BRPI0620481A2

BRPI0620481A2 - dispositivo e método para medir a corrosão em tempo real

Info

Publication number: BRPI0620481A2
Application number: BRPI0620481-3A
Authority: BR
Inventors: Weiguo Chen; Yu Zhang; Gaorong He; Peter Sam Allison; Yikang Gu; Yao Chen; Wei Cai; Brian Walter Lasiuk; Shegxian Wang; Chang Wei
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2011-11-16
Also published as: TW200728704A; WO2007064567A2; US20070159187A1; US20070120572A1; DE602006006718D1; ATE430929T1; EP1957957A2; AU2006320798A1; ES2324187T3; CN101341390B; EP1957957B1; WO2007064567A3; CN101341390A

Abstract

DISPOSITIVO E MéTODO PARA MEDIR A CORROSãO EM TEMPO REAL. A invenção se refere, em geral, aos sensores de corrosão apresentando um ou mais elementos de corrosão lineares de impedância reativa aptos a detectar as corrosões tanto gerais quanto localizadas, e aos métodos para a detecção das mesmas.

Description

Dispositivo e método para medir a corrosão em tempo real.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A invenção se refere, em geral, a um detector de corrosão e aos métodos para a detecção tanto da corrosão geral quanto da corrosão localizada no mesmo sensor ou cupom.

Diversos processos industriais envolvem processos e fluidos corrosivos. Um tal ambiente degrada e corroí os equipamentos industriais, incluindo as tubulações, os reservatórios, os trocadores de calor, etc., que por sua vez aumentam os custos de produção, geram atrasos, aumentam os custos de manutenção e comprometem a segurança das operações. De modo a evitar tais problemas, o monitoramento da corrosão é uma ferramenta valiosa.

Atualmente, a degradação e a corrosão são estimados utilizando diversas técnicas convencionais. Por exemplo, cupons de corrosão são expostos a um ambiente corrosivo de modo a medir a corrosão real em componentes de máquinas, tais como nos recipientes para fluidos. Tais cupons são inspecionados e periodicamente analisados, tipicamente mês a mês. Esta técnica quantifica a taxa real de corrosão através da medição da perda de massa dos cupons devido à corrosão, e normaliza a perda de peso por unidade de tempo. Os cupons corroídos também são examinados sob microscópio de modo a se determinar a profundidade de quaisquer pontos ou "corrosões localizadas". Este método requer um trabalho intensivo e fornece meios pobres para correlacionar um episódio localizado de corrosão com os estragos em tempo real.

Uma outra técnica convencional é a de se medir a mudança na resistência elétrica de um foi ou sensor. Os processos corrosivos causam uma degradação do material, em particular na tubulação e nos recipientes metálicos, o que se traduz em uma perda de metal. Esta perda de metal afeta a resistência de uma forma definida.

Em uma outra técnica convencional, a qual é conhecida como a resistência à polarização linear (LPR), a resistência à polarização de um eletrodo corroído é medida de modo a se determinar a corrente de polarização, a qual é uma medida direta da taxa de corrosão. Um potencial elétrico baixo, da ordem de 10 a 20 mV, é aplicado no elemento sensor corroído e é medida a corrente induzida resultante. A resistência a polarização é calculada com base no potencial e na corrente, a qual se mostra como o inverso da taxa de corrosão uniforme. A técnica da resistência à polarização linear não mede, de forma direta, a degradação da parede da tubulação ou do reservatório, e precisa que sejam assumidos materiais constantes bem como uma temperatura constante no ambiente, o que aumenta as incertezas da intensidade e da taxa de corrosão medida. Uma outra técnica convencional é através da medição do ruído eletromecânico, a qual é tipicamente utilizada em ambientes fluidos de modo a medir uma corrosão localizada. Esta técnica detecta as mudanças na localização das manifestações aleatórias das ocorrências reais ou potenciais durante o processo de corrosão.

Nenhuma destas técnicas convencionais fornece um monitoramento confiável de corrosões gerais e localizadas em tempo real. Assim, permanece a necessidade de técnicas aperfeiçoadas.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Deste modo, a presente invenção fornece cupons ou sensores de corrosão, bem como métodos para medir a corrosão, tanto geral quanto localizada, em um único sensor.

A presente invenção também fornece sensores e métodos para medir a corrosão geral e localizada em tempo real. Tal como ora empregada, "em tempo real" inclui a medição contínua das corrosões e/ou continuamente dentro de períodos determinados de tempo, p. ex., a cada minuto, a cada n minutos, a cada hora, a cada dia, etc.

Um sensor inventivo é adaptado para averiguar as corrosões gerais e localizadas. O sensor compreende ao menos um elemento de corrosão com impedância característica apto a conduzir uma corrente elétrica e uma pluralidade de eletrodos distribuídos no elemento de corrosão. A impedância de um seguimento do elemento de corrosão, medida entre dois eletrodos predeterminados, está relacionada com a corrosão neste seguimento, e as impedâncias dos seguimentos são comparadas de modo a se obter a diferenciação entre as corrosões locais e gerais.

O elemento(s) de corrosão pode ser linear ou não linear, p. ex., em forma de serpentina ou espiral, e pode apresentar uma variação na área da sua secção transversal. O elemento de corrosão pode ser envolvido por um material isolante elétrico. O elemento de corrosão apresenta ao menos uma dimensão proporcional a dimensão de um ponto de corrosão característico com uma composição metalúrgica predeterminada. O sensor pode estar disposto em um chip MEM, e uma unidade central de campo pode se comunicar com cada chip de forma sem fio.

A impedância característica pode ser a resistência elétrica ou a impedância reativa, a qual inclui tanto a capacitância quanto a indutância. O elemento de corrosão também pode ser substancialmente um elemento bidimensional.

