APLICAES E LIMITAES DA TCNICA DE ULTRA-SOM B-SCAN UMA EXPERINCIA PRTICA Mauro Duque de Araujo German Engenharia - Rua Banda, 58 Jd. do Mar So Bernardo do Campo SP - Brasil araujo@german-engenharia.com.br Arilson Rodrigues da Silva German Engenharia - Rua Banda, 58 Jd. do Mar So Bernardo do Campo SP - Brasil arilson@german-engenharia.com.br line, size 10) Jos Fransico de Oliveira Dow Quimica - Av. Santos Dumont, 4444 - Guaruj SP - Brasil jfoliveira@dow.com Colaboradores: Marcelo de Freitas e Tiago Ortega Resumo: Este trabalho descreve a experincia prtica da GERMAN na aplicao da tcnica de ultra-som B-SCAN com o aparelho TMI-150 para localizao, dimensionamento e caracterizao de danos em equipamentos industriais, so discutidas tambm as limitaes observadas. O trabalho aborda experincias vividas em alguns tipos de equipamentos industriais, so abordadas tambm algumas peculiaridades de interpretao de resultados bem como a forma de registro e apresentao de resultados para possibilitar anlises por normas atuais tais como API-579 e a BS-7910. Keywords: B-SCAN , API-579 , BS-7910 , perda de espessura , alvolos.

1. Introduo

B-Scan um mtodo de apresentao grfica dos resultados de uma srie de medies de espessura que mostra, em escala, o perfil da seo transversal do componente ou pea inspecionada.

O rastreamento de espessuras em B-Scan, permite a localizao, identificao e dimensionamento de perdas de espessura e alvolos, fornecendo um registro permanente atravs de uma impressora ou fita de vdeo e mapeamentos em croquis com vista planificada.

Fig. 1: Representao grfica de perda de espessura A tcnica vem sendo usada como ferramenta na inspeo de equipamentos pela German h aproximadamente 2

anos, j foi aplicada em aproximadamente 720 equipamentos. Suas principais aplicaes so a identificao e dimensionamento de regies danificadas por alvolos e desgastes resultantes de processos corrosivos atuantes nos equipamentos. Quando existe acesso visual direto a regio danificada possvel o dimensionamento da rea afetada

02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003Rio de Janeiro - RJ - Brasil

diretamente sobre a superfcie. Quando no existe acesso, a rea tem sido determinada atravs da demarcao das regies contnuas dentro de faixas de espessura que so estabelecidas em funo das variaes encontradas no local. Os resultados mais importantes referem-se a preciso das medidas de espessura detectadas pelo B-Scan, nota-se que a avaliao visual auxiliada por instrumentos tais como paqumetros e micrmetros apresentam grande diferena em relao aos valores obtidos pela tcnica. Estes dois aspectos , o dimensionamento das regies danificadas e a preciso das medidas de espessura residual, so fundamentais para aplicao das tcnicas modernas de avaliao da criticidade dos danos em relao ao comportamento mecnico do equipamento tais como os critrios da ANSI B-31G, API-579 e BS-7910.

Observa-se limitaes relativas a deteco de danos de pequenas dimenses e localizados, a dificuldade de deteco deste tipo de dano est ligada a freqncia dos transdutores disponveis e a dificuldade de acertar o dano devido ao mtodo de varredura manual e a anlise visual direta sobre a tela. Outro fator de impreciso a delimitao da rea afetada, a qual demarcada pela passagem do cabeote sobre a regio e marcao diretamente sobre a superfcie inspecionada. Observam-se dificuldades tambm na identificao da natureza dos danos quando o material apresenta grande quantidade de imperfeies internas e tambm em algumas aplicaes especficas tais como em equipamentos cladeados. Certas regies que no permitem o acesso do cabeote diretamente sobre as regies de interesse tais como regies do casco localizadas sobre reforos de conexes e suportes, e soldas, tambm constituem uma limitao para aplicao da tcnica.

possvel realizar o exame mesmo sobre superfcies pintadas sem a necessidade de remoo da pintura em temperaturas de at 1500 C, porm a preciso necessria nas medidas deve ser avaliada previamente pois observa-se casos onde variaes da espessura da pelcula refletem significativamente nos resultados, principalmente em espessuras pequenas, usualmente mede-se a espessura das pelculas e desconta-se dos valores medidos.

