ES2264799T3 - Evaluacion no destructiva de tuberias y tubos usando sensores magnetoestrictivos. - Google Patents

Abstract

UN METODO Y APARATO PARA LA INSPECCION DE TUBERIAS FERROMAGNETICAS Y NO-FERROMAGNETICAS (14) U OTRAS ESTRUCTURAS CON EXTERIOR CILINDRICO, UTILIZANDO EL EFECTO MAGNETOESTRICTIVO PARA DETECTAR DEFECTOS EN EL INTERIOR DE LA ESTRUCTURA. LA INVENCION CONSTITUYE UNA APLICACION DE COMPROBACION ACTIVA, EN DONDE UN ELEMENTO DE BOBINA TRANSMISORA (16) GENERA UN PULSO MECANICO (15) EN EL INTERIOR DE LA ESTRUCTURA CON EXTERIOR CILINDRICO, A TRAVES DEL EFECTO MAGNETOESTRICTIVO Y UNA SEGUNDA BOBINA (24) DETECTA ONDAS MECANICAS REFLEJADAS (15) EN EL INTERIOR DE LA TUBERIA, O UN UNICO SENSOR (10) FUNCIONA COMO TRANSMISOR ASI COMO DETECTOR. TAMBIEN LA PRESENTE INVENCION, PREVEE UNA APLICACION DE OBSERVACION PASIVA CON UNA BOBINA DETECTORA (16) QUE OBSERVA CONTINUAMENTE ESTRUCTURAS CILINDRICAS FERROMAGNETICAS Y NO-FERROMAGNETICAS, PARA EMISIONES DE ONDAS MECANICAS O ACUSTICAS (15). LAS ESTRUCTURAS NO-FERROMAGNETICAS (14) SE CONSTRUYEN DE MANERA QUE SE PUEDAN INSPECCIONAR INCORPORANDO UNA CAPA DE MATERIAL FERROMAGNETICO, TAL COMO NIQUEL, SOBRE LA PARED DE LA ESTRUCTURA, POR MEDIO DE UN ENCHAPADO O UNA VINCULACION DE TAL MATERIAL EN UNA ZONA LOCALIZADA DONDE SE VA A COLOCAR EL SENSOR.

Description

Evaluación no destructiva de tuberías y tubos usando sensores magnetoestrictivos.

Antecedentes de la invención

Esta solicitud es una continuación parcial de la solicitud de patente en tramitación junto con la presente número 07/973.152, solicitada el 6 de noviembre de 1992, y de la solicitud de patente en tramitación junto con la presente número 08/033.256, solicitada el 16 de Marzo de 1993.

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere generalmente a una evaluación no destructiva (NDT) de defectos y fracturas en tuberías, tubos, y otras estructuras de cubierta cilíndrica. La presente invención se refiere más específicamente a un sistema y método de evaluación no destructiva (NDE) para detectar grietas en tuberías, tubos, y otras estructuras de cubierta cilíndrica usando ondas mecánicas generadas magnetoestrictivamente y ondas mecánicas magnetoestrictivamente detectadas reflejadas por los defectos.

2. Descripción del estado de la técnica

Tuberías, tubos y otras estructuras de cubierta cilíndrica son importantes componentes en una variedad de industrias, incluyendo las industrias generadoras de energía, de canalizaciones y petroquímicas. El fallo en tuberías y otros conductos tales asociados con estas industrias puede ser a menudo desastroso, conduciendo a la pérdida de ingresos de explotación, grandes daños estructurales, contaminación del ambiente, interrupciones de la planta no programadas, y en casos extremos inclusos la pérdida de vida. La inspección de tales tuberías, tubos, y conductos es, en consecuencia, una parte esencial de los procedimientos de mantenimiento del sistema en cada una de estas industrias.

Actualmente se usan varias técnicas de inspección que incluyen métodos ultrasónicos, de corriente parásita, rayos X, y de fuga de flujo magnético, para este tipo de inspecciones de tuberías, tubos y conductos. En general, estas técnicas son muy apropiadas para las inspecciones localizadas, como por ejemplo, la inspección de áreas soldadas individuales. No obstante, para aquellas situaciones en las que se pueden dar defectos en cualquier parte de una tubería o tubo largo (por ejemplo, en tuberías bajo aislamiento térmico o envoltura en plantas de tratamiento petroquímicas), o donde el número de tuberías que debe ser inspeccionado es grande (por ejemplo, en generadores de vapor y calderas), la inspección usando cualquiera de estas técnicas puede ser muy cara y consumir mucho tiempo. En tales casos, las inspecciones se realizan muy a menudo sólo en una parte seleccionada de las tuberías como una muestra destinada a ser indicativa de la condición global de todo el grupo. Esto puede ser o puede no ser satisfactorio para asegurar la seguridad y fiabilidad del sistema y apenas reduce el riesgo de fallo en un grado pequeño.

Como un ejemplo de los métodos actuales, la corrosión de los gaseoductos, que generalmente se extienden sobre cientos de millas, se inspecciona usando un "PIG" o dispositivo de inspección de tuberías (del inglés Pipeline Inspection Gauge) usando el método de fuga de flujo magnético. Tales métodos son en el mejor de los casos incompletos puesto que la detección de grietas en los gaseoductos usando el método de fuga de flujo magnético no es particularmente sensible. Las técnicas ultrasónicas, que pueden ser suficientemente sensibles para detectar grietas más pequeñas, son a menudo difíciles de aplicar a las conducciones debido a los requisitos de acoplamiento del transductor.

Las tecnologías de sensores magnetoestrictivos eliminan muchas de las desventajas descritas anteriormente de las técnicas NDE convencionales y pueden mejorar significativamente la eficiencia de la inspección. Las características principales de la presente invención que derivan del uso de un sistema de sensores magnetoestrictivos incluyen la capacidad para: inspeccionar el 100% de la sección transversal del tubo, inspeccionar segmentos largos del tubo (más de 100 pies) desde un único emplazamiento, detectar defectos tanto en el diámetro interno como en el externo de las superficies de la tubería, funcionar sin necesidad de un acoplador y operar a un bajo coste de inspección.