Ao menos uma superfície do elemento de corrosão pode apresentar uma rugosidade substancialmente similar à rugosidade da superfície interna do reservatório no qual o sensor é disposto. Um outro elemento de corrosão pode apresentar uma rugosidade superficial incrementada. Um elemento de corrosão ou sensor pode ser utilizado como um sensor de referência exposto a condições ambientais similares às dos sensores de medição, mas não aos fluidos corrosivos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção poder ser mais facilmente compreendidas quando da leitura da seguinte descrição detalhada, e com referência aos desenhos que acompanham, nos quais os caracteres iguais representam partes iguais em todos os desenhos, nos quais:

A figura 1 é uma ilustração esquemática das mudanças na impedância em função da superfície do sensor. A figura 1A é uma ilustração esquemática de um exemplo de um circuito de impedância apresentando uma resistência, uma capacitância e uma indutância apropriadas para uso com a presente invenção;

A figura 2 mostra um esquema simplificado de um sensor de corrosão resistivo linear, para detectar tanto a corrosão geral quanto a corrosão localizada, construído de acordo com uma forma de realização da invenção. A figura 2A é uma disposição alternativa do sensor mostrado na figura 2. A figura 2B é uma forma alternativa de realização bidimensional;

A figura 3 mostra um sensor de corrosão em forma de serpentina, para detectar tanto a corrosão localizada quanto a corrosão geral, construído de acordo com uma forma de realização da invenção;

A figura 4 mostra um sensor de corrosão em forma de redemoinho ou espiral, para detectar tanto a corrosão localizada quanto a corrosão geral, construído de acordo com uma forma de realização da invenção;

- A figura 5A mostra uma outra disposição para o sensor em serpentina da figura 3. A figura 5B é uma vista em elevação superior de uma parte do sensor de corrosão resistivo linear isolado da figura 5A mostrando uma corrosão local idealizada. A figura 5C é uma vista lateral da figura 5B. A figura 5D é uma representação esquemática do sensor das figuras 5B e 5C como um circuito elétrico equivalente. A figura 5E é um gráfico idealizado da resistência e da profundidade da corrosão local;

- A figura 6A mostra uma vista em secção transversal de um sensor de corrosão totalmente integrado em um chip, incluindo o elemento sensor e o circuito eletrônico, construído de acordo com uma forma de realização da invenção. A figura 6B mostra uma vista em elevação inferior da figura 6A ao longo dos componentes do circuito esquemático;

A figura 7 é uma vista esquemática do sensor mostrado nas figuras 6A e 6B empregado em uma tubulação;

A figura 8 é uma vista esquemática de um controlador central ou CPU para uso em campo com uma pluralidade dos chips de sensores de corrosão mostrados nas figuras 6A e 6B; e A figura 9A é um gráfico ilustrando a relação de aspecto das mudanças nos pontos de corrosão como uma função do metal de base. A figura 9B é um gráfico ilustrando a sensibilidade de um sensor, de acordo com a presente invenção, e de um sensor de exemplo após o uso em campo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS PREFERIDAS DE REALIZAÇÃO

Um aspecto da invenção é relativo a um sensor de corrosão o qual apresenta a capacidade de detectar ao menos dois tipos diferentes de corrosão, quando disposto dentro, em contato, ou nas proximidades de um sistema ou dispositivo alvo, para o qual é desejada a detecção ou a análise da corrosão. O sensor da invenção está apto a detectar a corrosão geral bem como uma corrosão localizada, tal como será descrito abaixo. Apesar do sistema poder ser fabricado a partir de qualquer material, um sistema alvo típico inclui, mas não está limitado a, tubulações metálicas, recipientes, reservatórios, trocadores de calor e etc., através dos quais circula um fluido corrosivo.

O fluido no sistema alvo pode causar danos ao sistema através de meios químicos (corrosão) ou danos mecânicos (erosão). Em algumas das formas de realização, estas condições podem incluir, mas não estão limitadas a, aumento ou redução da pressão, aumento ou redução da temperatura, fluxo relativamente alto ou relativamente baixo, e similares, bem como as combinações entre estes. O fluido corrosivo é tipicamente aquoso, e em geral predominantemente é a água. Contudo, o fluido corrosivo também pode incluir quaisquer líquidos, gases, ou as combinações entre estes. Além do mais, e em algumas das formas de realização, o fluido corrosivo pode conter componentes heterogêneos, tais como certas partículas sólidas, colóides, ou similares. Por exemplo, o fluido corrosivo pode ser água,hidrocarbonetos, solventes orgânicos, ou similares, bem como as combinações entre estes. A água pode incluir, p. ex., a água de descarte, água purificada, água de tamponamento, uma solução salina aquosa tal como água do mar, ou similares. Em algumas das formas de realização, os hídrocarbonetos podem incluir as misturas com compostos orgânicos, p. ex., óleo/reagentes do petróleo, intermediários e/ou sub produtos.

Os recipientes e as tubulações industriais tipicamente são fabricados em metais ou em ligas metálicas, p. ex., o cobre, as ligas de cobre, as ligas de ferro tal como os aços, as ligas de níquel, as ligas de níquel, ferro e cromo de nome comercial Inconel, o titânio, as ligas de titânio, o alumínio, as ligas de alumínio, as ligas de magnésio, as ligas de cromo, as ligas de cobalto, as ligas de tântalo, as ligas de tungstênio, as ligas de zinco, as ligas de zircônio, ou similares, bem como as combinações entre estes. As tubulações e os tanques ou reservatórios do sistema alvo podem alternativamente ser feitos a partir de materiais não metálicos ou de combinações entre materiais metálicos e nâo metálicos. Em uma forma preferida de realização, ao menos uma parte do sensor de corrosão, e especificamente o elemento sensor, apresenta uma composição química substancialmente similar àquela das tubulações e de outras superfícies de contenção do fluido no sistema alvo. Em qualquer caso, o sensor de corrosão pode ser feito, de forma vantajosa, a partir de qualquer metal ou liga dentre os supra descritos. De preferência, os elementos sensores apresentam um acabamento superficial similar ao das tubulações ou das superfícies de contenção dos fluidos do sistema alvo. Isto assegura a ocorrência de um ataque corrosivo similar tanto no sistema alvo quanto no sensor.

