ES2287575T3 - Metodo de supervision del grosor de una pared. - Google Patents
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Abstract
Un método para supervisar el grosor de pared de un objeto que tiene una pared conductora eléctrica, usando una sonda de corrientes transitorias pulsadas incluyendo unos medios transmisores y unos medios receptores, método que incluye: - seleccionar una posición de inspección en la pared; - en una pluralidad de tiempos de inspección zetam (m=l, ..., M; M = 2), disponer la sonda en una posición predeterminada con relación a la posición de inspección, induciendo corrientes transitorias en el objeto activando los medios transmisores, registrando señales Vm con los medios receptores; y - determinar, a partir de cada una de las señales Vm, un grosor de pared dm perteneciente al tiempo de inspección deltam, donde se tiene en cuenta la temperatura del objeto en la posición de inspección al tiempo de inspección deltam, donde el grosor de pared en la posición de inspección se supervisa comparando los grosores de pared dm uno con otro con el fin de detectar cambios en el tiempo.
Description
Método de supervisión del grosor de una
pared.
La presente invención se refiere a supervisar el
grosor de pared de un objeto que tiene una pared conductora
eléctrica. La invención se refiere en concreto a un método de
supervisión basado en mediciones de corrientes transitorias.
El término supervisión se usa en la descripción
y en las reivindicaciones para la medición repetida del grosor de
pared en una posición de inspección seleccionada, durante un período
de tiempo prolongado. El método permite detectar pequeños cambios
en el grosor de pared en la posición de inspección con suficiente
precisión (repetibilidad) con el fin de determinar, por ejemplo,
una tasa de corrosión de una pared de tubo.
Los métodos para estimar el grosor de pared de
un objeto conductor eléctrico, excitando y midiendo la respuesta de
corrientes transitorias, son conocidos en la técnica. Una sonda
incluyendo unos medios transmisores y unos medios receptores se
coloca cerca de una superficie del objeto, la superficie próxima. El
transmisor es activado, por ejemplo energizando y desenergizando
bruscamente, con el fin de inducir corrientes transitorias en el
objeto. Dado que la excitación se realiza frecuentemente por la
operación pulsada de los medios transmisores, estos métodos también
se denominan métodos de corriente transitoria pulsada (PEC). Las
corrientes transitorias originan un campo magnético variable en el
tiempo, que genera una señal en los medios receptores. A menudo, la
señal recibida es registrada como una función del tiempo. El grosor
de pared puede ser estimado evaluando un valor característico de la
señal, que se refiere a un tiempo característico en la señal, tiempo
característico que está relacionado con el grosor de pared.
Los métodos PEC son adecuados para medición a
través de capas de aislamiento, o a través de productos de
corrosión. Será claro que el término grosor de pared en relación a
los métodos PEC se usa en la memoria descriptiva y en las
reivindicaciones para referirse al grosor de la parte metálica de la
pared.
La solicitud de patente europea EP 0 321 112 A1
describe un método de detectar corrosión en paredes de medios de
envase. La señal recibida obtenida con este método decae con el
tiempo. En la porción de tiempo inicial, poco después de apagar el
transmisor, la señal decae a una tasa relativamente lenta. En la
porción de tiempo posterior, la señal decae a una tasa más rápida.
El tiempo característico en el que tiene lugar que la transición de
una tasa de decadencia menor o más rápida, que también se denomina
el tiempo crítico, es una medida del grosor de pared del objeto.
Por lo tanto, según el método conocido, se puede obtener una
indicación del grosor de pared comparando en un período de tiempo
la decadencia de la señal con una decadencia de referencia obtenida
para un grosor de pared conocido, donde el período de tiempo incluye
al menos una porción más allá del tiempo crítico.
La solicitud de patente europea número EP 0 910
784 A1 describe otro método para determinar el grosor de pared de
un objeto de una señal que representa la decadencia de corrientes
transitorias. La señal recibida con este método tiene generalmente
forma similar a la señal evaluada en EP 0 321 112 A1. Sin embargo,
el grosor de pared se determina ahora a partir de la longitud del
intervalo de tiempo en el que la señal decae de una primera
magnitud a una segunda magnitud de la señal, usando una relación
predeterminada entre la longitud de este intervalo de tiempo y el
grosor de pared.
El artículo "Application of a
signal-reconstruction method to evaluate pulsed
eddy-current signals" por H.-M. Thomas y G.
Wittig, NDT International, vol. 18, No. 5, octubre 1985, páginas
251-255, describe otro método de corrientes
transitorias pulsadas, para determinar el grosor de pared residual
de paredes de envases austeníticos corroídos. Se usan trenes de
pulsos transmisores relativamente cortos en este método, de modo que
ambos flancos ascendente y descendente de un pulso dan origen a
corrientes transitorias. Las señales recibidas con este método
empiezan a amplitud aproximadamente cero, subiendo a un máximo,
cruzando después por amplitud cero hacia un máximo negativo de
donde decaen a cero. El grosor de pared puede ser determinado a
partir de la longitud del intervalo de tiempo entre el inicio del
pulso transmisor y el primer punto de cruce por cero.
La memoria descriptiva de patente británica
número 1 512 289 describe un dispositivo de medición del grosor sin
contacto adecuado para la medición continua del grosor de una lámina
metálica o hoja móvil. El dispositivo es de tipo de corriente
transitoria, incluyendo un oscilador acoplado a una bobina
primaria.
La memoria descriptiva de la Patente de Estados
Unidos número 4757259 describe un método para la medición sin
contacto del grosor y la temperatura de una hoja metálica fina
mientras está en movimiento durante una operación de fabricación,
usando corrientes transitorias generadas por un campo magnético
alterno.
La Patente de Estados Unidos número 5 485 082
describe un método de calibrar un dispositivo de medición del
grosor que tiene dos sensores de medición de desplazamiento sin
contacto formando un campo de medición, en el que se mueve un
objeto de referencia. Se puede usar dispositivos de medición del
grosor sin contacto con sensores de corrientes transitorias,
sensores capacitivos u ópticos.
