Sensores LVDT en entornos submarinos

Los aceros inoxidables comunes —como 304 y 316— no deben utilizarse en sensores que vayan a estar en contacto directo con el agua de mar. Se han utilizado aceros dúplex con mayor contenido de aleación y un Índice de resistencia a la corrosión por picadura (PREN) superior a 40 como alternativas; sin embargo, las aleaciones dúplex no garantizan una vida útil prolongada y confiable en aplicaciones en aguas profundas o en el Ártico. El PREN se calcula a partir de la contribución ponderada del cromo (Cr), el molibdeno (Mo) y el nitrógeno (N):

PREN = %Cr + (3.3 × %Mo) + (16 × %N)

A profundidades de 2,000 pies o más, en las que la temperatura del agua de mar es alrededor de los 5 °C, el acero inoxidable resulta una opción adecuada.

Las superaleaciones a base de níquel ofrecen una excelente resistencia a la corrosión en zonas específicas y a los medios tanto oxidantes como reductores. Son más costosos que los aceros inoxidables o dúplex, pero son adecuados para aplicaciones que requieren una vida útil larga.

Un LVDT sellado herméticamente impide que los elementos externos penetren en los devanados, lo que hace que la unidad sea resistente al agua y a los productos químicos que, de lo contrario, acortarían la vida útil del sensor. Un sensor típico incluye:

• Una carcasa metálica de paredes gruesas con un revestimiento interior metálico integrado de acero inoxidable 316 o de una aleación de superníquel
• El revestimiento del orificio y las arandelas de los extremos están soldados y forman un sello hermético, libre de defectos que provoquen oxidación y que pudieran causar fugas
• Las bobinas se enrollan en una forma hueca de una sola pieza de polímero reforzado con vidrio de estabilidad térmica, se encapsulan contra la humedad, se envuelven en una pantalla magnética de alta permeabilidad y luego se fijan a una carcasa cilíndrica de metal.
• Compuestos de encapsulación o resinas de encapsulación opcionales para aplicaciones exigentes
• Cables sellados con un conector con sellado de vidrio o un casquillo de compresión, revestidos de acero inoxidable o recubiertos de PTFE para evitar fallas en la conexión
  

Esta construcción permite el movimiento libre del núcleo, al tiempo que aísla los devanados del entorno.

• Presión: Los LVDT con sello hermético típicos soportan presiones de operación de hasta 3,000 psig
• Temperatura: El núcleo herméticamente sellado resiste temperaturas de hasta 400°F, en función del diseño y las condiciones de aplicación
• Profundidad (con la aleación adecuada): Los sensores LVDT diseñados con la aleación 718 u otras superaleaciones pueden quedar totalmente expuestos al agua de mar a profundidades de hasta 15,000 pies y a presiones externas de aproximadamente 7,500 psi

La precisión y el funcionamiento a largo plazo de los LVDT los hacen especialmente adecuados para monitorear el movimiento estructural en el marco de un análisis de elementos finitos (FEA) a largo plazo de tuberías, torres de perforación, amarres, válvulas de estrangulamiento, extensómetros y otros elementos sometidos a altas tensiones en plataformas petroleras en alta mar. Los LVDT submarinos pueden medir la extensión de los elementos estructurales con una precisión de una fracción de una microdeformación, y el desplazamiento de la plataforma se monitorea por lo general con una precisión inferior a 2 mm.

Un árbol de Navidad submarino es un conjunto de válvulas, carretes y accesorios para un pozo petrolero que se asemeja a un árbol decorado. Evita la liberación incontrolada de petróleo o gas, y dirige el flujo desde el pozo. Las válvulas y los estranguladores —controlados de forma remota mediante actuadores hidráulicos o eléctricos— abren y cierran las tuberías que transportan el producto desde el fondo del mar. Los LVDT proporcionan información necesaria sobre la posición para monitorear y controlar el estatus del estrangulador como parte del módulo de control submarino. Los LVDT individuales o redundantes instalados en los actuadores de las válvulas pueden confirmar que el flujo se ha interrumpido por completo cuando los estranguladores están casi cerrados. Si no se cierra completamente una válvula de estrangulamiento, se puede provocar un desastre ambiental, como el que ocurrió en el Golfo. Los recorridos máximos completos típicos oscilan entre 2 y 12 pulgadas.

