DESENVOLVIMENTO ULTRASSÔNICO DE UM SISTEMA DE
INSPEÇÃO DE MATERIAIS COM USO DE ULTRASSOM
Aluno: Carolina Bühler Riccieri Orientador: Marco Meggiolaro Introdução
Foi feito um estudo dos ensaios ultrassônicos de inspeção de materiais, mais especificamente sobre seus elementos medidores voltados para inspeções de espessura. A partir desse estudo e entendimento da função, classificações, funcionamento e aplicações desses elementos foi possível fazer uma avaliação de alguns dos modelos presentes no mercado.
O ensaio de ultrassom
O ensaio por ultrassom permite a identificação, localização e dimensionamento de descontinuidades internas ou externas de materiais. Essas descontinuidades são caracterizadas pelo próprio processo de fabricação da peça como: bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, micro-trincas em forjados, escorias em uniões soldadas e muitos outros. O método ultrassônico permite que a inspeção seja feita de maneira não destrutiva podendo assim diminuir a incerteza na escolha do material e garantir que este seja de qualidade.
As vantagens da inspeção ultrassônica são a sua alta sensibilidade na detecção de pequenas descontinuidades internas como trincas devido ao tratamento térmico; maior agilidade da inspeção, pois dispensa processos intermediários; a facilidade da sua aplicação, pois não requer planos especiais de segurança ou qualquer tipo de acessório; e a localização, avaliação do tamanho e interpretação das descontinuidades são fatores intrísecos ao exame ultrassônico. Porém há também suas desvantagens como a acessibilidade da superfície, pois não deve haver qualquer tipo de tinta ou substância que impeça as ondas sonoras; dificíl inspeção de materiais de tamanho irregular, pequenos ou fino; defeitos lineares orientados paralelamente ao som podem não ser detectados; é preciso um meio de acoplamento para transferir a energia do som; exigência de conhecimento teórico e experiência do inspetor.
O ensaio é feito através de elementos emissores que vibram a uma frequência acima de 20kHz e que são responsáveis por transmitir as ondas ultrassônicas. Assim como uma onda sonora que reflete ao incidir num anteparo qualquer, a onda ultrassônica também refletirá ao incidir numa descontinuidade ou falha interna de um meio considerado como elástico e serão captadas pelo receptor. Esses elementos são chamados de transdutores ou cabeçotes.
Os transdutores podem ser emissores ou receptores e são formados por uma carcaça externa, cristais e eletrodos. Atraves de aparelho sé possivel detectaras reflexoes provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.
Transdutores
Os cristais são montados sob um bloco amortecedor e apresentam o efeito piezelétrico no qual a geração interna de carga elétrica é resultante de uma força mecânica aplicada, mas também exibe a geração interna de uma tensão mecânica resultante de um campo elétrico aplicado. Tal efeito é obtido aplicando eletrodos nos cristais com tensões alternadas através de um cabo coaxial e como consequência o cristal se comprime e estica, esse movimento origina as ondas sonoras que atravessam o material e refletem nas interfaces originando um eco que retorna ao transdutor causando mudanças na forma do cristal e gerando o sinal elétrico correspondente. O cristal piezelétrico emite ondas sonoras em cada um de seus pontos.
Quando se está próximo do cristal, região chamada de campo próximo, o nível de interferência entre as ondas produzidas por cada ponto é grande e sua extensão é determinada pelo diâmetro do cristal; diferente de quando se esta numa área afastada do cristal, região chamada de campo distante, onde as ondas tendem a formar uma onda só. No primeiro campo é difícil de identificar descontinuidades menores que o diâmetro do transdutor situadas nesta área de grande interferência entre as ondas. Já no segundo campo citado as descontinuidades maiores podem ser detectadas, e ainda um pouco mais distante deste campo pode-se identificar descontinuidades com o tamanho do comprimento de onda, que também é o determinante do tamanho do defeito encontrado ja que seu menor diâmetro é de ordem λ/2.
