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CLEUDIANE SOARES SANTOS
Proposta de Sistema Automatizado para Medição
de Tensão Utilizando o Efeito Acustoelástico
71/2013
Campinas 2013
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
CLEUDIANE SOARES SANTOS
Proposta de Sistema Automatizado para Medição
de Tensão Utilizando o Efeito Acustoelástico
Orientador: Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos JúniorTese de Doutorado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas, para a obtenção do título de Doutora em Engenharia Mecânica, na Área de Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA CLEUDIANE SOARES SANTOS, E ORIENTADA PELO PROF. DR AUTELIANO ANTUNES DOS SANTOS JÚNIOR.
... ASSINATURA DO ORIENTADOR
Campinas 2013
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
F884p
Santos, Cleudiane Soares
Título Proposta de Sistema Automatizado para Medição
de Tensão Utilizando o Efeito Acustoelástico / Cleudiane Soares Santos – Campinas, SP: [s.n.], 2013.
Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação/Tese - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica. 1. 2. 3. 4. I. , . II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Titulo em Inglês: Palavras-chave em Inglês: Área de concentração: Titulação: Banca examinadora:
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA DOS SÓLIDOS E PROJETO MECÂNICO
TESE DE DOUTORADO
Proposta de Sistema Automatizado para Medição
de Tensão Utilizando o Efeito Acustoelástico
Autora: Cleudiane Soares SantosOrientador: Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Tese: ____________________________________________________
Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior, Presidente FEM/UNICAMP
____________________________________________________ Prof. Dr. João Maurício Rosário
FEM/UNICAMP
____________________________________________________ Prof. Dr. Niederauer Mastelari
FEM/UNICAMP
____________________________________________________ Prof. Dr. Marcelo de Siqueira Queiroz Bittencourt
CNEN/ Rio de Janeiro - RJ
___________________________________________________ Prof. Dr. Alessandro Roger Rodrigues
USP/ São Carlos - SP
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Agradecimentos
Em primeiro lugar agradeço a Deus, autor da minha vida.
Gostaria de expressar minha gratidão sincera ao prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior por seu apoio, orientação e amizade ao longo desta pesquisa.
Eu também reconheço a contribuição do grupo de Ultrassom (GPUS), pelas discussões valiosas no campo de ultrassom que muito me ajudaram na preparação deste documento. Ao Alexandre, Paulo, Rodrigo, Tainá, Leandro e Rafael, meu muito obrigada. Além disso, os técnicos Oswaldo e Rosângela pelo incansável apoio.
Gostaria de agradecer a equipe Phoenix de Robótica da Unicamp, em especial ao Igor Avila Amaral de Souza, pelo empréstimo dos motores.
Ao amigo Henrique Duarte pela ajuda prestada em diversos momentos.
À CAPES e ao CNPq pelo incentivo financeiro através do programa de bolsas de estudos. E, finalmente, um agradecimento especial ao meu querido esposo Aliandro e a nossa filha Hadassa, também a todos os familiares, irmãos e amigos por suas orações, assistências, incentivos e apoio para completar este trabalho.
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“Porque eu, o SENHOR, teu Deus, te tomo pela tua mão direita e te digo: não temas, que eu te ajudo”. Isaías 41.13
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Resumo
Sistemas automatizados vêm sendo desenvolvidos e empregados a fim de melhorar a qualidade de medição, minimizar custo e o tempo empregados nas inspeções industriais. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema automatizado para medições de tensões utilizando ultrassom. Nele estão detalhadas as características técnicas, os componentes necessários, as vantagens e as dificuldades do sistema. Tal sistema permite a avaliação do componente com tempo reduzido, baixo custo e confiabilidade. A metodologia proposta utiliza o efeito acustoelástico com ondas longitudinais criticamente refratadas (Lcr) para determinar a tensão no material. Foi projetado e construído o
protótipo de um robô capaz de permitir rapidez e objetividade ao processo de medição, além de se adaptar a diâmetro de dutos, em uma ampla faixa. Os resultados obtidos para o tempo de percurso das ondas Lcr foram comparados com outros métodos de obtenção da tensão: analítico teórico, método de
elementos finitos, extensometria e calculado usando o tempo de percurso das ondas Lcr. Os resultados
finais da tese mostram que o dispositivo automatizado pode ser empregado na avaliação de tensões em dutos petrolíferos, atingindo o objetivo principal do trabalho, representando um avanço e contribuindo para o aprimoramento das técnicas de inspeção e monitoramento da saúde estrutural de componentes.
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Abstract
Automated systems have been developed and used to improve the measurement quality, minimizing cost and time employed in industrial inspection. This thesis describes the development of an automated system for measuring stress using ultrasound. The technical features and the necessary components of the system are detailed, as well its advantages and difficulties of implementation. Such a system allows the evaluation of the component with short time, low cost and reliability. The proposed methodology uses the acoustoelastic effect with critically refracted longitudinal waves (Lcr) to
determine the stress in the material. It was designed and built a prototype robot that can provide speed and objectivity to the measurement process and adaptation to a wide range of duct diameters. The results for the travel time of the Lcr waves were compared with other methods of obtaining the stress:
analytical theory, finite element method, strain gages and calculated using the travel time of the Lcr
waves. The final results of the thesis show that the device can be used in automated assessment of stress in oil pipelines, reaching the main objective, representing a breakthrough and contributing to the improvement of technical inspection and health monitoring of structural components.
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Lista de Ilustrações
2.1 Nomenclatura das direções das tensões em eixos e chapas... 08
2.2 Comportamento do feixe ultrassônico na interface entre dois materiais... 14
2.3 (a) Primeiro ângulo crítico ; (b) Segundo ângulo crítico ... 15
2.4 Transdutor de ultrassom (Perini, 2008)... 17
2.5 Técnica pulso eco... 19
2.6 Técnica da transparência – transdutores em superfícies opostas... 19
2.7 Técnica da transparência – transdutores na mesma superfície... 20
2.8 Esquema mostrando a propagação de ondas longitudinais... 20
2.9 Esquema mostrando a propagação de ondas transversais... 21
2.10 Ondas Rayleigh (Leite, 1984; Rodovalho, 2012)... 22