Quando é corroída a superfície metálica de uma tubulação, de um reservatório ou de um sensor, a sua resistência laminar ou impedância muda como uma função da geometria da superfície, tal como o quanto ilustrado pela figura 1. As mudanças na resistência podem ser quantificadas de acordo com a seguinte equação:

<formula>formula see original document page 6</formula>

Fator de correção de Van Der Pauw

Esta equação pode ser generalizada de modo a levar em conta a impedância mais geral do circuito através de:

<formula>formula see original document page 6</formula>

na qual Rs é a resistência (e Zs é a impedância) através de um seguimento pré-selecionado; V1 e V2 são as tensões através do mesmo seguimento; e I e a corrente no mesmo, tal como esquematicamente ilustrado na figura 1. A tensão tanto pode ser de tipo direta quanto de tipo alternada. Os testes mostraram que as mudanças na resistência podem ser medidas dentro da faixa dos mili ohms utilizando um equipamento padrão. A presente invenção é descrita abaixo com a mudança nas propriedades resistivas do circuito; porém, os mesmos princípios também se aplicam ao componente reativo da impedância do elemento sensor, tal como um perito na arte poderá perceber. Como todos os componentes da impedância, resistente ou reativo, são uma função da geometria dos eletrodos, qualquer processo o qual mude o formato, a distancia, a orientação, etc., dos eletrodos irá afetar a impedância. Um circuito generalizado é mostrado na figura 1A e é governado pela seguinte equação:

<formula>formula see original document page 6</formula> na qual Z é a impedância, Rs é a resistência do circuito, Ls é a indutância do circuito, Cs é a capacitância do circuito e ω é a freqüência angular.

Tal como supra citado, tanto a corrosão geral quanto a corrosão localizada podem ser medidas por um único sensor. A corrosão geral, via de regra, é disseminada e ocorre em uma escala relativamente grande ou em uma área relativamente vasta. A corrosão geral é relativamente uniforme na superfície de uma tubulação ou de um reservatório do sistema alvo, ou em um sensor. A corrosão geral danifica e remove massa do metal, o que altera a geometria, isto é, a espessura da superfície, e causa uma degradação ou depaupera o material original. A corrosão geral compromete a rigidez estrutural e a integridade da tubulação ou do reservatório.

Exemplos de corrosão geral podem incluir a oxidação superficial em larga escala, p. ex., pela formação de óxidos metálicos. Por outro lado, a corrosão localizada pode ser vasta ou estar limitada a somente algumas pequenas áreas do sistema alvo, mas em geral é relativamente não uniforme e ocorre dentro de uma escala limitada. Exemplos de corrosão localizada podem incluir, mas não estão limitadas a, pontos de corrosão, rachaduras devidas a tensão ambientais (ESC), aparecimento de locais quebradiços (hidrogênio), e similares, bem como as combinações entre estes.

As medições simultâneas da corrosão geral e da corrosão localizada, através de um único sensor, podem ser conseguidas através de um sistema de corrosão resistivo linear, tal como o ilustrado na figura 2. A figura 2 mostra um sensor de corrosão 1 o qual compreende um elemento de corrosão resistivo linear 10, condutores 12a, 12b, e hastes ou eletrodos de medição 14 (doravante referidos como os eletrodos 14). O elemento de corrosão 10 pode apresentar tanto uma corrosão geral 20 quanto uma corrosão localizada 22 na forma de pontos de corrosão 22. Os condutores 12a, 12b do sensor conectam o elemento de corrosão 10 a uma fonte de energia elétrica (AC ou DC) de modo a fornecer energia elétrica para o sensor 1. A pluralidade de eletrodos 14 é disposta em uma configuração linear e estão em contato elétrico com o elemento de corrosão 10, bem como se estendem para além do elemento de corrosão 10. Um seguimento ou unidade do elemento de corrosão 10, entre pares adjacentes de eletrodos 14, é designada como um seguimento 16. De preferência, os eletrodos 14 compreendem arames condutores relativamente finos de modo a que a quantidade de energia elétrica perdida pelo elemento de corrosão 10 seja minimizada. O afastamento entre eletrodos 14 adjacentes, ao longo do elemento de corrosão 10, também conhecido como o passo 18, é selecionado de modo a ser aproximadamente igual ao da dimensão característica das corrosões localizadas esperadas para uma composição metalúrgica em particular. As diversas relações de aspecto [diâmetro/profundidade] dos pontos de corrosão para algumas composições metalúrgicas diferentes são mostradas na figura 9A. Quando uma corrente elétrica passa através do elemento de corrosão 10, através dos condutores 12a e 12b do sensor, uma ou mais propriedades elétricas, de preferência a resistência de cada seguimento 16 descrita através da equação supra, pode ser medida entre pares de eletrodos 14, coletivamente indicados por Ril sendo que i vai de 1 até (n-1), onde η é o número de eletrodos dispostos sobre o elemento de corrosão 10. Em outras palavras, para um número η de eletrodos, existe um número n-1 de seguimentos 16 cujas resistências podem ser mensuradas.

Os pares de eletrodos 14 mensuráveis podem estar adjacentes um em relação ao outro, mas também podem ser usados eletrodos não adjacentes de modo a variar o afastamento ou passo 18. Em outras palavras, o afastamento 18 pode variar através da seleção dos eletrodos de medição, p. ex., eletrodos adjacentes, um eletrodo sim e um não, a cada três eletrodos, etc., ou entre eletrodos aleatórios.

