PROBANDO EL CALOR
Sintetizando:
Actualmente existen más de 2 millones de kilómetros (1.55 millones de millas) de ductos de transporte de alta presión en operación (referencia: Global Data 2015); hasta 1.5 millones de kilómetros (960,000 millas) todavía se consideran “imposibles de inspeccionar” – pero ese número está disminuyendo conforme las tecnologías de inspección interna (ILI) evolucionan para cumplir con las exigencias de estos ductos tan desafiantes. Aparentemente, hay una gran brecha en las soluciones de inspección disponibles en el mercado para los ductos que transportan productos a altas temperaturas. Desarrollar nuevas soluciones para estos ductos requiere un proceso exhaustivo de pruebas y validación para garantizar la posibilidad de inspecciones confiables y repetibles. Este artículo¹ presenta brevemente el desarrollo de una solución ILI de dispersión de flujo magnético (MFL) que tiene la capacidad de soportar temperaturas de hasta 140°C durante más de 17 horas.
Este proceso de pruebas y validación se dividió en cuatro secciones: 1.) Un estudio de factibilidad y pruebas a pequeña escala. 2.) Una fase de producción y ensamblaje y pruebas a pequeña escala. 3.) Una fase de pruebas para certificar herramientas. 4.) Pruebas a altas temperaturas y a escala real para un sistema de herramientas completo a manera de demostración del concepto.
FASE 1: LA FACTIBILIDAD DEL ESTUDIO – ¿ES POSIBLE?
En esta fase del proceso de validación para un nuevo desarrollo, los operadores de los ductos y los desarrolladores de las herramientas trabajan en conjunto para garantizar que se pueda desarrollar una solución que cumpla con las condiciones de frontera. Dentro de esta fase, nuevamente hay tres fases, que incluyen:
• Revisión: asegurar una comprensión total del ducto y sus características operativas y determinar los requerimientos que las soluciones de inspección deben cumplir.
• Evaluación: efectuar análisis, simulaciones y pruebas en elementos y tecnologías clave y sus aplicaciones.
• Resultados: resumir los resultados en un informe exhaustivo que incluya un plan de diseño, un plan de pruebas y un plan de inspecciones.
Aunque todo el estudio de factibilidad fue muy amplio, la etapa de evaluación, específicamente, tuvo muchos elementos variantes, comenzando con garantizar que los circuitos magnéticos pudieran soportar las altas temperaturas y que se eligiera el magnetizador correcto para que las temperaturas elevadas no afectaran la magnetización durante la inspección.
Esta prueba se efectuó con una simulación de elementos finitos en la cual se simuló un modelo 3D del circuito magnético, la fuerza del campo magnético, a una temperatura de hasta 190°C. Este modelado determinaría si la temperatura tuvo algún impacto en la magnetización de las paredes del ducto y garantizó que se hubiera utilizado la unidad magnetizadora correcta, es decir, una unidad que magnetizara de 10 kA/m – 30 kA/m.
Modelo 3D del circuito magnético en la simulación de elementos finitos
El siguiente elemento de interés sería el intercambio de temperatura. Dentro de la misma herramienta de inspección, hay componentes que generan calor, tales como los componentes electrónicos. Durante las inspecciones de los ductos bajo condiciones operativas normales, el medio que impulsa la herramienta ILI puede actuar como un elemento de enfriamiento para estos componentes, lo cual permite que el calor se disipe en el medio. Sin embargo, al trabajar en ambientes de altas temperaturas, sucede lo opuesto y el medio genera energía. Por lo tanto, tomar las consideraciones pertinentes para diseñar la solución de forma tal que los componentes más importantes, tales como las tarjetas de circuitos quedaran protegidas de las altas temperaturas se convirtió en algo crítico.
Se hicieron pruebas adicionales en los sensores MFL para determinar su capacidad para gestionar los efectos de los esfuerzos por calor ejercidos en el sensor por el medio. Cada escenario de pruebas se basó en los resultados de la prueba anterior, comenzando con temperaturas de hasta 140°C. La configuración de la prueba se efectuó con el mismo juego de cables y sensores que se usaron después para las inspecciones.
Los sensores pasaron esta prueba inicial de temperatura, pero cuando se extendió a 180°C, sobrepasando las limitantes técnicas originales, los sensores fallaron. Los resultados indicaron que los sensores con intercambiadores de calor utilizados para la discriminación diámetro interno/externo (ID/OD) dentro del portador de sensores solamente funcionan dentro de su especificación de desempeño estándar de hasta 65°C. Sin embargo, ni la funcionalidad del portador de sensores ni la medición del flujo magnético se vieron afectadas.
Finalmente, el objetivo del estudio de factibilidad era evaluar las limitantes de las tecnologías disponibles actualmente aplicables para este desarrollo y después efectuar cualquier re-diseño que fuera necesario. Después de crear y evaluar varios conceptos de herramientas, se determinó un concepto final: consistiría en dos segmentos, el primero sería la unidad de tracción que encapsula todos los componentes que deben estar protegidos de las altas temperaturas. Para lograr esto, se creó un concepto aislante utilizando dos principios:
• Se usó un tablero aislante que funcionaría como barrera para mantener la temperatura externa de ∼140°C lejos de los componentes críticos.