2.11 Ondas de Lamb simétrica e assimétrica (Leite, 1984; Buenos, 2010)... 22
2.12 Ondas Love (Cheeke, 2002; Buenos, 2010)... 23
2.13 Geração das ondas Lcr (Santos et al., 2011a)... 23
2.14 Modo de propagação das ondas Lcr... 24
2.15 Representação da propagação de ondas em materiais solicitados à tração... 28
3.1 PIG (a) magnético e (b) ultrassônico (Salcedo, 2009)... 37
3.2 MICROPIG MULTISIZE (MICROPIG, 2012)... 38
3.3 PIG cobra palito (Salcedo et al., 2007)... 38
3.4 (a) Câmeras a 45°; (b) laser (Buschinelli, 2007)... 39
3.5 Montagem e passagem do Optopig dentro do duto respectivamente (NORSK ELEKTRO OPTIKK AS, 2012)... 40
3.6 Gráfico 3D (NORSK ELEKTRO OPTIKK AS, 2012)... 40
3.7 Protótipo montado (Buschinelli, 2007)... 41
3.8 RAYSTRESS (GURTEQ, 2012)... 42
3.9 Difratômetro Xstress 3000 (XSTRESS 3000, 2012)... 42
3.10 Corrscan® (RRSCAN, 2012)... 43
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3.12 (a) EXAscan e (b) REVscan (CREAFORM, 2012)... 44
3.13 3D ESPI System (Q-300)... 45
3.14 Medição com transdutor ECT (ATS, 2012) ... 46
3.15 Realização de inspeção com os conectores EMW-C™ (ELITE, 2012; PROFILETECH, 2012) ... 47
3.16 Sonda de RMB... 48
3.17 Medição de tensão residual com sensor piezoelétrico... 49
3.18 Inspeção de duto com transdutor phased array (SONARTECH, 2008) ... 50
3.19 Inspeção de duto com técnica TOFD (OLYMPUS - HSMT-Compact, 2012; OLYMPUS - HST-X04, 2012) ... 51
3.20 Configurações do HSMT-Flex (OLYMPUS - HSTM-FLEX, 2012) ... 52
3.21 Configurações: (a) HSMT-X03 (OLYMPUS - HSTM-X03, 2012) e (b) WeldROVER (OLYMPUS - WELDROVER, 2012) ... 52
3.22 CHAIN SCANNER (OLYMPUS - CHAIN Scanner, 2012)... 53
3.23 Configurações do ISONIC PA AUT (SONOTRON NDT, 2012)... 53
3.24 Sistema automatizado de varredura (Rodrigues et al., 2010)... 54
3.25 Robô de inspeção de dutos (INSTOR, 2012)... 55
3.26 GIP Magnético (PIPEWAY, 2012) ... 55
3.27 Conjunto probe com 1 receptor... 57
3.28 Conjunto probe com dois receptores... 58
4.1 Dimensões da chapa em mm (Fraga, 2007)... 66
4.2 Duto utilizado para a medição de tensões... 66
4.3 Visão geral do duto posicionado e áreas de destaque... 67
4.4 Dimensões do duto em milímetros (mm) ... 67
4.5 Detalhes do duto e da bomba de pressão hidráulica acoplada... 68
4.6 Bloco padrão utilizado na calibração dos transdutores...71
4.7 Sapatas retas. (a) acrílico; (b) rexolite... 72
4.8 Análise do TOF pelo gráfico de Pareto. (a) acrílico; (b) rexolite... 75
4.9 Transdutor de 2,25 MHz - Modelo A403S... 76
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4.11 Trem de ondas utilizando o rexolite... 77
4.12 Pulsador/receptor USB... 78
4.13 Selecionador do tempo de percurso dos transdutores receptores... 79
4.14 Ligação entre o selecionador de sinais e o condicionador de sinais... 79
4.15 Condicionador de sinais... 80
4.16 DAQCard 12 bits... 80
4.17 Sistema de aquisição de dados... 81
4.18 Representação esquemática do sistema de aquisição... 81
4.19 Probe com dois transdutores (1 transmissor e 1 receptor) para medição longitudinal... 83
4.20 Probe com três transdutores para medição longitudinal... 83
4.21 Probe com três transdutores para medição transversal... 83
4.22 Probe proposta com três transdutores para medição transversal... 84
4.23 Trem de pulsos completo... 85
4.24 Detalhes da onda longitudinal criticamente refratada (Lcr)... 85
4.25 Sinal do receptor 1... 85
4.26 Sinal do receptor 2... 86
4.27 Fatores de influência para medição do TOF, adaptada de Rodovalho (2012)... 86
4.28 Fluxograma de medição... 90
5.1 Protótipo 3D para medição em chapa... 91
5.2 Arduino ROMEO... 93
5.3 Arduino Shield - Super Motor Drive... 94
5.4 Módulo Bluetooth - DFRobot Bluetooth V3... 95
5.5 Adaptador Bluetooth... 95
5.6 Transferência de dados sem fio... 95
5.7 Roda com montagem do motor... 97
5.8 Suporte para os motores... 97
5.9 Bateria LiPo 3,7 V e 3600mAh... 98
5.10 Carregador de bateria (PRT-10161) ... 99
5.11 Atuador linear RM-LD-F - 6 - 12 - 100 - 223 - 1.0... 99
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5.13 Óleo SINGER multiuso... 101
5.14 GRAFCET para a medição no plano... 102
5.15 Visão geral do ULTRATEST_Mega... 103
5.16 Outras vistas do ULTRATEST_Mega... 103
5.17 Amostras idênticas... 104
5.18 Tempo de percurso x pontos (AMOSTRA A)... 107
5.19 Tempo de percurso x temperatura para o mesmo ponto (AMOSTRA A)... 109
5.20 Tempo de percurso x temperatura para vários pontos (AMOSTRA A)... 113
5.21 Desenho no SolidWorks© para medição longitudinal... 114
5.22 Pontos na direção radial do duto... 115
5.23 Dispositivo usado nas duas configurações... 115
5.24 Desenho no SolidWorks© para medição transversal... 116
5.25 Diferença entre as configurações (a) Medição longitudinal; (b) Medição transversal... 116
5.26 Pontos na direção longitudinal do duto...117
5.27 Montagem do robô no duto (a) na direção longitudinal; (b) na direção transversal...117
5.28 Caixa de acrílico...118
5.29 Caixa de acrílico com a montagem da eletrônica... 118
5.30 Borboletas fixadas no robô... 119
5.31 Sapatas com furo central... 119
5.32 Sensor de temperatura... 120
5.33 Eletroímã... 120
5.34 Circuito de acionamento dos eletroímãs... 122
5.35 Imãs permanentes de neodímio ferro boro... 122
5.36 Esferas deslizantes... 123
5.37 Montagem dos imãs e esferas - parte frontal... 123
5.38 Montagem dos imãs e esferas - parte traseira... 124
5.39 Suportes para fixação dos imãs e esferas... 124
5.40 Cinta com trava... 125
5.41 Suportes para fixação das cintas... 125
xxiii
5.43 Reservatório de óleo... 126
5.44 Sistema de aplicação automatizada com óleo como fluido de acoplamento... 126
5.45 Esquemático do torque dos motores... 128
5.46 Esquemático da corrente dos eletroímãs... 128
5.47 GRAFCET para a medição no duto... 130
5.48 Visão geral do ULTRATEST_Turbo (medição longitudinal)... 130
5.49 Outras vistas do ULTRATEST_Turbo (medição longitudinal)... 131
5.50 ULTRATEST_Turbo de ponta cabeça (medição longitudinal)... 131
5.51 Tensões em um ponto da parede de um vaso de pressão... 132
5.52 Tensões na parede de um vaso de pressão cilíndrico... 132
5.53 Modelo usado para análise estrutural no Pro/Mechanica©... 135
5.54 Simulação da tensão transversal... 135
5.55 Simulação da tensão longitudinal... 136
5.56 Extensômetros colados no duto... 137
5.57 Tensões medidas pelos extensômetros - Direção longitudinal superior... 139
5.58 Tensões medidas pelos extensômetros - Direção longitudinal inferior... 139
5.59 Tensões medidas pelos extensômetros - Direção transversal superior... 140
5.60 Tensões medidas pelos extensômetros - Direção transversal inferior... 140
5.61 Variação do tempo de percurso em vários pontos no duto... 145
5.62 Tensão na direção longitudinal superior por pontos... 146
5.62 Tensão na direção longitudinal inferior por pontos... 147
5.64 Tensão longitudinal média... 147
5.65 Comparação das tensões com os quatro métodos... 149
5.66 Comparação das tensões LS (extensômetros x Lcr)... 150