Quando os transdutores são acoplados na superfície do material é formada uma camada de ar que impede a vibração de ultrapassar a peça, então para isso necessita-se de um líquido acoplante que será responsável por impedir a impedância acústica. Esse líquido, chamado de acoplante, diminui a diferença de energia transmitida e refletida, e permite a passagem das vibrações para a peça. Os mesmos devem ser selecionados em função da rugosidade da superfície da área de varredura, o tipo de material, forma da peça, dimensões da área de varredura e posição para inspeção.
Para todo tipo de transdutor deve-se considerar o tipo de material, sua espessura, sua geometria, a rugosidade da superfície, a viscosidade do líquido acoplante, a precisão e calibragem do transdutor, a temperatura e a má instalação, manutenção ou modificação que facilite o sistema de energia.
Figura 1: Representação da identificação de uma descontinuidade.
Os transdutores podem ser classificados em alguns tipos: normal ou reto, angular, duplo cristal, phased array. O transdutor normal ou retoemite ondas longitudinais perpendiculares a superfície de acoplamento, possui um cristal piezelétrico que encontra-se entre um bloco amortecedor de apoio que absorve as ondas emitidas e uma membrana de borracha contra o desgaste mecânico. Alguns exemplos de aplicações são chapas, fundidos e forjados.
Os transdutores angulares possuem um cristal com uma certa angulação em relação a superfície do material. Este ângulo é obtido através da inserção de uma cunha de plástico entre o cristal e a superfície e vai servir de amortecedor após a emissão dos impulsos. O cristal recebe apenas ondas que penetram na cunha na direção paralela e contrária a de emissão. Tem como vantagem a minimização das interferências de recepção de sinais. Por exemplo, utilização em soldas quando a descontinuidade se encontra perpendicular a superfície da peça.
Figura 3: Representação do funcionamento de um transdutor angular.
Os trandutores do tipo duplo-cristal são um dos mais indicados e utilizados na medição de espessura por ultrassom. Possui dois cristais incorporados numa mesma carcaça, levemente inclinados em relação à superfície de contato e separados por um material acústico isolante. Cada um desses cristais funciona apenas como emissor ou receptor sendo indiferente qual desses exerce cada uma das funções. Devido a essa inclinação, esses transdutores não podem ser usados pra qualquer profundidade, pois fora da zona de inclinação a sensibilidade se reduz. Existem problemas de inspeção que só podem ser resolvidos com esse tipo de transdutores, por exemplo, quando se deseja medir materiais de reduzida espessura ou detectar descontinuidades logo abaixo da superfície do material. A zona morta existente na tela do aparelho de um transdutor que não é duplo-cristal impede uma resposta clara uma vez que o cristal piezelétrico recebe uma resposta num espaço de tempo curto após a emissão e assim suas vibrações não são amortecidas suficientemente. Esse transdutor pode ser utilizado quando deseja-se máxima sensibilidade. Por exemplo, na detecção de descontinuidades próximas da superfície, acima de 3 mm de profundidade, e em medição de espessura, em razão do seu feixe sônico ser focalizado.
Figura 4: Representação do funcionamento de um transdutor de duplo-cristal.
Os transdutores phased array possuem vários pequenos cristais cada um ligado a circuitos independentes capazes de controlar o tempo de excitação independentemente um dos outros, resultando na emissão de feixes sônicos diferentes. Isso gera uma maior velocidade de inspeção, uma vez que é possivel fazer uma varredura com vários ângulos de refração diferentes através de circuitos. Por exemplo, soldas que necessitam de pelo menos dois ângulos.
Figura 5: Alcance do âmgulo de incidência do transdutor phased array.
Além dos métodos descritos acima de inspeção das descontinuidades, há também o método TOFD (Time of Flight Diffraction) que utiliza dois transdutores angulares, um emissor e outro receptor, e produz uma imagem branca (sinal positivo) e preta (sinal negativo) através de um escaneamento dos transdutores sobre a área de superfície.
Figura 6: Representação do funcionamento do TOFD e do sinal gerado pelo escaneamento do material.