2. Resultados So apresentados os resultados de inspees realizadas para ilustrar os aspectos citados acima 2.1. Caso 1 - Dimensionamento de regio danificada em coluna de processo causado por corroso externa sob

isolamento CARACTERSTICAS DO EQUIPAMENTO: TIPO : Vaso de presso (Coluna de processo) PRESSO DE PROJETO : 21,0 Kgf / cm2 PRESSO DE TESTE : 32,5 Kgf / cm2 TEMPERATURA DE PROJETO : 800 C MATERIAL DE CONSTRUO : 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 dimetro de 3 metros para dimensionamento dos danos resultantes da corroso externa sob o isolamento trmico. A superfcie externa do equipamento j havia sido inspecionada anteriormente atravs da remoo total do isolamento trmico e exame visual direto sobre a superfcie metlica, quando foi identificada uma faixa desgastada adjacente a solda do tampo com a saia em todo o seu permetro, a espessura original desta regio era de 48 mm e a espessura residual obtida atravs do desconto da espessura perdida, medida com auxlio de instrumento manual aplicado sobre o mesmo, foi de 45 mm , a demarcao e dimensionamento da rea foi feita diretamente sobre a superfcie afetada. A regio foi avaliada e aprovada pelos critrios da API-510, e foi pintada para impedir a evoluo do processo corrosivo.

A espessura residual medida atravs da tcnica de ultra-som B-SCAN foi de 40,9 mm e o dimensionamento da rea afetada executado atravs da marcao da rea sobre a superfcie interna. A perda de espessura foi modelada e as tenses calculadas pelo mtodo dos elementos finitos . As tenses foram verificadas com o critrio de tenses admissveis da Norma API RP 579, Apndice B. Concluiu-se que a coluna atende ao critrio de tenses admissveis do Cdigo ASME e da Norma API 579 em operao, na presso de projeto, porm no atende a esse critrio na condio de teste hidrosttico.

Fig. 2: Tenses efetivas na superfcie interna. A mxima de 321,8 MPa, maior que a admissvel 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

CARACTERSTICAS DO EQUIPAMENTO: TIPO : REATOR CDIGO DE PROJETO : ASME VIII DIV.1 PRESSO PROJETO DO CASCO : 10 Kgf / cm2 PRESSO PROJETO DA CAMISA : 6,0 Kgf / cm2 TEMPERATURA DE PROJETO CASCO : 2040 C TEMPERATURA DE PROJETO CAMISA : 177 C MATERIAL DE CONSTRUO CASCO : AO CARBONO + CLAD DE INOX MATERIAL DE CONSTRUO CAMISA : AO CARBONO FLUIDO DE PROCESSO CASCO : POLIGLICOL FLUIDO DE PROCESSO CAMISA : VAPOR

O reator de Poliglicol composto de um casco construdo em ao carbono com cladeamento de inox na superfcie

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 regio 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 anlise da criticidade da descontinuidade, modelada como perda de espessura em toda a rea com espessura nominal de 3 mm, foi aprovada pelos critrios da API 579.

Fig.4 Exame executado em ago/2001 Descolamento de clad e perda de espessura externa no tampo inf. Aps 4 meses, durante a parada geral de manuteno da fbrica, foi aberta uma janela na chaparia da camisa, no

tampo inferior, regio onde foi observada perda de espessura, causada por eroso pelo vapor injetado atravs das conexes localizadas na direo da regio. O exame por ultra-som B-scan permitiu o acesso a um dano sem acesso direto e forneceu os parmetros necessrios e suficientemente precisos para as devidas anlises

Foi executado reparo, com instalao de uma chapa na regio da perda e enchimento de solda.

Fig. 5: Desgaste detectado atravs do B-SCAN e confirmado aps a abertura de janela na camisa.

Fig. 6: (1) Reparo executado - Instalao de chapa e enchimento com solda. (2) Vista da regio 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 alteraes no projeto original e foram instalados de forma a no direcionar o jato de vapor diretamente na parte externa do casco.