5.67 Comparação das tensões LI (extensômetros x Lcr) ... 151
5.68 Comparação das tensões medidas pelos extensômetros e pelas ondas Lcr... 151
5.69 Comparação das tensões medidas pelos extensômetros e pelas ondas Lcr... 152
A.1 Representação dos parâmetros envolvidos na técnica da remoção de camadas (Soares, 1998). 177 A.2 Representação da técnica de seccionamento... 178
xxv
A.4 Método “ring core” (Buenos, 2010)... 180
A.5 Distância entre planos num material policristalino livre de tensões (Flavenot, 1996)... 180
A.6 Variação das distâncias interplanares no material tensionado (Flavenot, 1996)... 181
B.1 Tela inicial: movimentação do robô e acionamento dos sistemas... 183
B.2 Segunda tela do programa: osciloscópio... 185
B.3 Terceira tela do programa: técnica Lcr... 186
B.4 Quarta tela do programa: técnica pulso eco... 186
B.5 Quinta tela do programa: medição de tensão... 187
C.1 Sinais de PWM... 188
F.1 Tempo de percurso x posição (AMOSTRA A)... 196
F.2 Tempo de percurso x temperatura (AMOSTRA A) ... 197
G.1 Tempo de percurso x pontos (AMOSTRA B)... 199
G.2 Tempo de percurso x temperatura para o mesmo ponto (AMOSTRA B)... 199
G.3 Tempo de percurso x posição (AMOSTRA B)... 204
G.4 Tempo de percurso x temperatura (AMOSTRA B) ... 205
G.5 Tempo de percurso x temperatura para vários pontos (AMOSTRA B)... 206
H.1 Carregadores em funcionamento... 207
H.2 Bateria LiPo... 208
H.3 Carregador de Bateria iMax B6... 208
H.4 Driver L298... 209
H.5 Diagrama de pinos do Driver L298... 209
H.6 Motor Integy Matrix Pro Lathe... 210
H.7 Caixa de redução BaneBots 132:1... 211
H.8 Montagem dos motores na caixa de redução... 211
H.9 Furos a 45° na haste para melhor fixação... 212
I.1 Tela principal do Arduino... 213
I.2 Configurações necessárias para upload do programa para a placa... 213
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Lista de Tabelas
2.1 Velocidade do som... 11
4.1 Propriedades dos materiais usados na fabricação das sapatas... 72
4.2 Dados utilizados no planejamento experimental... 73
4.3 Sequência de ensaios aleatorizada para o acrílico... 74
4.4 Sequência de ensaios aleatorizada para o rexolite... 74
4.5 Valores-p... 76
5.1 Descrição dos equipamentos... 91
5.2 Características dos motores... 95
5.3 Características das rodas... 96
5.4 Características do pistão elétrico... 99
5.5 Padrão de repetibilidade - Receptor 1 (AMOSTRA A)... 104
5.6 Padrão de repetibilidade - Receptor 2 (AMOSTRA A)... 104
5.7 Média e desvio padrão dos resultados (AMOSTRA A)... 104
5.8 Valores da temperatura (AMOSTRA A)... 106
5.9 Fatores e níveis selecionados (AMOSTRA A)... 108
5.10 Sequência dos ensaios dados pela matriz de planejamento (AMOSTRA A)... 108
5.11 Resultados dos ensaios dados pela matriz de planejamento (AMOSTRA A - Receptor 1)... 109
5.12 Resultados dos ensaios dados pela matriz de planejamento (AMOSTRA A - Receptor 2)... 110
5.13 Características dos eletroímãs... 121
5.14 Características dos imãs... 123
5.15 Valores teóricos das tensões no duto... 133
5.16 Valores simulados por elementos finitos das tensões no duto... 136
5.17 Valores das tensões obtidas pelos extensômetros... 138
5.18 Padrão de repetibilidade... 142
5.19 Média e desvio padrão dos resultados no duto... 143
5.20 Temperatura medida... 145
xxix
5.22 Comparação dos resultados de tensões (LI) por diferentes métodos... 148
D.1 Custo dos equipamentos do ULTRATEST_Mega... 188
D.2 Custo dos equipamentos do ULTRATEST_Turbo... 189
E.1 Componentes eletrônicos do ULTRATEST_Mega... 191
E.2 Potência média consumida do ULTRATEST_Mega... 192
E.3 Componentes eletrônicos do ULTRATEST_ Turbo... 192
E.4 Potência média consumida do ULTRATEST_Turbo... 193
G.1 Média e desvio padrão dos resultados (AMOSTRA B)... 188
G.2 Padrão de repetibilidade - Receptor 1 (AMOSTRA B)... 189
G.3 Padrão de repetibilidade - Receptor 2 (AMOSTRA B)... 199
G.4 Resultados dos ensaios dados pela matriz de planejamento (AMOSTRA B - Receptor 1)... 200
G.5 Resultados dos ensaios dados pela matriz de planejamento (AMOSTRA B - Receptor 2)... 201
H.1 Características dos motores Integy... 207
xxxi
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas
- duas dimensões - três dimensões – terceira geração
Lcr - Longitudinal criticamente refratada
- tensão [MPa]
- tensão na direção i [MPa]
- variação de tensão [MPa]
- módulo de elasticidade [MPa]
- é o módulo de cisalhamento do material [kg/ms2]
- tensor elástico
- constantes elásticas de terceira ordem do material [GPa]
- constantes elásticas de segunda ordem
- constantes elásticas de terceira ordem (constantes de Murnaghan) - deformação
- deformação na direção de propagação i da onda e movimento das partículas na direção j - constante acustoelástica
- constante elástica para a direção de propagação i da onda e movimento das partículas na direção j
- tempo de percurso da onda [s]
- tempo de percurso da onda no estado livre de tensão [s]
- tempo de percurso da onda no material considerando a velocidade padrão da onda [s]
- tempo de percurso da onda corrigido [ns]
- tempo de percurso medido [ns]
- variação de tempo de percurso [ns]
- efeito da tensão residual no tempo de percurso da onda
xxxiii - efeito da força aplicada no tempo de percurso da onda - efeito da textura do material no tempo de percurso da onda
- temperatura das amostras [°C]
- diferença da temperatura média [ºC]
- temperatura padrão [ºC]
- temperatura medida no duto [ºC]
- frequência [Hz]
- distância percorrida [m]
- velocidade de propagação no meio [m/s]
- velocidade de propagação no meio i [m/s]
- velocidade longitudinal [m/s]
- velocidade longitudinal no meio i [m/s]
- velocidade transversal [m/s]
- velocidade transversal no meio i [m/s]
- velocidade da onda longitudinal que se propaga na direção i, com o deslocamento das partículas
na direção j [m/s]
- módulo de volume ou compressão
- constante definida pela relação entre a velocidade da onda e a temperatura - soma das deformações
- ângulo crítico [°]
- impedância acústica [kg/m2s]
- impedância acústica do meio i [kg/m2s]
- coeficiente de reflexão - coeficiente de transmissão
P - pressão interna [bar]
- pressão sônica do feixe refletido - pressão sônica do feixe incidente - pressão sônica do feixe transmitido - componente da deformação na direção i
xxxv
- variação de deformação [µstrain]
- fator de correção [ns/ºC]
- Replicação do ensaio com i igual a ordem do ensaios
n - número de valores utilizados para cada variável (níveis) k - número de variáveis estudadas (fatores)
- força magnética [N]
- constante magnética [Nm²/C²]
- massa magnética do corpo i [Wb]
- comprimento
- espessura da parede do cilindro [mm]
- diâmetro externo do duto [mm]
...
Letras Gregas
- constantes elásticas de segunda ordem (constantes de Lamé)
- comprimento de onda [m] - massa específica [kg/m3] 𝜈 - coeficiente de Poisson - densidade inicial - deformação [µstrain]
...
Abreviações LiPo - Lithium-Polímero NiCd - Níquel-Cádmio...