Por exemplo, a resistência do elemento de corrosão 10 pode ser medida através da aplicação de uma corrente DC ou AC conhecida através dos condutores 12a e 12b do sensor e da medição da tensão resultante entre pares de eletrodos 14. Alternativamente, pode ser aplicada uma tensão AC ou DC conhecida nos condutores 12a e 12b do sensor e ser medida a corrente entre os seguimentos 16 do elemento de corrosão 10. A impedância ao longo de todo o elemento de corrosão 10, isto é, em cada seguimento 16, pode ser avaliada. Antes que ocorra qualquer corrosão no elemento de corrosão 10, a resistência inicial R0 deve ser substancialmente a mesma para qualquer dos seguimentos 16 do elemento de corrosão 10. Em um dado momento t, após o elemento de corrosão 10 ter sido imerso em um fluido corrosivo, qualquer corrosão que ocorra reduz a área da secção transversal do elemento de corrosão 10, e aumenta a resistência do eletrodo no qual ocorreu a corrosão, tal como será melhor descrito e ilustrado através das figuras 5B à 5E.

Os diversos valores de impedância para os seguimentos 16 entre correspondentes pares de eletrodos 14 em um dado momento, individualmente indicados por Ri(t), podem ser usados nas análises da corrosão ou podem ser comparados com o R0 de antes da corrosão, de modo a se obter um valor diferencial, ARi(t), para a análise da corrosão. De forma alternativa, um sensor de referência, 1ref (não mostrado), contendo um elemento condutor substancialmente similar 10ref (não mostrado), pode ser imerso em um substrato isolante o qual isola o sensor de referência do ambiente corrosivo, mas que o expõe a condições ambientais similares, tal como temperatura e pressão, às do sensor de medição. Este sensor de referência 1ref pode fornecer um valor Rx(t) não corrosivo para a comparação com o Rj(t). O Rx(t) deve ser igual, ou substancialmente similar, ao R0 de antes da corrosão, quando as condições ambientais entre o ambiente antes da corrosão, quando R0 é medido e o ambiente corrosivo, quando é medido o Rx(t), são similares. Por outro lado, as diferenças entre Rx(t) e R0 podem ser indicativas de certas condições, p. ex., uma flutuação da temperatura. Desta forma, as flutuações na temperatura podem ser corrigidas de modo a se obter leituras mais precisas. De forma alternativa, podem ser adicionado um termopar ao sensor para medir diretamente a temperatura do sensor.

Qualquer um dos valores, AR,(t) ou ΔRi(t), para cada seguimento 16 pode ser plotado em um eixo Y de um histograma com partição no tempo ou em um gráfico de barras, por exemplo, com o eixo X representando a posição dos seguimentos 16 ao longo do comprimento do elemento de corrosão 10. Se é usado o Ri(t), R0 ou Rx(t) também podem ser plotados como uma linha horizontal no histograma para fins de comparação. A corrosão geral 20 pode ser determinada ou avaliada de duas formas. A corrosão geral pode ser indicada através de diferenças relativamente pequenas entre Ri(t) e R0 ou Rx(t), ou através de uma mudança uniforme entre os pares de eletrodos. A corrosão localizada 22 tipicamente é indicada por meio de diferenças relativamente grandes entre R,(t) e R0 ou Rx(t), ou por mudanças apenas específicas ou discretas em pares de eletrodos. Posto que a resistência é uma função da área da secção transversal do seguimento 16i entre os lesimo e o (i+i)esimo eletrodos 14, a presença de uma corrosão localizada 22 entre os Iesimo e o (i+1)esimo eletrodos significa uma menor área da secção transversal no seguimento 16 entre estes e portanto uma maior resistência medida. Em outras palavras, as corrosões localizadas podem ser detectadas através de resistências relativamente altas R,(t) em um ou mais seguimentos 16 quando comparadas com os outros valores R,(t) dos outros seguimentos 16. Por outro lado, a corrosão geral pode ser detectada através de um aumento mais disseminado na resistência ao longo de um maior número de seguimentos 16.

Em adição, uma única incidência de uma corrosão localizada 22 pode reduzir significativamente a capacidade da corrente elétrica de fluir através da corrosão localizada, caso a corrosão local reduza substancialmente ou cause um corte na espessura do elemento de corrosão 10. Isto produz um sinal muito forte de que a corrosão erodiu completamente a profundidade do eletrodo.

A figura 3 mostra uma vista superior de uma variante em forma de serpentina do sensor de corrosão 1 da figura 2. Nesta, o elemento de corrosão 10 resistivo linear é formado através de um padrão em serpentina de duas dimensões sobre um substrato 30 isolante elétrico. O substrato isolante elétrico 30 deve se estender nos espaços entre o padrão em serpentina do elemento de corrosão 10 de modo a garantir que a corrente elétrica flua ao longo do comprimento do elemento de corrosão 10 e para garantir que não ocorram curtos circuitos. Nesta forma de realização, existe uma pluralidade de condutores do sensor 12a, 12b, 12c, etc., presentes de modo a minimizar o problema em potencial relativo a uma corrosão localizada isolando ou interrompendo o elemento de corrosão 10. Por exemplo, se o elemento de corrosão 22 mostrado entre os condutores 12f e 12g é corroído, o restante do sensor ainda pode ser alimentado com energia elétrica através dos condutores 12a-12f e 12g-12l, etc. Não é mostrada na vista em perspectiva da figura 3 a pluralidade de eletrodos 14 orientados na direção normal ao plano mostrado. O padrão em serpentina também minimiza o espaço necessário para conter o comprimento necessário do elemento de corrosão 10, e também fornece um sensor em duas dimensões apesar de empregar um elemento linear.

