Prática de campo com o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica foi desenvolvido pela CRYSOUND e já foi instalado em várias instalações de química do carvão, petroquímica e gás natural. É utilizado para monitorização online de fugas em áreas de alto risco. Este artigo foi escrito pela equipa de projeto do Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica da CRYSOUND, com base na experiência de instalação e operação em ambiente real. De forma simples, iremos explicar por que é necessário um sistema deste tipo, como funciona em princípio, o que muda realmente depois de entrar em serviço no local e o que pode e não pode fazer.

Porque é que a inspeção tradicional de fugas é tão difícil?

Em refinarias petroquímicas, estações de gás natural, complexos de química do carvão e parques de armazenamento de produtos químicos perigosos, todos compreendem quão sensível é a palavra "fuga". O que realmente dificulta o trabalho é que muitos pontos críticos estão localizados bem acima do solo, em pipe-racks ou no topo de colunas.

No passado, encontrar uma pequena fuga em altura significava normalmente passar por um processo como este:

• Montar andaimes ou utilizar uma plataforma elevatória e passar horas a subir e descer;

• Subir pelos pipe-racks com solução de sabão ou instrumentos portáteis na mão;

• No inverno, as mãos ficam rígidas de frio; no verão, a roupa fica encharcada de suor e, mesmo depois de concluir uma ronda completa, as pessoas continuam preocupadas: "Há tantas válvulas e flanges, será que escapou alguma coisa?"

Em resumo, a inspeção tradicional de fugas neste tipo de instalações apresenta vários pontos críticos persistentes:

• Localizações elevadas: pipe-racks a 20 metros ou topos de colunas são de difícil acesso. Equipamentos de acesso temporário são caros e de alto risco na utilização.

• Fugas muito silenciosas: os sinais ultrassónicos gerados por pequenas fugas são abafados pelo ruído de bombas e ventiladores e são praticamente impossíveis de ouvir a ouvido nu.

• Fugas invisíveis: numa fase inicial, o caudal de fuga é mínimo. A solução de sabão não faz espuma e o cheiro é ténue. Quando finalmente se veem manchas ou se sente cheiro a gás, a fuga normalmente já se espalhou.

• Baixa eficiência: uma única área de processo pode facilmente ter milhares de pontos de monitorização. A inspeção manual "a subir e descer" é maioritariamente feita por amostragem, sendo muito difícil alcançar uma verdadeira cobertura contínua e completa.

Os métodos tradicionais de deteção baseados em sensores eletroquímicos, infravermelhos e laser são, essencialmente, monitorização por ponto ou por linha:

• Medir num ponto fixo para ver se a concentração excede um limiar;

• Vigiar ao longo de um único caminho ótico para ver se algum gás o atravessa.

O que os operadores realmente desejam, porém, não é apenas saber se existe uma fuga, mas também ver claramente, numa área ampla, exatamente onde a fuga está a ocorrer.

É precisamente esse o problema que o sistema ultrassónico de deteção de fugas por imagiologia acústica (Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica) foi concebido para resolver.

Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica: transformar o "ruído de fuga inaudível" num mapa sonoro colorido no ecrã

Princípio básico: fuga de gás sob pressão → sinal ultrassónico → mapa sonoro colorido na imagem

Quando um gás sob pressão escapa através de folgas em válvulas, microfissuras em flanges ou defeitos de soldadura, interage com o ar circundante e produz turbulência intensa, gerando uma classe de sinais ultrassónicos com características distintas:

• Quanto maior a taxa de fuga, mais forte é o sinal ultrassónico;

• Quanto maior a diferença de pressão, mais pronunciadas são as características acústicas;

• Estes sinais são bastante diferentes do ruído mecânico de baixa frequência de motores e bombas, o que torna possível distingui-los do ruído de fundo.

O que o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica faz é converter este "som inaudível" em "imagens visíveis" de forma inteligente:

• Utiliza-se uma matriz de sensores ultrassónicos multicanal para adquirir sinais ultrassónicos em simultâneo a partir de várias direções;

• No front-end, são efetuadas amplificação, filtragem e redução de ruído para remover, tanto quanto possível, interferências eletromagnéticas e ruído de fundo de baixa frequência;

• As diferenças de fase e amplitude entre canais são analisadas para estimar a distribuição espacial da energia sonora e inferir de que direção e de que área provém o ruído de fuga;

• A distribuição da energia sonora é mapeada para um "mapa de calor" bidimensional e sobreposta à imagem de vídeo em tempo real do campo.

No final, o local com o sinal de fuga mais forte aparece como uma "nuvem" em tons de vermelho-amarelo-verde no ecrã. Para os operadores, o efeito é muito intuitivo: onde quer que surja uma nuvem na imagem, é aí que algo parece suspeito.