Los métodos de corrientes transitorias pulsadas
conocidos se usan para inspección del grosor de pared, donde el
grosor de pared estimado se compara con un grosor de pared nominal,
por ejemplo de un objeto no corroído producido o de una porción no
corroída del objeto inspeccionado. Además, se usan métodos conocidos
para inspeccionar un objeto en diferentes posiciones, por ejemplo a
lo largo o alrededor de la circunferencia de un tubo, para
identificar lugares donde tiene lugar corrosión.
Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible usar
métodos de corrientes transitorias pulsadas para la supervisión del
grosor de pared, donde la misma posición es inspeccionada repetidas
veces. Esto es debido al hecho de que los métodos conocidos se
consideran insuficientemente precisos para permitir una comparación
cuantitativa fiable de mediciones tomadas en diferentes momentos
del tiempo, en un período de días, semanas, meses o incluso años.
Tales tiempos de supervisión largos son necesarios por ejemplo
cuando se ha de determinar una tasa de corrosión. Las tasas de
corrosión típicas de un tubo de acero al carbono pueden ser del
orden de uno o pocos milímetros por año, o menos. Se encuentran
problemas particulares con la repetibilidad de los métodos conocidos
cuando los objetos a inspeccionar son de un material magnético tal
como acero al carbono.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención
es proporcionar un método para supervisar el grosor de pared de
objetos de metal que permite más mediciones exactas con el fin de
permitir la comparación de resultados de una posición de inspección
durante un período de tiempo prolongado.
Para ello, según la presente invención se
facilita un método para supervisar el grosor de pared de un objeto
que tiene una pared conductora eléctrica, usando una sonda de
corrientes transitorias pulsadas incluyendo unos medios
transmisores y unos medios receptores, método que incluye:
- seleccionar una posición de inspección en la
pared;
- en una pluralidad de tiempos de inspección
\theta_{m} (m=1, ..., M; M\geq2), disponer la sonda en una
posición predeterminada con relación a la posición de inspección,
inducir corrientes transitorias en el objeto activando los medios
transmisores, registrar señales V_{m} con los medios receptores;
y
- determinar, a partir de cada una de las
señales V_{m}, un grosor de pared d_{m} perteneciente al tiempo
de inspección \theta_{m}, donde se toma en consideración la
temperatura del objeto en la posición de inspección al tiempo de
inspección \theta_{m}, donde el grosor de pared en la posición
de inspección es supervisado comparando los grosores de pared
d_{m} uno con otro con el fin de detectar cambios en el
tiempo.
El solicitante ha hallado que una causa de error
importante y generalmente subestimada en la supervisión del grosor
de pared es la variación de la temperatura del objeto a investigar.
Cuando se realizan dos mediciones de grosor de pared de una pared
de acero concreta en condiciones por lo demás idénticas por métodos
conocidos, a diferentes temperaturas de la pared, los resultados se
pueden desviar típicamente un porcentaje diverso por cada 10 grados
de diferencia de temperatura. Éste es un error inaceptablemente
grande cuando se han de detectar pequeños cambios debidos a
corrosión.
El solicitante también ha hallado que es posible
corregir en las mediciones la influencia de la temperatura en cada
tiempo de inspección, de modo que se obtienen mediciones
suficientemente exactas del grosor de pared en diferentes tiempos
de inspección que pueden ser comparadas una con otra. Se observa que
la Solicitud de Patente de Estados Unidos publicada número US
2002/0149359 describe que una sola medición del grosor de pared
obtenida con una sonda especial de corrientes transitorias
incluyendo dos bobinas receptoras puede ser corregida con respecto
a la temperatura del objeto. La presente invención da un paso
significativo adicional y se basa en la intuición de que
corrigiendo la temperatura, en mediciones de corrientes transitorias
en general, se logra una precisión de las mediciones que permite
una comparación cuantitativa fiable de mediciones en la misma
posición de inspección durante períodos de tiempo prolongados.
Adecuadamente, cada señal V_{m} es registrada
en función del tiempo t y exhibe un cambio característico en un
tiempo característico \tau_{m}, donde el paso de determinar un
grosor de pared d_{m} incluye determinar a partir de la señal
V_{m} un valor característico \Phi_{m} que es una medida del
tiempo característico \tau_{m}, y determinar el grosor de pared
d_{m} a partir del valor característico \Phi_{m}, donde se
utiliza una primera relación predeterminada entre el valor
característico y el grosor de pared, para el caso de que la
temperatura sea constante, y una segunda relación predeterminada
entre el valor característico y la temperatura, para el caso de que
el grosor de pared sea constante.
El método de la presente invención es
especialmente adecuado para determinar una tasa de corrosión, que se
define como la disminución media del grosor de pared de metal
debido a corrosión en una posición de inspección por unidad de
tiempo.
La temperatura del objeto en la posición de
inspección puede ser tomada en consideración determinando, para
cada tiempo de inspección \theta_{m}, una temperatura T_{m}
indicativa de la temperatura del objeto en la posición de
inspección; y determinando, a partir de cada una de las señales
V_{m}, un grosor de pared d_{m} perteneciente al tiempo de
inspección \theta_{m}, donde la temperatura T_{m} se toma en
consideración.
Sin embargo, no es generalmente necesario
determinar explícitamente la temperatura en la posición de
inspección. Según un aspecto específico de la presente invención la
temperatura puede ser tomada en consideración colocando un objeto
de referencia conductor eléctrico que tiene un grosor de referencia
entre la sonda y el objeto de inspección, y en contacto térmico con
el objeto de inspección, de modo que cada señal V_{m} tenga una
componente perteneciente a las corrientes transitorias en el objeto
de referencia y una componente perteneciente a las corrientes
transitorias en el objeto supervisado. Entonces, la influencia de la
temperatura en las señales V_{m} puede ser tomada en
consideración usando la componente de señal perteneciente a las
corrientes transitorias en el objeto de referencia.