Ondas sonoras do ensaio ultrassônico
O teste ultrassônico de materiais é feito com o uso de ondas mecânicas ou acústicas. Assumindo que o meio é elástico, ou seja, que as partículas que o compõem são rigidamente ligadas, mas que podem oscilar em qualquer direção, então podemos classificar as ondas acústicas em quatro tipos: longitudinais, transversais e superficiais.
As ondas longitudinais (ou ondas de compressão) possuem partículas que oscilam na direção de propagação da onda podendo ser transmitidas a sólidos, líquidos e gases. Todo o meio elástico vibra na mesma direção de propagação da onda (longitudinal),e aparecerem “zonas de compressão” e “zonas diluídas”.
As ondas transversais (ou ondas de cisalhamento): as partículas do meio vibram na direção perpendicular ao de propagação. As partículas oscilam na direção transversal a direção de propagação, podendo ser transmitidas somente a sólidos.
As ondas superficiais (ou ondas Rayleigh) se propagam na superfície dos sólidos, suas partículas possuem complexo movimento oscilatório. Para o tipo de onda superficial que se propaga em movimento paralelo a superfície e transversal em relação a direção de propagação recebe a denominação de ondas de “Love”. Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem outros materiais. Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda próxima a espessura da chapa ensaiada, neste caso a inspeção não se restringe somente a superfície, mas todo o material e para esta particularidade denominamos as ondas de “Lamb”. As ondas de “Lamb” podem ser geradas a partir das ondas longitudinais incidindo segundo um ângulo de inclinação em relação à chapa.
Há alguns fenômenos físicos causados pelas ondas sonoras que dificultam a análise como: dispersão, absorção, atenuação sônica e divergência do feixe sônico. A dispersão deve-se ao fato da matéria não deve-ser totalmente homogênea e conter interfaces naturais de sua própria estrutura ou que são provocadas pelo processo de fabricação. A absorção é a energia cedida pela onda para que cada partícula do meio execute um movimento de osclição transmitindo vibração às outras partículas do meio, ou seja, a absorção ocorre quando uma vibração acústica percorre um meio elástico. A atenuação sônica sofre efeitos de dispersão e absorção resultando na redução da sua energia, provenientes de uma peça com superfícies paralelas que causa vários ecos de reflexão de fundo de forma que a altura dos ecos depende da distância percorrida pela onda. E a divergência do feixe sônico responsável pela perda da parte da itensidade da onda sonica proveniente de detecção de um defeito pequeno com o feixe ultrassônico central do transdutor, onde a amplitude do eco na tela do aparelho é maxima mas quando é afastado lateralmente ao defeito a amplitude do eco diminui, essa diferença de amplitude é considerável.
Tipos de escaneamento
Podem-se identificar alguns métodos de escaneamento: A-scan, B-scan, C-scan e o S-scan.
O A-scan apresenta-se na forma de ecos de reflexão.
Figura 6: Representação do A-scan.
O B-scan permite a visualização da peça em cortes (seção transversal).
Figura 7: Representação do B-scan.
Figura 8: Representação do C-scan.
O S-scan possui um transdutor phased array fixo que permite uma maior identificação devido aos setores angulares.
Figura 9: Representação do S-scan.
Medidores de espessura
Medidores ultrassônicos medem precisamente quanto tempo leva para o pulso sonoro que foi gerado pleo transdutor para atravessar a peça estudada e refletir de volta quando atinge sua última parede. Devido a reflexão de barreiras entre materiais dissimilares, essa medida é normalmente usada para um lado do modo pulso ou eco. Medidores ultrassônicos de espessura, como os transdutores de duplo cristal e os transdutores phased array já mencionados anteriormente, tem frequência entre 50MHz e 100MHz. Pode-se calcular a espessura do material utilizando a fórmula: T =V x (t/2) . Onde T é espessura da peça, V é a velocidade do som no material teste e t é o tempo medido de ida e volta da onda sonora.
Diferentes materiais transmitem ondas sonoras em diferentes velocidades, geralmente mais rápida em materiais duros e mais devagares em materiais moles, e a velocidade do som varia significativamente com a temperatura. Por isso, é sempre necessário calibrar o aparelho a velocidade do som da peça a ser medida.