Parâmetros de engenharia: quão longe e quão pequenas fugas consegue detetar?

Com base em ensaios de campo e resultados de calibração conjunta de vários projetos online, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica apresenta as seguintes capacidades típicas em aplicações de engenharia:

Distância de deteção recomendada: 0,5-50 m.

A uma distância aproximada de 1-30 m, o sistema obtém melhor relação sinal-ruído e desempenho de imagiologia para pequenas fugas.

Gama de frequências de funcionamento:

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica funciona na banda ultrassónica (acima de 20 kHz). É utilizado um filtro passa-banda para selecionar a banda característica de fuga (tipicamente 20-40 kHz), suprimindo de forma eficaz o ruído mecânico de baixa frequência e na gama audível.

Taxa mínima de fuga / diâmetro de orifício detetável (em condições típicas):

Com uma diferença de pressão mínima de cerca de 0,6 MPa, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica consegue fornecer deteção visual de fugas em fase inicial na ordem de 0,1 mm em folgas de válvulas e microfissuras de flanges. A sensibilidade real varia consoante o tipo de gás, a pressão, o ruído de fundo e a localização dos sensores.

Exatidão de localização:

Dentro da distância de deteção recomendada, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica consegue localizar fugas com uma precisão aproximadamente ao nível do centímetro. Combinado com a imagem de vídeo, pode apontar de forma eficaz para um equipamento específico ou área de flange no ecrã.

Estes valores não são limites rígidos e imutáveis, mas sim desempenhos típicos ao nível de engenharia, verificados em vários projetos reais.

Grau de proteção:

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica obteve a certificação à prova de explosão Ex ib IIC T4 Gb e passou nos ensaios de proteção IP66, o que o torna adequado para instalação de longa duração em áreas típicas perigosas.

Arquitetura do sistema: mais do que um único sensor - é um sistema online completo

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica não é apenas um "sensor inteligente". É um sistema completo de monitorização online que pode, em termos gerais, ser dividido em três camadas:

Camada de deteção de front-end:

Detetores de fugas por imagiologia ultrassónica com função de pan-tilt são instalados no local. Eles "ouvem" fugas, captam a imagem de vídeo e geram a imagem acústica colorida. A unidade pan-tilt pode rodar e inclinar-se para varrer uma área ampla.

Camada intermédia de armazenamento:

O NVR e outros equipamentos de armazenamento recebem dados dos dispositivos de front-end, armazenando de forma completa o vídeo, as imagens acústicas e os registos de alarmes para posterior reprodução e análise de incidentes.

Camada de gestão de back-end:

A VMS e outras plataformas de gestão ligam-se a vários dispositivos de front-end, efetuando a gestão unificada de equipamentos, controlo de deteção, visualização de alarmes e geração de relatórios, apresentando todos os dados de forma centralizada no video wall da sala de controlo.

Em resumo:

• O front-end "vê" o ponto de fuga;

• A camada intermédia "regista" o processo;

• O back-end "faz a gestão de toda a instalação num só ecrã".

Um local típico: de subir aos pipe-racks a ver nuvens coloridas

Tomemos como exemplo uma unidade típica de química do carvão em Ningxia. Nesta instalação, foram montadas 11 unidades do Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica, cobrindo gasificadores, fornos, parques de tanques e pipe-racks. Podemos analisar como o trabalho do dia a dia mudou após a introdução do Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica.

Antes da modernização: seis pessoas a subir durante meio dia e, ainda assim, com dúvidas

Numa área típica de gasificador, existem muitas tubagens, válvulas e flanges de alta temperatura e alta pressão dentro da unidade. Muitos pontos-chave situam-se a cerca de 20 metros acima do solo. Os fluidos são, na sua maioria, gases inflamáveis ou tóxicos, pelo que qualquer fuga não só desperdiça matéria-prima como também representa riscos para a segurança do pessoal e para a estabilidade da unidade industrial.

Anteriormente, a inspeção era realizada, em termos gerais, da seguinte forma:

• Eram destacados vários inspetores e técnicos de manutenção, montavam-se andaimes ou plataformas de acesso e, em seguida, subia-se aos pipe-racks;

• Com solução de sabão e detetores portáteis na mão, percorriam os racks e plataformas, verificando cada flange e válvula um a um;

• Uma única ronda podia facilmente demorar meio dia. Durante grandes inspeções ou campanhas especiais, era frequente repetir este trabalho durante vários dias seguidos.

O pessoal da linha da frente descreveu este modo de trabalho em três palavras: "cansativo, lento e preocupante".