Los sensores magnetoestrictivos pueden ser aplicados bien desde el diámetro externo de la tubería o, en situaciones apropiadas, en el diámetro interno de la tubería. Normalmente, los sensores magnetoestrictivos son más fácilmente aplicados a tuberías, tubos, y otras estructuras de cubierta cilíndrica que están hechos de materiales ferromagnéticos. No obstante, para muchas tuberías, tubos, etc. no férricos (tubos de generadores de vapor Inconel por ejemplo), se pueden utilizar también los sensores magnetoestrictivos chapando o uniendo capas finas de materiales magnetizables, tal como níquel, en la tubería o tubo en un área localizada donde el sensor debe ser colocado. De esta manera, los métodos implicados en la generación y detección de ondas magnetoestrictivas pueden ser utilizados en asociación con tuberías, tubos y estructuras de cubierta cilíndrica tanto férricas como no férricas.

Las solicitudes de patente relacionadas del solicitante número 07/973.152 y 08/033.256, en tramitación junto con la presente, describen con mayor detalle varios métodos para utilizar ondas generadas magnetoestrictivamente y ondas detectadas magnetoestrictivamente en estructuras largas, sólidas, cilíndricas tales como cables y cuerdas. Las estructuras cilíndricas huecas tales como tuberías, tubos, etc., presentan unas características de propagación de ondas y geométricas específicas que requieren alguna modificación de los métodos y dispositivos asociados con la evaluación magnetoestrictiva no destructiva. Hasta aquí se han hecho pocos esfuerzo para desarrollar tales métodos y dispositivos apropiados para el análisis magnetoestrictivo de estructuras de cubierta cilíndrica huecas.

Las Patentes estadounidenses No. 4.307.616 (Vasile) y 4.289.030 (Alers et al) describen ambas unos sistemas de localización para tuberías y tubos usando la técnica EMAT, donde se usan un serpentín y una polarización magnética para lanzar una onda corriente parásita superficial que pueden ser recogida por un segundo serpentín cercano. La Patente del Reino Unido No GB 2202630 (UKAEA) describe una disposición similar usando emisión magnetoacústica (MAE).

Antecedentes del Efecto magnetoestrictivo

El efecto magnetoestrictivo es una propiedad que es peculiar de los materiales ferromagnéticos. El efecto magnetoestrictivo se refiere a los fenómenos de cambio dimensional físico causados por las variaciones de magnetización.

En las aplicaciones de sensores de magnetización, la generación y detección de ondas mecánicas se consigue normalmente introduciendo una corriente pulsada en una bobina de transmisión adyacente a un material ferromagnético. Un cambio de magnetización dentro del material localizado cerca de la bobina de transmisión hace que el material cambie su longitud localmente en una dirección paralela al campo aplicado. Este cambio dimensional local brusco, que es el efecto magnetoestrictivo, genera una onda mecánica que viaja a la velocidad del sonido dentro del material. Cuando la onda mecánica es reflejada por el extremo del material, o por un defecto en el material, y alcanza una bobina de detección, que es en muchos aspectos similar a la bobina de transmisión, ella genera un flujo magnético cambiante en la bobina de detección como resultado del efecto magnetoestrictivo inverso. Este flujo magnético cambiante a su vez induce un voltaje eléctrico dentro de la bobina de detección que es proporcional a la magnitud de la onda mecánica.

Las ventajas de utilizar el efecto magnetoestrictivo en aplicaciones NDE incluyen la sensibilidad de los sensores magnetoestrictivos, la durabilidad de tales sensores, que no se necesita un sensor/material de acoplamiento, la amplia gama de ondas mecánicas implicadas, la facilidad de implementación, y el bajo coste tanto de los sensores como de la electrónica del sistema.

Resumen de la invención

Es en consecuencia un objeto de la presente invención proveer un aparato y método para la evaluación no destructiva de tuberías, tubos, y otras estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas y no ferromagnéticas para detectar defectos del material, tal como picaduras por corrosión y grietas.

Es otro objeto de la presente invención proveer un aparato y método para el control pasivo de tuberías, tubos, y otras estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas y no ferromagnéticas, utilizando el efecto magnetoestrictivo para detectar ondas mecánicas de grietas o fracturas en progresión.

En consecuencia, la presente invención provee un aparato y método para utilizar el efecto magnetoestrictivo para generar y para detectar ondas mecánicas en estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas y no ferromagnéticas. En un primer aspecto, la invención provee un método para la inspección de estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas tal como tuberías y tubos, dichas estructuras de cubierta cilíndrica teniendo una circunferencia y una longitud, para detectar y localizar fracturas, grietas, y otras anomalías, incluyendo las etapas de: establecer un primer campo magnético de corriente eléctrica continua de linearización en un primer emplazamiento cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica; provocar una fluctuación en dicho primer campo magnético suficiente para generar una primera onda mecánica a través de un volumen de dicha estructura de cubierta como resultado del efecto magnetoestrictivo; establecer un segundo campo magnético de corriente eléctrica continua de linearización en un segundo emplazamiento cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica; detectar fluctuaciones en dicho segundo campo magnético como resultado de un pasaje de dicha onda mecánica primaria y una pluralidad de ondas mecánicas secundarias a través de un volumen de dicha estructura de cubierta, dichas fluctuaciones en dicho segundo campo magnético provocadas por un efecto magnetoestrictivo inverso como resultado de dicho pasaje de dichas ondas mecánicas a través de dicho segundo campo magnético, dicha pluralidad de ondas mecánicas secundarias siendo generadas y reflejadas por dichas fracturas, grietas y otras anomalías en dicha estructura de cubierta; analizar dichas fluctuaciones detectadas en dicho segundo campo magnético indicativo de dichas ondas mecánicas secundarias y correlacionar dichas fluctuaciones detectadas con patrones de cambios conocidos como indicativos de dichas fracturas, grietas y otras anomalías en dicha estructura de cubierta cilíndrica.

