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FERRAMENTA PARA INSPEÇÃO
GEOMÉTRICA DE DUTOS DE 3”
J. A. Pereira da Silva 1, Adriano F. Pinho 2,Miguel 3
Copyright 2001, Brazilian Petroleum and Gas Institute - IBP
This paper was prepared for presentation at the 3 rd Seminar on Pipeline, held in Rio de Janeiro, Brazil, 21 -23 November, 2001
This paper was selected for presentation by the Event Technical C ommittee following review of information contained in an abstract submitted by the
author(s). Contents of the paper, as presented, have not been reviewed by the IBP. Organizers will neither translate nor correct texts received. The
material, as presented, does not necessarily reflect any position of the Brazilian Petroleum Institute, its officers, or members.
Abstract
The pipeline geometry inspection allow the detection of dents and ovalities that damage all the
structural integrity, favoring the corrosion and forbidding the utilization of magnetic inspection
tools. This activity has already been performed on the construction and operation of 6” to 40”
diameters pipelines very frequently. In relation to the world -wide market, doesn’t exist a
geometric pig capable to inspect pipeli nes with diameter smaller than 4 ”. Due to the high demand,
Pipeway developed a geometric pig to inspect 3” diameter pipelines. Actually, notice the digital
technology evolution, like microprocessors, sophisticated softwares , graphic visualization and
analysis. This high technology in data processors describes the 3” geometric pig activities and the
inspection results. This geometric pig is composed by many modules where the geometry sensors,
microcontroler, memories (where the run datas are stored), the batteries and the odometer are
distributed. This tool benefits itself because of the high level of eletronic and mechanical
integration.
Resumo
A inspeção geométrica de dutos permite detectar mossas e ovalizações que afetam toda a
integridade estrutural, favorecendo a corrosão e impedindo a utilização de ferramentas de
inspeção magnética. Esta atividade já está sendo realizada com freqüência na construção e
operação de dutos com diâmetro de 6” a 40”. Em relação ao mercado mundial, não há pig
geométrico capaz de inspecionar dutos de diâmetros menores que 4”. Devido a grande demanda,
a Pipeway está desenvolvendo o pig geométrico para inspecionar dutos com diâmetro de 3”.
Observa-se atualmente a evolução da tecnologia digital, como microprocessadores, softwares
sofisticados de visualização gráfica e de análise. Esta alta tecnologia em processamento de dados
descreve as atividades do pig geométrico de 3” e os resultados obti dos na inspeção. O pig
geométrico é composto por diversos módulos, nos quais são distribuídos os sensores de
geometria , o microcontrolador, a memória de massa (onde são armazenados os dados da
corrida), a bateria e o odômetro. Esta ferramenta se beneficia pela aplicabilidade do sofisticado
software de visualização e análise utilizado com os pigs de diâmetros maiores.
______________________________
1
Mestre, Diretor – PipeWay Engenharia Ltda.
2
Projetista Mecânico – PipeWay Engenharia Ltda.
3
Analista de sistema – Centro de Estudos em Telecomunicações – PUC-Rio
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Introdução
A ferramenta para inspeção geométrica de dutos (PIG geométrico) é um equipamento que verifica
medidas internas em dutos de óle o e gás, tais como amassamentos e ovalizações. Para efeitos
práticos ele é como um computador, só que menor, mais resistente e muito mais confiável. À
medida que o PIG se desloca (impulsionado por gás, ar, água ou óleo que são injetados no duto)
ele faz as medidas de diâmetro da seção e armazena estes resultados em sua memória flash. Ao
término da passagem os dados adquiridos são levados para análise, descobrindo -se quais são os
pontos da linha em que existem problemas. É possível então fazer a manutenção d a linha antes
que ocorra uma falha real como, por exemplo, um vazamento. O objetivo da presente pesquisa foi
o desenvolvimento de um PIG geométrico (capaz de medir amassamentos e outras avarias) para
linhas de 3 polegadas de diâmetro. As maiores dificuldad es para o desenvolvimento deste
equipamento são o tamanho reduzido que impede a utilização de sistemas comerciais de aquisição
de dados, limitando também a capacidade das baterias e os projetos mecânicos dos conjuntos de
sensores de geometria e dos odômetr os.
Corpo do Trabalho
1. Pig Geométrico de 3”
O PIG geométrico de 3 polegadas é o primeiro no mundo a ser desenvolvido com esta dimensão.
