monitoreo ultrasÓnico de corrosiÓn en tubos de acero
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MONITOREO ULTRASÓNICO DE CORROSIÓN EN TUBOS DE ACERO
Julio Cezar Adamowski(1)
, Nicolás Pérez(2)
, Marcelo Yassunori Matuda(3)
, Flávio
Buiochi(4)
, Alan T. Souza(5)
, Claudio S Camerini(6)
, Carlos Patusco(7)
.
(1) Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Systemas Mecanicos, Universidad de San Pablo –
Prof. Titular - Av. Prof. Mello Moraes, 2231, 05.508-030, San Pablo, SP, Brasil. -
(2) Polo Agroalimentario Agroindustrial de Paysandú, Universidad de la República – Prof. G3 -
Ruta 3 km 363, Paysandú, Uruguay – [email protected].
(3) Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Systemas Mecanicos, Universidad de San Pablo –
Doctorando - Av. Prof. Mello Moraes, 2231, 05.508-030, San Pablo, SP, Brasil. -
(4) Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Systemas Mecanicos, Universidad de San Pablo –
Prof. Adjunto - Av. Prof. Mello Moraes, 2231, 05.508-030, San Pablo, SP, Brasil. -
(5) Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Systemas Mecanicos, Universidad de San Pablo –
Ingeniero de Proyecto - Av. Prof. Mello Moraes, 2231, 05.508-030, San Pablo, SP, Brasil. -
(6) Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Systemas Mecanicos, Universidad de San Pablo –
Coordinador - Av. Prof. Mello Moraes, 2231, 05.508-030, San Pablo, SP, Brasil. -
(7) Departamento de Ingeniería Mecatrónica y Systemas Mecanicos, Universidad de San Pablo –
Ingeniero - Av. Prof. Mello Moraes, 2231, 05.508-030, San Pablo, SP, Brasil. -
RESUMEN:
Las técnicas de ultrasonido pueden utilizarse para determinar espesores en tubos o
placas metálicas con resolución micrométrica. Sin embargo el problema de la
determinación de la tasa de corrosión presenta dificultades adicionales debido a que
la medida debe realizarse en ventanas de tiempo muy largas, que pueden llegar a ser
de varios años. Tasas de corrosión moderadas pueden reducir la pared de un
oleoducto de acero con tasas de 0.1 a 0.2 mm/año. Este trabajo presenta los estudios
previos realizados para el desarrollo de un sistema de monitoreo de corrosión
utilizando un array de ocho transductores ultrasónicos (5 MHz). Los objetivos son
evaluar la estabilidad del sistema y desarrollar técnicas para compensar las
variaciones de temperatura y los efectos de la sedimentación en las medidas. Se
realizaron ensayos durante 60 días, adquiriendo señales a cada 4 minutos en forma
continua sobre un prototipo que garantiza la estabilidad mecánica del conjunto. Se
describe la estrategia seleccionada para la compensación de temperatura, la
compensación de la sedimentación sobre el tubo y el procesamiento se señales para
alcanzar una resolución micrométrica. Actualmente se están realizando ensayos
utilizando un prototipo que permite un monitoreo autónomo durante dos años.
PALABRAS CLAVE: array ultrasónico, detección de corrosión, NDT.
INTRODUCCIÓN
Una de las formas más utilizadas para medir corrosión en oleoductos de acero es la
introducción dentro del tubo de testigos de desgaste, llamados frecuentemente
coupons. El monitoreo utilizando coupons es el método más antiguo para determinar
la corrosión producida por el entorno en un material específico, para su
implementación debe introducirse en el punto deseado de monitoreo un espécimen
de prueba del mismo material que la tubulación y medir la pérdida de masa
resultante luego de un tiempo determinado de exposición. Esta es una técnica
intrusiva que requiere la intervención manual para la toma de muestras y pesado de
las mismas y un montaje complejo que introduce puntos de registro en el tubo.