En un segundo aspecto, la invención provee un aparato para la inspección de estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas tales como tuberías y tubos, dichas estructuras de cubierta cilíndrica teniendo una circunferencia y una longitud, para detectar y localizar fracturas, grietas, y otras anomalías, comprendiendo: una bobina de transmisión de al menos una vuelta situada adyacente a o circundando un primer emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta; un primer imán de corriente eléctrica continua de linearización adyacente a dicha bobina de transmisión, dicho primer imán de corriente eléctrica continua creando un primer campo magnético lineal dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica; un generador de señales y amplificador de potencia capaz de suministrar a dicha bobina de transmisión una corriente suficiente para crear fluctuaciones en dicho primer campo magnético; una bobina de detección de al menos una vuelta situada adyacente a o circundando un segundo emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica; un segundo imán de polarización de corriente eléctrica continua de linearización adyacente a dicha bobina de detección, dicho segundo imán de polarización de corriente eléctrica continua creando un segundo campo magnético lineal dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta; un acondicionador de señales para amplificar y filtrar una corriente dentro de dicha bobina de detección, dicha corriente amplificada y filtrada siendo una señal indicativa de fluctuaciones en dicho segundo campo magnético, y un medio de visualización para visualizar dicha señal y para permitir a un operador de inspecciones interpretar dicha señal y de ese modo interpretar dichas fluctuaciones en dicho segundo campo magnético; donde dichas fluctuaciones en dicho primer campo magnético induce un efecto magnetoestrictivo dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta cilíndrica y genera ondas mecánicas primarias dentro de dicha estructura de cubierta, y dichas fluctuaciones en dicho segundo campo magnético produce un efecto magnetoestrictivo inverso provocado por las ondas mecánicas secundarias dentro de dicha estructura de cubierta, dichas ondas mecánicas secundarias generándose como resultado de que dichas ondas mecánicas primarias son reflejadas por dichas fracturas, grietas, y otras anomalías dentro de dicha estructura de cubierta; y donde dicha interpretación de dicha señal incluye identificar una ubicación y un grado de deterioro de dichas fracturas, grietas y otras anomalías.

Los sensores para generar y detectar estas ondas mecánicas en las paredes de una estructura de cubierta cilíndrica consisten en dos elementos generales; a) una bobina electrónicamente conductora de un número predeterminado de vueltas, longitud, y diámetro, y b) un medio para suministrar un campo magnético de polarización de corriente eléctrica continua. El campo magnético de polarización es aplicado para mejorar la eficiencia de conversión de energía eléctrica en energía mecánica o viceversa y para hacer la frecuencia de las señales eléctricas y ondas mecánicas iguales.

Una aplicación de la presente invención, como se muestra en la Figura 1, conlleva rodear una estructura tubular bajo inspección con una bobina y suministrar energía a la bobina con una corriente eléctrica pulsada para inducir y transmitir ondas mecánicas (por el efecto magnetoestrictivo) dentro de la pared de cubierta cilíndrica de la tubería o del tubo. Las ondas mecánicas son originadas por un cambio de magnetización dentro del material ferromagnético localizado dentro de un espacio adyacente a la bobina de transmisión durante el período de tiempo de la corriente pulsada. Este cambio de magnetización hace que un área situada dentro del material ferromagnético cambie de dimensión y, como resultado, genere una onda mecánica de frecuencias acústicas o ultrasónicas que viaja simultáneamente a lo largo de la pared cilíndrica en ambas direcciones. Cuando esta onda mecánica es reflejada por los extremos de la tubería o tubo, o por áreas dentro de la tubería o tubo con fracturas u otras anomalías que puedan reflejar o impedir la onda, ésta es devuelta a una bobina de detección donde genera un flujo magnético cambiante como resultado del efecto magnetoestrictivo inverso. Este flujo magnético cambiante a su vez induce un voltaje eléctrico en la bobina de detección que es proporcional a la magnitud de la onda mecánica reflejada.

Para proporcionar un campo magnético de polarización de corriente eléctrica continua en la presente invención, se pueden usar bien electroimanes o bien imanes permanentes. Para facilitar la instalación de los sensores para la inspección de tuberías o tubos desde el exterior, la presente invención utiliza una bobina externa rápidamente instalable y desmontable. La bobina externa consiste en un cable de cinta de un número predeterminado y longitud de conductores eléctricos, terminados con clavijas de conexión. Los conductores individuales del cable de cinta está dispuestos de tal modo que cuando las clavijas de conexión están acopladas, la cinta forma una bobina conductora individual continua. Este tipo de bobina puede ser usada tanto para bobinas de sensores como para suministrar un campo magnético de polarización de corriente eléctrica continua. Cuando se utilizan imanes permanentes para proveer los campos magnéticos de polarización de corriente de electricidad continua, se prefiere un conjunto de módulos magnéticos separados dispuestos alrededor de la circunferencia del tubo, como se muestra en la Fig. 2a. Para facilitar la manipulación, estos módulos magnéticos están diseñados de tal modo que su salida magnética pueda ser conectada y desconectada.

El método de la presente invención conlleva amplificar, procesar, visualizar y analizar la señal detectada para identificar, distinguir, y describir defectos concernientes. El uso experimental suficiente con anomalías y defectos conocidos en una tubería o estructura tubular específica puede servir para establecer una base de datos apropiada y una referencia de información para la identificación de las características específicas de anomalías, grietas, corrosión, etc. que son comúnmente vistas dentro de tales tuberías o tubos.

El aparato y método de la presente invención también puede ser aplicado de un modo pasivo para controlar ondas mecánicas emitidas por el crecimiento progresivo de grietas en tuberías, tubos, etc. Tal aplicación pasiva servirá de medio de control a largo plazo capaz de registrar información de emisiones de ondas mecánicas detectadas o capaz de transmitir una alarma cuando ocurra una emisión de onda mecánica que exceda los niveles específicos.

La geometría de las estructuras a las que el aparato y método de la presente invención puede ser aplicado es generalmente ilimitada, pero la siguiente descripción de la presente invención se presta más eficazmente a la NDE de elementos estructurales cilíndricos alargados.