A figura 4 mostra uma variante, em forma de espiral, do sensor de corrosão 1 da figura 2. Nesta, o elemento de corrosão 10 é formado a partir de um padrão em espiral de duas dimensões sobre um substrato isolante 30 (não mostrado). Tal como na figura 3, os eletrodos 14 (não mostrados) e ligados eletricamente ao elemento de corrosão 10 são orientados, de forma geral, em uma direção normal em relação ao plano mostrado. Os condutores 12 do sensor também estão ligados no elemento de corrosão 10 de modo a fornecer uma corrente elétrica AC ou DC.

As dimensões do(s) elemento(s) de corrosão 10, tal como a área em secção transversal, pode ser vantajosamente ajustada de acordo com as dimensões características do sistema alvo, assim como da faixa dinâmica do sensor, tal como previamente descrito em relação ao gráfico que mostra as diferentes relações de aspecto dos pontos de corrosão para materiais diferentes. As dimensões tipicamente dependem dos materiais específicos do sistema alvo, do fluido corrosivo presente durante a duração da análise/detecção da corrosão e do tipo de fluxo, p. ex., laminar ou turbulento, no sistema alvo, e da intensidade esperada para a corrosão. Através da variação da área da secção transversal de diversos elementos de corrosão 10, tal como no sensor da figura 5A, podem ser determinadas, por exemplo, as dimensões características de uma corrosão localizada. Isto pode ser conseguido através de diversos métodos. Um envolve estimar o tamanho dos eventos de corrosão localizada em um período de tempo longo, através da aceleração da taxa de corrosão do sistema, p. ex., através do aumento da temperatura e/ou do aumento na concentração de um componente corrosivo em particular do fluido. Isto necessariamente requer o uso de um dispositivo de amostragem de fluxo paralelo. Um outro envolve o tamanho dos eventos de corrosão para um tempo mais longo a partir de medições abreviadas da corrosão em tempo real causadas pelo fluido corrosivo nas condições operacionais. As dimensões esperadas dos eventos de corrosão localizada no longo prazo são relacionadas com o tamanho do(s) elemento(s) de corrosão 10.

Em uma forma de realização, o afastamento 18 do seguimento 16 entre os eletrodos 14, o tamanho e a forma dos eletrodos são da ordem das dimensões típicas da corrosão localizada, e a faixa dinâmica necessária ou a medição. As taxas de corrosão típicas nos sistemas industriais são mostradas nas figura 9Β, sobrepostas com as bandas de sensibilidade para as diversas geometrias dos eletrodos. A figura 9B mostra dados reais de sensores a partir de usos em campo. A sensibilidade do sensor pode ser selecionada através da escolha da geometria apropriada.

O número total de eletrodos 14 eletricamente ligados no(s) elemento(s) de corrosão 10 pode variar, p. ex., com base no afastamento 18 e no comprimento L do(s) elemento(s) de corrosão 10, ou de forma mais em geral a partir do tamanho absoluto do sensor de corrosão 1. Em geral, não existe limite para o número de eletrodos que podem ser depositados sobre um cupom inteligente. Porém, nos dispositivos reais a serem empregados em um duto com 1 a 2 polegadas de diâmetro [com cerca de 2,5 a 5,1 cm de diâmetro], através de um consumo moderado de energia e com uma boa amostragem estatística a partir de diversos eletrodos de modo a se distinguir entre uma corrosão local e uma geral, a forma preferida de realização prevê 16 eletrodos. Em outras formas de realização, o sensor 1 de corrosão inclui de cerca de 3 a cerca de 250 eletrodos, preferencialmente de cerca de 3 a cerca de 100 eletrodos, e mais preferencialmente de cerca de 5 a cerca de 20 eletrodos. Porém, pode ser utilizado qualquer número de eletrodos.

Fazendo novamente referência a figura 5A, o sensor 1 de corrosão compreende uma pluralidade de elementos de corrosão 10 os quais apresentam áreas em secção transversal diferentes, e senda cada qual disposto entre pares de eletrodos 12, tal como ilustrado. Neste exemplo, os elementos de corrosão apresentam secções transversais variantes ou progressivas 32, 34, 36, 38 com a secção transversal 32 sendo a menor e a secção transversal 38 sendo a maior. Em uma forma de realização ilustrada na figura 5A, o condutor 12 do sensor fornece energia elétrica bem como mede a resistência Rs em cada elemento de corrosão. Conforme a corrosão ataca os elementos de corrosão 10, aqueles com as menores áreas em secção transversal, isto é, 32, serão interrompidos primeiro, isto é, não mais poderão conduzir eletricidade ou a sua resistência se torna muito grande ou se aproxima do infinito. Conforme continua a corrosão, os elementos de corrosão 10 devem parar progressivamente de conduzir eletricidade em uma relação direta com o tamanho das suas áreas em secção transversal. Deste modo, quando um elemento(s) de corrosão 10 com uma área 32 em secção transversal para de conduzir eletricidade, então o tamanho da corrosão é substancialmente igual ao da secção transversal 32. Quando um elemento(s) de corrosão 10 com uma área 34 em secção transversal para de conduzir eletricidade, então a corrosão tem substancialmente o mesmo tamanho, e assim por diante. No exemplo para o sensor da figura 5A, os eletrodos 14 são opcionais, uma vez que o condutor 12 pode ser usado tanto para fornecer energia elétrica quanto para medir a corrente e a tensão. A área em secção transversal dos elementos de corrosão 10 também afeta a resistência dos elementos de corrosão, isto é, quanto menor a área em secção transversal, maior deverá ser a resistência medida.