xxxvii
Siglas
TOFD - Time of Flight Diffraction TOF - Time of Flight
ASTM - American Society for Testing and Materials PCS - Probe Center Separation
PIG - Pipeline Inspection Gauge PIC - Pipeline Inspection Crawler PWM - Pulse-Width Modulation DC - Direct Current
CI - Circuito Integrado CP - Corpo de Prova
DPO - Direção de Propagação da Onda USB - Universal Serial Bus
PUC-RJ - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro CENPES - Centro de Pesquisas da Petrobrás
GPS - Global Positioning System
RMB - Ruído Magnético de Barkhausen
CPTI - Centro de Pesquisa em Tecnologia de Inspeção A/D - Analógico/Digital
EMAT - Transdutor Acústico Eletromagnético DIN - Deutsches Institut für Normung e.V. UFPB - Universidade Federal da Paraíba INSTOR - Sistemas de Inspeção Robótica
UFRGS - Universidade Federal de Rio Grande do Sul LAMEF - Laboratório de Metalurgia Física
CLP - Controlador Lógico Programável NI - National Instruments
PCMCIA - Personal Computer Memory Card International Association MEF - Método de Elementos Finitos
xxxix
CAE - Computer Aided Engineering LS - Longitudinal Superior
LI - Longitudinal Inferior
EMW-C™ - Eletromagnetic Wave
GRAFCET - Graphe Fonctionnel de Commande, Étapes Transitions API - American Petroleum Institute
CNPQ - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
xli
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 1 1.1 Justificativa e motivação ... 4 1.2 Objetivos ... 5 1.3 Esboço da pesquisa ... 5 2 CONCEITOS BÁSICOS ... 7 2.1 Tensões residuais e aplicadas ... 7 2.2 Princípios básicos do método ultrassônico ... 10 2.2.1 Velocidade, comprimento de onda e frequência ... 11 2.2.2 Atenuação do feixe sonoro ... 13 2.2.3 Reflexão e Refração ... 13 2.2.4 Impedância acústica ... 15 2.2.5 Transdutores ... 16 2.2.6 Tipos de ondas ... 20 2.2.6.1 Longitudinais ... 20 2.2.6.2 Transversais ... 21 2.2.6.3 Superficiais e Subsuperficiais ... 21 2.3 Aplicações das ondas Lcr para medição de tensão ... 252.3.1 Características estruturais dos materiais... 26 2.3.2 Propagação das ondas e meios elásticos... 26 2.4 Fatores de influência na medição de tensão por ultrassom ... 31 2.4.1 Efeitos da temperatura ... 32 2.4.2 Efeitos da força aplicada ... 33 2.4.3 Efeitos da textura ... 33 2.5 Considerações finais ... 34 3 REVISÃO DA LITERATURA ... 35 3.1 Sistemas para medições internas em dutos... 35
xliii
3.2 Sistemas para medições externas em dutos ... 41 3.2.1 Sistemas baseados em radiografia ... 41 3.2.2 Sistemas baseados em laser ... 43 3.2.3 Sistemas baseados em correntes parasitas - Eddy Current (ECT) ... 45 3.2.4 Sistemas baseados em EMW-C™ (Eletromagnetic Wave) ... 46 3.2.5 Sistemas baseados em Ruído Magnético de Barkhausen (RMB) ... 47 3.2.6 Sistemas baseados em ultrassom ... 49 3.3 Acustoelasticidade e ondas Lcr para medição de tensões ... 56
3.3.1 Soluções para influência da temperatura ... 57 3.3.2 Soluções para influência do acoplamento ... 59 3.3.3 Soluções para influência da textura ... 59 3.3.4 Pesquisas recentes com o uso das ondas Lcr ... 60
3.4 Conclusões sobre o capítulo ... 63 4 MATERIAIS E MÉTODOS - DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA ULTRASSÔNICO PARA MEDIÇÃO DE TENSÃO ... 64 4.1 Sistema de medição proposto ... 64 4.1.1 Detalhamento das chapas ... 65 4.1.2 Detalhamento do duto ... 66 4.2 Planejamento dos experimentos ... 69 4.3 Equipamentos e programas ... 71 4.3.1 Bloco padrão... 71 4.3.2 Sapatas e transdutores ... 72 4.3.3 Pulsador/receptor das ondas ultrassônicas ... 78 4.3.4 Selecionador de sinais dos receptores ... 78 4.3.5 Condicionador de sinais ... 80 4.4 Procedimentos do ensaio ultrassônico para leitura e interpretação de dados ... 81 4.5 Variáveis de influência analisadas ... 86 4.6 Elaboração do procedimento de medição ... 89 4.7 Conclusões sobre o capítulo ... 90 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 91
xlv
5.1 Desenvolvimento do sistema automatizado para medição em chapas ... 91 5.1.1 Concepção do dispositivo automatizado para a medição em chapas ... 91 5.1.2 Especificações dos componentes para medição em chapas ... 92 5.1.2.1 Controlador de uso geral e drive de acionamento dos motores ... 93 5.1.2.2 Dispositivo Bluetooth ... 94 5.1.2.3 Motores e rodas ... 96 5.1.2.4 Sistema de alimentação ... 98 5.1.2.5 Sistema de aplicação da força ... 99 5.1.2.6 Sistema de acoplamento ... 101 5.1.3 Funcionamento do ULTRATEST_Mega ... 101 5.1.4 Resultados experimentais do ULTRATEST_Mega ... 104 5.1.4.1 Primeiro estudo - Repetibilidade ... 104 5.1.4.2 Segundo estudo - Não uniformidade ... 106 5.1.4.3 Terceiro estudo - Temperatura ... 107 5.1.4.4 Quarto estudo - Planejamento Experimental ... 109 5.2 Desenvolvimento do sistema automatizado para medição de tensão em dutos ... 113 5.2.1 Sistema de medição proposto para o duto ... 113 5.2.2 Especificações dos componentes para medição em duto ... 117 5.2.3 Funcionamento do ULTRATEST_Turbo ... 127 5.2.4 Resultados experimentais do ULTRATEST_Turbo ... 131 5.2.4.1 Cálculo das tensões teóricas ... 133 5.2.4.2 Cálculo das tensões utilizando elementos finitos ... 134 5.2.4.3 Cálculo das tensões utilizando extensometria ... 136 5.2.4.4 Cálculo das tensões utilizando ondas Lcr ... 141
5.2.4.4.1 Primeiro estudo - Repetibilidade ... 142 5.2.4.4.2 Segundo estudo - Não uniformidade ... 143 5.2.5 Comparação das tensões calculadas pelos diferentes métodos ... 148 5.2.6 Resumo das contribuições e complementação das discussões ... 152 6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS ... 154 6.1 Principais conclusões ... 154
xlvii
6.2 Sugestões para futuros trabalhos ... 156 REFERÊNCIAS ... 158 APÊNDICE A - Métodos existentes para medição de tensões residuais ... 176 A.1 Métodos Destrutivos ... 176 A.2 Métodos Semidestrutivos ... 178 A.3 Métodos Não Destrutivos ... 180 APÊNDICE B - Programa para movimentação do robô e ... 183 aquisição de dados ... 183 APÊNDICE C - Controle de motores DC ... 188 APÊNDICE D - Planilha de custos ... 189 D.1 ULTRATEST_Mega ... 189 D.2 ULTRATEST_Turbo ... 190 APÊNDICE E - Cálculo do tempo de autonomia para o sistema ... 192 E.1 ULTRATEST_Mega... 192 E.2 ULTRATEST_Turbo ... 193 APÊNDICE F - Resultados do TOF da AMOSTRA A ... 195 APÊNDICE G - Resultados do TOF da AMOSTRA B ... 198 G.1 Primeiro estudo ... 198 G.2 Segundo estudo ... 199 G.3 Terceiro estudo ... 200 G.4 Quarto estudo... 201 APÊNDICE H - Problemas ocorridos e soluções encontradas para determinação do TOF usando ondas Lcr ... 207
APÊNDICE I - Programa em Arduino® ... 213 APÊNDICE J - Produção científica ... 219
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1 INTRODUÇÃO
O aço e diversos outros materiais metálicos têm presença marcante em estruturas vitais para o funcionamento do mundo moderno. São encontrados nos sistemas de transporte (navios, aviões, carros, trens), em construções e em diversos segmentos da indústria em componentes como: oleodutos, gasodutos, plataformas, vasos de pressão, cilindros, vigas, dutos, etc. Entretanto, ao longo do tempo, a integridade destas estruturas pode ser comprometida.
Num mundo ideal, os dutos ao longo de extensas regiões para o transporte de derivados de petróleo (óleo, gás e combustível) estariam expostos apenas aos esforços da pressão interna do fluido transportado. No mundo real, este é apenas uma componente do complexo estado de tensões nas paredes de um duto enterrado. Pelo menos três fatores geram tensões, além do primeiro: o processo de montagem, as tensões causadas pelo ambiente onde o duto está instalado e as tensões de fabricação. As tensões podem ser aplicadas, causadas por solicitação em serviço ou montagem, ou ainda residuais, que podem ser as causadas pelo processo de fabricação e estão presentes no duto mesmo sem a ação de solicitações externas.
As tensões residuais são especialmente perigosas pelo fato de se somarem às tensões de serviço. Sua combinação pode atingir valores próximos e até superiores ao admissível pelo material. Esse comportamento pode levar ao colapso silencioso do sistema. Sendo assim, a determinação e a quantificação do estado de tensões em um duto são de grande importância para a indústria de petróleo e gás, pois uma falha, em muitos casos, pode levar a desastres ambientais, com consequências econômicas e sociais sem medida.
A quantificação de tensões residuais e o monitoramento das tensões mecânicas de operação são essenciais para a prevenção contra falhas de componentes e estruturas mecânicas, gerando informação para que, por exemplo, sejam otimizados os intervalos de manutenção de um sistema mecânico. Vários componentes industriais podem ser danificados e terem sua função de trabalho comprometida se a composição das tensões residuais e de operação ultrapassar os limites de resistência do material, sejam esses de escoamento ou ruptura.