Más en general, la presente invención también
proporciona un método de determinar una propiedad de un objeto de
inspección que tiene una pared conductora eléctrica, usando una
sonda de corrientes transitorias pulsadas incluyendo unos medios
transmisores y unos medios receptores, método que incluye:
- colocar un objeto de referencia conductor
eléctrico que tiene un grosor de referencia entre la sonda y el
objeto de inspección, y en contacto térmico con el objeto de
inspección;
- inducir corrientes transitorias en el objeto
de inspección y en el objeto de referencia activando los medios
transmisores;
- registrar una señal con los medios receptores,
donde la señal tiene una componente perteneciente a las corrientes
transitorias en el objeto de referencia y una componente
perteneciente a las corrientes transitorias en el objeto de
inspección; y
- procesar la señal para obtener una indicación
de la propiedad del objeto de inspección, donde la influencia de la
temperatura en la señal es tomada en consideración usando la
componente de señal perteneciente a las corrientes transitorias en
el objeto de referencia. Adecuadamente el objeto de referencia es
una chapa que tiene un grosor de referencia, el objeto de
inspección es una pared y la propiedad del objeto de inspección es
el grosor de pared, y donde el grosor de referencia es menor que el
grosor de pared.
La invención también proporciona una sonda de
corrientes transitorias para medir una propiedad de un objeto
conductor eléctrico, sonda que incluye unos medios transmisores y
receptores, y un objeto de referencia conductor eléctrico que está
situado durante la operación normal entre los medios transmisores y
receptores, y el objeto a investigar.
Adecuadamente, la sonda de corrientes
transitorias incluye además unos medios de aislamiento dispuestos
para permitir que el objeto de referencia se adapte a la
temperatura del objeto de inspección durante la operación
normal.
La invención se describirá ahora a modo de
ejemplo con más detalle, con referencia a los dibujos, donde
La figura 1 representa esquemáticamente una
disposición para realizar el método de la invención.
La figura 2 representa esquemáticamente dos
señales pertenecientes a diferentes valores de grosor de pared y/o
diferentes temperaturas de un objeto, en función del tiempo, para un
experimento de corrientes transitorias típico.
La figura 3 representa los resultados de un
experimento de supervisión de corrosión según la presente
invención.
La figura 4 representa los resultados del
experimento de supervisión de corrosión de la figura 3 que se
obtendría si no se realizase corrección de temperatura según la
presente invención.
La figura 5 representa esquemáticamente una
disposición para realizar el método de la invención, incluyendo una
chapa de referencia entre la sonda de corrientes transitorias y el
objeto supervisado.
Y la figura 6 representa esquemáticamente la
señal obtenida usando la disposición de la figura 5.
Se usan números de referencia análogos en las
figuras para hacer referencia a las mismas partes o similares.
Se hace referencia ahora a la figura 1. La
figura 1 representa un objeto 1 que tiene una pared conductora
eléctrica 2. Una sonda de corrientes transitorias pulsadas 5
incluyendo unos medios transmisores 7 y unos medios receptores 8
está dispuesta en una posición 10 encima de una posición de
inspección 12 en la superficie más próxima a la sonda (la
superficie próxima) 15 del objeto. Los medios transmisores y
receptores se indican como una bobina, y también pueden incluir una
e idéntica bobina. Los medios transmisores y medios receptores
forman conjuntamente unos medios transmisores y receptores. La
posición 10 se caracteriza por el despegue L, y parámetros de
orientación traslacional así como rotacional de la sonda 5 en otras
dimensiones (no representadas). El grosor entre la superficie
próxima 15 y la superficie lejana 16 en la posición de inspección 12
se ha de supervisar en el tiempo. El objeto puede ser por ejemplo
un tubo, que tiene un radio mucho mayor que su grosor de pared. Al
inspeccionar tubos, a menudo tiene lugar corrosión solamente en el
interior del tubo. En este caso, cuando la corrosión ha de ser
supervisada desde el exterior del tubo, la distancia entre la sonda
5 y la superficie próxima 15 permanece relativamente constante,
pero la distancia entre la sonda 5 y la superficie lejana 16 debajo
de la posición de inspección 12 disminuye en el tiempo (como se ha
indicado en la figura). Cuando se forman productos de corrosión en
la superficie lejana 16 (no representada), no contribuyen al grosor
de pared medido por el método.
Se hace referencia ahora a la figura 2. La
figura 2 representa señales típicas V_{m}(t) en función del
tiempo t, medidas en tiempos de inspección \theta_{m} (m=1,2).
Las señales de la forma representada, que pueden ser por ejemplo
lecturas de voltaje o corriente en los medios receptores, se
obtienen en respuesta a corrientes transitorias que son generadas
en la pared energizando una bobina transmisora cerca de un objeto de
metal, esperando hasta que desaparezcan las corrientes transitorias
debidas a la energización, y desenergizando bruscamente la bobina
transmisora. Las señales V_{m}(t) recibidas en una bobina
receptora se representan en unidades arbitrarias en función del
tiempo t después de que el transmisor ha sido desenergizado, en una
representación logarítmica doble. V_{1} pertenece a un grosor de
pared mayor que V_{2}.
Tal señal V(t) puede ser descrita
matemáticamente por una función S(t,\tau_{c}) según la
ecuación (1)
donde
n es un parámetro que depende de la curvatura de
la pared inspeccionada, el tipo y configuración del receptor
(disposición de la bobina, sensor Hall), y también del despegue que
es la distancia del dispositivo transmisor/receptor de la
superficie próxima de la pared, cf. La distancia L en la figura
1;
S_{0} es un factor de normalización; y
\tau_{c} es el denominado tiempo
crítico.
Los tiempos críticos \tau_{c,1} y
\tau_{c,2} se indican en la figura 2. El tiempo crítico puede
ser considerado como una medida del tiempo en el que las corrientes
transitorias se han difundido de la superficie próxima 15 a través
de la pared 2 llegando a la superficie lejana 16. El tiempo crítico
puede ser descrito por la relación siguiente
(2)\tau_{c} =
\sigma \ \mu \
d^{2}
donde
\sigma es la conductividad eléctrica
(unidades: \Omega^{-1}m^{-1}) del objeto;
\mu es la permeabilidad magnética del objeto
(V.s/A.m); y
d es el grosor del metal del objeto (m).
Cuando \sigma y \mu son constantes, el
grosor d está directamente relacionado con el tiempo crítico
\tau_{c}. Por lo tanto, determinando el tiempo crítico, o
determinando más en general un valor característico de la señal que
está relacionada con el tiempo crítico, se puede derivar información
acerca del grosor de pared d, como se hace en los métodos de
corrientes transitorias conocidos.