Breve descripción del dibujo

Fig. 1 es una representación esquemática del aparato de prueba de la presente invención apropiado para la generación magnetoestrictiva activa y detección de ondas mecánicas dentro de una tubería, tubo, u otra estructura de cubierta cilíndrica.

Fig. 2a es una vista en perspectiva de un conjunto de módulos magnéticos de polarización de corriente eléctrica continua de la presente invención dispuesto circunferencialmente alrededor de una estructura de cubierta cilíndrica.

Fig. 2b es una vista en perspectiva de un medio de cable de cinta para establecer una bobina conductora alrededor de la superficie externa de una estructura de cubierta cilíndrica.

Fig. 2c es una vista en perspectiva de un medio de embobinado para establecer una bobina conductora dentro de la superficie interna de una estructura de cubierta cilíndrica.

Fig. 3 es una representación gráfica genérica de una señal de salida obtenida usando el aparato de la presente invención en una sección de un gaseoducto largo soldado conteniendo defectos identificables.

Fig. 4 es una representación gráfica de una señal de salida obtenida usando el aparato de la presente invención en una tubería rodeada de paredes de acero de 22 ft. de largo antes de inducir un defecto en su interior.

Fig. 5 es una representación gráfica de una señal de salida obtenida usando el aparato de la presente invención con la misma estructura de tubería usada con la Fig. 4 después de introducir un defecto de nivel moderado en la tubería.

Fig. 6 es una representación gráfica de una señal de salida obtenida usando el aparato de la presente invención con la misma estructura de tubería usada con las Figs. 4 y 5, pero con un defecto de alto nivel en la tubería.

Descripción detallada de la forma de realización preferida

En primer lugar se hace referencia a la Fig. 1 para una descripción detallada de la disposición de un aparato de prueba apropiado para la implementación del método de la presente invención, provisto para la generación y detección de ondas mecánicas dentro de una pared de cubierta cilíndrica externa de la estructura de cubierta cilíndrica. En esta forma de realización de prueba activa de la presente invención, se requiere tanto un elemento de transmisión (10) como un elemento de detección (12). Las estructuras específicas de los elementos de transmisión y de detección (10) y (12) son explicadas con más detalle abajo con respecto a las Figs. 2b y 2c.

Aunque no se requiere ningún acoplamiento mecánico directo a la tubería (14) bajo examen, los elementos (10) y (12) deben ser dispuestos adyacentes al tubo, tubería u otra estructura de cubierta cilíndrica (14) ferromagnética. Los elementos de transmisión y de detección (10) y (12) pueden ser accionados a una distancia superior a varios centímetros del material ferromagnético. Debe observarse nuevamente que la inspección de tuberías, tubos, etc. no ferromagnéticos, se puede realizar colocando material ferromagnético, tal como por chapado o colocación de tiras metálicas, en contacto mecánico con la tubería o el tubo (14) y luego colocar los elementos (10) y (12) de la presente invención cerca del material ferromagnético. Mientras las ondas mecánicas pueden viajar entre el material ferromagnético así unido y la tubería o tubo (14), se puede realizar el análisis y evaluación apropiados.

El elemento de transmisión (10), situado adyacente a la tubería (14) bajo evaluación, consta principalmente de la bobina de transmisión (16) y el imán de polarización (18). Un generador de ráfagas de pulsos o tonos (20) es acoplado a través del amplificador de potencia (22) para transmitir y generar a la bobina (16) una señal apropiada para efectuar una onda mecánica (15) dentro del material (14) bajo evaluación.

El elemento de detección (12) del aparato de la presente invención está configurado más o menos como el elemento de transmisión (10) y consta principalmente de la bobina de detección (24), también situada adyacente al espécimen de tubería (14) bajo evaluación, al igual que el imán de polarización (26). Las señales generadas por la bobina de detección (24) en respuesta al paso de la onda mecánica (15), están condicionadas por los transformadores de corriente A1D (29) y el preamplificador de señales. La señal digital es luego presentada al microprocesador (30) en cuyo punto puede ser visualizada directamente en un medio de visualización asociado (32) o almacenada en la memoria (34) para su posterior revisión y análisis.

Las ondas mecánicas que se propagan en una cubierta cilíndrica generalmente exhiben una dispersión. Es decir, los distintos componentes de frecuencia de las ondas se propagarán a velocidades diferentes. Como resultado, un pulso mecánico, que puede contener una amplia gama de componentes de frecuencia, se dispersa con el tiempo. Esta dispersión crea muchas señales indeseables que interfieren la detección de señales reflejadas por los defectos. Este problema puede ser minimizado suministrando energía a la bobina de transmisión (10) con una ráfaga de tonos de una única corriente eléctrica de frecuencia. Además, para reducir la generación de diferentes tipos de onda por la bobina de transmisión (10), el campo magnético de polarización de corriente eléctrica continua generado por un imán de polarización (18) debería ser relativamente uniforme alrededor de la circunferencia de la tubería (14). Esto puede ser efectuado usando un conjunto de módulos magnéticos de polarización como se describe con respecto a la Fig. 2a.

Los imanes de polarización (18) y (26) no necesitan estar presentes en cada caso si, por ejemplo, se deja una magnetización residual suficiente en el material (14) bajo estudio. Esto puede verificarse en el caso de estructuras de tubería altamente férricas tales como tuberías de hierro colado o de acero. Además, la representación de imanes de polarización (18) y (26) en la Fig. 1 pretende ser esquemática y podrían de hecho ser estructurados en cualquiera de varias configuraciones con imanes permanentes y/o electroimanes.

La disposición para la inspección de cubiertas cilíndricas desde el diámetro interno de la cubierta es muy similar a aquella para la inspección desde el exterior en el modo descrito anteriormente. En este caso de diámetro interno, las bobinas de transmisión y de detección son arrolladas sobre una bobina de plástico cuyo diámetro es ligeramente más pequeño que el diámetro interno de la cubierta cilíndrica. Los módulos de imanes de polarización en este caso son posicionados alrededor de la superficie del diámetro interno de la cubierta cilíndrica.