Fig. 7: Exame executado aps o reparo. Descolamento de clad e espessura residual nas regies soldadas.

Fig. 8: (1) Bicos injetores existentes, (2) Novo bico injetor instalado, (3) Configurao final . A varredura de 100% do tampo inferior, foi um fator principal na inspeo do reator, pois este dano seria

dificilmente detectado atravs de tcnicas normais de medio de espessura. Foi possvel fazer os reparos de modo a eliminar o mecanismo de deteriorao existente.

2.3. Caso 3 Perda de espessura em tubos de fornalha de caldeira

CARACTERSTICAS DO EQUIPAMENTO: TIPO : CALDEIRA CDIGO DE PROJETO : ASME I PRESSO DE PROJETO : 1000 psi DIMENSES DA FORNALHA : 84 x 40 x 24 ps MATERIAL DOS TUBOS : ASTM SA-210, dimetro nominal de 3 Os tubos da fornalha do equipamento foram inspecionados quanto a presena de perda de espessura causada por

corroso interna devido a suspeita da formao de incrustao na superfcie interna dos tubos na face voltada para a chama, e formao de meio corrosivo sob o depsito. Foram detectadas perdas de espessura generalizada na faixa de 0,2 a 0,6 mm em toda superfcie inspecionada e oito regies localizadas com perdas de at 2,5 mm. As regies com perdas localizadas foram removidas e substitudas. Anlise destrutiva das amostras removidas confirmou a presena e a extenso dos danos.

Fig. 9: Localizao da regio inspecionada atravs do B-Scan

Fig.9 Localizao dos danos e respectivas profundidades mximas

Fig. 10 Vista interna dos tubos inspecionados, mostrando a perda de espessura detectada por B-SCAN

2.4. Caso 4 Tubulao de transferncia de produtos CARACTERSTICAS DO EQUIPAMENTO TIPO : Tubulao de processo PRESSO DE PROJETO : 7,0 Kgf / cm2 PRESSO DE TESTE : 10,5 Kgf / cm2 TEMPERATURA DE PROJETO : 800 C MATERIAL DE CONSTRUO : ASTM A 312 TP 316 L FLUIDO DE PROCESSO : DIVERSOS

A tubulao foi danificada por pites localizados resultantes de corroso microbiolgica, a foto mostra os danos referidos. Os danos foram identificados atravs de endoscopia e pesquisa de perda de espessura localizada por medio A-SCAN. A pesquisa deste tipo de dano atravs de varredura cega por B-SCAN mostrou limitaes quanto capacidade de deteco, foi difcil a identificao do sinal na tela do equipamento em funo da velocidade da varredura, a pesquisa sobre um dano conhecido mostrou que existe a possibilidade de deteco, mas no revelou vantagens sobre a pesquisa A-SCAN uma vez que a preciso da medida no era importante e o equipamento para A-SCAN mais fcil de ser transportado at o local. A vantagem mostrada pela tcnica B-SCAN foi a preciso das medidas que neste caso no era importante pois uma vez identificado o dano ele era reparo. Danos localizados sobre ou muito prximos as soldas no poderiam ser identificados.

Fig. 12: Manchas encontradas na tubulao durante o ensaio de endoscopia.

Fig. 13: Pites sub superficiais resultantes da ao de bactrias

2.5. Caso 5 Mapeamento de espessuras em fundos de tanques de armazenamento

CARACTERSTICAS DO EQUIPAMENTO: TIPO : Tanque de armazenamento PRESSO DE PROJETO : ATM TEMPERATURA DE PROJETO : 800 C MATERIAL DE CONSTRUO : ASTM A-283 C DIMETRO DO TANQUE : 6.000 mm FLUIDO DE PROCESSO : Voranol Fundo de tanques de armazenamento esto sujeitos a corroso externa, causada por infiltrao de gua na regio

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 inspeo visual interna, mesmo com o fundo do equipamento hidrojateado, no foi possvel a localizao do furo. Executando-se o ensaio de B-SCAN, o furo foi detectado em uma regio de chapa onde no havia impermeabilizao do lado externo, permitindo a infiltrao de gua. Todas as demais chapas apresentaram bom estado fsico. O furo tinha dimetro de aproximadamente 3 mm, por isso a dificuldade de ser encontrado a olho nu durante a inspeo visual.