Sin embargo, \sigma y \mu no pueden ser
consideradas como constantes cuando la temperatura varía. La
conductividad eléctrica de los conductores metálicos es a menudo
inversamente proporcional a la temperatura absoluta T,
La dependencia de la temperatura de la
permeabilidad magnética \mu no es sencilla. En materiales
magnéticos, en los que la permeabilidad magnética es muy grande y
también depende de la historia del objeto, \mu tiende a aumentar
con la temperatura.
Será claro por lo anterior que el tiempo crítico
\tau_{c} es un ejemplo de un tiempo característico \tau en
una señal de corriente transitoria pulsada, en la que tiene lugar un
cambio característico, aquí la transición de una tasa de decadencia
más pequeña a otra más rápida. El tiempo crítico \tau_{c}
propiamente dicho, u otro valor característico \Phi de la señal
V(t) que es una función del tiempo crítico,
\Phi=\Phi(\tau_{c}), puede ser usado para determinar
un grosor de pared. Otro ejemplo de un valor característico adecuado
\Phi es la integral de la señal V(t) en un período que
incluye un tiempo después del tiempo crítico. Otro ejemplo es el
valor de la señal en un tiempo después del tiempo crítico, dado que
este valor será más bajo cuanto más gruesa sea la pared. Otro
ejemplo es el tiempo que la señal tarda en decaer de una primera
magnitud a una segunda magnitud, donde al menos la segunda magnitud
está en un tiempo posterior al tiempo crítico. La ecuación (2) es
un caso especial de una ecuación más general
es decir, el valor característico
\Phi, que es una función del tiempo característico \tau, es una
función F del grosor d, la temperatura T, y otros parámetros
P_{i} de los que el despegue y las propiedades de la sonda son
ejemplos. La ecuación (3) puede tomar una forma especial que
representa una primera relación predeterminada entre el valor
característico y el grosor de pared, en el caso de que la
temperatura sea constante, o una segunda relación predeterminada
entre el valor característico y la temperatura, en el caso de que el
grosor de pared sea
constante.
El solicitante ha hallado que la dependencia de
la temperatura de la señal de corrientes transitorias se debe
principalmente a la dependencia de la temperatura de \sigma y
\mu, y que cualquier dependencia de la temperatura de otros
parámetros es de orden segundo o inferior.
Ahora se explicará a modo de ejemplo cómo el
grosor de pared de metal puede ser supervisado según la presente
invención, tomando en cuenta las variaciones de la temperatura entre
mediciones.
Supóngase que se miden M señales
V_{m}(t) en tiempos de inspección \theta_{1}, ...,
\theta_{M}. Para ello, la sonda de corrientes transitorias
puede estar montada fijamente en una posición particular encima de
la posición de inspección. Alternativamente, una sonda puede estar
colocada en una posición predeterminada antes de cada medición. Los
expertos conocen cómo montar repetidas veces una sonda en una cierta
posición, usando marcadores, espaciadores y análogos. Una distancia
de despegue típica es del orden de milímetros, por ejemplo 10 mm.
Adecuadamente, la sonda se deberá recolocar con una exactitud
superior a aproximadamente 1 mm en las direcciones vertical
(despegue) y lateral, preferiblemente superior a aproximadamente 0,3
mm.
Para cada tiempo de inspección \theta_{m},
se mide una temperatura T_{m} indicativa de la temperatura del
objeto en la posición de inspección 12. Los expertos conocen cómo
medir una temperatura, por ejemplo usando un termopar en la pared
cerca de la posición de inspección, o usando un termómetro de
infrarrojos. Una precisión suficiente de las mediciones de
temperatura es necesaria para una corrección efectiva de temperatura
de las mediciones PEC. La exactitud absoluta es de menor
importancia, dado que en la mayoría de los casos se puede aplicar
una corrección basada en una diferencia de temperatura. Se halló que
la repetibilidad de las mediciones de temperatura es adecuadamente
superior a aproximadamente 5 K.
Cada señal V_{m}(t) es evaluada con el
fin de determinar el tiempo crítico \tau_{c,m}. Un ejemplo de
cómo se puede hacer esto se explicará más adelante.
Ahora se considerarán las señales en el tiempo
\theta_{1} y tiempo \theta_{m}. Adecuadamente, el grosor de
pared en el tiempo \theta_{1} se toma como referencia, en
particular cuando se ha de determinar una tasa de corrosión. Será
claro que también se pueden usar los datos de cualquier otro tiempo
de inspección como referencia.
Según la ecuación (2), el grosor de pared
d_{m} en el tiempo \theta_{m} está relacionado con el grosor
de pared d_{1} en el tiempo \theta_{1} como:
Ahora se puede considerar dos casos
especiales.
En el primer caso, la temperatura se mantiene
constante, es decir T_{m}=T_{1}. Por lo tanto,
\sigma_{1}\mu_{1}=\sigma_{m}\mu_{m}, y la ecuación
(4) es una relación entre el grosor d_{m} y el valor
característico (\Phi_{m}=\tau_{c,m}. En muchos casos, el
grosor d_{1} es conocido en términos absolutos, por ejemplo usando
una técnica de medición absoluta independiente, tal como mediciones
ultrasónicas. En este caso d_{m} también se puede determinar
absolutamente. Si d_{1} no es conocido en términos absolutos, la
relación de d_{m}/d_{1} puede ser determinada, es decir el
grosor relativo. Alternativamente, d_{1} se puede poner a un valor
arbitrario tal como 100%. Se entenderá que el término grosor de
pared se usa en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones
para referirse a un grosor de pared absoluto o a un grosor de pared
relativo con respecto a un grosor de pared de referencia
predeterminado.
En el segundo caso especial es conocido que el
grosor de pared entre los tiempos \theta_{1} y \theta_{m}
no cambia, pero las temperaturas T_{1} y T_{m} son diferentes.
Por lo tanto, d_{1}=d_{m}. La ecuación 4 es ahora una relación
entre la temperatura T_{m} y el valor característico
\Phi_{m}=\tau_{c,m}, dado que \sigma y \mu son
dependientes de la temperatura y todos los demás parámetros se
mantienen constantes. Esta relación puede ser estudiada por ejemplo
sistemáticamente en un experimento de calibración. Como resultado,
se puede obtener una curva de calibración relativa al tiempo crítico
(más generalmente: el valor característico \Phi) a la
temperatura.