Cansativo: subir repetidamente a grandes alturas e assumir posições desconfortáveis para observar e ouvir junto ao equipamento;

Lento: numa área com dezenas ou centenas de pontos, verificar cada um individualmente leva muito tempo;

Preocupante: com muito ruído de fundo e um grande número de pontos, as pessoas sentem sempre que apenas olhos e ouvidos podem falhar na deteção de problemas subtis.

Durante a modernização: deixar que a unidade pan-tilt "varra a área" todos os dias

Após avaliar os riscos de fuga e a carga de trabalho de inspeção, colaborámos com o cliente para instalar vários detetores de fugas por imagiologia ultrassónica com pan-tilt em diferentes níveis de plataforma e ligá-los ao Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica:

• Unidades pan-tilt em altura cobrem áreas críticas como cabeças de gasificadores e linhas de carvão pulverizado;

• Unidades intermédias cobrem vasos de bloqueio, linhas com traçagem térmica e zonas densas em flanges e válvulas;

• Unidades ao nível do solo cobrem tanques de alimentação e tubagens ao nível do chão.

Definição de percursos de patrulha e predefinições

Para cada unidade pan-tilt, são configuradas várias vistas predefinidas - por exemplo, ao longo de um determinado pipe-rack, de um grupo de flanges ou de uma área específica de plataforma. Os ciclos de patrulha são definidos de acordo com as secções de processo e os níveis de risco, sendo as áreas de maior risco varridas com maior frequência.

Ligação ao sistema de controlo central

Todas as imagens acústicas e informações de alarme dos dispositivos de front-end são enviadas para a plataforma de gestão do Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica. No video wall da sala de controlo, os operadores podem ver, em simultâneo, uma visão geral da unidade, as imagens de nuvens coloridas e a lista de alarmes.

A partir daí, os dispositivos passam basicamente a seguir a estratégia configurada e a "varrer a área" automaticamente todos os dias:

• Cada unidade pan-tilt roda e inclina-se ao longo do seu percurso predefinido, varrendo as áreas-chave em cada nível de altura;

• Assim que surgem sinais ultrassónicos característicos de fuga num determinado local, aparece uma nuvem na posição correspondente no ecrã;

• Quando os operadores na sala de controlo veem uma nuvem anómala, podem notificar imediatamente a manutenção, que se dirige diretamente à válvula ou flange indicadas para verificar e resolver o problema.

Após a modernização: de "pessoas à procura de problemas" a "problemas que se revelam por si próprios"

Após um período de funcionamento, o feedback do local concentrou-se principalmente em três aspetos:

Menos operações de trabalho em altura

Onde anteriormente eram necessárias 2-3 rondas abrangentes de inspeção em altura por mês, estas foram agora reduzidas a campanhas sazonais, complementadas com verificações pontuais quando surgem nuvens anómalas. Os trabalhos em altura estão muito mais focados em problemas específicos e a frequência global diminuiu claramente.

Os problemas são detetados mais cedo e em escala menor

No passado, muitas pequenas fugas só eram notadas quando alguém sentia um cheiro ou via sinais visíveis. Agora, assim que uma fuga atinge o limiar de deteção, as anomalias podem surgir antecipadamente na imagem de nuvens, permitindo ações corretivas mais precoces.

A manutenção torna-se mais eficiente

Anteriormente, quando alguém reportava "cheira a gás nessa área", as equipas de manutenção tinham de verificar dezenas de flanges e válvulas uma a uma. Agora, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica assinala diretamente, no ecrã, qual o equipamento que apresenta uma forte anomalia acústica, para que os técnicos possam levar as suas ordens de trabalho e dirigir-se diretamente à região alvo.

O pessoal da linha da frente apresentou um resumo muito expressivo:

"No passado, éramos nós que andávamos à procura de problemas;

agora, são os problemas que aparecem sozinhos no ecrã."

Isto é, em essência, a mudança de subir aos pipe-racks para observar nuvens coloridas.

O que o Sistema de Deteção de Fugas por Imagem Acústica pode fazer - e o que não pode fazer?

Do ponto de vista da segurança e da engenharia, compreender os limites do sistema é muito importante - trata-se de ser responsável tanto para com a instalação como para com o próprio sistema.

Em que é que o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica é particularmente eficaz

Monitorização online de grandes áreas em zonas elevadas e de elevado risco

Combinando unidades pan-tilt com matrizes de sensores, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica pode realizar varrimentos de cobertura de área num intervalo aproximado de 0,5-50 m, sendo especialmente adequado para pipe-racks a 20 m, topos de colunas e outros locais onde o acesso manual frequente é difícil.