Em uma outra forma de realização também ilustrada na figura 5A, os elementos de corrosão 10 são usados com eletrodos 14 (não mostrados) de forma similar àquela da figura 2. Uma parte do elemento de corrosão 10, com uma corrosão local 22, é visto ampliado nas figuras 5B e 5C. Conforme acontece a corrosão local 22, é reduzida a área em secção transversal do elemento de corrosão 10. Uma forma de avaliar o tamanho e/ou a localização da corrosão 22 é ilustrada nas figuras 5C e 5D. Esta parte do elemento de corrosão 10 é dividida, por exemplo, em três seguimentos 161, 162 e 163 entre os eletrodos 14, com a corrosão local 22 estando localizada no seguimento 162. A resistência de cada seguimento 16 é esquematicamente representada na figura 5D por meio de um circuito elétrico equivalente. As resistências dos seguimentos 161 e 163, isto é R-161 e R-163, são constantes ou relativamente constantes, devido a não ocorrência de uma corrosão local nestes. A resistência do seguimento 162, isto é, R-162, varia uma vez que o tamanho da corrosão aumenta com o passar do tempo. Além disto, R-162 é maior que R-161 e R-163 devido à redução da secção transversal causada pela corrosão 22. O gráfico mostrado na figura 5E representa, de forma esquemática, o aumento da resistência conforme aumenta a profundidade da corrosão.

As figuras 6A e 6B ilustram uma outra forma de realização na qual o elemento(s) de corrosão 10 está integrado a um circuito eletrônico de captura, processamento e comunicação em um chip em um sistema micro eletro mecânico (MEM). Tal como mostrado, o sensor 1 compreende um elemento(s) de corrosão 10 disposto no topo que apresenta as corrosões 20 e 22. Uma pluralidade de eletrodos 14 conecta o elemento(s) de corrosão 10 com a CPU e com os outros circuitos através da camada de topo de conexão elétrica 40 e da camada de fundo de conexão elétrica 42, tal como conhecido pela arte. De acordo com o quanto ilustrado na figura 6B, os módulos de processamento e de comunicação incluem, mas não estão limitados a, uma unidade de processamento central (CPU), um módulo de mensuração (incluindo voltímetro, ohmímetro e/ou amperímetro), uma chave de sinal para selecionar um elemento de corrosão 10 em particular a ser medido, uma bateria e um módulo de comunicação sem fio, de preferência empregando sinais em radio freqüência, p. ex., com tecnologia RFID. O condutor do sensor pode ser projetado de modo a que cada condutor seja um elemento ativo em um circuito ressonante, cada qual respondendo a uma freqüência específica. Quando ocorre a corrosão na superfície do condutor do sensor, muda a freqüência de ressonância específica ou a sua amplitude, esta mudança é então detectada por um receptor (montado distante da tubulação). O receptor também é um gerador de ondas de rádio de forma que o condutor do sensor não precisa ser alimentado com energia. Uma série de condutores do sensor também pode ser projetada de modo a responder a uma série de freqüências de ressonância, e assim pode ser obtido o perfil da corrosão através da correlação com a extensão da corrosão com as freqüências de ressonância. Um revestimento anticorrosivo, ou encapsulamento 44, é aplicado de modo a proteger os eletrodos e o circuito contra a corrosão.

É importante notar que os pequenos elementos sensores MEMs podem apresentar uma construção familiar em relação aqueles previamente descritos ou os eletrodos podem ser dispostos sobre uma folha do material. Desta forma, os eletrodos medem e mapeiam as mudanças na corrente da folha, ou invés da corrente que flui nos eletrodos discretos. A técnica e o dispositivo, nos quais este tipo de sensor está baseado, são descritos na patente norte-americana de número US 6.922.641. Este sensor é também conhecido por "RCM em um chip". A patente US 6.922.641 é aqui incorporada como referência em sua totalidade.

Um exemplo do emprego de sensor/chip de corrosão 1 é mostrado na figura 7. Uma localização de exemplo inclui cantos ou bordos, sendo que o fluxo pode ser turbulento, mas não existe uma barreira ao emprego do sensor em qualquer localização a qual seja apropriada para acomodar o seu invólucro físico. O sensor/chip 1 é fixado no plugue 46 da tubulação de forma què o sensor 1 se encontre na corrente que flui. Os módulos de processamento e de comunicação podem ser reutilizados preferencialmente são inseridos dentro do plugue 46. Devido a capacidade de comunicação sem fio, podem ser empregada uma pluralidade de sensores/chips 1 de corrosão via sem fio. Cada sensor/chip pode se comunicar com o módulo de analise de dados 48 em campo, tal como ilustrado na figura 8. Além da capacidade de se comunicar de forma sem fio, o módulo de campo 48 pode apresentar a sua própria CPU e os módulos de processamento de dados, como ilustrado. O módulo de campo 48 pode estar ligado a um módulo remoto 50, o qual pode incluir computadores e registros de dados ou bancos de dados, através de conexões de tipo LAN ou Ethernet.

Tal como supra descrito, o acabamento superficial do elemento sensor deve ser similar àquele metalúrgico apresentado pelo sistema alvo. De preferência, os sensores são empregados aos pares, isto é, um sensor apropriadamente polido e ideal similar ao do sistema alvo e um outro sensor o qual apresenta um elemento ativo levemente raspado ou acabado. Um tal cupom desfigurado ou imperfeito tende a ser corroído ou estar sujeito ao ataque da corrosão em um período de tempo menor que o do cupom nominal, uma vez que os ataques corrosivos localizados em geral começam quando a camada(s) de oxido superficial de proteção é rompida e pode ser iniciado um ataque direto contra o metal de base. Deste modo, um sensor nominal, muito parecido com a parede de uma tubulação ou de um reservatório, tem de ter as camadas superficiais de proteção degradadas antes que comece o ataque da corrosão no metal de base. Isto poderia sub estimar a taxa de corrosão que poderia ser devida a defeitos físicos na tubulação ou no reservatório divido a ações mecânicas tais como ranhuras, desfigurações ou qualquer dano físico causado durante a fabricação, o transporte, a instalação, etc. da tubulação ou do reservatório. Através do uso de um cupom imperfeito ou desfigurado o qual já apresente algum dano superficial de modo a que o revestimento óxido de proteção tenha sido comprometido, pode ser medido um ataque mais rápido.