• Un medio de cambio de fase dentro del cuerpo de la herramienta, el cual consumiría la energía de los componentes electrónicos y la temperatura externa que podría haber traspasado el tablero aislante.
El segundo segmento se equipó con el magnetizador MFL, sensores de medición MFL y cableados y conectores posteriores que pudieran quedar expuestos a las altas temperaturas.
FASE 2 Y 3: PRODUCCIÓN Y ENSAMBLAJE – DE LA TEORÍA A LA REALIDAD
Una vez que los desarrolladores y el operador quedaron convencidos de la teoría de la factibilidad del estudio, llegó el momento de proceder con el desarrollo de la solución. En la fase de producción y ensamblaje algunas pruebas adicionales dejaron claro qué sensores, cables y conectores se podrían aplicar a la herramienta final. Entonces fue momento de ir a la Fase 3, la fase de certificación y pruebas. Ahora que la herramienta ILI ya estaba construida, las pruebas fueron reales. Una serie de pruebas de jale y bombeo validaron las capacidades de medición de la unidad MFL y confirmaron las capacidades de aprobación.
Las pruebas de jale incluyeron series de tres pruebas que son obligatorias para cada unidad magnética modificada o nueva. Los parámetros incluyen:
• Pruebas a pequeña escala que verifican el cumplimiento de la herramienta
• Pruebas que garantizan la calidad de la herramienta específica
• Pruebas que validan el comportamiento durante la medición
Después de completar todas las pruebas de jale, se demostró que el nivel de magnetización de la pared del ducto cumplía con las condiciones acordadas.
La siguiente sección de las pruebas de validación incluyó varias pruebas de bombeo con el objetivo de validar su aprobación y determinar la presión diferencial requerida para pasar la solución por varias anomalías del ducto y garantizar la mejor ejecución posible durante la inspección. Para poder simular condiciones de inspección reales, se recrearon características mecánicas tales como codos y conexiones T en el ducto a inspeccionar. Aunque todas las pruebas de bombeo arrojaron resultados positivos, los desarrolladores identificaron opciones para mejorar la centralización de la herramienta, las cuales implementamos y posteriormente volvimos a probar.
Las instalaciones de pruebas de la empresa permiten que los nuevos desarrollos se sometan a todas las validaciones necesarias para garantizar su éxito.
FASE 4: AL MÁXIMO – PRUEBAS DE EXPOSICIÓN AL CALOR A GRAN ESCALA
Para garantizar que la solución recién desarrollada pudiera tener un buen desempeño bajo condiciones reales de altas temperaturas, se creó y se ejecutó un plan de pruebas exhaustivo en las Instalaciones de Pruebas de ROSEN en Newcastle. Este plan constaba de una serie de pruebas en las que la herramienta tendría que superar varios desafíos a distintos grados de temperatura durante diferentes periodos de tiempo.
La primera prueba se efectuó en una cámara de presión hecha a la medida y de propósito específico en la que los datos se podrían registrar y la temperatura se podría controlar de forma manual. La herramienta aprobó con gran éxito la primera prueba de 33 horas en la cual la herramienta se expuso durante 21 horas a temperaturas de 125°C. La siguiente prueba, también en la cámara de presión, consistió en la combinación de dos pruebas, una con 21 horas de exposición a 140°C, la segunda a 5 horas de exposición a 150°C. Aunque las herramientas funcionaron sin problemas durante las pruebas de 140°C, se presentaron problemas en cuatro sensores a temperaturas más altas. Dos de ellos fallaron debido a la fatiga (con sensores utilizados en las pruebas anteriores para probar su fatiga); otro debido a un cable dañado, que tuvo como resultado una modificación a un conducto del cable y el tercero debido a la exposición a la temperatura en general. Dado que el sensor de calor mismo estaba a 180°C debido a la configuración de la prueba, se consideró que todas las pruebas fueron un éxito rotundo. Este último ensayo de pruebas tomó más de 34 horas, el control del sistema no sobrepasó los 73.3°C, el medio para cambio de fase funcionó como se había previsto y la temperatura de la batería no sobrepasó los límites del desempeño del diseño.
CALIENTE Y LISTO
Durante el periodo de pruebas exhaustivas y desarrollo, la herramienta de inspección interna MFL que se desarrolló pudo soportar todas las condiciones operativas necesarias: 140˚C y 100 bar. Esta nueva solución única en su tipo ahora ya ha inspeccionado ductos con condiciones de temperaturas bajas y altas y estos casos de éxito también se presentarán. Tal como se mencionó con anterioridad, este artículo solamente presentó un breve panorama general del proceso verdaderamente exhaustivo que se usa para validar una nueva solución.