Los LVDT también se utilizan en torres submarinas para monitorear la extensión de los cables de seguridad, lo que proporciona información fundamental durante condiciones climáticas adversas o terremotos. Estos datos respaldan la evacuación de la plataforma de perforación y el cierre del pozo petrolero —una medida resultante de las políticas de seguridad y medioambientales exigidas por las empresas petroleras y las aseguradoras.

En el caso de los sensores que operan en agua de mar, de la ciencia de los materiales se derivan directamente tres reglas de diseño:

1. Adapta la aleación a la profundidad y la temperatura. Aleación 400 en aguas cálidas poco profundas; acero inoxidable únicamente a profundidades inferiores a ~2,000 pies, donde las temperaturas rondan los 5 °C; aleaciones 625, 718 o C276 para servicio a gran profundidad y alta presión.
2. Especifica un sello hermético siempre que el sensor entre en contacto con medios corrosivos o a presión. Los revestimientos internos soldados, las salidas de conductores selladas y los devanados encapsulados marcan la diferencia entre un sensor con una vida útil de 20 años y un reemplazo prematuro.
3. Considera la MIC como una restricción de diseño, no como un problema de mantenimiento. Las uniones soldadas en aceros inoxidables austeníticos de baja calidad son los puntos de falla más comunes, y el ataque provocado por el SRB se acelera considerablemente entre los 25 °C y los 41 °C.

Cuando se respetan estas restricciones, el LVDT con sello hermético —fabricado con la superaleación adecuada— constituye una tecnología confiable de medición de posición para sistemas submarinos de control y seguridad.

¿Por qué el agua de mar es tan destructiva para los metales de los sensores?

El agua de mar corroe los metales a distintas profundidades debido a las fluctuaciones en los niveles de oxígeno, temperatura, pH, salinidad (clorinidad), actividad biológica, conductividad eléctrica y velocidades de flujo. La alta conductividad eléctrica del agua de mar también favorece la corrosión macrocelular y aumenta la corrosión galvánica, lo que acelera el aumento de la temperatura e impulsa aún más el proceso de corrosión.

¿Cuáles son los principales componentes corrosivos del agua de mar?
Los principales iones corrosivos del agua de mar son el cloruro, el sulfato, el bromo y el bicarbonato (aniones), junto con el sodio, el magnesio, el calcio y el potasio (cationes). El oxígeno disuelto, el dióxido de carbono y la presencia de microorganismos son factores adicionales que influyen en ello. Los cloruros disueltos y otras sales son los principales factores que provocan la corrosión en zonas específicas en el acero inoxidable y otros materiales activos-pasivos.

¿Qué tipos de corrosión suelen provocar fallas en los sensores submarinos?
Los sensores submarinos suelen fallar debido a la corrosión en zonas específicas, ya sea corrosión por picaduras, en hendiduras o intergranular. Las aguas estancadas o contaminadas representan una cuarta amenaza, ya que favorecen la proliferación de bacterias reductoras de sulfato (SRB), las cuales degradan aún más los materiales de los sensores.

¿Qué es la corrosión inducida por microorganismos (MIC) y por qué es importante para los sensores?
La MIC es un proceso de corrosión que implica la degradación microbiana del material del sensor. Suele aparecer con mayor frecuencia en uniones soldadas y, si no se detecta a tiempo, provoca fallas en la soldadura. La MIC puede ser especialmente peligrosa para los aceros inoxidables austeníticos de bajo grado y es una de las principales causas de falla de los sensores en aplicaciones submarinas.

¿Qué tipos de bacterias causan la MIC?
Las bacterias MIC se clasifican en cinco categorías funcionales: productoras de biopelículas y ácido, oxidantes de hierro y reductoras de sulfato, hierro y nitrato. Las especies aerobias se desarrollan en ambientes ricos en oxígeno, y las especies anaerobias predominan en condiciones de bajo nivel de oxígeno, y cientos de especies distintas pueden formar la MIC.