El método de la presente invención, como se aplica para la generación y detección combinada de ondas mecánicas dentro de un material, está generalmente dirigido para llevar a cabo el análisis en una base de prueba por prueba. La detección de defectos en la forma de realización preferida se basa fundamentalmente en la técnica pulsos-eco. La detección de defectos y el análisis de tuberías o estructuras cilíndricas (14) se realiza identificando las ondas mecánicas (15) que son reflejadas por los defectos dentro de la tubería. Estas ondas reflejadas son originadas por los cambios de impedancia acústica cuando las ondas incidentes encuentran los defectos. Se pueden usar también otras técnicas de inspección a parte de la de pulsos-eco, tal como la de "pitch-catch" (captura de emisiones) o "through-transmission" (transmisión entre dos transductores) para la detección de defectos en la evaluación no destructiva de la condición de la tubería.

Tanto la transmisión como la detección de ondas mecánicas (15) son realizadas sin el uso de un acoplante, tal como agua o aceite, que se requiere normalmente para otras técnicas NDE tal como por ultrasonidos. El sensor (12) puede ser accionado en un espacio sustancial, a veces con más de varios centímetros entre el elemento y la superficie de la tubería. Además, con la electrónica del sistema apropiada, es posible usar un único elemento magnetoestrictivo tanto para la transmisión como para la detección de ondas mecánicas (15).

El elemento magnetoestrictivo de transmisión (10) consiste en dos componentes básicos: a) un medio para producir un campo magnético variable y b) un medio para magnetizar estáticamente la pared del tubo. Asimismo, el elemento de sensor magnetoestrictivo de detección (12) generalmente consiste en dos componentes básicos: a) un medio para detectar los cambios de magnetización que ocurren en la pared de la tubería debido a la onda mecánica, y b) un medio para magnetizar estáticamente la pared de la tubería. Para los elementos tanto de transmisión como de detección (10) y (12), se usa una bobina inductora (16) en el elemento de transmisión (10), y (24) en el elemento de sensor (12), para producir un campo magnético variable y para detectar los cambios de magnetización en el material (14). El elemento de detección (12), puede en algunas situaciones, basarse en otros tipos de dispositivos de detección de magnetización tal como sondas de efecto Hall.

Para magnetizar estáticamente la pared de una tubería (36) se usa un imán permanente (18), en el elemento (10), y (26) en el elemento (12), y es físicamente colocado en una configuración adecuada para la asociación magnética directa con la bobina de transmisión (16) o bobina de detección (18), según sea el caso. Físicamente, los imanes permanentes (18) y (26) pueden ser bien combinados con o separados de los medios para producir o detectar el flujo magnético. Además, en lugar de imanes permanentes (18) y (26), también se puede utilizar electroimanes o magnetización residual en el material (14). La magnetización residual puede ser establecida en la pared del tubo (36) por material magnetizante (14) usando un imán (permanente o eléctrico) y luego retirando el imán. Éste es un método preferido cuando es apropiado porque se elimina la necesidad de instalar un imán (permanente o eléctrico) junto con los elementos de transmisión y de detección.

Los motivos para mantener el material (14) magnetizado son dos: a) para mejorar la eficiencia de conversión de la bobina de transmisión (10) y la bobina de detección (12) de energía eléctrica a energía mecánica o viceversa, y b) para hacer lineal la respuesta de frecuencia de los elementos magnetoestrictivos (10) y (12). Si el material (14) se desmagnetiza, la frecuencia de la señal detectada sería dos veces la frecuencia de la onda mecánica (15) o la frecuencia de la onda mecánica generada será dos veces la frecuencia de la corriente eléctrica aplicada.

Usando transmisores y detectores magnetoestrictivos se pueden generar y detectar tres tipos de ondas diferentes en una tubería. Estos tipos de onda pueden ser generalmente descritos como longitudinal, de torsión y de flexión. Para la detección y análisis de defectos, los tipos de onda de más valor son normalmente las ondas longitudinales y de torsión. En general, las ondas longitudinales son las mejor usadas para la detección de grietas orientadas circunferencialmente y la reducción de la pared en una tubería debido a la corrosión, mientras que las ondas de torsión son mejor usadas para la detección de grietas orientadas longitudinalmente y reducción de la pared. La configuración del sensor descrita en la Fig. 1 es la más adecuada para la generación y detección de tipos de onda longitudinal. El uso de ondas de torsión es más limitado por la dificultad asociada a generar un tipo de onda de torsión puro sin generar simultáneamente otros tipos de onda que interfieran con la detección de defectos.

Ahora se hace referencia a las Figs. 2a-2c para una descripción detallada de las características estructurales de las bobinas de sensores magnetoestrictivos y configuraciones del imán de polarización adecuado para la implementación en el sistema y con el método de la presente invención. La Fig. 2a muestra un conjunto de imanes permanentes (18) situados circunferencialmente alrededor de la superficie externa de la tubería (14). El conjunto (18) está compuesto por módulos magnéticos individuales (18a, 18b, ...18n) y puede variar su tamaño (longitud) según el diámetro externo de la tubería (14). El conjunto de módulos magnéticos (18) está estructurado de manera que más o menos módulos individuales puedan ser incorporados en la banda circunferencia) que circunda la tubería.

Este método de creación de un campo magnético de polarización dentro de la pared de cubierta cilíndrica es apropiado para el uso en conjunción con configuraciones de bobina de sensor tanto internas como externas. En algunos ejemplos, tal como con la inspección de tuberías sepultadas a partir de un dispositivo de inspección de tuberías PIG, puede ser necesario establecer un campo magnético de polarización de corriente eléctrica continua directamente en la superficie interior de la estructura de cubierta cilíndrica donde se puede reducir el tamaño de la disposición mostrada en la Fig. 2a e invertir su orientación para su inserción en un conjunto circunferencia) interno de forma estructural y funcional similar. Para la aplicación de la presente invención para la inspección de tubería sepultadas usando un "dispositivo de inspección de tuberías PIG" que atraviese a lo largo la tubería, el módulo de imán de polarización (18) puede precisar ser equipado con un conjunto de cepillos metálicos para minimizar las fluctuaciones en el campo magnético de polarización de corriente eléctrica continua que surge del movimiento del "dispositivo de inspección de tuberías PIG". Tales estructuras de cepillo metálico son rutinariamente usadas para las inspecciones de fuga de flujo magnético para conseguir el mismo objetivo.