A fim de evitar falhas em serviço, ações preventivas de manutenção são tomadas e estas, geralmente, envolvem recursos significativos. Tais ações podem levar à interrupção da produção para troca de componentes ou de todo um sistema, levando à interrupção do faturamento e a custos totais
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elevados. Por este motivo, conhecer a distribuição das tensões internas permite estimar o risco em manter o componente em serviço, evitando ou adiando uma ação de manutenção.
A manutenção preventiva associada à análise de tensões residuais e aplicadas pode ser feita por métodos destrutivos e não destrutivos. No entanto, durante a operação normal há componentes que podem causar acidentes de grandes proporções, podendo ser necessária à inspeção em todos os elementos em serviço ou em diversas de suas peças ou partes. O caso dos dutos é um caso típico, onde a falha em um tubo causa a impossibilidade de operação de todo um trecho da dutovia. Um método destrutivo não seria adequado para essa aplicação, já que em campo a amostra sob inspeção estaria instalada e operando. Dessa forma, a necessidade de um método não destrutivo para a avaliação de tensões torna-se evidente. Os principais métodos não destrutivos para a medição de tensões em campo são: Raios X, Difração de Nêutrons e a Acustoelasticidade.
Os Raios X têm sido empregados em medição de tensões há décadas (Fuks, Gladkikh e Prytkin, 1967). Há equipamentos comerciais disponíveis, como o RAYSTRESS (GURTEQ, 2012) e o XSTRESS 3000 (XSTRESS 3000 G3/GR3, 2012). Apesar do conhecimento adquirido com a técnica ainda há questões a solucionar, como a profundidade de penetração e de medição, não refletindo o estado de tensões que agem no núcleo de uma estrutura, além da necessidade de operadores especializados e procedimentos de segurança do usuário exposto à radiação durante longo período.
A medição por difração de nêutrons usa os mesmos princípios dos Raios X, baseados na lei de difração de Bragg. A diferença é que um feixe de nêutrons é usado na medição, o que implica na necessidade de um reator nuclear, gerando portabilidade limitada. A técnica também está bastante difundida, tanto que já está normalizada em alguns países (Youtsos e Ohms, 2002). Os resultados para aplicação em componentes mecânicos convencionais, como tubos (Kazuko et al., 2000) e junções soldadas (Ohms et al., 2009) têm sido adequados e a técnica é promissora. Porém, o custo elevado e as questões de segurança envolvidas ainda restringem o seu uso.
A acustoelasticidade se destaca por utilizar equipamentos portáteis relativamente baratos, ser rápida em comparação aos outros dois métodos, fácil de usar, não causar nenhum dano à saúde, além do fato de que utiliza ondas ultrassônicas que já têm sido estudadas há décadas para aplicações que envolvem inspeção. Baseia-se no fato de que a velocidade de uma onda ultrassônica é afetada pela presença de um campo de tensões e que tal variação pode ser quantificada.Na aplicação à medição de tensões, mede-se o tempo que a onda leva para percorrer uma distância conhecida, ou
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aproximadamente conhecida, dentro do material. Considera-se que a variação desse tempo reflete a variação da velocidade se a distância percorrida permanece a mesma e que, assim, pode ser relacionado às tensões atuantes (Ivanova e Telbizov, 2008).
A determinação de tensões por acustoelasticidade implica na medição da variação da velocidade de propagação de ondas ultrassônicas. Os principais tipos de onda são: longitudinal usando a técnica Lcr (Pao, Sachse e Fukuoka, 1984), cisalhante por birrefringência acústica (Ortega et al., 2011) ou
Rayleigh (Makhort, Gushcha e Chernoochenko, 2000). Qualquer que seja a técnica ultrassônica, a variação de velocidade da onda ultrassônica é relacionada ao estado de tensão através de constantes elásticas de segunda e terceira ordem do material, de onde vem o termo acustoelasticidade.
Diversas pesquisas têm sido feitas para cálculo de tensões utilizando a onda Lcr, poistem como
vantagem a maior sensibilidade à presença de tensões (Yang et al., 2006; Santos, 2007; entre outros). A principal limitação da técnica é que as ondas trafegam próximas à superfície e como característica, permitem a medição apenas na região próxima à superfície do componente sob avaliação, a cerca de um comprimento de onda (Bray e Tang, 2001; Yang et al., 2006). Alguns pesquisadores (Leon-Salamanca e Bray, 1996; Chaki e Bourse, 2009; Santos, 2007) conduziram estudos da medição de tensão utilizando a onda Lcr em placas de aço. Eles determinaram que existem variáveis que interferem
nos resultados da medição de tensão, como textura e temperatura. Ainda outros trabalhos mostram a sensibilidade do método ultrassônico aos efeitos da microestrutura (Qozam et al., 2006; Qozam et al., 2010), como tamanho de grãos (Grayli e Shyne, 1985; Palanchamy, Joseph e Jayakumar, 1995), o teor de carbono (Hakan e Orkun, 2005), a textura (Spies e Schneider, 1990; Mason e Maudlin, 1999; Ploix, 2005) e condições operacionais como: temperatura (Salama,1985; Santos et al., 2010), acoplamento (Lhémery, 2002), etc.
A utilização de sistemas automatizados em aplicações industriais tem sido muito empregada nas últimas décadas, principalmente porque a sociedade exige soluções cada vez mais rápidas e confiáveis e a automação proporciona isto, visto que as repostas são reportadas em tempo real e a repetibilidade é normalmente adequada. Além disso, é uma ferramenta que permite a comunicação de várias informações de maneira multidirecional, característica importante em sistemas assim construídos.
Há uma tendência clara de preferência por sistemas automatizados, capazes de gerar bancos com maior número de dados. Sistemas automatizados vêm sendo desenvolvidos a fim de minimizar custo e tempo empregados nas inspeções industriais (Ribeiro et al., 2010).
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Trabalhos anteriores vinculados à Unicamp (Andrino, 2003; Andrino, 2007; Santos, 2007; Fraga, 2007; Buenos, 2010; Pereira Jr., 2011; Rodovalho, 2012; Leão, 2012) motivaram o desenvolvimento desta tese. A tese de doutorado do Eng. Marcilio H. Andrino (Andrino, 2007) foi a principal motivadora, pois ele trabalhou com aplicação de ondas Lcr para a medição de tensões em
dutos. O sistema que utilizou foi em grande parte manual e não havia como controlar/medir automaticamente os fatores de influência durante o processo de medição. Este trabalho tem como importante contribuição o desenvolvimento de um sistema automatizado de medição de tensões em dutos por acustoelasticidade, levando em conta as principais variáveis de influência na medição em campo, representando assim uma evolução significativa sobre os trabalhos anteriores. Não se tem notícia de que tal tipo de sistema tenha sido desenvolvido até o momento, o que reforça a contribuição do trabalho.
1.1 Justificativa e motivação
No Brasil, o setor petrolífero tem crescido em grandes proporções. Em 2007, por exemplo, a malha dutoviária nacional era oficialmente composta por 526 dutovias, somando 30.000 km de extensão para a movimentação de petróleo, gás natural entre outros. Em 2010, o Brasil já contava com 578 dutovias destinadas à movimentação de petróleo, derivados, gás natural e outros produtos. Junto com o crescimento da malha dutoviária nacional, eleva-se a necessidade de equipamentos para inspeção. Dessa forma evitam-se acidentes com consequências econômicas, ambientais e sociais (Anuário Estatístico Brasileiro do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, 2011).
Há dois problemas práticos que motivam esta tese: A primeira motivação vem da necessidade que muitas indústrias têm de monitoramento automático das tensões (residuais ou aplicadas) e controle dos seus processos e da dificuldade em se fazer isto em campo, pois é necessário minimizar os efeitos das variáveis que podem comprometer os resultados. A indústria petrolífera se encaixa nesse grupo. Apesar do potencial, este tipo de medição não é efetuado em campo tanto quanto seria necessário, pois as técnicas são complicadas ou caras demais. A existência de um dispositivo prático, confiável e de baixo custo para realizar esse tipo de medição é de interesse dos setores naval, aeroespacial, indústria metal-mecânica e de petróleo e gás, dentre outros. A segunda motivação é a necessidade de fazer o controle da posição de inspeção à distância, pois há áreas de difícil acesso, até com riscos de explosão,
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eliminando ao máximo os cabos, diminui-se os riscos de falhas e interferência e aumenta-se a qualidade do resultado.