Un enfoque alternativo es el uso de ultrasonido, que permite el monitoreo no
intrusivo de la corrosión en la tubulación, esta técnica ha sido propuesta para
medidas de alta precisión [1]. La duración del tiempo de transito en el material,
multiplicada por la velocidad de propagación, permite el cálculo del espesor de la
pared con una precisión micrométrica. El monitoreo de corrosión en oleoductos de
aguas profundas es todavía un desafío debido a la dificultado de accesibilidad y las
condiciones ambientales extremas. En estos casos los sistemas autónomos son
extremadamente convenientes en términos de instalación y precio. La arquitectura
usual de estos dispositivos es con un “data logger” o registrador electrónico con
funcionamiento a batería y memoria interna para almacenaje durante un tiempo
largo. Los registros pueden ser colectados por un robot autónomo (Remotely
operated underwater vehicle ROV) incluso en el caso de que sea necesario la
extracción del equipo para bajar los datos en la superficie. Se consideran tasas
moderadas de corrosión en tubos de acero en el orden de 0.1 mm/año. Para alcanzar
precisión del orden del micro metro las medidas ultrasónicas deben ser compensadas
en temperatura, a fin de corregir los cambios introducidos en la velocidad de
propagación. Este trabajo presenta la evaluación de la técnica monitoreo de
corrosión utilizando un conjunto “array” de transductores ultrasónicos. Los ensayos
realizados para evaluar la estabilidad y repetitividad utilizan ocho transductores de
5 MHz montados en un dispositivo mecánico construido para simular una parte de
un tubo de 270 mm de diámetro y 20 mm de pared. En las siguientes secciones se
muestra el montaje experimental, el procesamiento de señales utilizado para
alcanzar la mejor resolución, las estrategias de compensación de temperatura, los
resultados experimentales y las conclusiones.
MONTAJE EXPERIMENTAL
Para implementar el ensayo de evaluación de la metodología ultrasónica, fue
construida una pieza metálica de dimensiones similares a un tubo de oleoducto
utilizando herramientas con control numérico de precisión. Esto garantiza la
estabilidad mecánica de los transductores, superficies planas y una geometría bien
definidas.
Los objetivos principales del presente experimento son la evaluación del límite de
detección (dependiente del procesamiento de señales utilizado) y la corrección de
los efectos de la temperatura. Ambas evaluaciones se realizan sobre el cuerpo de
prueba construido en aluminio para simplificar la manufactura y manipulación. La
figura 1 muestra dos perspectivas de este dispositivo mecánico, aproximadamente
1/6 de la circunferencia de un tubo estándar de 272 mm de diámetro y espesor
20 mm.
Figura 1. Dispositivo mecánico para evaluar la técnica ultrasónica, los transductores
seleccionados son de frecuencia central 5 MHz. A) Vista superior. B) Vista lateral.
La pieza se coloca en un traque de inmersión con agua para acoplar la superficie de
la muestra con los transductores. Estos transductores monoelemento de frecuencia
central 5 MHz fueron desarrollados en el laboratorio de Ultrasonido de la Escuela
Politécnica de la USP en cooperación con el CEMPES-PETROBRAS para
aplicaciones de alta presión en instalaciones offshore. La figura 1.B muestra una
ranura entre la línea de transductores y la pieza metálica inferior, esta zona
corresponde a la zona de acoplamiento entre el futuro dispositivo de soporte de los
transductores y el tubo. Para la emisión y adquisición de señales se utilice un
pulsador con conexión USB, al mismo tiempo se adquiere la temperatura del tanque
con un termómetro digital de resolución centesimal. Se destaca que la temperatura
del tanque no es controlada a fin de evaluar la dependencia de las medidas con la
fluctuación térmica. Todo el sistema es controlado por un PC que ejecuta un
programa de adquisición bajo Matlab.
Figura 2. Diagrama esquemático del experimento.
El programa de adquisición grava las ocho señales ultrasónicas, la temperatura y
fecha y hora actual. Los datos se gravan en archivos secuenciales que se
disponibilizan para acceder a ellos en forma remota a través de internet. En este
ensayo se realiza una medida a cada cuatro minutos. Utilizando esta arquitectura, el
procesamiento de señales y la posterior visualización se realiza en PCs externos sin
interferir con la rutina de adquisición.