El solicitante ha hallado que los experimentos
de calibración se pueden describir bien con la aproximación
siguiente:
donde \lambda es un coeficiente
de temperatura (unidades: 1/K, en la práctica a menudo % por K), que
es una constante de calibración y típicamente del orden de (0,03
... 0,2)% por K para acero al carbono. Esta aproximación lineal
opera mejor a intervalos de temperatura de menos de 50 K. Se puede
incluir términos de orden más alto en la aproximación si es
preciso. La unidad K (Kelvin) se usa para diferencias de
temperatura, un Kelvin corresponde a una diferencia de temperatura
de 1 grado
centígrado.
Las ecuaciones (4) y (5) dan conjuntamente:
No hay que determinar el coeficiente de
temperatura \lambda en un experimento de calibración
independiente. \lambda también se puede determinar en el
transcurso de la evaluación de las señales V_{m}(t) (m=1,
..., M; M\geq2) medidas en el transcurso de las mediciones de
inspección de pared, por ejemplo de la forma siguiente.
Seleccionando un subconjunto de K señales V_{m} (K\leqM) para un
subconjunto se puede suponer que la pérdida de pared debida a
corrosión es lineal en el tiempo. Por ejemplo, el subconjunto está
formado de datos adquiridos en un período de tiempo que es tan
corto que el adelgazamiento de pared debido a corrosión es pequeño.
Así, para este subconjunto se supone que
donde \psi es una tasa de
corrosión relativa (generalmente desconocida) en términos de pérdida
fraccional del grosor de pared inicial por unidad de
tiempo.
Los dos parámetros desconocidos en las
ecuaciones (6) y (7) se pueden determinar iterativamente. Por
ejemplo, se elige un coeficiente de temperatura \lambda, y para
todo el subconjunto se calculan todos los valores d_{m} usando la
ecuación (6). Entonces, se determina un valor para \psi por
regresión lineal de d_{m} usando la ecuación (7). El coeficiente
de temperatura \lambda se varía entonces hasta que la regresión
lineal usando la ecuación (7) es óptima. Esto es equivalente a
minimizar la expresión siguiente:
Esta forma de determinar \lambda también se
denomina un método autogenerado.
La ecuación (6) es una forma especial de la
ecuación (4). Determinando el grosor de pared d_{m} como se
explica con referencia a la ecuación (4) o (6), se utiliza una
primera relación predeterminada entre el valor característico y el
grosor de pared, para el caso de que la temperatura sea constante
(en este caso la ecuación (4) o (6) para el primer caso especial
anterior), y una segunda relación predeterminada entre el valor
característico y la temperatura, para el caso de que el grosor de
pared sea constante (la ecuación (4) o (6) para el segundo caso
especial anterior). La ecuación (6) demuestra que se ha hallado que,
al determinar el grosor de pared de la señal V_{m}, se puede
determinar adecuadamente una temperatura corregida de grosor de
pared d_{m} tomando en consideración la diferencia de temperatura
con una temperatura de referencia
((T_{m}-T_{1}), o más general
(T_{m}-T_{ref})). Preferiblemente se usa la
misma temperatura de referencia para evaluar todas las señales
V_{m}.
Será claro, sin embargo, que la primera relación
predeterminada puede tener otra forma, en particular cuando se usa
otro tiempo característico, u otro valor característico para extraer
información de grosor de pared cuantitativo de la señal, por
ejemplo como en EP 321 112 o EP 0 910 784. La primera relación
predeterminada no tiene que tener una forma analítica, y también
puede ser por ejemplo una relación empírica tal como un gráfico de
calibración que relacione la señal con un grosor de pared.
Además, la segunda relación predeterminada puede
tener otra forma. Por ejemplo, se puede usar un gráfico de
calibración en lugar de una relación como la ecuación (5), que
relacione la temperatura (adecuadamente una diferencia de
temperatura) con la forma de señal, el valor característico, o una
corrección de grosor de pared.
También será claro que generalmente no importa
para el método de la presente invención en qué secuencia se
realizan el cálculo de grosor de pared y la corrección de
temperatura. Por ejemplo, es posible corregir primero la señal
respectiva o el valor característico derivado de la señal para la
temperatura, seguido de determinar el grosor de pared.
Alternativamente, primero se puede determinar un grosor de pared no
corregido a partir del valor característico, seguido de una
corrección de temperatura usando una relación entre el grosor de
pared no corregido, el grosor de pared corregido y la temperatura.
Otra opción es realizar corrección de temperatura y cálculo de
grosor de pared al mismo tiempo, y la ecuación (6) muestra un
ejemplo sencillo de cómo se puede llevar a cabo. En todos estos
casos, se utiliza una primera relación predeterminada entre el valor
característico y el grosor de pared para el caso de que la
temperatura sea constante, y una segunda relación predeterminada
entre el valor característico y la temperatura para el caso de que
el grosor de pared sea constante.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
Como un ejemplo, se explicará una aplicación del
método de la presente invención, donde la pérdida de grosor de
metal debida a corrosión se supervisó en un tubo de salida de acero
al carbono de un refrigerador por aire, en una instalación de
hidrocraqueo. La necesidad de una supervisión exacta de la corrosión
en este ejemplo particular se refiere a tasas de corrosión
excesivas de hasta 3 mm por año, producidas debido a operación
errónea de la instalación. Se permitió otra disminución máxima del
grosor de pared de metal por 1,5 mm antes de que las
consideraciones de seguridad exigiesen el cierre de la instalación.
Si hubiesen prevalecido las condiciones adversas, la instalación
tendría que haberse cerrado en menos de 6 meses.
Las condiciones operativas se restablecieron de
nuevo a lo normal, pero se consideró necesario supervisar de cerca
las tasas de corrosión. El objetivo de la supervisión de la
corrosión era en este caso asegurar una operación segura de la
planta midiendo exactamente la tasa de corrosión, de modo que se
pudiese determinar el tiempo restante durante el que la instalación
podría operar de forma segura. Además, la medición de la tasa de
corrosión puede ser usada para establecer las condiciones
operativas. Además, la medición de la tasa de corrosión proporciona
un aviso precoz en caso de que vuelvan a aparecer tasas de corrosión
excesivas.