Altas frequências tem comprimento de onda menor que permite medir materiais mais finos. Baixas frequências com comprimento de onda longo penetram mais longe e são usados para medir peças muito espessas ou para peças que transmitem a onda sonora com dificuldade como a fiberglass.
Há três modos comuns de medição do tempo que a onda atravessa a peça estudada. O tipo de transdutor e a aplicação específica define qual será o modo de medição de tempo.
O primeiro modo é medir o tempo de intervalo entre o primeiro eco, que gera a primeira onda sonora, e o primeiro eco refletido e diminuir um small zero offset que compensa por instrumentos reparados, cabos e trandutores atrasados. Esse modo é de propósito geral e recomendado para a maioria das aplicações.
O segundo modo é medir o tempo de intervalo entre o eco refletido pela superfície e o primeiro eco da última parede. São mais usados para medidas em raios convexos, côncavos afiados ou em espaços confinados para materiais em movimento (com trandutores de imersão; e para altas temperaturas com transdutores delay line).
O terceiro modo é medir o tempo de intervalo entre dois ecos da última parede sucessivamente. É o que tem maior precisão de medida e a melhor resolução para espessuras mínimas; normalmente é usado quando a precisão e/ou resolução não conseguem ser medidas pelos primeiros dois modos. Contudo este modo pode ser usado apenas para materiais tipicamente de baixa atenuação como vidro, a maioria das cerâmicas e metais de grãos finos.
Figura 10: Técnicas de medição ultrassônica classificadas pelos ecos usados para medir o tempo.
Os transdutores acima são classificados pelo tipo de contato com a superfície. Os transdutores de contato são usados em contato direto com a peça.
Os transdutores delay line possuem um cilindro de plástico, epóxi ou sílica entre o elemento ativo e a peça testada; são usados para medir materiais finos onde é importante separar o pulso de excitação do eco da backwall. Também funcionam como um isolador térmico protegendo o transdutor do contato direto com peças de altas temperaturas e ainda podem moldar-se para melhorar o som em pontas curvas e espaços confinados.
Os transdutores de imersão usam uma coluna de água para acoplar energia sonora na peça em teste.
Os tipos de instrumentos de medição são separados em de corrosão e de precisão. A aplicação mais importante é medir a espessura da parede existente que são submetidas à corrosão interna que não podem ser identificadas externamente. Os de corrosão usam transdutores duplos para detectar a espessura que restou através de um sinal processador de técnicas. Já os de precisão utilizam um transdutor simples e pode até medir uma exatidão de +/- 0.001" (0.025 mm), maior do que a atingida pelo os de corrosão.
Mercado Atual
Abaixo será feita uma avaliação mais aprofundada desse tipo de tecnologia presente no mercado atual. Algumas empresas, e a maioria delas, já realizam ensaios ultrassônicos voltados para inspeção de tubulações, localizadas grandes profundidades, e comercializam seus medidores ultrassônicos como a AF Global Insitucheck, a Cameron e a GE Oil&Gas.
Esse tipo de ambiente é caracterizado por altas correntes causando fatiga acelerada graças a vibrações induzidas por vortex, por altas pressões e por baixas temperaturas, ou seja, por condições desafiadoras de inspeção. É necessário resistir a carga causada pelo próprio ambiente enquanto mantém uma pequena angulação flexível para otimizar a utilidade do
instrumento em questão e devido a sua complexidade de resposta, o processo pode-se tornar iterativo. Abaixo é representado um típico instrumento para águas profundas.
Figura 11: Típico instrumento para águas profundas.
Para o estudo de medição de espessura nessas condições alguns cálculos devem ser feitos referentes à tensão total, a pressão de colapso devido a grande profundidade e as tensões causadas pelas pressões interna e externa considerando também o peso do lodo que é acumuladoo nas paredes. Também é preciso fazer um estudo da variação de angulação do transdutor que deverão ter uma baixa variação devido aos problemas de desgaste. Neste tipo de ambiente ocorre também danos devido a fatiga o que tem como consequência falha por fratura, uma forma de evitar isso é aumentar o alcance da tensão máxima no instrumento e reduzir o diâmetro das juntas (Figura 11) em regiões de alta corrente.