Figura 3. Montaje experimental.
PROCESAMIENTO DE SEÑAL
En esta sección se muestran las principales características del procesamiento de
señales utilizado. Para evaluar el nivel de corrosión en el tubo se utiliza el tiempo de
vuelo entre dos reflexiones consecutivas dentro del tubo, mientras que la primera
reflexión en la pared externa es utilizada para evaluar la distancia a la pared, la
energía entregada y como corrección de temperatura. Se adquieren los tres primeros
ecos recibidos desde la pieza de prueba.
Figura 4. Ecos recibidos desde el tubo. A) Primer eco, reflexión en la pared externa.
B) Segundo eco, primera reflexión interna. C) Tercer eco, segunda reflexión
interna.
Lamamos TT al tiempo entre el segundo y el tercer eco de la figura 4, este tiempo
corresponde a dos veces el tiempo de vuelo del ultrasonido en el interior de la pared
del tubo. Si la velocidad de propagación en el metal cT es conocida, el espesor de la
pared puede calcularse utilizando la siguiente expresión:
El primer paso en el procesamiento de señal es la determinación de la ventana
temporal de cada eco, en este caso es simple debido a que los ecos no se solapan. En
la práctica la selección de los ecos se realiza multiplicando la señal recibida por un
pulso rectangular que es no nulo solamente en la zona del eco deseado.
Figura 5. Selección de las ventanas con el segundo y tercer eco.
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time [s]
Am
plit
ude [N
orm
.]
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time [s]
Am
plit
ude [N
orm
.]
A B
C
A seguir se calcula la correlación cruzada entre estos ecos, llamados E1 y E2. Si se
utiliza el software Matlab esta correlación puede calcularse utilizando la función
“xcorr” o en el dominio de la frecuencia utilizando la transformada de Fourier
( ( ) ( )
)
Para señales pulsadas de forma similar, esta correlación da como resultado una
función simétrica con un máximo bien definido que acontece en el tiempo de retardo
entre las dos señales. Sin embargo la determinación de un punto de máximo es un
poco imprecisa, sobre todo con señales experimentales que pueden estar afectadas
por ruido. Una alternativa es el uso de la transformada de Hilbert, cuando se aplica
esta transformada a una función de correlación, su parte imaginaria presenta un
cruce por cero en el punto en que la correlación es máxima [2]. La determinación de
un cruce por cero es mucho mejor definida que la determinación de un máximo.
Figura 6. Correlación cruzada entre los ecos E1 y E2. “Azul”, función de correlación
original. “Negro”, transformada de Hilbert. “Rojo”, interpolación de la transformada
de Hilbert con 10 puntos.
Como puede verse en la curva negra de la figura 6, la determinación del tiempo de
transito está limitada por la frecuencia de muestreo de la señal. En este caso la
frecuencia configurada en el sistema de adquisición es fs = 50 MHz,
correspondiendo a una resolución de 20 ns en la determinación del tiempo y a mas
de 60 µm en la determinación del espesor. El uso de una mayor frecuencia de
muestreo en el hardware implica varios costos; mayor consumo de energía,
hardware más complejo, mayor espacio para almacenar los datos y mayor costo en
la trasmisión de los datos. Dependiendo de la aplicación estos costos adicionales
pueden ser críticos. Por otra parte, si la señal a ser adquirida es de banda limitada,
esto es no posee componentes de frecuencia por encima de un determinado valor
Fmax, puede reconstruirse completamente a partir de muestras adquiridas a una
frecuencia de muestreo mayor que el doble que Fmax , como establece el teorema de
6 6.05 6.1 6.15 6.2 6.25 6.3 6.35 6.4-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Time [s]
Am
plit
ude [A
.U.]