1.2 Objetivos
O presente trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento (projeto, construção e validação) de um sistema portátil e automatizado para a avaliação das tensões mecânicas em dutos utilizando o método ultrassônico. Tal sistema deverá permitir a avaliação da integridade do componente com tempo reduzido, baixo custo e confiabilidade. A metodologia proposta utiliza o efeito acustoelástico com ondas ultrassônicas para determinar a tensão no material. Como objetivos secundários:
Será estudada a influência dos parâmetros principais: força de contato entre o conjunto de transdutores e a peça, temperatura e textura, visando minimizar os seus efeitos sobre o resultado das medições.
Será realizada medições em condições controladas de laboratório, em escala real, que é foco do trabalho para validação do método e sistema.
Será realizada medições preliminarmente em chapas e, em seguida, em dutos. As primeiras porque o processo adotado de desenvolvimento do sistema de controle e movimentação requer protótipos iniciais no plano e porque há estruturas presentes em grande escala no ambiente industrial com esse formato, além de que o processo de fabricação de dutos passa primeiro pela fabricação das chapas, que também podem ser inspecionadas previamente.
O sistema permitirá o monitoramento em tempo real, mas será capaz também de gerar um banco de dados para análise dos resultados em casos futuros, permitindo o mapeamento das tensões em 2D e 3D, para análise e arquivamento de documentação.
1.3 Esboço da pesquisa
Esta tese é dividida em oito capítulos. O capítulo 1 apresenta uma introdução ao tema e uma visão geral sobre o problema em estudo. O capítulo 2 apresenta conceitos básicos sobre medição de tensão, com ênfase no método ultrassônico e na teoria acustoelástica. O capítulo 3 descreve a revisão
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de pesquisas anteriores sobre sistemas para medição interna e externa em dutos e apresenta também o uso da acustoelasticidade e ondas Lcr para medição de tensão. O capítulo 4 mostra o desenvolvimento
do sistema ultrassônico para a medição de tensão. No capítulo 5, o dispositivo robótico é apresentado com toda a sua rotina de funcionamento, bem como o planejamento dos experimentos, equipamentos e procedimentos experimentais adotados para determinar o tempo de percurso das ondas Lcr, usando
chapas planas de aço. O capítulo 6 descreve o procedimento experimental para medir o efeito acustoelástico e, assim, determinar a tensão aplicada com o sistema automatizado desenvolvido para o duto. Este capítulo resume a configuração experimental, discute os princípios envolvidos na medição do efeito acustoelástico e apresenta os resultados experimentais. Em sequência, o capítulo 7 discute as conclusões mais importantes e apresenta recomendações para nortear trabalhos futuros. Finalmente, são apresentadas as referências utilizadas na elaboração deste trabalho e os apêndices contendo informações complementares pertinentes aos resultados encontrados.
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2 CONCEITOS BÁSICOS
Este capítulo apresenta os conceitos básicos sobre medição de tensão com ênfase no método ultrassônico e na teoria acustoelástica. Trata também da definição de tensões residuais e dos métodos principais aplicados na medição de tensões. Apresenta ainda, os fenômenos básicos envolvidos no processo de medição por ultrassom, mostrando os princípios físicos e os conceitos fundamentais para a compreensão da técnica, fornecendo a fundamentação teórica para o desenvolvimento da proposta deste trabalho.
2.1 Tensões residuais e aplicadas
Tensões residuais são tensões existentes em um corpo sem que sobre ele estejam agindo quaisquer forças externas, ou seja, tensões que continuam existindo numa peça quando todo o carregamento externo é removido (Mondenesi, 2010). Este estado de tensões é autoequilibrante e, portanto, todos os sistemas de tensões residuais têm suas resultantes de força e momento iguais à zero. Geralmente essas tensões surgem durante os processos de manufatura ou fabricação. Dentre as principais causas de seu aparecimento, a ocorrência de uma solicitação acima do limite de escoamento do material, causando deformação plástica em certa região da peça, é a mais comum (Cardoso, 2007).
A tensão residual é tridimensional no interior dos corpos. Por exemplo, em um sistema de coordenadas, comum para dutos, ela pode existir nas direções longitudinal, tangencial (também chamada de circunferencial) e radial. Em uma superfície plana, ela atua nas direções longitudinal, transversal e normal ao plano, conforme Figura 2.1 (Perini, 2008). As tensões normal e radial são nulas, pois as superfícies são livres.
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Figura 2.1 - Nomenclatura das direções das tensões em eixos e chapas.
Tensões residuais podem afetar de modo determinante a vida em serviço de componentes. Assim, a avaliação destas representa uma etapa fundamental em inspeções antes e durante a operação de qualquer componente para a avaliação de sua integridade.
Estas tensões podem ser trativas ou compressivas. Tensões residuais trativas podem reduzir o desempenho ou causar falhas de produtos manufaturados. Elas podem aumentar a taxa de danos por fadiga, deformação ou degradação ambiental. Tensões residuais compressivas são, na maioria das vezes, benéficas, ao se oporem à direção de carregamento trativo, reduzem o nível de tensão de tração aplicada e inibem a iniciação e o crescimento de trincas (Soares, 1998).
O desempenho de um material sob carregamento mecânico ou térmico, ou outros tipos de carregamentos, depende do estado de tensões residuais introduzido durante o processo de manufatura. Em certos casos, é melhor ter uma amostra sem qualquer tensão residual. Em outros casos, uma tensão residual compressiva é introduzida na superfície da amostra para obter uma melhora no comportamento mecânico - quanto à fadiga, por exemplo.
É fundamental ser capaz de medir a tensão residual, pois o nível de tensão residual se compõe com o carregamento aplicado na comparação com a resistência do material (Macherauch e Kloos, 1987).
A classificação dos diferentes tipos de tensões residuais existentes está definida na literatura e são comumente classificadas em três tipos principais (Lu, 1996; Pedrosa, 2007):
Tensões residuais macroscópicas ou macrotensões residuais (Tipo 1): Estendem-se ao longo do componente por vários grãos. São provenientes de condições ou fontes mecânicas, térmicas ou
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químicas que afetam um volume considerável do material, estendendo-se por área comparável às dimensões do equipamento. Estas tensões permanecem equilibradas em todo o corpo e têm sua origem em deformações plásticas macroscópicas.
Tensões residuais microscópicas ou microestruturais (Tipo 2): Estão presentes em um grão ou numa parte deste, estando equilibradas em alguns grãos vizinhos e tendo sua origem em deformações plásticas microscópicas.
Tensões residuais submicroscópicas ou microlocalizadas (Tipo 3): Estendem-se por pequenas distâncias interatômicas, dentro de uma pequena porção de um grão, estando também equilibradas em uma pequena parte do grão e tendo sua origem em defeitos cristalinos, particularmente discordâncias.
Dados de tensões residuais podem ser obtidos através de medições, modelados numericamente ou até, para alguns casos específicos, obtidos na literatura a partir de normas que permitem sua estimativa.
As tensões residuais não podem de modo algum ser desprezadas, pois elas se somam às tensões aplicadas externamente. Dependendo do sinal e da distribuição das tensões residuais e das tensões aplicadas, pode ocorrer um aumento ou diminuição da vida do componente.
Uma avaliação de integridade estrutural em dutos precisa levar em conta as tensões a que estes estão sendo submetidos. O problema é que as tensões medidas são resultados de estados de tensões complexos causados: pelos esforços de trabalho; pelas condições de montagem e interação com o solo; e pelas tensões residuais existentes no tubo, causadas principalmente pelo processo de fabricação. Uma análise pontual não é suficiente para determinar se o tubo está trabalhando de forma crítica ou segura, já que as tensões residuais, mesmo sendo elevadas, são autoequilibrantes. Existe então a necessidade de: medir mais de um ponto na seção; conhecer as situações que inspiram maiores cuidados no que diz respeito à seção do tubo; e, quando possível e necessário, separar as tensões provocadas pelas três parcelas acima citadas.