No estudo feito de tais empresas, observou-se que aquelas que realizam inspeção de soldas, Cameron e GE Oil&Gas, utilizam o método TOFD já discutido anteriormente. Também pode ser observado que essas empresas utilizam água como líquido acoplante nas suas inspeções.
Através de uma tabela da Vishay Precision Group foi possível identificar os possíveis transdutores utilizados por tais empresas, que seriam semelhantes aos da tabela.
A empresa AF Global Insitucheck faz o escaneamento através do B-scan ou do C-scan e utilizam um transdutor com capacidade ajustável de raio, possívelmente um de duplo-cristal ou um phased-array. Através desta tabela e das informações tiradas do panfleto das dimensões do transdutor da AF Global Insitucheck: diâmetro interno entre 65 mm e 1500 mm com diâmetro externo acima de 30000 mm, é possível que os transdutores do tipo TK sejam usados, pois operam em temperaturas de grande alcance, de -75 º C a 115 º C, e possuem uma vida de fatiga maior que outros tipos de transdutores.
A empresa Cameron opera em profundidade de até 3048 metros, . Os seus transdutores chamados de “hydro” variam de acordo com a seguinte tabela:
Figura 13: Tabela referente aos transdutores do tipo “hydro” da empresa Cameron.
No caso que está sendo estudado, o melhor trandutor seria do tipo 8010. Abaixo tem-se um exemplo de como seria um transdutor da empresa Cameron.
Figura 14: Imagem representativa de um tipo de transdutor da empresa Cameron.
Já a empresa GE Oil&Gas fornece informções sobre os tipos de transdutores através das tabelas abaixo. Na primeira tabela é possível determinar o tipo de modelo referente ao tipo de contato, para esse tipo de inspeção o contato é “standart” logo o modelo é CA211A.
Pelo tipo de contato observamos que a frequência nominal é de 5 MHz, através das tabelas abaixos vemos os tipos de modelos de transdutor que além de variar com a frequência variam como tamanho também.
Figura 16: Tabela 1 de modelos de trandutores referente a frequências e tamanhos.
Referências
1 - M.S.Q. Bittencourt, M.A.A. Pinheiro, C.A. Lamy, J.C. Payão Filho, Medida o tempo de percurso de onda ultra-sônica para avaliação de tensões, Net, Disponível em <http://www.aaende.org.ar/ingles/sitio/biblioteca/material/T-008.pdf>
2 – Vishay Group Precision, Transducer Class Strain Gages, Net, Disponível em <http://www.vishaypg.com/docs/11551/gageser.pdf>]
3 – Dr. Ala Hijazi, Ultrasonic Testing, Net. Disponível em < https://eis.hu.edu.jo/ACUploads/ 10526/Ultrasonic%20Testing.pdf >
4- Vishay Group Precision, Standart Stress Analysis Gages, Net, Disponível em < http://www.vishaypg.com/docs/11503/stress-analysis-selection-chart.pdf>
5- GE Oil&Gas, Drilling &Production, Net, Disponível em < http://geoilandgas.ge.com.cn/sites/default/files/ueditor/upload/file/101966.pdf>
6-Vectogray, a GE Oil&Gas business, Radar 7- CAMCHEC, Riser Inspection
8- AF Global Oil & Gas, Riser Renewal Services 9- AF Global Oil & Gas, System Brochure Final
10- GE Oil&Gas, Inspection & Technologies, Net, Disponível em < https://www.gemeasurement.com/sites/gemc.dev/files/cl5_brochure_english.pdf>
11- Avaliação da Integridade do Duto, Net, Disponível em < https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/20714/20714_5.PDF >
12- Cameron, Deep Water, Net, Disponível em <
http://cameron.slb.com/challenges/deepwater >
13- Cameron A Schlumberger Company, PDF, Caldonhydro Transducers
14- Drilling Riser Management in Deepwater Enviroments, Net, Disponível em < https://www.pulse-monitoring.com/assets/uploads/cms/files/118-64.pdf >
