Sapatas e transdutores

Para o uso da onda Lcr, os transdutores precisam estar em um plano inclinado em relação à

horizontal com um ângulo de incidência ligeiramente maior ao primeiro ângulo crítico. Este ângulo crítico é calculado pela Lei de Snell, descrita no subitem 2.2.3 deste trabalho. Desta forma, o ângulo muda dependendo do material da sapata e do material a ser inspecionado. Por exemplo, o primeiro ângulo crítico do rexolite/aço = 23,6º e do acrílico/aço é = 27,8º.

Nessa tese, foram realizados testes com sapatas de acrílico e de rexolite, mostradas na Figura 4.7 para verificar qual material seria mais adequado utilizar. As propriedades do acrílico e do rexolite estão listadas na Tabela 4.1.

Figura 4.7 - Sapatas retas. (a) acrílico; (b) rexolite.

Tabela 4.1 - Propriedades dos materiais usados na fabricação das sapatas.

Propriedades Acrílico Rexolite

Densidade (g/cm3) 1,27 1,05

Coeficiente de expansão térmica (10-5/°K) 5,6 6,84

Impedância acústica (106 kg/m2.s) 3,51 2,5

Velocidade da onda longitudinal (m/s) 2730 2350

Dois estudos foram realizados para comprovar qual das sapatas apresentaria melhores resultados, ou seja, reduziria o efeito das variáveis. No primeiro estudo foi realizado uma análise estatística com o uso do MinitabTM que permite fazer a análise através do gráfico de Pareto e do valor-

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p. No segundo estudo foi feita a análise da forma de onda, com o objetivo de analisar a amplitude e ruídos do sinal (Santos et al., 2013).

No teste estatístico foram adicionadas variáveis presentes em campo, como o fator A: temperatura, o fator B: frequência dos transdutores e o fator C: força de contato do transdutor com a

probe com o objetivo de simular uma situação real. A Tabela 4.2 apresenta os níveis selecionados para

cada fator.

Tabela 4.2 - Dados utilizados no planejamento experimental.

Fator (Unidade) Nível 1 (Baixo) Nível 2 (Alto)

Fator A: Temperatura (°C) 18 24

Fator B: Frequência dos transdutores (MHz) 2,25 5,00

Fator C: Força de contato transdutor/probe (N) 39,2 62,5

A partir dos fatores e níveis definidos, foi elaborada a matriz de planejamento no software estatístico MinitabTM. O planejamento final para este trabalho foi constituído por um planejamento fatorial completo 2k, sendo k = 3, resultando em 8 ensaios, ou seja, a Matriz de Planejamento tem 2 níveis e 3 fatores. Cada ensaio foi repetido cinco vezes (R1 a R5), pois a existência de replicações

possibilita o uso de testes de hipóteses na análise estatística dos resultados. A Tabela 4.3 apresenta os resultados do TOF referentes às repetições com as médias e desvios padrão para o acrílico e a Tabela 4.4 os resultados para o rexolite. A sequência dos ensaios foi aleatória, na primeira coluna o valor fora dos parênteses representa a ordem do ensaio e o valor nos parênteses representa a ordem estatística, definida pelo software.

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Tabela 4.3 - Sequência de ensaios aleatorizada para o acrílico.

Ensaio A B C R1 (ns) R2 (ns) R3 (ns) R4(ns) R5 (ns) Média Desvio 1 (3) 18 5,00 39,2 38074,24 38073,38 38073,89 38074,39 38074,26 38074,03 0,41 2 (7) 18 5,00 62,5 38073,79 38073,39 38073,30 38073,83 38073,82 38073,63 0,26 3 (6) 24 2,25 62,5 38976,77 38976,78 38976,75 38976,77 38976,58 38976,73 0,08 4 (1) 18 2,25 39,2 38750,48 38750,15 38750,60 38750,50 38750,61 38750,47 0,19 5 (5) 18 2,25 62,5 38748,28 38748,39 38748,16 38748,26 38748,53 38748,32 0,14 6 (4) 24 5,00 39,2 38332,83 38332,67 38333,96 38334,02 38334,05 38333,51 0,69 7 (8) 24 5,00 62,5 38331,91 38332,43 38332,66 38332,05 38333,06 38332,42 0,46 8 (2) 24 2,25 39,2 38983,11 38982,60 38983,11 38983,05 38983,24 38983,02 0,25

Tabela 4.4 - Sequência de ensaios aleatorizada para o rexolite.

Ensaio A B C R1 (ns) R2 (ns) R3 (ns) R4(ns) R5 (ns) Média Desvio 1 (7) 18 5,00 39,2 40681,26 40681,59 40678,80 40681,30 40681,23 40680,84 1,15 2 (2) 18 5,00 62,5 40678,16 40676,44 40678,04 40677,83 40676,55 40677,40 0,84 3 (8) 24 2,25 62,5 41219,40 41219,50 41219,71 41219,74 41219,50 41219,57 0,15 4 (3) 18 2,25 39,2 41152,18 41151,84 41152,20 41152,24 41152,08 41152,11 0,16 5 (6) 18 2,25 62,5 41151,52 41151,48 41151,39 41151,46 41151,49 41151,47 0,05 6 (4) 24 5,00 39,2 40707,90 40707,62 40708,11 40708,34 40708,04 40708,00 0,27 7 (5) 24 5,00 62,5 40705,96 40706,09 40705,56 40705,71 40705,89 40705,84 0,21 8 (1) 24 2,25 39,2 41223,01 41223,31 41223,38 41223,44 41223,35 41223,30 0,17

É possível observar que o TOF através do acrílico (~38534,02) é menor que através do rexolite (~40939,80). Esse resultado já era esperado, pois a velocidade da onda é diferente em cada material. É importante observar que este tempo total inclui o percurso dentro do material API sob análise, mas este é o mesmo para os dois casos. Tanto para o acrílico como para o rexolite, com o aumento da força de contato entre o transdutor e a probe, o TOF torna-se menor e o desvio padrão dos resultados também é menor. Além disso, os transdutores de 2,25 MHz geram melhores resultados, pois o desvio padrão é menor para os dois materiais.