Este projeto de grande dificuldade tecnológica só foi possível devido a integração dos
componentes em uma eletrônica 100% nacional. Este conceito difere radicalmente dos projetos
convencionais de outros PIGs instrumentados que utilizavam computadores industriais,
semelhantes a um computador comum mas de muito maior confiabilidade e robustez.
Novas soluções para este problema foram elaboradas, desenvolvendo uma eletrônica própria
através de um microcontrolador de 8 bits e um sistema de armazenamento de dados em estado
sólido (memória Flash) de alta densidade. Mesmo com suas dimensões reduzidas a nova eletrônica
tem capacidade de armazenamento de 64 até 288 Mbytes, capaz de guardar 130km de medidas. O
consumo de apenas 20mW, muito menor que projetos anteriores, permite uma autonomia de mais
de 48 horas. Além disto o PIG possui um sistema de gerenciamento de energia que se desliga caso
esteja sem movimento (problemas com o bombeamento de ar comprimido são comuns durante a
passagem), preservando a vida útil das baterias.
2. Características do Pig geométrico de 3”
O PIG geométrico de 3 polegadas é composto de quatro módulos separados e articulados. Este
sistema é necessário para que o PIG possa fazer curvas acompanhado o traçado do duto. Os
módulos principais são:
- Módulo de baterias: são utilizadas baterias de lítio por sua boa relação capacidade x volume.
Inclui ainda o circuito de regulação de tensão para a eletrônica e proteção de curto -circuito.
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- Sensores: 4 sensores geométricos permitem detectar amassamentos e irregularidades ao longo
de todo o perímetro interno do duto. Os sensores são protegidos por capas de metal para resistir
às pancadas que receberão durante a passagem.
- Odômetro: é uma "roda" de metal que fica em contato com a parede do duto mantendo a
pressão por um sistema de mola. Esta roda faz a contagem da distância percorrida pelo PIG,
permitindo saber depois onde foram encontrados os problemas.
- Módulo da eletrônica: constituído por um microcontrolador de 8 bits com conversor
analógico/digital integrado. O microcontrolador gerencia todo o funcionamento do PIG,
recebendo os dados dos sensores geométricos e odômetros. Os dados são armazenados em uma
memória Flash, que é uma tecnologia de memória não volátil, ou seja, não perde o seu conteúdo
quando desligada. A memória Flash realiza a mesma função de um disco rígido de computador,
com a vantagem de não possuir partes móveis sendo assim imune a vibrações e choques.
Durante uma operação de passagem o PIG é colocado numa extremidade da linha de transmissão
de gás que em seguida é pressurizada. Através do ar comprimido que é colocado na linha o PIG
vai sendo deslocado até o final dela, onde os dados são recolhidos e enviados para análise.
Todo o sistema é construído de modo a resistir às condições mais severas de operação. Suas
unidades mais sensíveis (como a eletrônica) são colocadas dentro de vaso s de aço inoxidável,
projetados para resistir a elevadas pressões. Todos os contatos elétricos são protegidos por
conectores especiais para impedir a entrada de água e resíduos químicos.
Figura 1 – Foto do protótipo do PIG geométrico de 3 polegadas (acima).
Detalhe dos sensores (inferior esquerda) e de um odômetro (inferior direita).
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3. Funcionamento dos Sensores de Geometria
Estes sensores têm a função de verificar a geometria interna dos dutos, ou seja, são eles que
possibilitam registrar a informação, na qual poderemos identificar e classificar a anomalia
existente.
Os sensores de geometrias são compostos por uma parte eletrônica e outra mecânica. A parte
eletrônica é formada por um sensor de efeito hall, que ao ser submetido a um campo magnético
gerado por dois imãs gera um sinal elétrico, ou seja, quando o campo magnético variar em relaç ão
ao sensor, este irá variar também o sinal elétrico.
Imãs
Sensor de
efeito hall
Figura 2 – Princípio de funcionamento do sensor de geometria
A parte mecânica é elaborada a fim de possibilitar que cada sensor eletrônico possa abranger uma
parte da seção transversal do duto, assim cada sensor tem o seu sinal independente possibilitando
uma identificação e classificação muito mais precisa da anomalia.