Consiguientemente, se realizaron 6 series de
mediciones en un período de 78 días. Durante cada serie de
mediciones, se obtuvieron señales de corrientes transitorias en
cada una de las 9 posiciones de inspección que habían sido
seleccionadas en el tubo. Para ello, se montó fijamente un bastidor
de posición encima de cada posición de inspección, cooperando con
una sonda PEC de modo que la sonda PEC se pudiese recolocar dentro
de tolerancias estrechas encima de la posición de inspección.
El bastidor de posición también incluía un
blindaje cerámico de temperatura de 9 mm de grosor, para minimizar
el calentamiento de la sonda PEC por el calor del tubo, que podría
influir en la señal. Una ventaja particular de las mediciones PEC
es que las mediciones pueden ser realizadas a través de una capa de
aislamiento. Todavía se produjo cierto calentamiento de la sonda;
se halló, sin embargo, que éste simplemente tenía influencia en la
magnitud general de la señal, pero no una influencia significativa
en el tiempo crítico.
La sonda PEC constaba de una bobina transmisora
y una bobina receptora. Las señales se midieron después de
energizar la bobina transmisora con la ayuda de una constante
corriente, interrumpiendo bruscamente el suministro de corriente y
detectando el voltaje inducido en la bobina de detección en función
del tiempo t, hasta 290 ms después de la interrupción del
suministro corriente. Las señales se amplificaron y digitalizaron
por un convertidor analógico a digital, que muestrea el voltaje a N
intervalos de tiempo regulares la longitud \Deltat_{ADC},
típicamente
60 \mus.
60 \mus.
En cada una de las posiciones de inspección y
los tiempos de inspección se midió una temperatura del tubo usando
un termómetro de infrarrojos.
Las señales medidas tenían una forma general
como la representada en la figura 2. Ahora se explicarán el
procesado y la evaluación de las 6 señales V_{m}(t) (m=1,
..., 6) medidas en una posición concreta de las posiciones de
inspección.
Para cada señal el tiempo crítico \tau_{c,m}
se determinó de la forma siguiente. Después del convertidor
analógico a digital, cada señal V_{m} consta de una serie de
números V_{m}(q\cdot\Deltat_{ADC}) (q=1, ...,Q), que
pueden ser procesados en la memoria de un ordenador.
Debido al uso del bastidor de posición, los
despegues L_{m} de la sonda de la superficie próxima del tubo en
cada tiempo de inspección \theta_{m} variaron muy poco,
L1\congL2\cong.\congL6.
El grosor de pared al inicio de la inspección,
en el tiempo \theta_{1}, se midió usando mediciones ultrasónicas
de pulso-eco siendo d_{1}=12,8 mm.
Se calculó una señal de referencia V_{REF}
como la media de señales V_{1}, V_{2}, y V_{3},
Cuando las diferencias entre las señales usadas
para promediado no son demasiado grandes, como en este caso, la
señal de referencia representa la forma general de las señales. La
señal de referencia se introdujo en la ecuación (1). Los parámetros
S_{0,REF}, n y \tau_{c,REF} se determinaron minimizando
usando para
S(t;\tau_{c,REF}) la expresión dada en la ecuación (1), y
donde Q_{1}=t_{1}/\Deltat_{ADC} y
Q_{2}=t_{2}/\Deltat_{ADC}, redondeados al entero más
próximo, con t_{1}=3 ms (menor que el tiempo crítico de las
señales) y t_{2}=100 ms (mayor que el tiempo crítico de las
señales).
Con el fin de determinar los tiempos críticos
\tau_{c,m} de las señales V_{m}, se supone que es cierta la
relación siguiente:
Esta ecuación incluye un factor S_{m} que se
espera que sea la unidad en caso de que todos los despegues L_{m}
sean los mismos, pero que permite compensar pequeñas desviaciones en
despegue, o desviaciones en la ganancia de un amplificador en el
receptor, por ejemplo debido a cambios en la temperatura de la
sonda.
Entonces, \tau_{c,m} y S_{m} se pueden
determinar minimizando para cada señal V_{m}
donde
Q_{3}=t_{3}/\Deltat_{ADC} y
Q_{4}=t_{4}/\Deltat_{ADC}, redondeados al entero más
próximo, con t_{3}=0,2*\tau_{c,REF} y
t_{4}=4*\taut_{c,REF}.
Los 6 tiempos críticos \tau_{c,m} se usan
directamente como valores característicos \Phi_{m} de las
señales V_{m}. A partir de \tau_{c,m} se determinan los
valores del grosor de pared d_{m} pertenecientes a tiempos de
inspección \theta_{m} y se corrige la influencia de la
temperatura, de la forma explicada con referencia a las ecuaciones
(4)-(8), donde se utiliza el método autogenerado para determinar
\lambda. En este caso, los datos de los 6 tiempos de inspección
se usaron en el método autogenerado. Los resultados de los datos de
grosor de pared con corrección de temperatura se exponen en la tabla
1. Para comparación, la última columna de la tabla 1 muestra los
valores del grosor de pared, que se determinarían sin aplicar la
corrección de temperatura según la presente invención. Esto es
equivalente a poner \lambda=0 en la ecuación (6).
Las figuras 3 y 4 ilustran los datos de grosor
de pared corregidos y no corregidos, respectivamente, en función
del tiempo de inspección. Las barras de error indicadas se estiman
en base a la experiencia, tomando en consideración los resultados
del análisis de regresión y la experiencia en mediciones repetidas.
Sin embargo, las barras de error no toman explícitamente en
consideración los efectos de la temperatura. Para los datos
corregidos, los puntos de datos están dentro de las barras de error
consistentes con una disminución lineal del grosor de pared con el
tiempo. Por regresión lineal se obtiene una tasa de corrosión de 1,1
mm por año. Esto implica que el tiempo de servicio restante del
tubo en la posición de inspección es aproximadamente 1,5 mm/(1,1
mm/año), es decir aproximadamente 1,4 años. Además, los datos de
grosor de pared no indican períodos con tasas de corrosión
excesivas.
