incidência direta, 4 combinações poder ser encontradas entre ondas longitudinais (L) e transversais (T), que são elas L-L, L-T, T-T, T-L. Para o caso de uma inspeção onde se utiliza o formato pseudo-tandem, há uma reflexão no fundo da objeto inspecionado gerando 8 combinações de modos. Para caso da incidência indireta, com um pulo, 16 modos podem ser combinados e assim sucessivamente. A figura 4 exemplifica este fato para três configurações de inspeção (3).

 

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Figura 4: possibilidades de conversão de modo e suas combinações.

 

As imagens geradas podem ser oriundas de combinações específicas de modos de maneira a obter maiores resoluções e caracterizações dos defeitos presentes que sejam as mais próximas possíveis da realidade (9). Na figura 5, pode-se notar a diferença entre as imagens geradas para a detecção de um entalhe, simulando uma falta de penetração na raiz de uma solda, utilizando-se três combinações: TT, TTT e TTTT.

 

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Figura 5: diferentes modos de conversão e suas imagens: TT (a), TTT (b) e TTTT (c).
 

O presente trabalho visa comparar as imagens obtidas por métodos convencionais sem focalização e pelo TFM através de alguns modos de conversão na detecção de refletores visando configurações de inspeção que sejam aplicáveis a soldas de topo em campo.

 

2. METODOLOGIA



2.1. Ensaios em campo

Ensaios em campo para medição de espessura foram realizados em alguns equipamentos de uma plataforma de petróleo da Petrobras para atestar o grau de corrosão presente nos mesmos, onde o método FMC/TFM foi aplicado pontualmente em algumas regiões para se obter imagens B-scan onde uma visualização da espessura local fosse possível. Foi utilizado o algoritmo para formação da imagem onde apenas o modo LL fosse computado, uma vez que as descontinuidades esperadas se encontrariam na superfície interna do equipamento. A velocidade do som foi medida automaticamente em cada equipamento no intuito de se obter um cálculo mais preciso para formação das imagens. Um filtro (FT-1) e dois vasos (V-1 e V-2) inspecionados são mostrados na figura 6 onde as áreas de inspeção localizam-se na parte inferior dos equipamentos onde o fluido contido fica acumulado e espera-se maior atividade corrosiva.

 

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array END

Figura 6: equipamentos inspecionados

  

O equipamento utilizado nos ensaios, tanto para as varreduras lineares quando para a aplicação do método de focalização total em tempo real foi o M2M Gekko, equipado de um transdutor Imasonic de 64 elementos e 5 MHz. A figura 7 mostra o equipamento utilizado no estudo.

gekko ttt M2M ndt

Figura 7: Equipamento de ultrassom phased array utilizado na inspeção
 

 
2.2. Ensaios de laboratório

Corpos de prova contendo regiões com perda de espessura induzida por corrosão foram
inspecionados para geração de imagens B-scan pelo método FMC/TFM para se buscar uma
correlação com os resultados obtidos em campo e análise do dimensionamento tendo como
referência descontinuidades conhecidas. Mais uma vez o equipamento utilizado foi o descrito
na figura 7.
O cabeçote foi posicionado no lado sem corrosão dos corpos de prova e imagens do método
FMC/TFM foram obtidas em diferentes orientações conforme mostra a figura 8. As imagens
foram geradas com o cabeçote a 0º, 45º, 90º e 135º em relação ao eixo central do corpo de
prova na tentativa de obter uma visualização ampla da região defeituosa.

 

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array END

Figura 8: Orientação do cabeçote para geração das imagens

  

Foram usados, como corpos de prova, chapas de aço carbono do tipo ASTM A 283 com 120 mm de comprimento e 120 mm de largura, com aproximadamente 6,5 mm de espessura. As amostras passaram por um processo de limpeza superficial através da técnica de jateamento de areia. Foi utilizada uma solução de cloreto férrico (FeCl3), segundo a norma ASTM G48, com 6% em massa, para gerar danos de corrosão localizada nos corpos de prova. O CP 13 foi exposto por um período de 72 horas, enquanto que os corpos de prova 16 e 20 foram expostos por um tempo de 96 horas. A tabela 1 mostra cada corpo de prova e seus respectivos tempos de exposição à solução corrosiva.

 

CP 13 72 horas
CP 16 96 horas
CP 20 96 horas

Tabela 1. Corpos de prova e seus respectivos tempos de exposição à solução corrosiva de cloreto férrico.


A figura 9 mostra o aspecto das regiões com perda de espessura de cada corpo de prova.


corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array END

Figura 8: corpos de prova utilizados no estudo e respectivas perdas de espessura

 

Um relógio comparador de profundidade de precisão 0,002mm foi usado para medir a profundidade das descontinuidades, determinando assim o valor da perda de espessura em cada amostra. Dez medidas foram feitas no ponto de maior profundidade e utilizada a média destas para comparação com valor encontrado na inspeção por phased array FMC/TFM.

