Tendencia
Precisos, confiables y duraderos
Solo con sensores diseñados específicamente para las duras condiciones de las operaciones submarinas puedes obtener una medición precisa del rendimiento crucial en aguas profundas.
Los entornos submarinos son uno de los espacios más difíciles para cualquier sensor. Especialmente cuando se espera que funcione por hasta 20 años en una aplicación submarina. En entornos submarinos, las profundidades del agua de mar de 15,000 pies pueden ejercer presiones externas de aproximadamente 7500 psi en un sensor. Muchos sensores fallan con el tiempo en entornos de alta presión en aguas profundas, lo que causa gastos innecesarios relacionados con el reemplazo del sensor. A menudo, el costo del servicio de mantenimiento al reemplazar el sensor es mayor que el propio sensor. Es por eso que muchas aplicaciones requieren una vida útil prolongada del sensor como parte de las especificaciones operativas. El agua de mar también ataca los metales de los sensores a diferentes profundidades de agua. Esto resulta en una corrosión acelerada por los diferentes niveles de oxígeno, temperatura, pH, cloración, actividad biológica, conductividad eléctrica y velocidad de flujo que están presentes en el agua de mar a varias profundidades. La corrosión puede ocurrir en forma de picaduras, grietas o intergranulares que conducen a la falla del sensor.
Dependiendo de la temperatura, la salinidad, los niveles de oxígeno y las profundidades del agua de mar, el LVDT suele ser la única tecnología que puede ofrecer un rendimiento preciso y confiable en condiciones submarinas.
Las aguas estancadas o contaminadas son desencadenantes adicionales que con frecuencia promueven bacterias reductoras de sulfato que pueden afectar el rendimiento de los materiales de los sensores. La alta conductividad eléctrica del agua de mar promueve la corrosión de las macro células y aumenta la corrosión galvánica, lo que también acelera el aumento de la temperatura, promoviendo aún más la corrosión. La corrosión inducida por microbios también es un problema muy grave que afecta el funcionamiento del sensor de acuerdo con las diferentes condiciones de servicio y los materiales utilizados en la construcción de sensores, especialmente los aceros inoxidables austeníticos de baja calidad. Es un proceso de corrosión que implica la degradación del material que normalmente ocurre en las juntas soldadas y conduce a la falla de la soldadura si no se verifica y se trata a tiempo. Como resultado de los efectos de la presión y el agua de mar en los sensores, las aplicaciones submarinas plantean desafíos especiales para un funcionamiento confiable. Dependiendo de la temperatura, la salinidad, los niveles de oxígeno y las profundidades del agua de mar, el LVDT (transformador diferencial de variación lineal), cuando está herméticamente sellado y construido con aleaciones especiales, es a menudo la única tecnología que puede ofrecer un rendimiento preciso y confiable en condiciones submarinas.
¿Qué es un LVDT?
Un LVDT es un sensor electromecánico que convierte el movimiento rectilíneo de un objeto, al que está acoplado mecánicamente, en una señal eléctrica correspondiente. Disponible en una variedad de rangos de medición, un sensor de posición lineal LVDT puede medir movimientos tan pequeños como unas pocas millonésimas de pulgada hasta ±20 pulgadas. La Figura A muestra los componentes de un LVDT típico. La estructura interna del transformador consiste en un devanado primario centrado entre un par de devanados secundarios idénticamente enrollados, espaciados simétricamente alrededor del primario. Las bobinas se enrollan en una forma hueca de una sola pieza de polímero reforzado con vidrio térmicamente estable, se encapsulan contra la humedad, se envuelven en una pantalla magnética de alta permeabilidad y luego se fijan a una carcasa cilíndrica de acero inoxidable. Este conjunto de bobina suele ser el elemento estacionario del sensor de posición. En funcionamiento, el devanado primario del LVDT es energizado por una corriente alterna de apropiada amplitud y frecuencia, conocida como excitación primaria. La señal de salida eléctrica del LVDT es el voltaje de CA diferencial entre dos devanados secundarios, que varía con la posición axial del núcleo dentro de la bobina LVDT. Por lo general, este voltaje de salida de CA se convierte mediante un circuito electrónico adecuado a un voltaje o corriente de CC de alto nivel que resulta más conveniente de usar.
Figura 1: Las características que hacen que un LVDT sea ambientalmente robusto son evidentes en esta vista de corte.