Es claro que si se usasen los valores no
corregidos del grosor de pared de la figura 4 para la determinación,
se obtendrían conclusiones diferentes. Parece haber un aumento del
grosor de pared entre los tiempos de inspección tercero y quinto,
lo que no es plausible y mina la credibilidad de los datos. Por otra
parte, se sugiere una tasa de corrosión excesiva entre los tiempos
de inspección segundo y tercero. Si la tasa de corrosión se
determina a partir de los datos por regresión lineal, se obtiene un
valor de 0,26 mm/año, que sería equivalente a un tiempo de servicio
restante estimado de 5,8 años. Por lo tanto, la utilización de datos
de grosor de pared sin corrección de temperatura para supervisar de
corrosión puede dar lugar a una subestimación de la tasa de
corrosión, y por lo tanto a condiciones operativas inseguras.
La magnitud de la corrección de temperatura
depende del grado en que varía la temperatura de las instalaciones.
Incluso en condiciones operativas estables, la temperatura de
algunas partes de una instalación puede variar fácilmente de 20 a
30ºC debido a influencias medioambientales. En otros casos, un
cambio en las condiciones de proceso puede originar un cambio de
temperatura de hasta 250ºC. El solicitante ha hallado que un valor
típico del coeficiente de temperatura \lambda es 0,11% por K. El
rango esperado de fluctuaciones en las lecturas del grosor de pared
PEC, si no se aplica corrección de temperatura según la presente
invención, es por lo tanto típicamente del orden de
\sigma_{T}=3% del grosor de pared en el caso de condiciones
operativas estables y hasta \sigma_{T}=30% cuando cambian las
condiciones del proceso. \sigma_{T} también se denomina la
repetibilidad de mediciones de grosor de pared PEC debido a cambios
de temperatura. El solicitante ha hallado que las fluctuaciones de
temperatura en este orden de magnitud explican la mayor parte de la
repetibilidad general de las mediciones de grosor de pared PEC. La
repetibilidad se puede definir como la desviación estándar de las
mediciones tomadas por el mismo operador en el mismo objeto usando
el mismo equipo, en diferentes puntos del tiempo. La repetibilidad
también se denomina la precisión de una medición.
La duración prevista de una instalación de
proceso en una refinería o una planta química es generalmente 20
años. Los materiales se seleccionan generalmente por la adecuada
resistencia a la corrosión en las condiciones operativas. La
tolerancia máxima para pérdida de pared en la vida previsto no
excederá generalmente de 50% del grosor de pared inicial, de modo
que la tasa de corrosión máxima será 50%/20 años = 2,5% por año.
Cuando se ha de aplicar un método de supervisión de la corrosión,
la repetibilidad de la medición del método determina el tiempo de
respuesta, es decir el tiempo que el método de supervisión de la
corrosión tarda en detectar una pérdida de pared significativa. Por
ejemplo, la pérdida de pared entre dos mediciones se considera
significativa cuando excede de \sqrt2 \sigma_{tot}, donde
\sigma_{tot} es la repetibilidad total de la medición del
grosor de pared y el factor \sqrt2 refleja el hecho de que la
pérdida es la diferencia de dos mediciones. Por lo tanto, el tiempo
de respuesta es del orden de
Incluso en instalaciones con condiciones
operativas estables, un tiempo de respuesta de 1,7 años se calcula
usando \sigma_{tot}=\sigma_{T}=3% para mediciones sin
corrección de temperatura. Un método con un tiempo de respuesta tan
largo no es adecuado para la mayoría de las aplicaciones. Es claro
que para sistemas donde las condiciones del proceso también
variarán de modo que \sigma_{tot}=\sigma_{T}\approx30%,
se obtienen tiempos de respuesta largos irreales, superiores a 17
años.
El solicitante ha hallado que se requiere una
repetibilidad de al menos \sigma_{tot}=1% para un método de
supervisión de grosor de pared de utilidad práctica. Usando el
método de la presente invención, se han obtenido cifras de
repetibilidad \sigma_{tot}\approx0,5%, e incluso de sólo
\sigma_{tot}\approx0,2%, donde temperatura variaba al menos
20 K.
Con el fin de determinar una tasa de corrosión,
el grosor de pared se supervisa adecuadamente durante un período de
tiempo prolongado. Un período de tiempo prolongado es adecuadamente
al menos dos semanas, preferiblemente al menos un mes, más
preferiblemente al menos 2 meses. Preferiblemente el grosor de pared
es supervisado en al menos 3, más preferiblemente en al menos 5
tiempos de inspección.
Ahora se explicará una realización específica de
la presente invención. Se hace referencia a la figura 5. La figura
representa el objeto de inspección supervisado 1 y la sonda de
corrientes transitorias 5 de la figura 1, donde entre la sonda 5 y
el objeto de inspección 1 se ha colocado un objeto de referencia 31
en forma de una chapa conductora eléctrica. La chapa 31 está
dispuesta paralela y formando un intervalo 35 con la superficie
próxima 15. El intervalo evita que el objeto de inspección y el
objeto de referencia parezcan formar una sola pared conductora
eléctrica. Alrededor del espacio definido por la chapa de referencia
31 y el intervalo 35 se ha dispuesto un medio de aislamiento
térmico 38, que permite que la chapa 31 se adapte a la temperatura
del objeto de inspección 1. Adecuadamente, la chapa de referencia es
una hoja significativamente más fina que el objeto de inspección 1,
por ejemplo aproximadamente una décima del grosor de pared estimado
a inspeccionar. Más adecuadamente, la anchura del intervalo 35 es
del orden del grosor de la chapa de referencia. Por ejemplo, para
un objeto de inspección de aproximadamente 10 mm grosor de pared, la
chapa de referencia y el intervalo se pueden elegir adecuadamente
en el orden de 0,1-2 mm de grosor.
Cuando la bobina transmisora 7 es energizada y
desenergizada bruscamente, se generan corrientes transitorias en la
chapa de referencia 31, se difunden a través de la chapa de
referencia, generan un campo electromagnético en el intervalo 38
que a su vez genera corrientes transitorias en el objeto de
inspección 1. Corrientes transitorias variables en el tiempo en el
objeto de referencia 31 y en el objeto de inspección 1 dan origen
conjuntamente a un campo electromagnético secundario variable en el
tiempo en la posición de la bobina receptora 8, que induce una
señal por la bobina receptora.
Ahora se explicará cómo el objeto de referencia
entre la sonda y el objeto supervisado puede ser usado como un
estándar interno en las mediciones que permiten corrección de los
efectos de la temperatura.