 

3. RESULTADOS



3.1. Ensaios em campo


O método FMC/TFM aplicado utilizando os modos LL para reconstrução das imagens foi capaz de detectar perdas de espessura por corrosão mesmo em dimensões que sugerem o início do processo. As imagens mostram as alterações na superfície interna dos equipamentos inspecionados de maneira clara sem a necessidade de análise de sinais A-scan para confirmação da existência do problema na região analisada, sendo esta uma grande vantagem em relação ao método convencional, pois a presença da perda de espessura pode gerar superfícies que não estão perpendiculares ao eixo do transdutor resultando na perda do sinal e impossibilidade de análise na localização.

A figura 9 traz alguns resultados obtidos no filtro FT-1, onde alvéolos de corrosão foram
detectados mostrando o potencial do método mesmo para pequenas dimensões de descontinuidades.

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array END

Figura 9: alvéolos de corrosão detectados no filtro FT-1

 

As perdas de espessura foram dimensionadas na própria imagem e apresentaram valores que vão desde 0,5mm (figuras 9-b e 9-f) até 1,1mm (figura 9-c). O filtro FT-1 não apresentava atividade corrosiva relevante, mas foi possível constatar que já existem alguns danos iniciais por corrosão que podem ser agora monitorados uma vez que foram detectados pelo método do presente estudo.
Os resultados foram semelhantes para os vasos V-1 e V-2 que apresentaram valores de perda de espessura ainda menores que do equipamento anterior. Alguns resultados estão mostrados nas figuras 10 e 11 seguintes. Ambos os vasos apresentaram muito pouca atividade corrosiva, todavia mais uma vez foi possível detectar os danos do início do processo desde dimensões reduzidas.

  

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array END

Figura 10: alvéolos de corrosão detectados no vaso V-1

 

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Figura 11: alvéolos de corrosão detectados no vaso V-2. Perdas de 0,6mm e 0,4mm

  

Os resultados obtidos em campo mostram o potencial da técnica para detectar danos de corrosão desde o seu início através das imagens oriundas da reconstrução pelos modos LL da incidência direta dos feixes na superfície interna da peça inspecionada. As dimensões das descontinuidades encontradas apontam para a alta resolução das imagens geradas em tempo real, sem a necessidade de qualquer algoritmo adicional de pós-processamento.

 

3.2. Ensaios de laboratório

 

Os resultados para os três corpos de prova ensaiados em laboratório serão descritos nesta seção. Mais uma vez o método FMC/TFM foi capaz de detectar os danos oriundos do processo corrosivo através de imagem obtidas pela reconstrução das contribuições dos modos LL na incidência direta sobre a superfície oposta a de contato com o transdutor.
As figuras 12 a 14 mostram os danos gerados pela corrosão e o resultado da inspeção por visualização B-scan nas orientações a 0° e 90°, de acordo com o ilustrado na figura 8 da seção 2.2. Nas imagens fica nítida a presença da descontinuidade e o dimensionamento direto na imagem se torna um processo simples.

 

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array non destructive testing

Figura 13: danos por corrosão no CP16 (a), Imagens B-scan nas orientações 0° (b) e 90° (c).

 

Para o caso do CP16, onde há a presença de um dano bem delimitado as imagens B-scan não só trazem indicações condizentes com o formato da descontinuidade, como esta indicações podem ser facilmente dimensionadas na própria imagem. Assim como no CP16, o último corpo de prova testado, CP20, possui descontinuidade bem delimitada e facilmente detectada pelo método em estudo. Neste caso, o desaparecimento total da reflexão oriunda da superfície inferior da peça denota com ainda mais certeza a presença de uma perda de espessura.

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array non destructive testing

Figura 14: danos por corrosão no CP20 (a), Imagens B-scan nas orientações 0° (b) e 90° (c).

 

Adicionalmente, é possível notar pelas imagens como o método facilita a interpretação da descontinuidade encontrada, uma vez que há uma semelhança grande entre o formato da indicação e o real formato de descontinuidade percebido por inspeção visual.

Os resultados obtidos nos ensaios de laboratório reforçam a tese de que as indicações obtidas em campo são realmente oriundas de início de processo corrosivo com formação de pequenos alvéolos na superfície interna dos equipamentos inspecionados. Dimensionamentos diretamente na imagem também foram realizados na inspeção em laboratório obtendo resultados promissores.

Dimensionamento físico através de um relógio comparador de profundidade com precisão de 0,02mm foi realizado para determinar as perdas de espessura presentes. A tabela 2 traz os resultados do dimensionamento físico (média de dez medidas no ponto de maior profundidade) e sua comparação com o dimensionamento pelo método FMC/TFM quer obteve erro inferior a 15% em descontinuidades inferiores a 1mm.