LVDT en las profundidades del mar
LVDTS Sellados herméticamente
En aplicaciones donde los sensores están rodeados de medios corrosivos o presurizados, se recomienda un LVDT herméticamente sellado para corroborar que los medios externos no ingresan a los devanados, lo que hace que las unidades sean impermeables al agua y a los productos químicos que pueden acortar la vida útil o la confiabilidad del sensor.
Estos tipos de LVDT cuentan con un conjunto herméticamente sellado con una pared gruesa, una carcasa de metal y revestimiento metálico integral del orificio, ya sea hecho de acero inoxidable 316 o de superaleaciones de níquel. Esta construcción permite el libre movimiento del núcleo mientras sella los medios circundantes de los devanados.
Además de su carcasa de alta resistencia, el revestimiento del orificio y las arandelas finales están soldados entre sí para formar un sello hermético libre de la oxidación que produzca fallas que puedan causar fugas. Las bobinas de los sensores se enrollan en una forma hueca de una sola pieza de polímero reforzado con vidrio térmicamente estable, se encapsulan contra la humedad, se envuelven en una pantalla magnética de alta permeabilidad y luego se fijan a una carcasa cilíndrica de metal. Para usos extremos, los devanados de la bobina pueden protegerse aún más con compuestos especiales de encapsulación o resinas encapsulantes.
Los cables se pueden sellar con un cabezal sellado con vidrio o un casquillo de compresión, revestidos con acero inoxidable o recubiertos de PTFE para que las conexiones no fallen en entornos extremos. Los LVDT herméticamente sellados típicos pueden soportar presiones de funcionamiento de hasta 3000 psig. La construcción herméticamente sellada permite que el núcleo soporte temperaturas de hasta 400 °F.
Materiales especiales para carcasas
Muchos aceros inoxidables comunes como el 304 y el 316 no deben usarse para sensores que funcionarán en contacto directo con el agua de mar. Para sobrevivir a entornos submarinos, la carcasa de LVDT debe estar compuesta por aleaciones especiales (ver Gráfico 1) que proporcionen una resistencia química extendida al agua de mar. Estas superaleaciones mejoran la ya alta confiabilidad del conjunto LVDT, confirmando que puede cumplir con los requisitos de una vida útil extendida, incluso si el dispositivo está completamente expuesto al agua de mar a profundidades de hasta 15,000 pies con presiones externas de aproximadamente 7500 psi. La confiabilidad es de importancia crítica debido al costo de reemplazar el hardware submarino.
| Tipo de agua | Acero inoxidable 17-4PH | Acero inoxidable 316L | Aleación de níquel 625 |
|---|---|---|---|
| Agua dulce | Sí | Sí | Sí |
| Agua desionizada | No | Sí | Sí |
| Aguas subterráneas | No | Sí | Sí |
| Agua salobre | No | Sí | Sí |
| Agua de mar | No | No | Sí |
En aguas cálidas poco profundas, Alloy 400 es adecuada ya que su composición metálica resiste la formación de vida marina en esta. La carcasa y el soporte del núcleo hechos de acero inoxidable no sobrevivirán bien en aguas cálidas poco profundas. Alloy 400 es una aleación especial a base de níquel que proporciona una excelente resistencia contra las picaduras y el ataque de microorganismos, lo que permite que los sensores funcionen en aguas poco profundas y cálidas con altos niveles de oxígeno. El acero inoxidable es aceptable a profundidades de 2000 pies o más donde la temperatura es de alrededor de 5 °C.
En aplicaciones submarinas con profundidades de 7500 pies y presiones externas que superan los 3500 psi, Alloy 625 ofrece una excelente protección contra la corrosión debido a un mayor contenido de níquel, cromo y molibdeno.
Cuando se diseña con Alloy 718 para resistencia a la presión y a la corrosión, un conjunto LVDT puede proporcionar operaciones confiables durante muchos años, incluso si el dispositivo está completamente expuesto al agua de mar.
Si bien estas aleaciones cuestan más que el acero inoxidable, ofrecen inmunidad contra la corrosión localizada y elementos oxidantes y reductores.
Atención en el LVDT
- El transmisor de posición LVDT de la serie sumergible Macro Sensors SSIR 937 es un ejemplo de un LVDT especialmente diseñado para funcionar en entornos de aguas profundas en presiones ambientales de hasta 7500 psi. Cubierto de aleaciones especiales, el LVDT proporciona una operación confiable a largo plazo en profundidades de agua de mar de 15,000 pies con presiones externas de aproximadamente 7500 psi en más de 1 millón de horas de tiempo medio entre fallas.
