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Monitoramento da Integridade do Oleoduto Com Sensores de Deformação Óticos

Strain gages são muito populares para uma grande variedade de aplicações. São adequados, particularmente, para medir cargas mecânicas em estruturas, bem como a realização de medições geotécnicas, sendo ambas aplicações relacionadas ao monitoramento de oleoduto na indústria de Oil & Gas. Você também pode usar sistemas de medição com strain gages para medir parâmetros operacionais de um oleoduto, como a pressão no meio transportado e prevenir falhas de um oleoduto instalado em áreas com desmoronamentos de terra. Para esta aplicação, você pode usar strain gages para observar áreas críticas do oleoduto para detectar deslocamentos ou deformação que podem causar falhas.

Ao monitorar a integridade do oleoduto, o sistema de medição deve ser totalmente confiável. Todos os processos de negócios e de produção são de vital importância e devem atender a todos os regulamentos.

Enquanto strain gages são muito sensíveis e fornecem sinais estáveis de saída com bom desempenho a longo prazo, usá-los de uma forma efetiva exige pessoal qualificado com bastante experiência prática. Além disso, a instrumentação e a calibração podem ser complexas e cada strain gage deve ser calibrado individualmente.

Para superar estas desvantagens, alguns usuários estão migrando para sensores óticos. A HBM, fabricante mundial de sensores, sistemas de aquisição de dados e software, desenvolveu uma solução de monitoramento de oleodutos usando sensores de deformação baseados das Redes de Bragg. A tecnologia ótica possui inúmeras vantagens em relação à tecnologia tradicional de strain gages, como:

  • Fiação mais simples;
  • Sem calibrações;
  • Alta resistência a cargas alternadas e alta tensão;
  • Excelente comportamento em fadiga;
  • Insensibilidade à interferência eletromagnética, incluindo raios e outras fontes de interferência que podem criar um campo elétrico de alto potencial; 
  • Podem ser usados em um ambiente potencialmente explosivo sem nenhum tipo de fiação especial.

Estas vantagens tornam uma boa alternativa para muitas aplicações, incluindo:

  • Monitoramento da integridade do oleoduto;
  • Observação da integridade estrutural de pontes e oleodutos;
  • Análise experimental de deformação de reservatórios e tubos;
  • Teste de materiais;
  • Monitoramento do deslocamento do terreno.

Como trabalham os sensores baseados nas Rede de Bragg?

Sensores baseados nas Redes de Bragg consistem de uma fibra ótica que contém um reflector distribuído de Bragg. A tecnologia mais freqüentemente utilizada envolve gravar redes de Bragg nanoestruturadas, sob a forma de variações periódicas do índice de refração ótica para dentro do núcleo das fibras óticas, como mostrado na Figura 1.

O comprimento da rede de Bragg é de, aproximadamente, 4 a 6mm. Ela atua como um filtro, refletindo um determinado comprimento de onda de luz e transmitindo todas as outras.

As dimensões da rede determinam a freqüência da luz que é refletida. O comprimento da onda refletida (λB), chamada de comprimento de onda Bragg, é definida pela equação λB = 2n · Λ, onde n é o índice de efeito refrativo da rede no núcleo da fibra e Λ é o período da rede. À medida que o sensor é comprimido ou esticado, n e Λ mudam e o valor de λB também se altera.

Figura 1

Os sensores são projetados para que o comprimento de onda Bragg fique na banda C, entre 1.500nm e 1.600nm. O motivo pelo qual os engenheiros da HBM determinaram por que este comprimento de onda deve ser usado é por também serem usados em aplicações em telecomunicações e fibras óticas com perdas muito baixas nessas freqüências estão prontamente disponíveis. Com o comprimento da rede fornecido, o sensor, por conseguinte, é composto por mais de 10.000 períodos de rede.

Sensores óticos monitoram a integridade dos oleodutos

Uma empresa de energia instalou recentemente um sistema de medição HBM usando sensores de fibra ótica para monitorar uma seção de um gasoduto na Alemanha. Por conta do oleoduto atravessar um vale, a regulamentação exige que o oleoduto seja monitorado 24 horas por dia, 7 dias por semana. O sistema monitora a deformação local, garantindo a integridade do oleoduto mesmo se houver alguma movimentação causada por atividades geológicas.

Os sensores de fibra ótica estão instalados no oleoduto, conforme Figura 2. Quando instalado desta maneira, o sistema monitora diversos parâmetros importantes, incluindo o quanto o oleoduto realmente se move e a taxa de mudança do movimento.

Para esta aplicação em particular, existem oito cadeias de sensores óticos Optimet da HBM com seis sensores em cada uma. Cada sensor da cadeia opera em uma freqüência ligeiramente diferente dentro da banda entre 1.500nm e 1.600nm. Por conta disso, toda a cadeia pode ser conectada a um sistema de aquisição de dados com apenas dois cabos de fibra ótica. Um fornece a fonte de luz, enquanto que o outro fornece o sinal de entrada para o interrogator.

Figura 2. Cada cadeia de fibra ótica deste oleoduto inclui seis diferentes sensores. Um único cabo de fibra ótica liga os seis sensores ao sistema de monitoramento.

O sistema, conforme mostrado na Figura 3, é composto por:

  • Interrogator DI-410 da HBM: Este instrumento fornece sinais para os sensores óticos e mede suas respostas. O DI-410 é um dispositivo de quatro canais que pode fazer até 1.000 medições / segundo. Ele se conecta ao sistema de aquisição de dados e ao roteador através de uma interface Ethernet.
  • Multiplexador (não mostrado): O multiplexador conecta todas as oito cadeias com os quatro canais do interrogator DI-410.
  • Gravador de Dados CX22B-W da HBM: Este instrumento regista as leituras do interrogator DI-410, assim como tensões de alimentação.
  • Roteador TK704U UMTS: O roteador TK704U UMTS é um roteador celular industrial machine-to-machine (M2M). É compatível com redes 2G e 3G de celulares e fornece conexões confiáveis sem fio. No caso de houver alguma falha, o sistema envia um e-mail para o operador via conexão fornecida por este roteador.
  • Um sistema de fornecimento de energia ininterrupto: O sistema é projetado para operar a partir de uma rede de de alimentação de 230 VAC. No caso do fornecimento de corrente alternada ser interrompido por qualquer razão, o sistema muda para o fornecimento de apoio via bateria. Isto garante que o sistema possa monitorizar continuamente tensões dos oleodutos.
Figura 3

Uma vez que é essencial que este sistema permaneça operacional, ele também monitora a disponibilidade do sistema, a disponibilidade do sensor, tensões de alimentação e a operação da memória, para além de tensões no oleoduto. O sistema também é programado para soar um alarme e enviar um e-mail no caso de detectar alguma anomalia em qualquer uma dessas áreas.

Vale a pena usar fibras óticas

Usar sensores de fibra ótica nesta aplicação tem realmente compensado para a empresa de energia. De um lado, por cada cadeia de sensores se conectar ao sistema de monitoramento através de um único par de cabos de fibra ótica, os custos de cabeamento foram muito menores do que teriam sido se o sistema fosse com composto por strain gages convencionais.

Outro benefício é que o sistema de monitoramento pode estar localizado a uma grande distância dos sensores. Isso acontece porque os sensores óticos não exigem uma tensão de excitação como os strain gages convencionais.

Por fim, os cabos de fibra ótica são mais seguros para se usar em um ambiente potencialmente explosivo, tal como um oleoduto, já que cabos de fibra ótica não conduzem potência suficiente para causar uma explosão; portanto, não há a necessidade de precauções especiais.

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