Portanto, as medições deste par de cupons poderiam fornecer uma gama de ataques corrosivos que possam estar ocorrendo no sistema, incluindo o pior caso (isto é, com o comprometimento dos filmes óxidos de proteção) e o melhor caso (isto é, sem o comprometimento dos filmes óxidos de proteção). Um sensor de referência, supra descrito, também pode ser empregado com um tal par.

Uma vez que o sensor e os circuitos eletrônicos a este associados é pequeno, este pode ser utilizado em diversos locais, assim como envolto na própria infra-estrutura. Isto é, este pode ser disposto no substrato ou na parede da tubulação ou do reservatório, e se tornar parte da própria infra-estrutura. Em outras palavras, o sensor pode estar incorporado no material do duto ou do tanque sem a necessidade de operações mecânicas adicionais para a sua fixação na tubulação ou reservatório.

Dependendo da propriedade(s) elétrica(s) desejada a ser medida e/ou analisada e de acordo com a fonte de energia disponível, pode ser fornecida uma corrente direta ou uma corrente alternada através dos condutores 12 do sensor. Qualquer que seja o tipo de energia fornecida para os condutores 12 do sensor, este pode incluir um componente (DC) e/ou um componente (AC) variável e/ou periódico.

Exemplos de formas possíveis de energia que podem ser fornecidas podem incluir, mas não estão limitadas a, uma tensão/corrente senoidal apresentando uma amplitude máxima e uma freqüência relativamente constantes, uma onda quadrada para a tensão/corrente apresentando uma amplitude máxima e uma freqüência relativamente constantes, uma tensão/corrente senoidal apresentando uma freqüência/periodicidade variável, uma onda quadrada para a tensão/corrente apresentando uma freqüência/periodicidade variável, uma tensão/corrente senoidal apresentando uma amplitude variável, uma onda quadrada para a tensão/corrente apresentando uma amplitude variável, ou similares, ou qualquer combinação e/ou padrão repetido destas.

Uma vez que são empregadas as fontes de energia elétrica normalmente disponíveis, tais como a energia elétrica industrial e/ou de baterias, para alimentar os condutores 12 do sensor, os condutores 12 do sensor podem apresentar a forma de eletrodos e/ou de cabos rígidos ligados ao elemento(s) de corrosão 10. Apesar disto, são prevista outras fontes de energia, tais como as bobinas de indução para gerar/focar os campos magnéticos e circuitos para converter as freqüências de rádio em tensão/corrente elétrica, para fornecer energia para os condutores 12 do sensor.

O substrato 30 eletricamente isolante pode incluir, mas não está limitado a: materiais dielétricos tais como os óxidos de metais, os nitretos metálicos, os oxinitretos metálicos e similares; resinas poliméricas não condutoras tais como as resinas epóxi, as resinas fenólicas, ás poli(alfa-olefinas) (em particular aquelas que apresentam um grau alto de cristalinidade, tais como HDPE, i-PP e similares), as poli(alfa-olefinas) parcial ou completamente halogenadas (p. ex., PVC1 PVDC1 PVDF1 PTFE, FEP1 poli(perfluoracrilatos) ou similares, ou as misturas ou os copolímeros destes), as polissulfonas, as poliimidas, as resinas de melamina, as resinas termofixas alkyd ou similares, ou as misturas ou os copolímeros destes; os agentes de reforço tais como as fibras não condutoras ou semi condutoras; os modificadores da permeabilidade/difusão, p. ex., as argilas intercaladas tais como as montmorilonitas opcionalmente modificadas e similares; outras cargas não condutoras ou semi condutoras; e similares; e as misturas entre estes.

Em uma forma alternativa de realização mostrada na figura 2B, cada um dentre a pluralidade de eletrodos 14 pode atuar com um condutor 12 do sensor. Cada dois eletrodos 14, e 14π podem ser seletivamente ligados a uma fonte de energia 52. O dispositivo de medição 54 pode ser incluído no circuito para medir a corrente, a tensão ou ambos. Um valor de resistência Rwi entre os eletrodos 14, e 14π pode ser avaliado. Em uma outra formâ de realização mostrada na figura 2B, o sensor 1 compreende um elemento de corrosão 10 retangular de duas dimensões, o qual apresenta uma pluralidade de eletrodos que estão eletricamente ligados uns aos outros através do elemento de corrosão 10. Quais dois eletrodos 14, e 14«, incluindo eletrodos adjacentes, podem ser seletivamente conectados na fonte de energia 52 e no medidor 54. Nas formas de realização ilustradas nas figuras 2A e 2B, caso todos os pares de eletrodos 14 adjacentes sejam medidos, as corrosões local e geral podem ser avaliadas tal como supra descrito. Quaisquer pares aleatórios de hastes 14 podem ser verificados de modo a gerar informações acerca de qualquer região de interesse.

Um outro aspecto da presente invenção é relativo a um método para a detecção, em tempo real, de ao menos dois tipos diferentes de corrosão (p. ex., a corrosão geral tal como a oxidação do metal superficial e a corrosão localizada, tal como uma corrosão pontual) utilizando ao menos um sensor de corrosão 1, tal como supra descrito.

Em uma forma de realização, o método de invenção inclui as etapas de: fornecer ao menos um sensor 1 de corrosão, tal como supra descrito, o qual contenha um ou mais elementos de corrosão 10, condutores 12 do sensor, eletrodos 14 dispostos nos elementos de corrosão 10, e um substrato 30 isolante opcional; fornecer ao menos uma fonte de energia para fornecer energia para o sensor; dividir eletricamente os elementos de corrosão 10 em seguimentos 16 entre pares predeterminados de eletrodos 14; e coletar, manipular, interpretar, monitorar, transmitir e/ou armazenar os dados relativos à resistência dos seguimentos 16 para avaliar as informações relativas as corrosões geral e local. Este método também fornece um perfil da corrosão em tempo real.