Localização visual

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica não só indica que "existe uma fuga", como também apresenta diretamente uma nuvem na imagem para indicar onde ela se encontra. Com precisão de localização ao nível do centímetro, consegue restringir rapidamente a área a um equipamento específico ou a uma zona de flange.

Monitorização contínua

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica pode operar online 24 horas por dia, 7 dias por semana, reduzindo significativamente a dependência de "alguém passar por aquele ponto" no momento certo.

Comparado com métodos que dependem da acumulação de concentração de gás, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica é menos afetado pela dispersão do gás pelo vento, porque se concentra no sinal ultrassónico gerado pelo próprio jato, em vez de leituras de concentração num único ponto.

Redução de trabalhos em altura e de inspeções repetitivas

Ao passar de "inspeções frequentes em altura" para "subir apenas quando surge uma nuvem anómala", o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica ajuda a reduzir a carga de trabalho e o risco de trabalhos em altura, ao mesmo tempo que melhora a eficiência global da inspeção.

O que o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica não consegue fazer: limitações que precisamos de reconhecer com honestidade

Não consegue "ver" fugas que estejam completamente bloqueadas

O sinal ultrassónico de fuga só pode ser detetado e imagiado de forma eficaz quando consegue propagar-se até à matriz de sensores ultrassónicos. Se a fonte de fuga estiver completamente bloqueada por componentes estruturais ou por invólucros de paredes espessas ao longo do caminho, a matriz irá receber um sinal de fuga muito mais fraco ou mesmo inexistente.

Estas áreas necessitam de ser compensadas com um posicionamento adequado dos sensores, cobertura a partir de vários ângulos ou outros métodos de deteção complementares.

Fontes fortes de interferência ultrassónica exigem um projeto especial

Exemplos incluem pontos de descarga de processo, purgas de vapor abertas durante longos períodos e dispositivos pneumáticos de alta frequência, todos capazes de gerar assinaturas ultrassónicas semelhantes às de fugas. Para estes pontos, durante o projeto do sistema costuma ser realizada uma análise do espetro de ruído no local, introduzindo-se medidas como mascaramento regional ou filtragem lógica.

O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica não é um substituto universal, mas sim um complemento poderoso

Em alguns cenários em que a própria concentração de gás tem de ser monitorizada - como alarmes de gás tóxico em áreas ocupadas -, os sensores baseados em tecnologia eletroquímica, infravermelha e laser continuam a ser necessários. O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica é mais adequado para construir uma "rede de radar sonoro" que assinale os riscos de fuga no ecrã o mais cedo possível.

Se pensarmos no conjunto da configuração de monitorização de fugas como uma equipa:

• Os sensores de concentração são responsáveis por "defender a última linha" (verificar se a concentração excede o limite);

• O Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica funciona como um "batedor antecipado", indicando onde podem estar a ocorrer jatos suspeitos e lembrando que é necessário inspecionar mais de perto.

Conclusão: deixar que o sistema veja primeiro o problema para que as pessoas o resolvam com mais segurança

Com um sistema de deteção de fugas por imagiologia ultrassónica como o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica instalado, a forma de trabalhar pode mudar de forma fundamental:

• O sistema varre a unidade todos os dias ao longo de percursos predefinidos;

• Assim que surge uma nuvem colorida no ecrã, o pessoal leva as suas ordens de trabalho e sobe de forma direcionada para resolver o problema;

• Os trabalhos em altura tornam-se mais focados e menos frequentes, e muitas fugas podem ser resolvidas antes de provocarem impacto notório.

Para indústrias como petroquímica, gás natural e química do carvão, o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica não é um gadget vistoso, mas sim uma forma de identificar fugas mais cedo, organizar inspeções com maior segurança e gerir o risco de forma mais sistemática.

É importante salientar que o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica não substitui todas as técnicas tradicionais de deteção, sendo antes uma peça importante do conjunto. Em projetos reais, normalmente combinamos o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica com deteção de concentração, interbloqueios de processo e inspeções manuais, utilizando uma abordagem de defesa em camadas para melhorar a capacidade global de controlo de fugas.

Se a sua instalação enfrenta problemas como muitos pontos em altura com necessidade frequente de andaimes, deteção tardia e difícil resolução de pequenas fugas, ou forte pressão de inspeção durante a noite e em mau tempo, poderá considerar a instalação de um sistema de deteção de fugas por imagiologia ultrassónica como o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica - deixando que os problemas surjam primeiro claramente no ecrã para que as pessoas os possam resolver com mais tranquilidade e segurança. Para discutir a sua aplicação ou verificar se o Sistema de Deteção de Fugas por Imagiologia Acústica é adequado, contacte-nos através do nosso formulário Contacte-nos.