- Macro Sensors diseñó un LVDT de agua de mar resistente a la corrosión, de alta presión y accionado por resorte para su uso en un contenedor de 5000 psi de presión equilibrada lleno de aceite. Diseñado a partir de 316SS y de Alloy 718 para resistir la presión y la corrosión, la alta confiabilidad del conjunto LVDT confirmará su funcionamiento continuo para los requisitos mínimos de vida, incluso si el dispositivo está completamente expuesto al agua de mar. Un elemento clave del diseño del LVDT fue su sellado de presión de fuga cero, el cual fue verificado mediante pruebas de fugas con espectrómetro de masas de helio.
Donde operan los LVDT submarinos
Los sensores de posición lineal LVDT se utilizan ampliamente para sistemas de monitoreo de condición como parte de las funciones de control y seguridad para aplicaciones en plataformas marinas, sistemas de desalinización, cables de amarre, cabezas de pozo del fondo marino y sistemas de recolección de petróleo y gas. Durante la operación, los sensores se pueden sumergir en agua de mar a diferentes profundidades, según las mareas, hasta 1000 pies. La precisión del LVDT y la operación a largo plazo son especialmente necesarias para monitorear el movimiento estructural para el FEA (Análisis de elementos finitos) a largo plazo de tuberías, torres de perforación, amarres, válvulas de choque, extensómetros y otros miembros críticos de alto voltaje en plataformas petroleras en alta mar. Por ejemplo, los LVDT submarinos se pueden usar para medir la extensión de los miembros estructurales de las plataformas petroleras a una fracción de una micro tensión. Para confirmar que las plataformas petroleras no cambian, el movimiento se mide a menos de 2 mm. Los LVDT submarinos también son adecuados para proporcionar la retroalimentación de posición requerida para monitorear y controlar el estado de los choques o válvulas para proporcionar un flujo adecuado de gas o petróleo a través de los "Árboles de Navidad submarinos". Un árbol de Navidad submarino se refiere a un conjunto de válvulas, carretes y accesorios para un pozo de petróleo, que, en formación, se asemejan a un árbol decorado. Su función es evitar que el petróleo o el gas vuelvan a salir de un pozo de petróleo, mientras se dirige el flujo de fluidos desde el pozo.
Las válvulas o choques en el árbol de Navidad se utilizan para abrir y cerrar tuberías de petróleo a medida que lo traen del fondo del mar. Los actuadores hidráulicos o eléctricos los controlan de manera remota. Se requiere una retroalimentación de posición para monitorear y controlar el estado de choque como parte de un módulo de control submarino. Se utilizan LVDT simples o redundantes montados en actuadores de válvulas para confirmar que cuando los choques están casi cerrados, el flujo se cierra por completo. Si no se cierra completamente un choque, podría resultar en un desastre ambiental como el experimentado recientemente en el Golfo. Hay varios tamaños de choques marinos, pero los trazos completos típicos varían de 2 a 12 pulgadas. Los LVDT también se utilizan en torres submarinas para monitorear la extensión de los cables de seguridad, que proporciona información crítica en caso de clima severo o terremoto, lo que lleva a la evacuación de la plataforma de perforación y el cierre del pozo petrolero. Esta aplicación surgió como resultado de las políticas de seguridad y medio entorno impuestas por las compañías petroleras y de seguros.
Resumen
A medida que aumenta la demanda de sensores que estén en contacto con el agua de mar para aplicaciones como sistemas de carga, cables de amarre submarinos, válvulas de control, choques, plantas de desalinización y estabilidad de plataformas, es importante tener en cuenta el entorno, la ubicación y las condiciones del agua de mar al especificar un sensor. Los materiales deben seleccionarse cuidadosamente para soportar altas presiones y propiedades de corrosión variables para confirmar un funcionamiento sin problemas. El costo de propiedad a largo plazo debe tenerse en cuenta, ya que algunas ubicaciones, particularmente en el fondo del mar, no son de fácil acceso para reemplazar los sensores defectuosos sin gastar mucho dinero y tiempo de inactividad. A medida que los LVDT submarinos proporcionan el mismo rendimiento confiable que las unidades estándar, pero con más resistencia química al agua de mar, se están convirtiendo en alternativas más populares a las tecnologías de posición lineal menos confiables, como ollas y sensores magnetostrictivos para la medición de posición en sistemas de monitoreo submarino.