AMOSTRA 4

Fig. 14: Foto do furo encontrado durante o ensaio / impresso do B-Scan / regio sem impermeabilizao. O exame de ultra-som B-SCAN executado nas chapas do fundo do tanque, mostrou-se uma ferramenta importante

para garantir a confiabilidade da inspeo, pois medies de espessura pontuais, usualmente executadas com D-METER, so pouco abrangentes. Com uma varredura executada em 100% das chapas, pode-se ter um mapeamento completo de todas as chapas do fundo, determinando regies que necessitam de reparo imediato e outras que devem ser monitoradas.

Aps dois ou mais exames por B-Scan no equipamento, pode-se tambm ter maior preciso nas estimativas de taxas de corroso e vida til remanescente e determinao de locais preferenciais para deteriorao, o que por sua vez facilita a determinao de causas tais como a observada e fornecendo parmetros importantes para programao de servios de manuteno no equipamento. 2.6. Caso 6 Mapeamento de espessuras em dutos CARACTERSTICAS DO EQUIPAMENTO: TIPO : Duto enterrado 22 PRESSO DE PROJETO : 7,9 Kgf / cm2 TEMPERATURA DE PROJETO : 600 C MATERIAL DE CONSTRUO : A-106 B FLUIDO DE PROCESSO : Nafta

O Nafta duto de dimetro 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 no so caracterizados, por isso sempre h dvidas se o dano encontrado est na superfcie externa (no caso de tubulaes enterradas, e para isso o trecho deve ser escavado), superfcie interna ou internamente chapa (no caso de incluses).

Para caracterizao dos danos encontrados com o PIG, a experincia da GERMAN mostra que o exame de B-SCAN tem sido uma ferramenta importante na deteco e caracterizao desses danos, facilitando a tomada de decises como substituio, reparo ou monitoramento, assim que o ensaio concludo.

A agilidade e a capacidade de distinguir alvolos de incluses, so diferenciais importantes em comparao aos mtodos de ultra-som convencionais como a medio de espessura com D-METER, onde os danos do como incluses, so facilmente confundidos com perda de espessura.

As ilustraes abaixo mostram os alvolos isolados encontrados no Naftaduto, sendo possvel caracteriza-los quanto as suas dimenses, espessura residual e distanciamento entre os mesmos.

Fig. 15: Resultado do ensaio em duto. Foram encontrados alvolos isolados com esp. Residual de 2,7 mm.

3. Discusso dos resultados

A experincia acumulada pela GERMAN na utilizao da tcnica permite as seguintes colocaes em relao a:

3.1. Aplicaes: A tcnica encontra aplicaes em vrios aspectos da inspeo de equipamentos, e est ligada basicamente a

possibilidade de inspeo de superfcies inacessveis visualmente tais como fundo de tanques, trocadores de espelhos fixos, tubulaes e dutos, tubos de caldeiras, partes de equipamentos encamisados como reatores, camisas de reatores e dimensionamento de regies danificadas, fator este ligado a preciso que ser discutido abaixo. fundamental a anlise prvia do tipo de dano que se est procurando detectar, pois a tcnica possui limitaes relacionadas s dimenses e distribuio dos danos, recomenda-se a aplicao para deteco de desgastes e alvolos, localizados e generalizados com dimenses superiores a 5 mm de dimetro, danos com dimenses inferiores so detectveis mas devem ser pesquisados criteriosamente como exemplificado no CASO 4. O equipamento TMI-150 apresenta vantagem adicional pois permite a inspeo de superfcies quentes, at 150oC, sobre pintura.

No planejamento da inspeo do equipamento deve-se avaliar tambm a necessidade de aplicao de outras tcnicas em conjunto com o B-SCAN para inspeo de soldas e regies do equipamento localizadas sob suportes ou reforos, onde no existe acesso para o cabeote.