Neste projeto, a maior dificuldade encontrada foi no que diz respeito às dimensões da parte
mecânica do sensor, pois estamos dimensionando sensores para um duto de 3 polegadas. Para
início do projeto ficou esclarecido através de estudos que para se obter uma boa precisão no
dimensionamento das anomalias seria necessário a presença de 4 (quatro) sensores de geometr ia
independentes, ou seja, a seção transversal do duto seria dividida em quatro partes iguais (Veja
Figura 3).
Figura 3 – Área de abrangência de cada sensor na
seção transversal do duto.
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O diâmetro interno do duto pode variar caso exista alguma anomalia , ou reduções de diâmetro,
ou seja, o sensor de geometria tem que atuar em uma faixa de diâmetros e garantir que o mesmo
sempre abrangesse a seção transversal total do duto, assim garantindo a total inspeção do duto.
Para uma melhor visualização pode -se verificar na figura 4 a dificuldade do projeto. Nesta figura
podemos verificar que o sensor em um determinado diâmetro abrangia a quarta parte da seção,
porém quando havia uma redução de diâmetro o sensor já não abrangia de forma igual e total a
quarta parte da seção do duto, assim não podendo dimensionar de uma forma precisa a anomalia,
pois caso esta estivesse na posição central (1) teria uma dimensão X, caso a anomalia estivesse na
posição lateral do sensor (2) teria uma dimensão Y.
1
2
Figura 4– Simulação com a parte mecânica do sensor de geometria.
Após esta primeira análise, foram gerados diversos protótipos de possíveis sensores em softwares
de CAD - 3D gerando superfícies complexas, para que fosse possível garan tir a inspeção total do
duto em uma determinada faixa de diâmetros.
O protótipo escolhido (figura 5), garante a inspeção em determinada faixa de diâmetro devido sua
superfície complexa, podemos verificar que mesmo diminuindo o diâmetro interno do du to, o
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sensor sempre estará abrangendo a quarta parte do duto, ou seja, o sensor sempre estará em
contato com a superfície do duto, assim possibilitando um dimensionamento correto da anomalia
em qualquer parte da superfície do sensor.
Figura 5 – Protótipo do sensor
de geometria
Figura 6 – Simulação de reduções de diâmetros com o sensor de geometria
Figura 7 – Ilustração dos quatro sensores de geometria
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Observando a figura 8 pode-se verificar que a disposição dos sensores de geometria no seu
respectivo módulo é disposta de dois sensores a frente e depois um pouco mais deslocados há
mais dois sensores. Esta disposição evita que os sensores se colidam, pois caso contrário, ou seja
se todos estivessem no mesmo plano quando houvesse uma redução de diâmetro os sensores ao
se movimentarem iriam se colidir, esta disposição mostrada elimina este problema. Vale ressaltar
que esta defasagem será considerada no software de análise para que se possa ter a real
identificação e classificação da anomalia.
Figura 8 – Disposição dos sensores no seu respectivo módulo
4. Análise dos Dados
Os dados da passagem do PIG geométrico são analisados em um computador ou estação gráfica
utilizando softwares desenvolvidos pela Pipeway. No computador, estas ferramentas podem
visualizar os amassamentos do duto em diversos modos, mostrados abaixo em uma situação real.
Figura 9 – Demonstração do software de análise
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Neste caso, o amassamento foi encontrado à 9431,7 metros do início da linha. Ele pode ser
observado como um corte transversal da seção do duto (janela à esquerda), através dos sinais dos
sensores geométricos (direita inferior) ou como uma projeção tri -dimensional (direita superior).
Após a análise o cliente recebe um relatório com informações de todos os problemas encontrados
na linha e suas localizações. Assim será possível realizar os reparos necessários antes que a linha
apresente vazamentos.
5. Conclusão
A aplicação do PIG geométrico é um método muito eficiente para companhias como a Petrobrás
preverem acidentes antes que eles ocorra m. As economias são enormes, evitando multas por
danos ambientais que podem chegar a 50 milhões de reais (legislação atual), prejuízos com a
interrupção de uma linha em produção e equipes de emergência. Estima -se que uma linha de 3
polegadas de gás parada pode gerar a empresa prejuízos de até 500 mil reais por dia.
O projeto se aplica em outros países como o Canadá, onde se encontra uma grande malha de
dutos com diâmetro de 3”, estima -se que somente o Canadá possui 3000 km de dutos instalados e
em funcionamento. Diversas cidades da America Latina também serão servidas pelo projeto,
principalmente agora com a instalação do gasoduto Bolívia - Brasil.