ZERO CROSS POINT
Nyquist [2]. Para los transductores de 5 MHz utilizados, este criterio se satisface
ampliamente. Para la interpolación de la señal se utiliza un algoritmo de filtro de
paso bajo, el mismo consiste en la extensión del espectro de la señal por encima de
la frecuencia de muestreo adicionando ceros (esto no agrega información) y la
posterior reconstrucción utilizando la transformada inversa de Fourier. Esta
interpolación tiene el mismo espectro que la señal original dentro de la banda
muestreada y cero fuera de ella, por eso el llamada “low pass interpolation”. En el
software Matlab se implementa con la función “interp”. La curva roja en la figura 6
muestra el resultado de esta interpolación para 10 puntos, en la práctica para
alcanzar resoluciones micrométricas, es necesaria una interpolación de al menos 50
puntos.
COMPENSACIÓN DE LA TEMPERATURA
Para alcanzar una alta resolución en la medida del espesor, los efectos de la
temperatura deben ser compensados. Para mostrar este efecto, en la figura 7 se
muestra este efecto en el tiempo de vuelo dentro del tubo TT y en el tiempo de vuelo
en el agua Tw durante una semana.
Figura 7. (A) Evolución del tiempo de vuelo dentro del tubo TT, (B) tiempo de
vuelo en el agua Tw y (C) temperatura en un intervalo de una semana.
Una solución posible para eliminar las fluctuaciones térmicas es utilizar valores
medios sobre ventanas temporales. El largo de esta ventana depende de la
periodicidad de las fluctuaciones, en este caso se espera una fluctuación cuasi
periódica de periodo un día. En este primer experimento, para evaluar la tasa de
adquisición de diferentes señales, se utiliza una tasa alta de una señal a cada cuatro
minutos. Cada conjunto adquirido consiste en una señal por canal, ocho en total y la
información de temperatura.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
6.174
6.176
6.178
TT [
s]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
18.3
18.35
18.4
Tw
[
s]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
21
22
23
Te
mp
era
ture
[C
]
Time [Hour]
Para mostrar el efecto del promedio, la figura 8 muestra medias temporales a cada
cuatro minutes (una muestra), a cada hora (15 muestras), a cada cuatro horas (60
muestras) y a cada 24 horas (360 muestras).
Figura 8. Promedio del tiempo de vuelo dentro de la muestra. La curva gris muestra
los datos a cada cuatro minutos, curva negras a cada hora, curva roja cada cuatro
horas y la curva verde a cada día.
Utilizando un valor estimado de velocidad del sonido para el aluminio de 6350 m/s,
una división del eje vertical en la figura 8 corresponde a 1.5 μm. Como es de
esperar, el uso de promedios reduce las fluctuaciones, sin embargo para eliminar las
derivas lentes deberían utilizarse ventanas del orden de meses, lo que es posible pero
reduce mucho la resolución temporal del método.
Una alternativa generalmente utilizada para compensar estas variaciones es el uso de
la ley explicita de dependencia entre la temperatura y la velocidad de propagación.
Esta ley puede ser medida en laboratorio con gran precisión. En este experimento la
temperatura del agua se mide simultáneamente con las señales de ultrasonido y se
asume que la temperatura dentro del metal es la misma que en el agua.
Sin embargo en este trabajo se utiliza una alternativa basada en la existencia de una
función implícita entre las variaciones del tiempo de vuelo en el agua Tw y las
variaciones en el tiempo de vuelo en el tubo TT. Esta dependencia puede observase
en la figura 7. Como el proceso de corrosión es muy lento, se asume como hipótesis
que la pared del tubo es constante en un periodo de algunos días y puede utilizarse
este valor para compensar fluctuaciones futuras. En el caso del presente experimento
esto es estrictamente cierto ya que no existe corrosión real en el tubo y el espesor es
realmente constante. Los cambios en el espesor se producen por lijado controlado de
la superficie. La primera semana de medidas se toma como referencia de
temperatura, para reducir el efecto de la sedimentación durante esta primera semana
se limpia diariamente la superficie con un pincel. Con la hipótesis de espesor
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
6.1735
6.174
6.1745
6.175
6.1755
6.176
6.1765
6.177
6.1775
6.178
TT [
s]
Time [Hour]
constante puede obtenerse una aproximación polinomial de la velocidad en el tubo
cT en función del tiempo de vuelo en el agua Tw.