La Fig. 2b muestra con más detalle una bobina de sensor magnetoestrictivo apropiada para la implementación en la presente invención cuando el sensor debe ser utilizado en la superficie externa de la tubería que debe ser examinada. El objetivo de esta configuración estructural para la bobina de sensor magnetoestrictivo es fácil de implementar en diámetros de tubo de tamaño variable. El sensor de cable de cinta (40) está compuesto de una serie de conductores eléctricos (50a-50n) que son normalmente aislados y moldeados juntos en una forma de cinta plana. Los conductores (50a-50n) están terminados en dos puntos por conectores (42) y (44) que se unen de nuevo de forma estándar. Los conductores (50a-50n) están, no obstante, reunidos por un punto de conexión dentro de los conectores (42) y (44) de tal modo que un único paso conductor sea creado a través de lo cual habría de otro modo una pluralidad de circuitos cerrados conductores individuales cortos.

Esta disposición crea una bobina conductora con terminales (46) y (48) apropiada para usar como una bobina circundante del tipo anteriormente descrito respecto a la Fig. 1. Se anticipa que un número de bobinas de cable de cinta de tamaño estándar de esta estructura podría ser utilizada en varios diámetros de tubos y tuberías. Dado que no se requiere el contacto directo con la superficie del diámetro externo del tubo, se podría utilizar un sensor de bobina de cable de cinta de una longitud particular en conjunción con tuberías que tengan diámetros en un rango moderado de valores. Se pueden usar tres o cuatro sensores de bobina de cable de cinta de este tipo con una longitud creciente para cubrir un rango de tuberías desde una o dos pulgadas de diámetro hasta más de doce o dieciséis pulgadas de diámetro. En todo caso, la estructura de sensor mostrada en la Fig. 2b proporciona un mecanismo económico para establecer una bobina cerrada alrededor de una circunferencia externa de un tubo que sería inaccesible de otro modo.

Se entiende que en algunas situaciones la estructura de cubierta cilíndrica tendrá un extremo abierto y así accesible para la aplicación de cualquiera de un número de estructuras conductoras de bobina. En la mayoría de los casos, sin embargo, se anticipa que la estructura de cubierta cilíndrica o tubo tendrá una dimensión muy larga que restringiría la capacidad de fijar un conductor de bobina cerrada. La estructura descrita en la Fig. 2b está destinada a superar este problema.

La Fig. 2c expone una estructura de conductor de bobina diseñada para ser insertada en el interior de un tubo o estructura de cubierta cilíndrica y para ser situada cercana a la superficie interna del tubo. La bobina (52) es dimensionada con un diámetro cercano, pero inferior al diámetro interno del tubo bajo investigación. A diferencia de la estructura de conductor de bobina mostrada en la Fig. 2b, el uso de un sensor de bobina magnetoestrictivo en el interior de un tubo requiere el acceso directo a un extremo terminal del tubo para su inserción. El objetivo de la bobina (52) mostrada en la Fig. 2c, en consecuencia, es situar la pluralidad de bobinas conductoras (50a-50n) tan cerca de la superficie interna del tubo (14) como resulte práctico y además tener en cuenta el movimiento fácil de la bobina (52) dentro y fuera del tubo (14). Como con la estructura de bobina mostrada en la Fig. 2b, la bobina de la Fig. 2c termina con los conductores (54) y (56). Para facilitar el acoplamiento electromagnético de la bobina a la pared del tubo, que es exterior a la bobina, la bobina (52) es preferiblemente hecha de acero laminado o ferrita. La bobina (52) y la pared del tubo forman entonces un pequeño circuito magnético que enlaza los cambios de magnetización en bien la bobina (52) o la pared del tubo (14) y permite a la bobina aplicar bien un campo magnético variable al tubo (14) o bien detectar los cambios de magnetización en la pared de la tubería (14).

Ahora se hace referencia a las Figs. 3-6 para una descripción detallada del tipo de datos normalmente adquiridos usando el método y aparato de la presente invención. Cada una de las figuras son gráficos que representan las señales recibidas utilizando el método y sistema de la presente invención, donde se indica la amplitud de señal del sensor magnetoestrictivo detectada en voltios en el eje vertical o "y" y se indica un valor de tiempo en milisegundos en el eje horizontal o "x".

Se hace referencia primero a la Fig. 3 para una descripción general de los componentes de señal típicos de la presente invención. En la Fig. 3, la señal 100 está compuesta de seis elementos distintivos que son identificables como eventos en el pasaje de ondas mecánicas dentro de la estructura de cubierta cilíndrica. La señal mostrada en la Fig. 3 (y aquellas de las Figs. 4-6) fue adquirida con un sistema estructurado muy parecido al descrito respecto a la Fig. 1, donde existe una distancia entre una bobina para generar las ondas mecánicas y una bobina para detectar las ondas mecánicas. Así, como se muestra en la Fig. 3, un pulso inicial (102) es inmediatamente seguido de una segunda señal de pasada (104) cuya separación del pulso inicial (102) es una indicación de la posición de las bobinas generadora y detectora. Un par de señales de defectos similares (106) siguen a continuación, las cuales son indicativas del mismo defecto. La primera señal de defecto es producida cuando la onda reflejada por el defecto pasa la bobina receptora en su viaje de vuelta. La segunda señal de defecto es producida cuando la onda pasa la bobina receptora la segunda vez en sus viaje de salida tras la reflexión por el extremo sensor del tubo. Finalmente, las señales reflejadas por la soldadura circunferencial o por el extremo (108), según sea el caso, indican el extremo de la ventana deseable de investigación para el tubo. Aquí también se presentan dos señales reflejadas por el extremo porque la misma onda es detectada dos veces, una vez durante su viaje de vuelta y la otra durante el viaje de salida tras la reflexión por el extremo de sensor del tubo.