Em adição, a captura/amostragem (coleta) dos diversos dados relativos a corrosão, tanto de forma constante quanto em intervalos de tempo repetidos/regulares pode render informações incrementadas sobre a corrosão acerca do sistema alvo e do ambiente do fluido corrosivo. Um tal sistema de detecção da corrosão mostra-se melhorado quando comparado com a inspeção manual realizada por um engenheiro de campo nos cupons de corrosão e na determinação da perda de massa, tipicamente com uma freqüência não superior a uma vez por mês.

As formas de realização da presente invenção previamente descritas apresentam diversas vantagens, as quais podem incluir, mas não estão limitadas a, qualquer uma ou mais dentre as seguintes:

a coleta, monitoramento e/ou armazenamento dos dados da corrosão para transmissão, manipulação e/ou interpretação a distancia, em relação ao sistema alvo, permite a determinação do modo de corrosão sem uma inspeção visual; a amostragem dos dados em momentos arbitrários, ou a amostragem dos dados em intervalos de tempo repetidos/regulares oferece informações sobre a corrosão em tempo real e um histórico, o qual permite a correlação direta entre os eventos de corrosão e os eventos críticos do sistema alvo (monitoramento independente ou integrado); e

incremento na capacidade de realizar medições com precisão/segurança, uma vez que o que está sendo medido é uma variação em uma ou mais propriedades elétricas do elemento(s) sensor condutor do substrato, o que permite uma correlação direta com o comportamento da corrosão; em alguns casos do estado da arte, apenas as propriedades do ambiente do fluido corrosivo, tal como através das técnicas através do ruído eletromecânico, permitem apenas uma correlação indireta com o comportamento da corrosão.

Apesar de terem sido aqui descritas e ilustradas apenas algumas características da invenção, diversas modificações e alterações poderão ocorrer aos peritos na arte. Portanto, deve ser entendido que as reivindicações em anexo tem a intenção de cobrir todas estas modificações e alterações que recaiam dentro do verdadeiro espírito da invenção.

Claims

1. Sensor, adaptado para avaliar as corrosões geral e localizada, compreendendo ao menos um elemento de corrosão de impedância característica, apto a conduzir uma corrente elétrica, e uma pluralidade de eletrodos distribuídos sobre o elemento de corrosão, no qual a impedância de um seguimento do elemento de corrosão, medida entre dois eletrodos predeterminados, está relacionada com a corrosão em dito seguimento, e no qual a impedância de cada seguimento, em comparação com a impedância de outros seguimentos, é medida para fazer a diferenciação entre as corrosões geral e localizada.

2. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual o elemento de corrosão é substancialmente linear.

3. Sensor, de acordo com a reivindicação 2, no qual o elemento de corrosão é disposto em um padrão não linear.

4. Sensor, de acordo com a reivindicação 3, no qual o elemento de corrosão é disposto com uma forma em serpentina ou em espiral.

5. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo uma pluralidade de elementos de corrosão os quais apresentam dimensões variáveis das secções transversais.

6. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual a impedância característica compreende a resistência elétrica ou a impedância reativa.

7. Sensor, de acordo com a reivindicação 6, no qual o elemento de corrosão é envolvido por um material isolante elétrico, de forma que o elemento de corrosão resistivo não entra em contato elétrico com ele próprio.

8. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual ao menos dois condutores do sensor estão ligados no elemento de corrosão de modo a fornecer energia elétrica para o sensor.

9. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual o sensor é disposto em um chip.

10. Sensor, de acordo com a reivindicação 9, no qual o chip está associado a um módulo de comunicação sem fio.

11. Sensor, de acordo com a reivindicação 9, no qual o chip está associado a uma unidade de processamento central.

12. Sensor, de acordo com a reivindicação 9, no qual o chip está associado a um módulo de medição elétrica.

13. Sensor, de acordo com a reivindicação 9, no qual o chip está associado a uma fonte de energia.

14. Sensor, de acordo com a reivindicação 9, no qual o chip se comunica com um módulo de analise de campo.

15. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual o elemento sensor de corrosão é substancialmente um elemento em duas dimensões.

16. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual o elemento de corrosão apresenta ao menos uma dimensão proporcional à dimensão de um ponto de corrosão característico de uma composição metalúrgica predeterminada.

17. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual ao menos uma superfície do elemento de corrosão apresenta uma rugosidade substancialmente similar à rugosidade de uma superfície interna de um reservatório ou tanque no qual o sensor é empregado.

18. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, no qual ao menos uma superfície do elemento de corrosão apresenta uma maior rugosidade.

19. Disposição de sensores, de acordo com a reivindicação -1, na qual os sensores compreendem materiais diferentes ou tratamentos superficiais diferentes para avaliar as mensurações da corrosão, apresentando uma faixa dinâmica ampla e diversas composições metalúrgicas.

20. Disposição de sensores, de acordo com a reivindicação -19, na qual um primeiro sensor é um sensor de referência e o segundo sensor é substancialmente similar ao primeiro sensor, sendo que o sensor de referência não é exposto ao ambiente corrosivo enquanto que o segundo sensor é exposto ao ambiente corrosivo e sendo que ambos os sensores são substancialmente expostos a condições ambientais similares e o sensor de referência compensa os efeitos ambientais.

21. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, sendo inserido na parede de uma tubulação ou de um reservatório, no qual a tubulação ou reservatório é o que deve ser medido por este sensor.

22. Método para determinar uma corrosão geral e uma corrosão localizada, compreendendo as etapas de: (a) fornecer ao menos um elemento sensor (1); (b) coletar os dados relativos a impedância de todos os seguimentos; e (c) comparar os dados de impedância para determinar as corrosões local ou geral em dito sensor.