( ) ( ( ))
( )
( ( ))
Aquí el índice k = 1:Ns representa el numero de la muestra. Para estimar el valor del
espesor e se asume que la velocidad del sonido en tubo a 22 C es cT = 6380 m/s.
Figura 9. Relación entre la velocidad del sonido en el tubo y el tiempo de vuelo en
el agua. En azul, datos experimentales, en negro polinomio de aproximación.
Como puede verse en la figura 9 la relación entre la velocidad de propagación y el
tiempo de vuelo puede aproximarse por un polinomio de primer grado. Esta
aproximación puede hacerse canal por canal, esto es un polinomio de ajuste por
canal de medida del ultrasonido. En este ejemplo la velocidad del sonido puede ser
corregida por temperatura en el canal 1 utilizando:
( )
Utilizando este polinomio se compensan los efectos de la temperatura con buena
resolución en el rango donde fue calibrado el polinomio. Un punto importante a ser
considerado es la posibilidad de ajustar los datos para tiempos largos, la figura 10
muestra las 200 primeras horas donde el polinomio de ajuste es calculado y
posteriormente 200 horas a partir de la hora 1000, esto es aproximadamente 40 días
después. Note que una deriva del orden de 2 m para tiempos largos es aceptable en
esta aplicación.
18.28 18.3 18.32 18.34 18.36 18.38 18.4 18.42 18.446377
6378
6379
6380
6381
6382
6383
Spe
ed C
T [m
/s]
Tw
[s]
Figura 10. Corrección de temperatura en las medidas de espesor. A) Primeras 200
horas. B) Resultados después de 1000 horas de operación. En azul los datos
originales, en negro los datos corregidos.
Pequeñas variaciones en tiempos largos pueden ser explicadas por la presencia de
sedimentos en las superficies externas del tubo. Este efecto puede ser corregido
utilizando una pieza de referencia, no sometido a corrosión ni sedimentación o
utilizando el tiempo de vuelo en agua con la hipótesis de que esta distancia es
constante. En este ejemplo le canal 1 es utilizado como referencia y se estima una
tasa de sedimentación de 40 nm/día. Esto puede observarse en la figura 10, después
de 1000 horas que corresponden a 40 días y la deriva es 1.7 m.
RESULTADOS
Para evaluar el desempeño del problema, se realizó un primer ensayo de medidas
continuas durante sesenta días. El periodo de medida es de cuatro minutos, este
periodo es muy corto para procesos de corrosión pero se tomó así para evaluar el
uso de promedios en la compensación de temperatura. Cada conjunto de datos de se
compone de ocho señales de ultrasonido, cada una de 1000 puntos muestreadas a
50-MHz utilizando un conversor A/D de 10 bits. Adicionlamente se mide la
temperatura en dos puntos del tanque. Después de los primeros treinta días, se
introduce una reducción en la pared del tubo (lijado) delante de los transductores
siete y ocho. El lijado es mayor en el transductor siete, esta suposición es cualitativa
basada en el tiempo de lijado frente a cada transductor. Los primeros resultados que
se muestran en la figura 11 son sin compensación de temperatura, para poder
apreciar mejor los detalles solo se muestran los canales 1 y 2 (sin lijar) y los canales
7 y 8 (lijados después de 30 días). Esta figura considera la velocidad del sonido
constante en el tubo de cT = 6380 m/s.
0 50 100 150 20019.69
19.692
19.694
19.696
19.698
19.7
19.702
19.704
19.706
19.708
19.71
Thic
kness e
[m
m]
1000 1050 1100 1150 120019.69
19.692
19.694
19.696
19.698
19.7
19.702
19.704
19.706
19.708
19.71
Tw
[Hour]
A B
Los datos se presentan en tres ventanas de tiempo, a la izquierda los primeros cinco
días (recordar que estos datos fueron utilizados para construir el polinomio de
corrección de temperatura). La segunda ventana corresponde a un periodo de cinco
días alrededor del instante en que se lija la superficie (30 días) y la última ventana
de la derecha corresponde a cinco días al final del experimento.