Las Figs. 4-6 muestran los datos experimentales específicos pero además muestran generalmente cada uno de los componentes de señal arriba referenciados descritos genéricamente en la Fig. 3, con la excepción de los componentes de señal (102) y (104) que son incorporados en la Figs. 4-6 debido a la colocación del sensor. El pulso inicial (102), en consecuencia, mostrado en la Fig. 4, contiene el componente de señal reflejado por el extremo mostrado como un elemento separado (104) en la Fig. 3.

Las representaciones gráficas mostradas en las Figs. 4-6 están basadas en datos experimentales que muestran la detectabilidad de defectos de tipo corrosión en una tubería de acero con un diámetro exterior (OD) de 6-5/8 pulgadas usando las técnicas de sensor magnetoestrictivo aquí descritas. La tubería utilizada tenía una longitud de 22 pies y un espesor de pared de 0,188 pulgadas. El sensor magnetoestrictivo de transmisión fue colocado a aproximadamente dos pulgadas de un extremo del tubo y fue excitado con una ráfaga de tonos de 100 kHz. El sensor magnetoestrictivo de detección fue colocado aproximadamente a 43 pulgadas del sensor de transmisión.

Los datos adquiridos antes de inducir un defecto en la tubería son mostrados gráficamente en la Fig. 4. Aquí de nuevo se muestran el pulso inicial (102) y dos señales reflejadas por el extremo (108). Como se mencionó, el pulso inicial (102) incluye la ráfaga de tonos aplicada y la señal detectada cuando la onda ha pasado el sensor de detección durante su viaje hacia el extremo lejano del tubo. La primera de las señales reflejadas por el extremo (108) es aquella detectada durante el viaje de vuelta de la onda incidente tras la reflexión por el extremo lejano del tubo. La segunda de las señales reflejadas por el extremo (108) es aquella detectada cuando la onda de vuelta ha efectuado otro viaje de ida y vuelta tras la reflexión por el extremo de sensor del tubo. Las dos señales son así separadas por el tiempo del viaje de ida y vuelta del sensor de detección hacia el extremo de sensor del tubo (en este caso, aproximadamente 0,45 milisegundos).

Las Figs. 5 y 6 muestran datos de señales tomadas después de que un agujero de 0,5 pulgadas de diámetro fuera inducido en el diámetro externo de la tubería en un punto aproximadamente a 148 pulgadas del extremo de sensor del tubo (o 103 pulgadas del sensor de detección). La profundidad del agujero fue de aproximadamente 0,058 pulgadas para los datos mostrados en la Fig. 5 y 0,092 pulgadas para los datos mostrados en la Fig. 6. Los defectos inducidos producen fácilmente señales reconocibles en forma de dos señales de defectos (106) nuevamente porque la onda es detectada dos veces como se ha descrito antes. Asimismo se deduce por la diferencia en la amplitud de señales de defectos (106) descritas entre la Fig. 5 y la Fig. 6 que la amplitud de la señal de defectos aumenta según aumenta la profundidad del agujero. Se ha demostrado experimentalmente que un agujero cuya sección transversal es tan pequeña como el 0,25% de la sección transversal total de la tubería puede ser detectado usando la instrumentación y el sistema de la presente invención.

Las señales adquiridas en las Figs. 4-6 fueron hechas utilizando bobinas colocadas externamente de modo similar a las mostradas en la Fig. 1. Se obtienen características de señal similares del uso tanto de bobinas colocadas internamente como de varias disposiciones de configuraciones de imanes de polarización de corriente eléctrica continua.

Debería asimismo observarse que la bobina inductora en el elemento de detección puede recoger ondas electromagnéticas que interfieran en la detección magnetoestrictiva de ondas mecánicas. Para reducir esta interferencia electromagnética (EMI), se usan dos procedimientos en la presente invención. El primero es el uso de dos bobinas inductoras en el elemento de detección que son separadas por la mitad de la longitud de onda de las ondas mecánicas generadas en la pared de la tubería. Las emisiones de estas dos bobinas son luego suministradas a un amplificador diferencial de señales que invierte una de las entradas y añade las dos señales de entrada. Las señales EMI entonces tienden a anularse entre sí, mientras que las señales producidas por las ondas mecánicas se añaden una a la otra. Esto ocasiona una mejora significante en la señal en cuanto a la proporción de ruido de las señales de ondas mecánicas detectadas. Se podría utilizar un procedimiento de filtración alternativa a través de un proceso de promediación de señales. Puesto que las señales EMI no están sincronizadas con la temporización de la energización de la bobina de transmisión, el procedimiento de promediación también intensifica la señal en cuanto a la proporción de ruido significativamente.

Aunque se ha identificado un número de aplicaciones de las formas de realización preferidas de la presente invención, se anticipa que un experto en la materia identificaría otras aplicaciones de cada uno de estos métodos y de cada aparato descrito, de una manera coherente con los procedimientos asociados a la presente invención. Se anticipa que la presente invención tendría aplicaciones en cualquier entorno donde se requiera una evaluación remota no destructiva de materiales cilíndricos largos y se presente o se pueda introducir con poco o ningún efecto adverso una sustancia ferromagnética.