¿De qué manera el mecanismo SRB–APB ataca el acero de los sensores?
Las bacterias productoras de ácido (APB) consumen oxígeno y producen ácidos orgánicos de bajo peso molecular y alcohol. Las bacterias reductoras de sulfato (SRB) consumen luego ese ácido orgánico y producen sulfuro de hidrógeno. El sulfuro actúa como cátodo frente al acero, y ataca la superficie del sensor mediante un proceso electroquímico que consume el hierro anódico, lo que provoca picaduras y la formación de costras o escamas en el material.

¿A qué temperatura se acelera la corrosión microbiana?
El proceso de corrosión provocado por el SRB se acelera considerablemente cuando la temperatura del agua de mar se sitúa entre los 25 °C y los 41 °C, en funci de la ubicación geográfica. Los ingenieros que especifiquen sensores para instalaciones en zonas tropicales o ecuatoriales deben considerar este rango como una restricción crítica de diseño.

¿Se puede utilizar acero inoxidable 304 o 316 para sensores en agua de mar?
Los aceros inoxidables comunes —como 304 y 316— por lo general no se recomiendan en ciertos entornos submarinos. A profundidades de 2,000 pies o más, en las que la temperatura del agua de mar es alrededor de los 5 °C, el acero inoxidable resulta una opción adecuada. La vida útil de las carcasas y los soportes del núcleo fabricados en acero inoxidable puede reducirse en aguas cálidas y poco profundas.

¿Qué es PREN y cómo se calcula?
El PREN mide la resistencia de una aleación a la corrosión por picaduras en función de su contenido de cromo (Cr), molibdeno (Mo) y nitrógeno (N). La fórmula estándar es:

PREN = %Cr + (3.3 × %Mo) + (16 × %N)

Los aceros dúplex con un PREN superior a 40 se han utilizado como alternativas al acero inoxidable; sin embargo, las aleaciones dúplex no garantizan una vida útil larga y confiable en aplicaciones en aguas profundas o en el Ártico.

¿Por qué el LVDT es la tecnología de sensores preferida para aplicaciones submarinas?
Debido a los efectos combinados de la presión y el agua de mar, el funcionamiento confiable en las aplicaciones submarinas plantea desafíos especiales. Dependiendo de la temperatura, la salinidad, los niveles de oxígeno y la profundidad, el transformador diferencial lineal variable (LVDT) —cuando está sellado herméticamente y fabricado con aleaciones especiales— suele ser la tecnología más común para ofrecer precisión y confiabilidad en condiciones submarinas.

¿Qué incluye un sensor de LVDT con sello hermético?
Un LVDT con sello hermético ayuda a evitar que entren sustancias externas en los devanados. Un sensor típico incluye:

• Una carcasa metálica de paredes gruesas con un revestimiento interior metálico integrado de acero inoxidable 316 o de una aleación de superníquel
• Revestimiento interno y arandelas de extremo soldados para formar un sello hermético libre de defectos que provocan oxidación
• Las bobinas se enrollan en una forma hueca de una sola pieza de polímero reforzado con vidrio de estabilidad térmica, se encapsulan contra la humedad, se envuelven en una pantalla magnética de alta permeabilidad y luego se fijan a una carcasa cilíndrica de metal.
• Compuestos de encapsulación o resinas de encapsulación opcionales para aplicaciones exigentes
• Cables sellados con un conector con sellado de vidrio o un casquillo de compresión, revestidos de acero inoxidable o recubiertos de PTFE

Esta construcción permite el movimiento libre del núcleo, al tiempo que aísla los devanados del entorno.

¿Cuáles son los límites de funcionamiento de un LVDT con sello hermético?
Los LVDT con sello hermético típicos toleran presiones de operación de hasta 3,000 psig y temperaturas en el núcleo de hasta 400 °F. Cuando se diseñan con aleación 718 u otras superaleaciones, un sensor LVDT puede quedar totalmente expuesto al agua de mar a profundidades de hasta 15,000 pies y a presiones externas de aproximadamente 7,500 psi.