Figura 11. Espesor medido en los canales 1, 2, 7 y 8 son corrección de temperatura.
El punteado señala los saltos producidos por el lijado.
Como se espera las variaciones de temperatura distorsionan las medidas, sin
embargo los grandes cambios como el introducido en el canal 7 son detectables. Sin
embargo es difícil de obtener resultados precisos para tiempos largos sin corregir la
temperatura.
Figura 12. Datos corregidos por temperatura usando el tiempo de vuelo en el agua.
0 2 419.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Thic
kness e
[m
m]
32 34 3619.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Time [day]
54 56 5819.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Ch1
Ch2
Ch7
Ch8
0 2 419.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Thic
kness e
[m
m]
32 34 3619.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Time [day]54 56 58
19.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Ch 1
Ch 2
Ch 7
Ch 8
Cuando la velocidad del sonido es corregida por temperatura la fluctuación se
reduce grandemente. En este caso con los datos corregidos es posible detectar
variaciones del orden de 5m sin dificultad, como se muestra en la figura 11 central.
Sin embargo para tiempos largos la sedimentación limita la precisión de los
resultados.
Figura 13. Datos corregidos por temperatura y sedimentación.
En este ejemplo la deriva del canal 1 es utilizada para corregir los datos por
sedimentación. Esta estrategia, aunque imperfecta puede ayudar a mejorar los
resultados finales colocando un cuerpo de referencia en paralelo con la medida.
CONCLUSIONES
En este trabajo se evalúa un sistema ultrasónico de monitoreo de corrosión en tubos
metálicos. La aplicación final es para oleoductos tanto de aguas rasas como
profundas. El uso de un array de transductores mono-elemento con frecuencia
central 5 MHz y utilizando un pulsador con frecuencia de muestreo 50 MHz permite
alcanzar resoluciones menores de 1 m cuando se utiliza el procesamiento de
señales adecuado. La distancia ente el transductor y el tubo se calcula utilizando el
primer eco y este tiempo pude utilizarse para corrección de temperatura suponiendo
la distancia constante. El espesor es calculado con el tiempo de vuelo entre el
segundo y el tercer eco. Para calcular el tiempo de vuelo se utiliza la correlación
cruzada entre los ecos más un interpolador de paso bajo donde el número de puntos
interpolados fija la resolución de la técnica. En el caso de aplicaciones submarinas
en aguas profundas debe optimizarse el consumo de energía y la cantidad de
memoria abordo. Ambos factores se reducen con el número de medidas, en la figura
8 puede verse que con una adquisición por hora es suficiente para corregir las
variaciones de temperatura diarias.
0 2 419.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Thic
kness e
[m
m]
32 34 3619.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Time [day]54 56 58
19.65
19.66
19.67
19.68
19.69
19.7
19.71
19.72
19.73
Ch 1
Ch 2
Ch 7
Ch 8
Los efectos de la temperatura pueden ser corregidos por pos-procesamiento
utilizando el tiempo de vuelo en el agua como medida indirecta de la temperatura.
En estos momentos está siendo realizado un segundo experimento sobre un tubo de
acero real sometido a corrosión forzada en el laboratorio de corrosión del Instituto
de Pesquisas Tecnológicas IPT de San Pablo.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a PETROBRAS/ANP, FAPESP, y CAPES por el soporte
financiero para la realización de este trabajo.
REFERENCIAS
[1] Rommetveit, T. Johansen, T.F., Johsen, R., A combined approach for high-
resolution corrosion monitoring and temperature compensantion using ultrasound,
IEEE Transac. On Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 11, pp. 2843-
2853, 2010.
[2] Oppenheim, A.V., and R.W. Schafer, Discrete-Time Signal Processing, 2nded.,
Prentice-Hall, 1998.
[3] Programs for Digital Signal Processing, IEEE Press, New York, 1979.