Dentre as técnicas experimentais para medição de tensões residuais e aplicadas, a extensometria é a mais largamente utilizada porque é uma técnica pesquisada e utilizada há muitos anos, os resultados são facilmente interpretados e o procedimento de ensaio de tensões residuais é regido por norma (ASTM E 837). A medição de tensão mecânica neste caso é indireta, visto que é calculada a partir da medição de deformação dos extensômetros. A medição de tensões residuais é feita com rosetas
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extensométricas que são nada mais do que o conjunto de três extensômetros distribuídos ao redor de uma pequena região onde um furo é usinado (“hole drilling method”). A presença do furo provoca um alívio de tensões naquele ponto. Os extensômetros estão posicionados a 0o, 45o e 90o, e medem as componentes da deformação gerada pelo alívio de tensões ao redor do furo em cada uma destas direções. Porém o uso desta técnica apresenta algumas dificuldades e limitações, como o excessivo tempo necessário para a preparação da superfície da peça e colagem dos extensômetros e a necessidade de habilidade técnica do operador para instalação do extensômetros, entre outras.
O ensaio de ultrassom é um método bastante promissor na medição de tensões mecânicas. A medição é possível graças ao efeito conhecido como acustoelástico (acusto relacionado a ondas e
elasticidade relacionado a propriedades elásticas e tensões). Este princípio relaciona a deformação de
um corpo submetido a um estado estático de tensão com a velocidade de propagação de ondas elásticas no corpo. A teoria acustoelástica foi primeiramente formulada por Cauchy, em 1829, e, posteriormente, aprimorada por Hughes e Kelly, Toupin e Bernstein, e Thurston e Brugger (In Pao e Gamer, 1985).
Como já dito, existem outros métodos não destrutivos para medição de tensões, tais como difração de raios X e difração de nêutrons. Como ressaltado, nas duas técnicas são necessários equipamentos cujas características atuais não os tornam ainda adequados para utilização em campo. Isso é verdade em especial quanto à difração de nêutrons, que requer um reator nuclear para que a medição possa ser feita (Santos, 2007; Buenos, 2010). O APÊNDICE A apresenta um detalhamento dos vários métodos existentes para a medição de tensões.
Como citado na introdução deste trabalho, medir as tensões em um duto requer uma técnica não destrutiva, para não parar todo um trecho de uma dutovia. A técnica escolhida para este trabalho foi o ultrassom. Seus princípios e modos de uso serão detalhados nos itens a seguir.
2.2 Princípios básicos do método ultrassônico
Ultrassons são ondas acústicas com frequências acima do limite audível. Quando a frequência é maior que 20 kHz as ondas sonoras são chamadas ultrassons. Inspeções em materiais utilizando a técnica ultrassônica são realizadas através da análise das ondas transmitidas no material sob teste. O método é aplicável para a detecção de descontinuidades internas e superficiais, além de medição das
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tensões. Este último emprego já foi validado por diversos autores (Hughes e Kelly, 1953; Bray, 2001; Payão Filho et al., 2003; Andrino, 2007; Pereira Jr., 2011).
2.2.1 Velocidade, comprimento de onda e frequência
Durante a propagação de ondas sonoras, não há o transporte de matéria, mas somente de energia. A oscilação deixa de ocorrer num determinado ponto do espaço e passa a ocorrer em regiões subsequentes na direção de propagação da onda. Como toda onda, o som obedece à relação:
Onde: é a velocidade de propagação no meio (m/s), é o comprimento de onda (m) e é a frequência (Hz). A velocidade de propagação das ondas sonoras depende do tipo de material e do modo de vibração (longitudinal ou transversal). A faixa de frequência preferencialmente utilizada nos ensaios de ultrassom é de 0,5 a 15 MHz. A velocidade do som é aproximadamente constante para um dado material sem tensões, conforme Tabela 2.1.
Tabela 2.1 - Velocidade do som.
Material VL (m/s) VT (m/s) Acrílico 2730 1120 Aço 5900 3250 Água 1480 - Alumínio 6320 3130 Ar 333 - Cobre 4700 2260 Latão 4430 2120 PVC 2395 1060 Vidro 5570 3515
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As propriedades dos materiais que influenciam a velocidade de propagação das ondas são sua massa específica, seu módulo de elasticidade e seu módulo de cisalhamento. As velocidades de propagação das ondas sonoras podem ser determinadas por:
√ 𝜈
𝜈 𝜈 √ 𝜈 √
Onde: é a velocidade da onda longitudinal (m/s), é a velocidade da onda transversal (m/s); é o módulo de elasticidade do material (kg/ms2); 𝜈 é o coeficiente de Poisson (adm); é o módulo de
cisalhamento do material (kg/ms2); é a massa específica (kg/m3).
Segundo Bray e Stanley (1997) e Cheeke (2002), para descrever o comportamento elástico dos materiais são utilizadas as constantes de Lamé ( e µ). Estas, por sua vez, são relacionadas com as propriedades elásticas dos materiais, que são caracterizadas pelo módulo de cisalhamento (G), módulo de elasticidade de Young (E), módulo de volume ou compressão (K) e coeficiente de Poisson (𝜈). Os módulos relacionados às constantes de Lamé:
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Substituindo as equações (2.3) à (2.6) nas equações (2.2), é possível obter as velocidades de propagação das ondas transversais e longitudinais em função das constantes de Lamé:
2.2.2 Atenuação do feixe sonoro
A intensidade do feixe sonoro diminui à medida que o mesmo se propaga no material. Desta forma, a intensidade do feixe que retorna ao transdutor é bem menor que a intensidade original. Essa diminuição esta relacionada às perdas por transmissão, aos efeitos de interferência e de dispersão do feixe que ocorrem no material.
A atenuação pode gerar diversos ecos de reflexão de fundo durante a visualização na tela do osciloscópio ou sistema de aquisição, aparelhos destinados a visualizar o sinal elétrico recebido pelos transdutores. Existem situações em que a atenuação pode inviabilizar um teste, pois é impossível identificar a onda que se quer medir, porque esta simplesmente não aparece destacada das demais.
2.2.3 Reflexão e Refração
Quando uma onda incide sobre a interface que separa dois meios, podem ocorrer dois fenômenos distintos: reflexão e refração. A reflexão é a tendência de uma onda voltar para o meio de origem quando incide sobre a superfície de separação entre dois meios com propriedades distintas. Assim, parte da onda volta e se propaga no mesmo meio no qual a onda incide, gerando a reflexão da onda.
Outra parte da onda passa de um meio para o outro e propaga-se neste segundo meio, caracterizando a onda refratada. A refração ocorre quando a onda passa de um meio para outro para o qual é transmitida em condições diferentes de velocidade e comprimento de onda, porém frequência constante.
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Uma onda longitudinal, ao incidir em uma interface de separação entre dois meios de impedâncias diferentes, é decomposta em ondas longitudinais e transversais, obedecendo ao princípio da refração. As mudanças de modo e direção possíveis de ocorrer podem ser observadas na Figura 2.2. A conversão de modo consiste na transformação de um tipo de onda em outra, em função da variação do ângulo de incidência do pulso ultrassônico.
Figura 2.2 - Comportamento do feixe ultrassônico na interface entre dois materiais.
O comportamento das ondas ultrassônicas na interface é descrito pela Lei de Snell:
Onde: é o ângulo de incidência das ondas longitudinais; e são os ângulos de reflexão e refração das ondas transversais respectivamente; e são os ângulos de reflexão e refração das ondas longitudinais respectivamente; é a velocidade longitudinal no meio 1; é a velocidade longitudinal no meio 2; é a velocidade transversal no meio 1; é a velocidade transversal no meio 2.
O ângulo de incidência é denominado primeiro ângulo crítico, quando a onda longitudinal refratada faz um ângulo de 90° com a normal e existe a presença de onda transversal refratada. Quando
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o valor do ângulo de incidência para o qual a onda transversal refratada é paralela à interface incidência é denominado segundo ângulo crítico. A duas situações podem ser observadas na Figura 2.3.
(a) (b)
Figura 2.3 - (a) Primeiro ângulo crítico ; (b) Segundo ângulo crítico .