3.2. Preciso:

A aplicao de tcnicas modernas de anlise tais como a API-579 requer preciso no dimensionamento dos defeitos

ou danos a serem analisados sob pena de fornecer resultados errados, sendo neste caso mais grave pois os mtodos comuns tais como avaliaes visuais auxiliadas ou no por instrumentos de medio, tendem a sub-dimensionar os danos levando a resultados no conservativos. A tcnica de ultra-som B-SCAN encontra aplicaes importantes na caracterizao 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 alvolos ( section 6 Assessment of Pitting Corrosion), sendo possvel tambm a deteco de danos ou defeitos do tipo crack-like flaw, desde que orientados favoravelmente como ilustrado no caso 2, onde possvel a distino entre incluses no-metlicas e alvolos.

Observou-se diferenas significativas entre valores medidos por ultra-som B-SCAN e valores medidos por outros mtodos. No CASO 1 foi apresentado um exemplo onde foi registrada uma diferena de 5 mm entre um mtodo e outro, o que se refletiu significativamente na anlise; pde se constatar que o equipamento no apresentava condies fsica para ser submetido a teste hidrosttico. Julga-se que a diferena observada neste caso liga-se as imprecises inerentes a inspeo visual que no necessariamente capaz de identificar as regies mais comprometidas para proceder a medida da profundidade dos danos, aliado a outros fatores ligados a presena de produtos de corroso aderidos a superfcie desgastada, alm de dificuldades de acesso impostas pela localizao dos danos no equipamento e a geometria da regio, contribuem tambm para a impreciso as caractersticas inerentes dos equipamentos de medio, no paqumetro por exemplo a ponta da haste possui dimenses que interferem com a medida de profundidade.

Observa-se que a tcnica, tal como vem sendo aplicada pela GERMAN, apresenta resultados suficientemente precisos para dimensionamento da profundidade dos danos, o dimensionamento das reas afetadas apresenta impreciso que normalmente no significativa e tende a fornecer resultados conservadores.

4. Desenvolvimentos

A GERMAN vem desenvolvendo ferramentas auxiliares com objetivo de minimizar limitaes citadas, e facilitar a

execuo do ensaio, aumentar a preciso no dimensionamento das reas afetadas, acessrios para permitir pesquisa precisa da presena de danos de dimenses reduzidas e tambm a incorporao da tcnica de C-SCAN no equipamento TMI-150.

4.1. MapE

um software desenvolvido para fornecer um mapeamento de espessuras em vista planificada, com visualizao do tipo C-Scan, atravs da coleta e insero de dados (espessuras).

Partindo de uma serie de medies de espessuras, manual ou automatizada, so registradas todas as variaes de espessura atravs de valores (espessuras) e coordenadas (X e Y), gerando o mapeamento destas variaes em escala de cores.

O MapE permite a caracterizao de regies desgastadas e a determinao do perfil de espessura critica (Critical Thickness Profile CTP), segundo a metodologia da API-579.

Fig. 15: Resultado do ensaio em um trecho de tubulao onde o MapE mostra a perda de espessura.

4.2. C-Scan para tubulaes

Est em desenvolvimento um sistema automatizado de ultra-som para tubulaes, que integra a utilizao do TMI-150 (B-Scan) e o MapE, compondo um conjunto que fornece a visualizao dos danos em C-SCAN. Estas tcnicas permitiro uma fcil caracterizao dos danos pois integram imagens em B-Scan e C-Scan, alm de fornecerem registros permanentes das inspees executadas. Estes recurso est sendo desenvolvido, principalmente para aumentar a capacidade de acesso a regies difceis, sem a necessidade de criao de acesso fsico para os operadores. Permitir tambm a determinao automtica do perfil crtico de espessuras, assim como a demarcao das reas afetadas.

Fig. 16: Dispositivo para execuo do C-Scan na tubulao.

5. Concluses A tcnica de ultra som B-SCAN possui vrias aplicaes na inspeo de equipamentos industriais, destacam-se a

inspeo de componentes que no permitem acesso direto a superfcie de interesse e que possa estar afetados por danos do tipo non-crack-like flaws, apresenta resultados importantes relativos a preciso das medidas de espessuras residuais, fundamentais para resultados coerentes atravs das anlises executadas por metodologias modernas de anlise, tais como API-579 e BS-7910 e at por outras no to modernas como a API-510,570,653 e ANSI B31-G.

6. Referncias Arquivos da German Manual do TMI-150

PANNDT:

Incio: