ES2247730T3 - Suspervision ultrasonica de tuberias. - Google Patents
Suspervision ultrasonica de tuberias.Info
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Abstract
Un aparato para su uso en la caracterización de una tubería (32) llena de líquido, comprendiendo dicho aparato un vehículo capaz de encajar dentro de la tubería (32) y de ser transportado por el líquido (2) a lo largo de la tubería (32), llevando el vehículo unos anillos (35, 36, 37, 38) de diversos transductores ultrasónicos (6) dispuestos de forma que durante la utilización los anillos (35, 36, 37, 38) son coaxiales con la tubería (32) y separados a lo largo del vehículo, y de forma que: un primer anillo (36) de transductores (6) opera en el modo reflexión puramente de forma radial, mientras que un segundo (35) y un tercer (38) anillos de transductores (12, 13) operan como un par desplazados axialmente entre sí, siendo usado el par en un modo de refracción longitudinal en el cual un anillo (35) del par emite impulsos a lo largo de la tubería (32) genéricamente según el ángulo crítico respecto de la pared, es decir, a lo largo de direcciones extendidas en un cono para acomodar las variaciones esperadas en el ángulo crítico de la tubería (32), el forro (4) y materiales de detritus (5), de forma que la onda es refractada como ondas que se desplazan dentro del detritus (5), forro (4) y la pared (3) de la tubería, y el otro anillo (38) recibe la onda refractada, el anillo emisor (35) de transductores (12) del par en modo refracción tiene también la capacidad de recibir ecos reflejados, esto siendo un modo de refracción/reflexión, y un cuarto anillo (37) de transductores (20) se usa en un modo de refracción/reflexión circunferencial en el cual cada transductor (20) emite impulsos en un plano radial pero según el ángulo crítico circunferencialmente respecto de la pared (3), de forma que la onda es refractada como una onda circunferencial a lo largo del detritus (5), el forro (4) y la pared (3) de la tubería y el anillo (37) recibe posteriormente las reflexiones de vuelta a lo largo del mismo recorrido, el vehículo lleva también medios para medir la distancia desplazada a lo largode la tubería (32).
Description
Supervisión ultrasónica de tuberías.
La presente invención se refiere a la supervisión
de tuberías, y se refiere, en particular, al uso de ultrasonidos
para caracterizar tuberías rellenas de líquidos.
Los propietarios de tuberías rellenas de líquidos
frecuentemente desean supervisar la condición de dicha tuberías. Las
sorpresas pueden incluir el tipo de material, diámetro interior y el
grosor de la tubería, en tipo de material y el grosor de cualquier
forro interno en caso de estar presente, la presencia de corrosión
en la superficie interior de la tubería, la presencia de corrosión
en la superficie exterior de la tubería, daño al forro, el grosor de
cualquier depósito de material sobre la superficie interna de la
tubería o del forro si está presente, la presencia y amplitud de
fisuras circunferenciales, la presencia y amplitud de fisuras
longitudinales, y la posición de características tales como codos,
puntos de salida, válvulas y uniones. En vista del alto costo de
reemplazar la tubería y el daño potencial consecuencial debido a la
pérdida de fluido por una rotura en la tubería, podrá ser
justificable para que el propietario pueda llevar a cabo
exploraciones regulares de la condición de la tubería desde el
interior de la tubería usando un vehículo transportado a lo largo
del interior de la tubería. En algunas circunstancias podrá ser
importante no perturbar cualquier depósito presente sobre la pared
de la tubería. En dichos casos, las condiciones necesitan ser
evaluadas sin hacer contacto con la pared.
Los denominados "trineos inteligentes" son
frecuentemente usados dentro de tuberías de gas a alta presión para
detectar la presencia de corrosión y otros defectos. Los vehículos
primitivos fueron dispositivos de fugas de flujo magnético. Un campo
magnético poderoso se usa para saturar la pared de acero, y
cualquier defecto en la pared de la tubería induce anomalías en el
campo magnético corriente abajo que son subsecuentemente detectadas
por el "trineo". El dispositivo requiere tuberías de acero sin
forro interno, sin depósitos internos y requiere un contacto próximo
con la pared y tiene altas necesidades de potencia. Por lo tanto, no
puede cumplir con muchos de los requisitos descritos anteriormente.
Incluso en tuberías de acero, el procedimiento de fuga de flujo no
puede detectar con precisión las fisuras longitudinales. El método
de fuga de flujo magnético ha sido aplicado con éxito en tuberías de
acero sin forro llenas de fluido, pero el éxito dependía de que las
tuberías estuviesen cuidadosamente limpias de cualquier depósito
antes de utilizar el dispositivo de fuga de flujo.
Para detectar fisuras longitudinales, otros
vehículos dentro de las tuberías de gas a alta presión usan
transductores ultrasónicos en modo cizalladura. Unas ruedas de
resina rellenas de fluido son presionadas con proximidad contra la
pared de la tubería y se usan para acoplar ondas de cizalladura
ultrasónicas dentro de la pared. Las ondas ultrasónicas en este caso
se refieren a ondas elásticas de alta frecuencia en el rango de
cientos de kilohercios (e incluso de pocos megahercios). Una
compresión de la onda es análoga al movimiento visible transmitido a
lo largo de una línea estática de vagones de ferrocarril cuando son
golpeados por una locomotora diesel pesada. Una onda de cizalladura
es análoga a la forma en la cual una serpiente se vale de oscilar de
lado para hacer un progreso hacia delante contorneando su cuerpo.
Las ondas de cizalladura inducidas por las ruedas de resina rellenas
de fluido se desplazan circunferencialmente alrededor de la tubería
y son detectadas por las ruedas adyacentes. En principio, esta
técnica podrá detectar fisuras longitudinales. Resulta evidente que
en muchos aspectos, el procedimiento no permite resolver todo el
problema de supervisar la condición descrita anteriormente. Las
ruedas rellenas de fluido son requeridas dentro de la tubería de gas
dado que la alta impedancia no concuerda entre el gas y el sólido,
dando como resultado una reflexión prácticamente total en la
superficie interna de la tubería si las ondas fueran lanzadas en el
gas. Esta limitación no se aplica en tuberías rellenas de líquido
para ondas de compresión. El líquido podrá suministrar un buen
acoplamiento entre las ondas de compresión en el líquido y en el
sólido.
En la industria del petróleo, los ultrasonidos
han sido usados en modo de reflexión como herramientas de
calibración para medir el diámetro de pozos profundos subterráneos.
Dichos pozos están generalmente rellenos de líquidos de diferentes
tipos. Una herramienta insertada dentro del pozo proyecta un impulso
de compresión ultrasónico radialmente a través del líquido, y mide
el tiempo necesario para que la primera reflexión retorne desde el
pozo. Una vez que el pozo ha sido perforado es normalmente revestido
con un revestimiento de acero para mantenerlo abierto. Cemento se
inyecta detrás del revestimiento dentro del espacio entre el
revestimiento y la roca a medida que se perfora. Una herramienta
ultrasónica se usa a veces en pozos revestidos para comprobar la
unión entre el revestimiento y el cemento. Un impulso ultrasónico
penetra a través del revestimiento de acero, a través del cemento y
dentro de la roca. La calidad de la reflexión procedente de la
interfaz revestimiento-cemento es una medida de la
calidad de la unión del cemento con el revestimiento. Una buena
unión da un impulso reflejado de magnitud inferior que la situación
en la cual un anillo microrrelleno de fluido se ha desarrollado
entre el revestimiento y el cemento. Otra herramienta de la
industria del petróleo usa ondas ultrasónicas en modo de refracción.
Un impulso ultrasónico es proyectado según un ángulo hacia la pared
de acero y se acopla por refracción dentro del revestimiento y
dentro de la roca detrás del revestimiento. El impulso transmitido
es detectado por un receptor también según un ángulo respecto al de
la pared, de forma que se requiere una segunda refracción para
detectar la señal transmitida. La presencia de un microanillo que
indica una pobre unión del cemento evita una buena transmisión
dentro de la roca, y esto da una señal recibida que difiere de la
que se obtiene cuando existe una buena unión.
Otro procedimiento usado dentro de las tuberías
de acero se denomina normalmente como corriente parásita de campo
remoto. Una bobina de inducción crea un campo magnético axialmente a
lo largo de la tubería cuyo recorrido de retorno es parcialmente a
lo largo de la pared de la tubería y parcialmente a lo largo del
medio circundante. El flujo normal hacia la pared de la tubería se
mide por sondas próximas a la pared. Defectos originan
perturbaciones que se pueden medir en dicho flujo. El procedimiento
no puede ser usado en una tubería no magnética y no da información
acerca del forro o de los depósitos. Como con dispositivos de fuga
de flujo magnético, el dispositivo requiere que la superficie
interna de la pared sea limpiada de cualquier depósito antes de ser
usado.
Los procedimientos ultrasónicos son usados dentro
de tuberías en un modo de reflexión para determinar los diámetros de
la tubería y para detectar la presencia de microanillos en el
cemento que rodea la pared de la tubería. También son usados en modo
de refracción para detectar la presencia de un microanillo
circundante en el cemento de la pared de la tubería. También han
sido usados tanto en modo de reflexión como el refracción para
detectar fisuras en las tuberías. Sin embargo, en todos los casos
anteriores, se asume que el material de la pared es conocido, de
forma que se conoce la velocidad del sonido en el material de la
pared. Y en ninguno de los casos anteriores se presume que existe
cualquier forro o depósito en la superficie interna de la pared. La
presente invención establece combinar procedimientos ultrasónicos en
modos de reflexión, refracción y
reflexión-refracción para identificar los materiales
en la tubería, el forro y cualquier detritus interior con
anterioridad a usar esta información para determinar el tamaño de la
parad, radio y grosor de la tubería, el forro y cualquier detritus y
después identificar características como por ejemplo fisuras,
corrosión y elementos de conexión.
La invención propone para dicho fin un aparato
para la caracterización de una tubería rellena de líquido,
comprendiendo dicho aparato:
1. Un vehículo capaz de encajar dentro de la
tubería y de ser transportado por el líquido a lo largo de la
tubería.
2. El vehículo llevando unos anillos de varios
transductores ultrasónicos, preferentemente dispuestos equidistante
y circunferencialmente alrededor del anillo y los anillos dispuestos
de forma que:
- 2.1
- Un anillo de transductores opera en el modo de reflexión puramente de forma radial.
- 2.2
- Dos anillos de transductores operan como un par desplazado mutuamente de forma axial. El par se usa en un modo de refracción longitudinal. Un anillo de transductores emite impulsos a lo largo de la tubería según el ángulo crítico respecto de la pared, de forma que la onda es refractada como ondas que se desplazan dentro del detritus, forro y pared de la tubería, y la onda refractada es recibida por el otro anillo de transductores.
- 2.3
- El anillo de transductores emisor del par en modo de refracción tiene también la capacidad de recibir ecos reflejados, siendo esto en modo refracción/reflexión.
- 2.4
- Un anillo de transductores se usa en modo refracción/reflexión circunferencial. Cada transductor emite impulsos en un plano radial pero según el ángulo crítico circunferencialmente respecto de la pared, de forma que la onda es refractada como una onda circunferencial a lo largo del detritus, forro y pared de la tubería y el transductor recibe las reflexiones a lo largo del mismo recorrido.
3. El vehículo lleva potencia para suministrar
los dispositivos ultrasónicas y los dispositivos de adquisición y
almacenamiento de datos asociados.
4. El vehículo dispone de capacidad de
almacenamiento de datos para almacenar la información ultrasónica
que es capturada a intervalos regulares de distancia a lo largo de
la tubería.
5. El vehículo opcionalmente lleva un cable
umbilical que transmite potencia e incorpora un enlace de
comunicación de datos con la toma de la tubería para evitar que el
almacenamiento de potencia y memoria sea requerido a bordo.
6. El vehículo dispone de un medio para medir la
distancia recorrida a lo largo de la tubería.
Por lo tanto, en un aspecto, la invención
suministra un aparato para su uso en la caracterización de una
tubería llena de líquido, comprendiendo dicho aparato un vehículo
capaz de encajar dentro de la tubería y de ser transportado por el
líquido a lo largo de la tubería, llevando el vehículo unos anillos
de diversos transductores ultrasónicos dispuestos de forma que
durante la utilización los anillos son coaxiales con la tubería y
separados a lo largo del vehículo, y de forma que:
un primer anillo de transductores opera en el
modo reflexión puramente de forma radial, mientras que
un segundo y un tercer anillos de transductores
operan como un par desplazados axialmente entre sí, siendo usado el
par en un modo de refracción longitudinal en el cual un anillo del
par emite impulsos a lo largo de la tubería genéricamente según el
ángulo crítico respecto de la pared, es decir, a lo largo de
direcciones extendidas en un cono para acomodar las variaciones
esperadas en el ángulo crítico de la tubería, el forro y materiales
de detritus, de forma que la onda es refractada como ondas que se
desplazan dentro del detritus, forro y la pared de la tubería, y el
otro anillo la onda refractada,
el anillo emisor de transductores del par en modo
refracción tiene también la capacidad de recibir ecos reflejados,
esto siendo un modo de refracción/reflexión, y
un cuarto anillo de transductores se usa en un
modo de refracción/reflexión circunferencial en el cual cada
transductor emite impulsos en un plano radial pero según el ángulo
crítico circunferencialmente respecto de la pared, de forma que la
onda es refractada como una onda circunferencial a lo largo del
detritus, el forro y la pared de la tubería y el anillo recibe
posteriormente las reflexiones de vuelta a lo largo del mismo
recorrido,
el vehículo lleva también medios para medir la
distancia desplazada a lo largo de la tubería.
Según un segundo aspecto de la invención, un
procedimiento para la caracterización de una tubería llena de
líquido usando el aparato reivindicado en cualquiera de las
reivindicaciones precedente, que comprende las etapas de:
colocar el aparato dentro de la tubería, de forma
que el líquido obligado a fluir a lo largo de la tubería transporte
el aparato a lo largo de su longitud;
medir la distancia recorrida por el aparato;
emitir impulsos ultrasónicos desde los
transductores a intervalos regulares de distancia a lo largo de la
tubería, en el que el primer transductor opera en un modo de
reflexión radial, el segundo y tercer transductores operan como un
par en modo refracción longitudinal, estando los transductores
adaptados para emitir impulsos en el modo de refracción
longitudinal, estando también adaptados para recibir los ecos
reflejados para operar en un modo refracción/reflexión longitudinal
y cuarto transductores que operan en un modo refracción/reflexión
circunferencial, en el cual los transductores adaptados para emitir
impulsos en un plano radial están también adaptados para recibir los
ecos reflejados, y
procesar la información ultrasónica recibida para
suministrar la caracterización requerida de la tubería.
La forma preferente del vehículo es un
dispositivo autónomo que tiene un elemento de potencia suficiente a
bordo y memoria para el examen de largas distancias que exceden un
kilómetro a lo largo de la tubería. El vehículo consta de módulos
separados lo suficientemente pequeños para entrar en la tubería por
medio de elementos de conexión apropiados. En la industria del agua
en los que existen elementos de conexión para entrada y salida
serían las bocas contra incendios desde las cuales toda la parte
superior del conjunto puede ser retirada. Si no existen puntos de
entrada apropiados entonces el vehículo es insertado y recuperado
por medio de estaciones de lanzamiento y recuperación bajo presión
fabricadas a medidas que serán dispuestas sobre la tubería cuando se
requieran.
Los módulos están conectados mecánicamente entre
sí y la conexión incluye medios de potencia y transmisión de datos
entre módulos. El módulo frontal tiene algún medio como por ejemplo
un embudo abatible que asegura que el flujo de líquido suministra un
tiro suficiente para producir la propulsión en avance para la cadena
de módulos. Los módulos están diseñados para tener una flotabilidad
neutra y minimizar el contacto con la pared de la tubería. Además de
tener una flotabilidad neutra, el centro de gravedad de cada uno de
los módulos está por debajo del centro geométrico del módulo. Esto
asegura que en promedio el módulo permanecerá del mismo modo hacia
arriba y reduce el requisito de cualquier forma de medida que la
alineación vertical. En algunos módulos, como por ejemplo los
módulos ultrasónicos, servirá de ayuda disponer de unos ligeros
muelles que presionen suavemente contra la pared. La centralización
de los módulos ultrasónicos reduce el procesado requerido para
extraer información de los gatos ultrasónicos.
Se realizan medidas ultrasónicas dentro de la
tubería a intervalos regulares y los resultados son presentados en
función de la distancia recorrida a lo largo de la tubería. Esta
distancia recorrida podrá medirse por medio de una rueda de contacto
con la pared, pero el procedimiento preferente usa medios acústicos
para medir la distancia. El vehículo emite un impulso acústico a
intervalos regulares que es detectado a ambos extremos de la
tubería. Durante el lanzamiento, el tiempo requerido para que la
señal alcance el extremo alejado de la tubería, t_{o},
multiplicado por la velocidad del sonido en el líquido v_{f}, da
la longitud de la tubería L = v_{f}t_{o}. Durante el transporte
la diferencia \Deltat entre el tiempo de llegada del impulso en el
extremo de lanzamiento de la tubería y el tiempo de llegada del
impulso en el extremo de recuperación de la tubería da la distancia
x del vehículo desde el extremo de lanzamiento como
x = 1/2(L + v_{f}\Deltat). Una alternativa a este procedimiento es transmitir una señal acústica desde un extremo de la tubería y disponer de un transpondedor en el vehículo que emita su propia respuesta acústica cuando detecta la llegada de la primera señal transmitida. En el extremo de transmisión de la tubería, el tiempo entre emitir una señal y recibir la segunda de vuelta, multiplicado por la velocidad del sonido en el líquido da la distancia al vehículo. La señales de transmisión y respuesta tienen que ser de carácter diferente para distinguir la señal de respuesta del transpondedor de cualquier reflexión de la señal original de transmisión. Si se dispone un sistema de navegación inicial (INS) en el vehículo, entonces la distancia recorrida podrá deducirse del INS. Incluso si dichos sistemas estuvieran disponibles, el procedimiento preferente deberá incluir también medios acústicos para medir la distancia, como datos de reserva.
x = 1/2(L + v_{f}\Deltat). Una alternativa a este procedimiento es transmitir una señal acústica desde un extremo de la tubería y disponer de un transpondedor en el vehículo que emita su propia respuesta acústica cuando detecta la llegada de la primera señal transmitida. En el extremo de transmisión de la tubería, el tiempo entre emitir una señal y recibir la segunda de vuelta, multiplicado por la velocidad del sonido en el líquido da la distancia al vehículo. La señales de transmisión y respuesta tienen que ser de carácter diferente para distinguir la señal de respuesta del transpondedor de cualquier reflexión de la señal original de transmisión. Si se dispone un sistema de navegación inicial (INS) en el vehículo, entonces la distancia recorrida podrá deducirse del INS. Incluso si dichos sistemas estuvieran disponibles, el procedimiento preferente deberá incluir también medios acústicos para medir la distancia, como datos de reserva.
La combinación de transductores ultrasónicos se
transporta axialmente a lo largo del interior de la tubería por el
vehículo en el que está montada, mientras mide el modo de reflexión
radial, el modo de operación de refracción axial según un ángulo
respecto de la pared, operando el modo de
reflexión-refracción axial según ángulo respecto de
la pared y operando en un modo reflexión-refracción
circunferencial según un ángulo respecto de la pared, de forma que
este conjunto completo pueda ser usado para determinar la velocidad
de las ondas ultrasónicas en la pared de la tubería, el diámetro
interno de la tubería, el grosor de la tubería, la velocidad de las
ondas ultrasónicas de cualquier forro si está presente, el grosor de
cualquier forro interno, la presencia de corrosión en la superficie
interna de la tubería, la presencia de corrosión en la superficie
externa de la tubería, el daño al forro, el grosor de cualquier
depósito de material en la superficie interna de la tubería o del
forro, si está presente, la presencia y magnitud de las fisuras
circunferenciales, la presencia y magnitud de las fisuras
longitudinales y la posición de características tales como codos,
derivaciones, válvulas y uniones.
Una amplia variedad de tuberías puede ser
examinadas por el procedimiento ultrasónico, incluyendo entre otros
materiales, hierro colado, hierro dulce, acero, polietileno, PVC y
cemento-asbesto. Los tamaños de las tuberías que
pueden ser examinadas por el vehículo autónomo varía desde un
taladro nominal de 150 mm hasta el orden de un metro de diámetro. El
grosor de la pared de la tubería podrá variar según el líquido, la
presión del líquido, el caudal anticipado, el material de la pared
de la tubería, el soporte estructurar de la tubería y su vida útil
de diseño. Los grosores típicos varían desde unos pocos milímetros a
unos pocos centímetros. Los forros de las tuberías dependen del
material de la pared de la tubería y del líquido en su interior y no
son siempre usados. Materiales típicos para forros incluyen cemento,
capas bituminosas, capas de epoxi y diversos plásticos. La
existencia o no de incrustaciones dentro de las tuberías, o
detritus, depende del líquido usado y el caudal implicado. En la
industria del agua las acreciones típicas constan de los denominados
crecimientos tuberculares de material duro iniciados por algas en la
pared o depósitos calcáreos. En la industria del petróleo las
acreciones típicas suelen ser ceras procedentes de los
hidrocarburos. A menudo el material de la pared de la tubería, el
forro y cualquier acreción no es conocido de antemano. En la
presente invención y en sus medidas en modo de refracción, al
identificar los diversos materiales determinando la velocidad del
sonido, permite medidas en modo reflexión para determinar el radio y
grosor de los materiales. La combinación adicional de todos los
modos de medidas permite la identificación de la corrosión, las
fisuras longitudinales, y las fisuras circunferenciales, así como
elementos tales como válvulas, juntas y uniones.
El número de transductores usados para determinar
la resolución circunferencial de las medidas. Por ejemplo, en el
modo reflexión un anillo de 8 transductores usados dentro de una
tubería con un taladro de 150 mm da una resolución circunferencial
de 59 mm. La misma resolución circunferencial se aplica a un par de
anillos de transductores usados en el modo de refracción, y a un
anillo usado en el modo de reflexión/refracción longitudinal y a un
anillo usado en el modo reflexión/refracción circunferencial. La
invención describe el procedimiento de llevar a cabo las medidas
anteriores, a saber con medios ultrasónicos en reflexión, refracción
y refracción-reflexión, mientras se transporta el
conjunto de transductores de medida axialmente a lo largo del
interior de la tubería. La velocidad de las ondas ultrasónicas en el
sólido y líquido es alta. Por ejemplo velocidades típicas del sonido
en hierro y en agua son de 5000 m/s y 1500 m/s, respectivamente.
Dichos valores son sufientemente altos comparados con la velocidad
en la cual son trasladados los transductores axialmente a lo largo
de la tubería por un vehículo autónomo, normalmente del orden de 1
m/s o menor, pudiendo tomarse dichas medidas para que varíen
continuamente con la distancia a lo largo de la tubería. Todas las
medidas se toman en base repetida a medida que los transductores son
transportados a lo largo de la tubería. La tasa de repetición de las
medidas comparada con la tasa de traslación a lo largo de la tubería
determina la resolución axial de las medidas.
Por ejemplo, si la velocidad de traslación axial
del módulo que lleva los transductores ultrasónicos es de 0,1 m/s,
entonces una tasa de repetición de 10 veces por segundo da una
resolución longitudinal de 10 mm.
Transductores ultrasónicos para emisores y
receptores son del tipo piezoeléctrico, como los comercializados por
Morgan Matroc Limited of Transducer Products Division, Thornhill,
Southampton, Hampshire, SO19 7TG. Estos son normalmente 8 o más
dispuestos igualmente en un anillo alrededor del cuerpo del módulo
de transporte en cualquier plano transversal. Uno de dichos anillos
se usa en medidas en modo de reflexión. Un par de anillos
desplazados axialmente entre sí se usa para medidas en modo de
refracción y refracción-reflexión a lo largo de la
tubería. Un anillo adicional se usa para las medidas de refracción
circunferencialmente alrededor de la tubería.
Formas de realización específicas de la invención
se describirán a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos
adjuntos número 1, 2, 3, 4, 5 y 6, en los cuales:
1. La Figura 1 es un esquema explicativo
referente a la ley de refracción de Snell.
2. La Figura 2 muestra una vista esquemática de
una tubería con una sección recortada que muestra un vehículo
interior con cuatro anillos de transductores ultrasónicos alrededor
de la periferia.
3. La Figura 3 muestra una sección longitudinal
(a lo largo de su longitud) a través de una tubería con un
transductor ultrasónico que emite y recibe ondas radialmente.
4. La Figura 4 muestra una sección transversal a
través de la tubería con un transductor ultrasónico que emite y
recibe ondas radialmente.
5. La Figura 5 muestra una sección transversal a
través de la tubería con un transductor ultrasónico emitiendo ondas
según un ángulo respecto del eje longitudinal de la tubería y un
segundo transductor recibiendo las ondas refractadas en una posición
desplazada axialmente del emisor.
6. La Figura 6 muestra una sección transversal a
través de la tubería con un transductor ultrasónico emitiendo ondas
según un ángulo respecto de la tubería en el plano circunferencial.
Las ondas están siendo reflejadas por un defecto en la tubería y
posteriormente recibidas por el mismo transductor a medida que emite
los impulsos.
La Figura 2 muestra una vista esquemática de una
tubería 32 rellena con un líquido 2 con una sección 31 recortada que
muestra un módulo 33 dentro del cual están dispuestos 4 anillos de
transductores ultrasónicos alrededor de la periferia. Un par de
anillos constan de un anillo 35 para transmitir y un anillo 38 para
recibir ondas en modo refracción longitudinal. El anillo de
transmisión 35 sirve también para recibir ondas en modo
reflexión/refracción longitudinal. El anillo 36 se usa para ondas en
modo reflexión radial. El anillo 37 se usa para ondas en modo
reflexión/refracción circunferencial. El vehículo sirve para
transportar la disposición de transductores a lo largo de la
tubería. El módulo 33 que flota libremente es traccionado a lo largo
por el flujo de líquido 2 y normalmente forma parte de una cadena de
dichos módulos. Los otros módulos tienen varias funciones, como por
ejemplo el suministro de potencia y memoria de almacenamiento. La
sección a través de la tubería 32 muestra la pared 3 de la tubería y
el forro interno 4. El detritus en el forro no se muestra. La Figura
3 muestra una sección axial a través de una tubería con una línea
central 1 que contiene líquido 2 y muestra un lado de la línea
central 1, la pared 3 de la tubería, el forro 4 en la pared 3 de la
tubería, y depósitos 5 sobre el forro 4. Un transductor 6
ultrasónico montado en el módulo 33 se muestra emitiendo un impulso
que es transmitido 7 a través del líquido y se refleja en la
interfaz 8 con el depósito 5 en la interfaz 9 con el forro 4, en la
cara frontal 10 de la pared 3 de la tubería, y en la cara posterior
11 de la pared 3 de la tubería. La anchura del impulso no tiene que
extenderse en gran manera más allá del tamaño del transductor 6 (la
anchura se muestra delimitada por líneas paralelas 27). Dichas
reflexiones vuelven a lo largo de la misma ruta hacia el transductor
6 en el cual son detectadas. Dentro de cualquiera de dichos
materiales podrá haber reflexiones múltiples.
La temporización del retorno de los impulsos
reflejados indica el grosor del depósito 5, del forro 4, de la pared
3 de la tubería y la distancia del transductor 6 de la pared. El
transductor se encuentra a una distancia conocida de la línea
central de la tubería 1, y por lo tanto el radio de la tubería se
determina en tanto en cuanto se conozca la velocidad del sonido en
los materiales sólidos. El material líquido deberá tener una
velocidad del sonido consistente y conocida.
Un defecto 18 se muestra en la parte exterior de
la pared 3 de la tubería, y un segundo defecto 19 se muestra en la
pared interior de la pared 3 de la tubería. El tiempo de las
reflexiones de retorno procedentes de dichos defectos da una medida
de la profundidad de los defectos. Lo mismo se aplica al forro.
En la Figura 3 se muestra la onda 7 transmitida
sin ninguna dispersión lateral 27, dado que no existe necesidad de
incluir una dispersión lateral significativa más allá de la anchura
del transductor 6 emisor, aunque existirá inevitablemente alguna
dispersión por difracción.
En la Figura 4 se muestra una sección radial a
través de la misma disposición de los transductores 6 en modo
reflexión. Cada uno de los 8 transductores 6 se muestra tendido en
un circulo alrededor de una línea central 1. La onda 7 transmitida
se muestra extendida sobre un arco delimitado por la línea de puntos
24 determinada por el tamaño del transductor 6. Las medidas
resultantes basadas en las reflexiones son un eco promedio recibido
desde el área superficial delimitada por el arco 24, y este arco
determina la resolución angular. En la Figura 5 se muestra una
sección axial a través de la pared 3 de la tubería con un
transductor ultrasónico 12 transmitiendo una onda 14 según un ángulo
respecto de la pared, con un depósito 5 sobre un forro 4. La onda 14
refractada dentro de los distintos materiales según el ángulo
crítico 16, se desplaza a lo largo de los materiales, y se refracta
de nuevo según el mismo ángulo crítico 17, y la onda 15 es recibida
en un segundo transductor 13 desplazada axialmente del primero 12
desde el cual la onda fue emitida. El ángulo crítico 16 depende del
material y de dicha forma las ondas 14 son dispersadas
deliberadamente en un cono mostrado por líneas de puntos 25 para
acomodar las variaciones esperadas en el ángulo 16. Un defecto
circunferencial 18 se muestra, y esto podría representar una fisura,
corrosión o un elemento auxiliar, como por ejemplo una brida, una
válvula o una unión a una tubería lateral. El tiempo de
desplazamiento a través de los diferentes materiales indica la
velocidad del sonido en dichos materiales. La velocidad del sonido
en los materiales identifica los materiales de la pared de la
tubería, el forro y detritus. Además, la velocidad del sonido en
cada material es necesaria para multiplicar los tiempos de tránsito
de los impulsos radiales en modo reflexión para convertir dichos
tiempos en distancias absolutas, incluyendo el grosor del detritus,
el grosor del forro y el grosor de la pared de la tubería. La onda
transmitida 14 es reflejada en un defecto 18 cuando el defecto se
encuentra entre los transductores 12 y 13, y la onda reflejada es
recibida en el mismo transductor 12 como fue emitida por el impulso
original. Las reflexiones desde los defectos 18 indican la presencia
de dichos defectos.
La Figura 6 muestra una sección radial a través
de la tubería con un transductor 20 que emite una onda 21 según el
ángulo crítico respecto de la pared, de forma que la onda se
desplaza circunferencialmente alrededor de la pared 3 de la tubería
dentro del material de la pared. Un defecto longitudinal refleja la
onda de nuevo al transductor emisor 20, y el tiempo de retorno
indica la posición del defecto. Para acomodar las variaciones en el
ángulo crítico, la onda 21 se extiende a través de un cono
delimitado en la Figura 6 por una línea discontinua 26.
En modo reflexión, un impulso es emitido por el
transductor ultrasónico en una dirección radial, normal a la pared
de la tubería y las reflexiones desde las superficies normales al
recorrido de la onda ultrasónica son recibidas normalmente en los
mismos transductores ultrasónicos. Las superficies normales al
recorrido de este impulso en modo reflexión podrían ser la
superficie interna de cualquier depósito y las interfaces entre
depósitos, forro, corrosión y la propia pared de la tubería en las
superficies interna y externa.
El tiempo de las señales en modo reflexión radial
da una indicación de las dimensiones radiales de la tubería, grosor
de la pared de la tubería, forro de la tubería y depósitos.
Supóngase, por ejemplo, que la velocidad del sonido en el líquido es
v_{f} y la reflexión del primer impulso es recibida tras t_{f}
segundos. Entonces, la distancia recorrida a través del líquido
desde el transductor hasta la cara más interna de la pared,
posiblemente el detritus, y de nuevo hasta el transductor es el
producto 0,5 v_{f}t_{f}. La siguiente reflexión es desde la
interfaz entre el detritus y el forro. Si esta reflexión es recibida
en el tiempo t_{d} y la velocidad del sonido en el detritus era de
v_{d}, entonces el grosor del detritus es el producto
0,5(t_{d} - t_{f})v_{d}. El mismo principio se
aplica a cualquier número de reflexiones a condición de que sea
posible distinguirlas. Cualquier anomalía en el tiempo indica la
presencia de diversos defectos. Por ejemplo, si las medidas
continuas dan el grosor de la pared de la tubería a medida que los
transductores de desplazan axialmente a lo largo de la tubería y
después en algún punto es un tiempo mucho más reducido de llegada
desde la cara externa de la pared de la tubería, esto indica que
existe una corrosión sustancial en dicho punto de la pared. Podrán
existir múltiples reflexiones dentro de cualquiera de los materiales
en el recorrido y muy probablemente dentro de la pared de la
tubería. Dichas múltiples reflexiones dan como resultado ecos
repetidos en el receptor y sirven para reforzar los cálculos del
grosor del material. El tiempo entre dichos ecos múltiples
multiplicado por la velocidad del sonido en el material suministra
estimados repetidos del grosor del material.
Información del tiempo da la distancia radial
desde el transductor hasta la primera cara de reflexión, como por
ejemplo detritus, dado que la velocidad del sonido en el líquido es
conocida. Sin embargo, la información del tiempo no puede dar las
dimensiones de los materiales, detritus, forro o pared de la tubería
a no ser que la velocidad del sonido en dichos materiales se conozca
con precisión. La velocidad del sonido en dichos materiales procede
del tiempo de los impulsos transmitidos por los impulsos en modo
refracción, como se describirá a continuación.
En modo refracción, un impulso es emitido por el
transductor ultrasónico según un ángulo respecto de la pared de la
tubería conocido como el ángulo de incidencia. El ángulo implicado
se determina por la ley de Snell que relaciona la velocidad del
sonido en los dos medios por el seno de los ángulos suspendidos
respecto de la normal en la interfaz de las ondas en los dos
materiales. En la Figura 1, por ejemplo, una onda 7 se muestra
transmitida desde el líquido 2 al interior del detritus 5 según un
ángulo de incidencia 30 respecto a la normal 34 radial, desde el
detritus dentro del forro según un ángulo 29, desde el forro dentro
de la pared de la tubería según un ángulo 28. Si la velocidad del
sonido en el líquido, detritus, forro y pared de la tubería se
representa por v_{f}, v_{d}, v_{l}, y v_{p},
respectivamente, y los ángulos 30, 29 y 28 se representan por
\alpha_{f}, \alpha_{d}, y \alpha_{l}, respectivamente
entonces, sen \alpha_{f} = v_{f}/v_{p}, sen \alpha_{d} =
v_{d}/v_{p} y
sen \alpha_{l} = v_{l}/v_{p}.
sen \alpha_{l} = v_{l}/v_{p}.
La onda es refractada dentro de la pared de la
tubería y se desplaza a lo largo de la pared. El ángulo de
incidencia de la onda con la tubería que da como resultado una onda
dentro de la pared de la tubería que se desplaza paralela a la pared
de la tubería se denomina como el ángulo crítico para la refracción
dentro de la pared de la tubería. El ángulo crítico para la
refracción dentro del forro será ligeramente mayor y el ángulo
crítico para la refracción dentro del detritus será todavía
ligeramente mayor. Al transmitir ondas respecto a un pequeño rango
de ángulos, todos los ángulos críticos están incluidos. A ángulos de
incidencia mayores que el ángulo crítico, las ondas se reflejan
totalmente en la interfaz. A ángulos de incidencia menores que el
crítico, la introducción de ondas longitudinales dentro de la pared
de la tubería es menos eficiente. El plano que contiene la normal a
la pared de la tubería y la onda proyectada podrá ser longitudinal,
en cuyo caso la dirección de desplazamiento a través del sólido es
longitudinal (axial) a lo largo de la tubería. Alternativamente, el
plano que contiene la normal a la pared de la tubería y la onda
proyectada podrá ser transversal a la tubería, en cuyo caso la
dirección del desplazamiento en el sólido es circunferencial. A
medida que el impulso se desplaza a lo largo es continuamente
refractado de nuevo desde la pared, de vuelta al interior de la
región de líquido y parte de dichas ondas de transmisión refractadas
son detectadas en un segundo transductor ultrasónico receptor. Las
ondas refractadas podrán encontrar también áreas de reflexión a lo
largo de la pared de la tubería, como por ejemplo fisuras, corrosión
y uniones y las ondas reflejadas son detectadas por el mismo
transductor desde el cual la onda fue emitida.
La primera llegada en el transductor receptor en
el modo refracción es dicha parte de las ondas transmitidas a través
de la pared de la tubería, dado que el material tiene su velocidad
del sonido mayor alrededor de 5000 m/s. La longitud de los
recorridos en el modo refracción se determina por la distancia entre
los transductores emisor y receptor y esto se prescribe de antemano
por la geometría. Dado que la velocidad del sonido en el líquido se
puede asumir como conocida, el tiempo del primer impulso de llegada
da la velocidad del sonido en la pared de la tubería. Supongamos que
la distancia desde el transductor al detritus es x_{f}, el grosor
del detritus es x_{d}, el grosor del forro es x_{l}, la
distancia entre los transductores emisor y receptor es L y el tiempo
para recibir el impulso es t, entonces tenemos que para la velocidad
del sonido en la pared de la tubería es la expresión.
\nu_{p}=\frac{1}{t}\left(L-\frac{2_{X_{f}}}{cos_{\alpha_{f}}}-\frac{2_{X_{d}}}{cos_{\alpha_{d}}}-\frac{2_{X_{l}}}{cos_{\alpha_{f}}}\right)
Se puede apreciar que x_{d}, x_{l} y los
ángulos \alpha_{f}, \alpha_{d}, y \alpha_{l} son desconocidos
hasta que se determina la velocidad del sonido en los materiales.
Esto significa que las diversas ecuaciones están débilmente
acopladas. El acoplamiento es débil porque las distancias x_{d},
x_{l} son pequeñas en comparación con la distancia radial x_{f}.
Las ecuaciones convergen rápidamente si se resuelven por un esquema
iterativo, por medio de lo cual inicialmente las pequeñas
desconocidas son ignoradas y después refinadas de forma incremental
en cada repetición.
Similarmente, llegadas subsecuentes a través del
forro y el detritus suministran la velocidad del sonido en dichos
materiales. La reflexión parcial de las señales en modo refracción
longitudinal indican la presencia de un defecto, como por ejemplo
una fisura circunferencial, mientras que la reflexión total de las
señales en modo refracción longitudinal indican la presencia de un
elemento de fijación, como por ejemplo una brida. La reflexión
parcial de las señales en modo refracción circunferencial indica la
presencia de un defecto, como por ejemplo una fisura longitudinal. A
medida que los transductores son transportados axialmente a lo largo
de la tubería, los transductores en modo reflexión reciben una señal
distorsionada temporalmente a medida que pasan en un elemento de
fijación, como por ejemplo una brida. Consecuentemente, tanto las
señales en modo refracción como reflexión puede detectar
corrosiones, fisuras y elementos de corrosión. La comparación de los
segmentos detectados por las señales en modo reflexión y las señales
en modo refracción sirven para distinguir fisuras de la corrosión y
los diversos tipos de elementos de conexión, especialmente a medida
que el uso repetido de los transductores permite aprender el tipo de
procedimiento que se debe llevar a cabo, por medio de lo cual la
forma cualitativa de las reflexiones se usa para distinguir entre
las diferentes características, como por ejemplo fisuras,
corrosiones y elementos de corrosión.
Claims (10)
1. Un aparato para su uso en la
caracterización de una tubería (32) llena de líquido,
comprendiendo dicho aparato un vehículo capaz de encajar dentro de
la tubería (32) y de ser transportado por el líquido (2) a lo largo
de la tubería (32), llevando el vehículo unos anillos (35, 36, 37,
38) de diversos transductores ultrasónicos (6) dispuestos de forma
que durante la utilización los anillos (35, 36, 37, 38) son
coaxiales con la tubería (32) y separados a lo largo del vehículo, y
de forma que:
un primer anillo (36) de transductores (6) opera
en el modo reflexión puramente de forma radial, mientras que
un segundo (35) y un tercer (38) anillos de
transductores (12, 13) operan como un par desplazados axialmente
entre sí, siendo usado el par en un modo de refracción longitudinal
en el cual un anillo (35) del par emite impulsos a lo largo de la
tubería (32) genéricamente según el ángulo crítico respecto de la
pared, es decir, a lo largo de direcciones extendidas en un cono
para acomodar las variaciones esperadas en el ángulo crítico de la
tubería (32), el forro (4) y materiales de detritus (5), de forma
que la onda es refractada como ondas que se desplazan dentro del
detritus (5), forro (4) y la pared (3) de la tubería, y el otro
anillo (38) recibe la onda refractada,
el anillo emisor (35) de transductores (12) del
par en modo refracción tiene también la capacidad de recibir ecos
reflejados, esto siendo un modo de refracción/reflexión, y
un cuarto anillo (37) de transductores (20) se
usa en un modo de refracción/reflexión circunferencial en el cual
cada transductor (20) emite impulsos en un plano radial pero según
el ángulo crítico circunferencialmente respecto de la pared (3), de
forma que la onda es refractada como una onda circunferencial a lo
largo del detritus (5), el forro (4) y la pared (3) de la tubería y
el anillo (37) recibe posteriormente las reflexiones de vuelta a lo
largo del mismo recorrido,
el vehículo lleva también medios para medir la
distancia desplazada a lo largo de la tubería (32).
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
existen ocho o más transductores (6, 12, 13, 20) equidispuestos en
cada anillo (35, 36, 37, 38).
3. Aparato según cualquiera de las dos
reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo lleva un medio
de almacenamiento de datos en el cual salva la información
ultrasónica que en operación es capturada a intervalos regulares de
distancias a lo largo de la tubería (32), conjuntamente con un medio
de suministro de potencia para los transductores (6, 12, 13, 20) y
los elementos de toma de datos y almacenamiento de datos
asociados.
4. Aparato según cualquiera de las dos
reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo está constituido
de una pluralidad de módulos (33) conectados separadamente y lo
suficientemente pequeños como para entrar en la tubería (32) por
medio de elementos de conexión apropiados.
5. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo lleva un embudo
abatible para asegurar que, en uso, el flujo del líquido (2)
suministra un arrastre suficiente para producir la propulsión en
avance del vehículo.
6. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo es neutralmente
flotante y tiene su centro de gravedad por debajo del centro
geométrico (1) del vehículo.
7. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el vehículo tiene un medio
separador que, en uso, centraliza el vehículo dentro de la tubería
(32).
8. Aparato según la reivindicación 7, en el que
el medio separador es una pluralidad de muelles extendidos
lateralmente del vehículo, dichos muelles, en uso, presionan
suavemente contra la pared (3) de la tubería para centralizar el
vehículo.
9. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que los medios de medida de
distancias del vehículo son medios acústicos, los cuales, en uso,
implican medir el tiempo de desplazamiento de los impulsos acústicos
a lo largo de la tubería (32).
10. Un procedimiento para caracterizar una
tubería (32) llena de líquido que usa el aparato reivindicado en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende las
etapas de:
colocar el aparato dentro de la tubería (32), de
forma que el líquido (2) obligado a fluir a lo largo de la tubería
(32) transporte el aparato a lo largo de su longitud;
medir la distancia recorrida por el aparato;
emitir impulsos ultrasónicos desde los
transductores (6, 12, 13, 20) a intervalos regulares de distancia a
lo largo de la tubería, en el que el primer transductor (6) opera en
un modo de reflexión radial, el segundo y tercer transductores (12,
13) operan como un par en modo refracción longitudinal, estando los
transductores (12) adaptados para emitir impulsos en el modo de
refracción longitudinal, estando también adaptados para recibir los
ecos reflejados para operar en un modo refracción/reflexión
longitudinal y cuarto transductores (20) que operan en un modo
refracción/reflexión circunferencial, en el cual los transductores
adaptados para emitir impulsos en un plano radial están también
adaptados para recibir los ecos reflejados, y
procesar la información ultrasónica recibida para
suministrar la caracterización requerida de la tubería
(32).
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