2.2.4 Impedância acústica
A impedância acústica de um meio está relacionada com a resistência ou dificuldade do meio a passagem do som. O fenômeno da reflexão e refração dos materiais é função da impedância acústica dos dois materiais. Quanto maior a diferença de impedância acústica, maior será a intensidade de reflexão do feixe sonoro e menor a de refração. Caso a impedância acústica entre os dois materiais sejam similares, não haverá reflexão e neste ponto existe a máxima refração.
A impedância acústica de um material é dada por:
Onde: é igual à impedância acústica ( ⁄ ); é a massa específica ( ⁄ ); é a velocidade da onda longitudinal ( ⁄ ).
Para uma incidência normal na interface dos dois materiais, a quantidade de energia refletida e energia transmitida é dada por:
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Onde: é o coeficiente de reflexão; é o coeficiente de transmissão; é a pressão sônica do feixe refletido; é a pressão sônica do feixe incidente; é a pressão sônica do feixe transmitido; é a impedância acústica do meio 1; é a impedância acústica do meio 2.
Para obter uma onda transmitida ao segundo meio com o mínimo de atenuação, ou seja, refração máxima, os dois meios deverão possuir propriedades e características idênticas, ou seja, . Sendo assim, teríamos uma máxima amplitude de onda transmitida e amplitude de onda refletida igual à zero.
Contudo, isso não ocorre devido às diferenças de impedância acústica, velocidade de propagação das ondas e densidade entre os meios, que são as propriedades ligadas diretamente à propagação das ondas de um meio a outro. Na prática existem maneiras de aproximar o máximo possível as propriedades entre os dois meios, uma delas é através da utilização de acoplantes que formam uma película entre os meios. Quanto mais próxima à impedância entre o meio acoplante e o material a ser medido, melhores serão os resultados.
2.2.5 Transdutores
Para a geração das ondas ultrassônicas, é necessária à utilização de transdutores. Estes possuem um cristal piezoelétrico em seu interior, que converte sinais elétricos em vibrações mecânicas (modo de transmissão) e vibrações mecânicas em sinais elétricos (modo de recepção). O cristal é envolto em uma capa metálica responsável pela proteção, com conectores elétricos que têm a função de conectar o transdutor ao aparelho de ultrassom. Conforme há variação na tensão aplicada ao cristal, ele vibra, emitindo ondas sônicas. Dentro da armação ainda existe um bloco amortecedor, para impedir que o cristal continue vibrando depois de cessarem os pulsos elétricos. Na parte inferior do transdutor existe
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uma proteção, para impedir o contato direto do cristal com a peça (Andreucci, 2011). A Figura 2.4 apresenta o desenho esquemático de um transdutor típico com alguns de seus detalhes construtivos.
Figura 2.4 - Transdutor de ultrassom (Perini, 2008).
Os transdutores são classificados em três categorias:
Transdutor normal: possibilita a introdução das ondas sonoras perpendiculares à superfície da peça em exame. Um único elemento piezoelétrico funciona como emissor e receptor e é montado de forma a permanecer paralelo à superfície do material a ser examinado.
Transdutor angular: possibilita a introdução do feixe sonoro com um determinado ângulo. O elemento piezoelétrico é montado inclinado.
Transdutor duplo cristal ou SE (emissor e receptor): é constituído por dois elementos piezoelétricos que atuam de forma independente, um como emissor e outro como receptor.
Dentro de cada categoria, os transdutores podem ser de dois tipos: contato e sem contato.
Os transdutores de contato: também chamados de contato direto, trabalham próximos à peça, porém separados por uma fina camada de acoplantes. Quando o transdutor é posicionado sobre a peça, uma camada de ar permanece sobre os dois. O meio acoplante é o meio interposto entre o transdutor e peça de ensaio, para facilitar a transmissão da energia ultrassônica. Os acoplantes mais utilizados são: gel ultrassônico, óleos, graxas, silicone líquido e água.
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Os transdutores sem contato: também chamados de transdutores de imersão, trabalham dentro do acoplante, usam geralmente a água, ficando a uma distância da peça. Isto traz vantagens por eliminar a influência da variação do acoplamento.
Novos transdutores foram desenvolvidos para a transmissão do ultrassom sem a necessidade de acoplamento, chamados transdutores EMAT (Transdutor Acústico Eletromagnético). O EMAT é uma técnica de ultrassom utilizada para detecção de descontinuidades, medição de espessura e é capaz de estimar a tensão mecânica usando as frequências das ressonâncias acústicas. A técnica não requer limpeza superficial prévia nem elemento acoplante, por isto, tem se apresentado como uma inspeção alternativa aos ultrassons convencionais (Cawley e Lowe, 2004).
Os transdutores precisam está calibrados. Esta calibração é feita com o auxílio de blocos padrões, com dimensões conhecidas e características que podem influenciar na propagação do feixe sonoro controlada. Os blocos padrão mais utilizados são os blocos V1(DIN 54120) e os blocos V2 (DIN 54122). A partir da calibração é possível verificar as escalas do aparelho usando as dimensões padronizadas do bloco, verificar a saída do feixe sônico, verificar o ângulo de refração para transdutores angulares, além do tempo de percurso e velocidade das ondas ultrassônicas (Andrino, 2007).
De acordo com a aplicação realizada, as inspeções utilizando técnicas ultrassônicas podem adotar diferentes métodos de emprego para os transdutores. Em geral são utilizados dois métodos: pulso eco e transparência ou transmissão total (Baroni, 2008).
Pulso eco: A técnica pulso eco utiliza um único transdutor, responsável pela emissão e recepção do feixe ultrassônico. O transdutor emite as ondas ultrassônicas em intervalos regulares. Estas são introduzidas no material e se propagam até encontrar uma superfície refletora. Quando isto ocorre, as ondas são refletidas e retornam ao transdutor, que converte a energia mecânica em pulsos elétricos que são processados, permitindo fazer a leitura do ensaio. Na Figura 2.5, pode-se observar o princípio do método pulso eco.
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Figura 2.5 - Técnica pulso eco.
Transparência: Esta técnica utiliza dois transdutores, um atuando como transmissor e outro como receptor, posicionados em superfícies opostas da peça, conforme Figura 2.6. Porém dependendo do tipo de transdutor, onda, e análise realizada, o segundo transdutor pode ser colocado na mesma superfície, porém a uma determinada distância do emissor, conforme Figura 2.7. Nesta técnica o transdutor emissor envia um feixe sonoro que é recepcionado pelo receptor.
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Figura 2.7 - Técnica da transparência - transdutores na mesma superfície.
2.2.6 Tipos de ondas
As ondas mecânicas não se propagam no vácuo, ou seja, precisam de um meio material para se propagar. A facilidade com que as ondas se propagam nos meios depende de algumas características do material, como a sua densidade e o seu módulo de elasticidade, bem como da frequência da onda sonora. Os principais tipos de ondas utilizadas em medição de tensão são:
2.2.6.1 Longitudinais: As ondas longitudinais são também conhecidas como ondas de
compressão. Sua característica básica é que as partículas do material oscilam na mesma direção de propagação da onda. As ondas longitudinais apresentam as maiores velocidades de propagação em um determinado meio (Figura 2.8).
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2.2.6.2 Transversais: As ondas transversais são também conhecidas como ondas de cisalhamento.
Sua característica básica é que as partículas do material oscilam na direção perpendicular à direção de propagação da onda. Seu padrão característico pode ser observado na Figura 2.9.
Figura 2.9 - Esquema mostrando a propagação de ondas transversais.
2.2.6.3 Superficiais e Subsuperficiais: As ondas longitudinais e cisalhantes se propagam no
interior dos materiais. A geração das ondas superficiais e subsuperficiais tem relação com o ângulo de incidência com o qual o feixe ultrassônico atinge a superfície e a conversão de modos.
Rayleigh: São ondas superficiais que tangenciam a superfície do material ocorrendo no segundo ângulo crítico. Devido à divergência do feixe ultrassônico, a onda transversal também percorre a região subsuperficial. Sua penetração no material é cerca de um comprimento de onda e sua velocidade em torno de 90% da velocidade de uma onda transversal. Propagam-se apresentando um movimento elíptico, conforme mostra a Figura 2.10.