Claims (10)

1. Método para la inspección de estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas tal como tuberías y tubos (14), dichas estructuras de cubierta cilíndrica teniendo una circunferencia y una longitud, para detectar y localizar fracturas, grietas, y otras anomalías, el método comprendiendo establecer ondas mecánicas en las estructuras y detectar los cambios debidos a dichas fracturas, grietas, y otras anomalías en dicha estructura de cubierta, caracterizado por las fases de:

establecer (18) un primer campo magnético de corriente eléctrica continua de linearización en un primer emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica;

provocar (16, 20, 22) una fluctuación en dicho primer campo magnético suficiente para generar una onda mecánica primaria (15) a través de un volumen de dicha estructura de cubierta como resultado del efecto magnetoestrictivo;

establecer (26) un segundo campo magnético de corriente eléctrica continua de linearización en un segundo emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica;

detectar (28, 29) fluctuaciones en dicho segundo campo magnético como resultado de un pasaje de dicha onda mecánica primaria (15) y dichas ondas mecánicas secundarias a través de un volumen de dicha estructura de cubierta, dichas fluctuaciones en dicho segundo campo magnético provocadas por un efecto magnetoestrictivo inverso como resultado de dicho pasaje de dichas ondas mecánicas a través de dicho segundo campo magnético; y

analizar (30) dichas fluctuaciones detectadas en dicho segundo campo magnético indicativas de dichas ondas mecánicas secundarias y correlacionar dichas fluctuaciones detectadas con patrones de cambios conocidos por ser indicativos de dichas fracturas, grietas, y otras anomalías en dicha estructura de cubierta cilíndrica.

2. Método según la reivindicación 1 donde dicha fase de establecer un primer campo magnético de corriente eléctrica continua de linearización comprende posicionar un imán permanente o electroimán (18) en dicho primer emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y orientar los polos (18a-n) de dicho imán permanente o dicho electroimán para dirigir dicho campo magnético a lo largo de dicha longitud de dicha estructura de cubierta.

3. Método según la reivindicación 1 donde dicha fase de provocar una fluctuación en dicho primer campo magnético dirigido a lo largo de una longitud de dicha estructura de cubierta, comprende el emplazamiento de una bobina electromagnética (16) adyacente a dicho primer emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta, y variar (22, 22) una corriente a través de dicha bobina electromagnética para producir efectos magnetoestrictivos dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta.

4. Método según la reivindicación 1 donde dicha fase de establecer un segundo campo magnético de corriente eléctrica continua de linearización comprende posicionar un imán permanente o electroimán (26) en dicho segundo emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y orientar los polos de dicho imán permanente o dicho electroimán para dirigir dicho campo magnético a lo largo de dicha longitud de dicha estructura de cubierta.

5. Método según la reivindicación 1 donde dicha fase de detectar fluctuaciones en dicho segundo campo magnético dirigido a lo largo de una longitud de dicha estructura de cubierta, comprende la colocación de una bobina de detección electromagnética (24) en dicho segundo emplazamiento cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta, y detectar variaciones en un voltaje inducido en dicha bobina electromagnética causado por un efecto magnetoestrictivo inverso dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta.

6. Aparato para la inspección de estructuras de cubierta cilíndrica ferromagnéticas tal como tuberías y tubos (14), dichas estructuras de cubierta cilíndrica teniendo una circunferencia y una longitud, para detectar y localizar fracturas, grietas, y otras anomalías, el aparato comprendiendo medios para establecer ondas mecánicas en las estructuras y medios para detectar cambios debidos a dichas fracturas, grietas, y otras anomalías en dicha estructura de cubierta, caracterizado por:

una bobina de transmisión (16) de al menos una vuelta situada adyacente a o circundando un primer emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta;

un primer imán de corriente eléctrica continua de linearización (18) adyacente a dicha bobina de transmisión (16), dicho primer imán de corriente eléctrica continua creando un primer campo magnético lineal dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de dicha cubierta cilíndrica;

un generador de señales (20) y amplificador de potencia (22) capaz de suministrar a dicha bobina de transmisión (16) una corriente suficiente para crear fluctuaciones en dicho primer campo magnético;

una bobina de detección (24) de al menos una vuelta situada adyacente a o circundando un segundo emplazamiento, cercano a una superficie de dicha estructura de cubierta y dirigido a lo largo de dicha longitud de cubierta cilíndrica;

un segundo imán de polarización de corriente eléctrica continua de linearización (26) adyacente a dicha bobina de detección, dicho segundo imán de polarización de corriente eléctrica continua creando un segundo campo magnético lineal dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta;

un acondicionador de señal (28) para amplificar y filtrar una corriente dentro de dicha bobina de detección, dicha corriente amplificada y filtrada siendo una señal indicativa de las fluctuaciones en dicho segundo campo magnético; y

un medio de visualización (32) para visualizar dicha señal y para permitir a un operador de inspecciones interpretar dicha señal y de ese modo interpretar dichas fluctuaciones en dicho segundo campo magnético;

donde dichas fluctuaciones en dicho primer campo magnético induce un efecto magnetoestrictivo dentro de un volumen de dicha estructura de cubierta cilíndrica y genera ondas mecánicas primarias (15) dentro de dicha estructura de cubierta, y dichas fluctuaciones en dicho segundo campo magnético siendo el resultado de un efecto magnetoestrictivo inverso provocado por ondas mecánicas secundarias dentro de dicha estructura de cubierta, dichas ondas mecánicas secundarias ocurriendo como resultado de que dichas ondas mecánicas primarias sean reflejadas por dichas fracturas, grietas, y otras anomalías dentro de dicha estructura de cubierta; y

donde dicha interpretación de dicha señal incluye identificar una ubicación y un grado de deterioro de dichas fracturas, grietas, y otras anomalías.

7. Aparato según la reivindicación 6 que comprende además un medio de registro (34) capaz de recibir y almacenar dicha señal para su posterior visualización (32) e interpretación.

8. Aparato según la reivindicación 6 donde dicha bobina de transmisión (16) circunda una circunferencia externa de dicha estructura.

9. Aparato según la reivindicación 8 donde dicha bobina de transmisión (16, 40) comprende un conjunto de conductores separables (50) con un primer y un segundo extremo acoplables (42, 44) y, dicho conjunto de conductores capaz de circundar dicha estructura de cubierta cilíndrica desconectando dicho primer y segundo extremo acoplables (42, 44) y, después de rodear dicha estructura, conectar dichos extremos acoplables para formar una única bobina
conductora.

10. Aparato según la reivindicación 6 donde dicha bobina de transmisión está contenida dentro de una circunferencia interna de dicha estructura.