 

corrosão GEKKO M2M do Brasil  ultrassônica phased array non destructive testing

Tabela 2: comparação dos dimensionamentos, físico e pelo método FMC/TFM

 

Não houve, pelos resultados obtidos, a possibilidade de se caracterizar ainda um padrão de sobredimensionamento ou subdimensionamento para o método estudado, apontando para a necessidade de se testar uma quantidade maior de corpos de prova. Por hora, eles indicam que o método é aplicável em campo e gera resultados em tempo real que facilitam a interpretação das indicações diminuindo a subjetividade dos laudos da inspeção, através das imagens de alta resolução obtidas. Adicionalmente, a possibilidade de se detectar e dimensionar descontinuidades de pequena altura, da ordem de 1mm e até menores, destaca a boa resolução do método na investigação de processos de danos desde as fases iniciais e controlar sua evolução com elevada precisão.
 

4. CONCLUSÕES



O método FMC/TFM da inspeção phased array se mostrou uma ferramenta poderosa na detecção e interpretação de danos oriundos do processo de corrosão em equipamentos do setor óleo e gás.
A detecção das descontinuidades se dá desde dimensões reduzidas características do início do processo corrosivo possibilitando o monitoramento do processo corrosivo muito antes de serem atingidos níveis críticos.
A obtenção dos resultados de alta resolução em tempo real e por intermédio de equipamento portátil contribui para o aumento da confiabilidade da inspeção em campo, uma vez que as imagens facilitam a interpretação das indicações reduzindo a subjetividade comum nas inspeções manuais.
Através da comparação com os dimensionamentos físicos das descontinuidades de laboratório, o método FMC/TFM obteve um erro no dimensionamento das perdas de espessura inferior a 15%. Este resultado e a morfologia das indicações condizentes com a inspeção visual, aliados a qualidade das imagens obtidas apontam para uma ferramenta poderosa também no dimensionamento das descontinuidades podendo contribuir para a obtenção de laudos ainda mais precisos e confiáveis.


5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS



1. Njiki, M., Elouardi, A., Bouaziz, S., Casula,O., Roy, O. “A Real-Time Implementation of
the Total Focusing Method for Rapid and Precise Diagnostic in Non Destructive Evaluation”,
24th International Conference on Application-Specific Systems, Architectures and Processors,
245-248, 2013.

2. Mickael Njiki, Abdelhafid Elouardi, Samir Bouaziz, Olivier Casula, Olivier Roy. “Total Focusing Method for Non Destructive Evaluation: Toward Real-Time Imaging Systems”, 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS)., 1164-1167, 2013.
3. Jie Zhang, Bruce W. Drinkwater, Paul D. Wilcox, Alan J. Hunter. “Defect detection using ultrasonic arrays: The multi-mode total focusing method”, NDT&E International., 123-133, 2010.
4. S. Robert, O. Casula, M. Njiki and O. Roy. “Assessment of real-time techniques for ultrasonic non-destructive testing”, Review of Quantitavive Nondestructive Evaluation (QNDE), Vol. 31, 2011.
5. Jie Zhang, Bruce W. Drinkwater, and Paul D. Wilcox. “Comparison of Ultrasonic Array Imaging Algorithms for Nondestructive Evaluation”., Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 60, 1732-1745, 2013.
6. Caroline Holmes, Bruce W. Drinkwater, Paul D. Wilcox. “Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation”, NDT&E International, Vol. 38, 701-711, 2005.
7. A. Fidahoussen, P. Calmon, M. Lambert, S. Paillard, and S. Chatillon. “Imaging of defects in several complex configurations by simulation-helped processing of ultrasonic array data.”, Review of Quantitative Nondestructive Evaluation (QNDE), Vol. 29, 847-854, 2009.
8. Jie Zhang, Bruce W. Drinkwater, Paul D. Wilcox. “Effects of array transducer inconsistencies on total focusing method imaging performance”, NDT&E International, Vol. 44, 361-368, 2011.
9. S. Paillard, E. Yakovleva, S. Chatillon, P. Calmon. “New Ultrasonic Array Imaging of Crack-Type Defects Based on Simulation-Helped Processing”, The European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT), 2010.

 

 

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Authors

Marcos P. V. Souza1, Mathieu Bouhelier2, César Boynard3
Rodrigo S. Silva4,Gabriela R. Pereira5, Francisco C. Marques6

1. M. Sc., Eng. Metalúrgico, M2M do Brasil
2. M. Sc., Eng. Físico, M2M do Brasil
3. D. Sc., Eng. Mecânico, ISQ Brasil
4. M. Sc., Eng. de Materiais, LNDC/COPPE/UFRJ
5. D. Sc., Físico, LNDC/COPPE/UFRJ
6. Engenheiro, PETROBRAS