Se hace referencia a la figura 6, que representa
esquemáticamente una señal 41 que puede ser obtenida de un
dispositivo de medida como el representado en la figura 5. La señal
tiene una componente 43 perteneciente a la chapa de referencia 31 y
una componente 44 perteneciente al objeto de inspección 1. Se puede
suponer que la señal 41 es una superposición de las componentes 43
y 44. La referencia y los objetos de inspección tienen diferente
despegue y también difieren adecuadamente en grosor, y están
separados por el intervalo 35. Esto permite distinguir e
identificar las componentes de señal pertenecientes a los dos
objetos. El objeto de referencia 31 tiene un menor despegue y menor
grosor que el objeto de inspección 1. Por lo tanto la componente de
señal 43 tiene un valor inicial más alto, I_{r}, y un tiempo
característico anterior, \tau_{r}, en comparación con el valor
inicial I_{i} y el tiempo característico \tau_{i} de la
componente de señal 44 perteneciente al objeto de inspección 1. En
la señal total 41, la contribución de la chapa de referencia se
manifiesta en la parte inicial.
Cuando la temperatura del objeto de inspección 1
cambia, la temperatura del objeto de referencia también cambia
debido al contacto térmico. Adecuadamente el medio de aislamiento 38
está dispuesto de tal manera que las temperaturas sean lo más
próximas posible.
Como se ha explicado anteriormente, el cambio de
temperatura tiene una influencia en la forma de la señal 41
obtenida de mediciones de corrientes transitorias. En particular el
tiempo característico cambiará generalmente, y este efecto afecta a
los tiempos característicos \tau_{r} y \tau_{i}. Sin
embargo, dado que es conocido que el grosor de la chapa de
referencia permanece sin cambiar, es posible corregir en la señal
las variaciones de la temperatura, usando la parte inicial de la
señal (después del tiempo crítico \tau_{r}), que está dominado
por la contribución de la chapa de referencia 31.
Por ejemplo, si se miden una primera y una
segunda señal en la misma posición de inspección a temperaturas
diferentes, las partes iniciales de las señales estarán desplazadas
una con relación a otra. Desplazar toda la segunda señal de tal
modo que la parte inicial solape la parte inicial de la primera
señal y de tal manera que el tiempo crítico \tau_{r} permanezca
sin cambiar, la segunda señal es transformada a la temperatura de
la primera medición. Ahora, una diferencia en los tiempos críticos
\tau_{i} entre la primera señal y la segunda señal desplazada
puede ser atribuida directamente a cambios del grosor de pared del
objeto de inspección. Será claro que el desplazamiento real de las
señales no es esencial, y que el efecto de temperatura en la señal
43 también puede ser tomado en consideración de otra forma al
procesar las señales con el fin de determinar una propiedad, tal
como grosor de pared, del objeto de inspección en varios momentos en
tiempo y con corrección de la influencia de la temperatura.
Dependiendo del tiempo que se tarda antes de que
el receptor 8 pueda operar después de desenergizar el transmisor 7,
la parte más inicial de la señal total no puede ser adquirida. Sin
embargo, es suficiente que pueda ser detectada la cola de la señal
43, después del tiempo crítico \tau_{i}.
Claims (9)
1. Un método para supervisar el grosor de pared
de un objeto que tiene una pared conductora eléctrica, usando una
sonda de corrientes transitorias pulsadas incluyendo unos medios
transmisores y unos medios receptores, método que incluye:
- seleccionar una posición de inspección en la
pared;
- en una pluralidad de tiempos de inspección
\theta_{m} (m=l, ..., M; M \geq 2), disponer la sonda en una
posición predeterminada con relación a la posición de inspección,
induciendo corrientes transitorias en el objeto activando los
medios transmisores, registrando señales V_{m} con los medios
receptores; y
- determinar, a partir de cada una de las
señales V_{m}, un grosor de pared d_{m} perteneciente al tiempo
de inspección \theta_{m}, donde se tiene en cuenta la
temperatura del objeto en la posición de inspección al tiempo de
inspección \theta_{m}, donde el grosor de pared en la posición
de inspección se supervisa comparando los grosores de pared d_{m}
uno con otro con el fin de detectar cambios en el tiempo.
2. El método según la reivindicación 1, donde
cada señal V_{m} es registrada en función del tiempo t y exhibe
un cambio característico en un tiempo característico \tau_{m},
donde el paso de determinar un grosor de pared d_{m} incluye
determinar a partir de la señal V_{m} un valor característico
\Phim que es una medida del tiempo característico \tau_{m}, y
determinar el grosor de pared d_{m} a partir del valor
característico \Phi_{m}, donde se utiliza una primera relación
predeterminada entre el valor característico y el grosor de pared,
para el caso de que la temperatura sea constante, y una segunda
relación predeterminada entre el valor característico y la
temperatura, para el caso de que el grosor de pared sea
constante.
3. El método según la reivindicación 1 o 2,
donde el método incluye además estimar a partir de los valores del
grosor de pared d_{m} una tasa de cambio de grosor de pared por
unidad de tiempo.
4. El método según la reivindicación 3, donde el
cambio de grosor de pared es debido a corrosión, y donde se
determina la tasa de corrosión.
5. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, donde se supervisa el grosor
de pared absoluto.
6. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, donde se selecciona un grosor
de pared de referencia, y donde se supervisa el grosor de pared
relativo con respecto al grosor de pared de referencia.
7. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-6, donde los tiempos de
inspección \theta_{m} abarcan un período de al menos dos
semanas, preferiblemente al menos un mes.
8. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-7, donde el grosor de pared es
supervisado en al menos 3 tiempos de inspección \theta_{m}.
9. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-8, donde la temperatura del
objeto en la posición de inspección se tiene en cuenta colocando,
antes de activar los medios transmisores, un objeto de referencia
conductor eléctrico que tiene un grosor de referencia entre la sonda
y el objeto de inspección, y en contacto térmico con el objeto de
inspección, de modo que cada señal V_{m} tenga una componente
perteneciente a las corrientes transitorias en el objeto de
referencia y una componente perteneciente a las corrientes
transitorias en el objeto supervisado; y donde la influencia de
temperatura en las señales V_{m} se tiene en cuenta usando la
componente de señal perteneciente a las corrientes transitorias en
el objeto de referencia.
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