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Os resultados da análise estatística foram avaliados com base no gráfico de Pareto e no valor-p. O gráfico de Pareto apresenta o valor absoluto dos efeitos e constrói uma linha de referência, denominada de linha de Lenth, representada na Figura 4.8 por uma linha vermelha de valor 3,18. Quaisquer efeitos que se estendam além da linha de referência são significativos ao nível padrão e significativamente importantes para a análise. Foi utilizado neste trabalho um nível alfa igual a 0,05, que é um valor padrão usual (Santos et al., 2011a).

(a) (b)

Figura 4.8 - Análise do TOF pelo gráfico de Pareto. (a) Acrílico; (b) Rexolite.

A partir dos gráficos de Pareto é possível perceber que a temperatura (Fator A) e a frequência (Fator B) exercem influência significativa sobre o TOF da onda Lcr considerando o acrílico, porém para

o rexolite nenhum desses fatores foi significativo.

Além desta análise, é possível avaliar a influência das variáveis nos resultados do TOF, através do valor-p. O valor-p varia de 0 a 1 e quanto mais próximo de zero for seu valor, maior será a chance de que um efeito seja estatisticamente importante para o estudo (Santos, 2009 e Santos et al., 2010). A Tabela 4.5 apresenta o valor-p para as variáveis de influência para os dois materiais em estudo.

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Tabela 4.5 - Valores-p.

Fatores Acrílico Rexolite

Fator A: Temperatura (°C) 0,000 0,839

Fator B: Frequência dos Transdutores (MHz) 0,000 0,813

Fator C: Força de contato transdutor/probe (N) 0,553 0,954

Os fatores A e B considerando o acrílico apresentam influência significativa sobre os resultados do TOF, pois os valores relacionados ao valor-p são iguais à zero. O fator C para o acrílico e os três fatores para o rexolite não apresentam influência significativa sobre os resultados do TOF, pois os valores relacionados aos valores-p são maiores que a significância especificada. A partir destas análises conclui-se que tanto para o gráfico de Pareto como para a análise com o valor-p, as variáveis que exercem influência significativa sobre os resultados do tempo de percurso das ondas Lcr são a

temperatura e a frequência e que tal influência é significativa somente para o acrílico. É importante destacar que a análise foi feita para os ajustes descritos.

Para o segundo estudo, no qual foi feita a análise da forma de onda na medição do TOF das ondas longitudinais, foram realizados levantamentos com os transdutores longitudinais piezelétricos de 2,25 MHz, considerados mais adequados segundo análise anterior, devido menor desvio padrão, para a medição em aço API 5L X70. A Figura 4.9 apresenta o transdutor escolhido com elemento piezoelétrico de 25,4 mm (1,0 in) de diâmetro.

Figura 4.9 - Transdutor de 2,25 MHz - Modelo A403S.

A Figura 4.10 e a Figura 4.11 apresentam a forma de onda para os dois materiais utilizados para a construção das sapatas, utilizando o transdutor de 2,25 MHz e mantendo a temperatura em 24°.

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Figura 4.10 - Trem de ondas utilizando o acrílico.

Figura 4.11 - Trem de ondas utilizando o rexolite.

Foi observado que com o rexolite, os sinais tendem a ter amplitudes mais elevadas, para o mesmo ajuste da instrumentação. No caso do acrílico, os sinais têm amplitudes mais baixas e, como decorrência, as amplitudes dos sinais secundários indesejáveis (ruídos) são maiores relativamente e podem até serem confundidas com as ondas principais, tornando as medições do TOF mais difíceis.

Além disso, mais um teste foi realizado com o objetivo de verificar o uso de sapatas retas ou sapatas usinadas com o contorno do duto, ou seja, compatível com do diâmetro externo do duto. Para um perfeito assentamento das sapatas no duto, temia-se a necessidade de usinar as sapatas com o contorno do duto para a medição na direção longitudinal do duto. Isto porque, isso significaria a necessidade de usinagem das sapatas cada vez em que houvesse mudança de diâmetro. Foi feito um teste inicial para verificar a possibilidade de usar as sapatas retas nos ensaios. Os resultados mostraram que os sinais com as sapatas retas de rexolite ficam ainda melhores do que com as sapatas curvas de

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acrílico, permitindo que essas sejam usadas. Isso elimina o problema de adaptação a cada diâmetro. Com sapatas retas, o mesmo conjunto serve para dutos de diferentes diâmetros.

Os estudos realizados permitem concluir que o rexolite é o material mais adequado para o emprego na confecção de sapatas para a medição do tempo de percurso de ondas longitudinais criticamente refratadas, quando utilizado para a medição de tensões em aços API 5L X65 para dutos petrolíferos. Além disso, mostram que as sapatas podem ter superfície de contato plana.