MATERIAL DIDÁTICO
MATERIAL DIDÁTICO
TÉCNICAS AVANÇADAS DE
TÉCNICAS AVANÇADAS DE
MANUTENÇÃO
MANUTENÇÃO
CANDI
CANDI
DO
DO
MENDES
MENDES
CREDENCIADA JUNTO AO MEC PELA
CREDENCIADA JUNTO AO MEC PELA
PORTARIA Nº 1.282 DO DIA 26/10/2010
PORTARIA Nº 1.282 DO DIA 26/10/2010
Impressão Impressão ee Editoração Editoração0800 283 8380
0800 283 8380
www.
UNIDADE 1
UNIDADE 1 – – INTRODUÇÃO ... INTRODUÇÃO ... ... 0303 UNIDADE 2
UNIDADE 2 – – ANÁLISE VIBRACIONAL... 05 ANÁLISE VIBRACIONAL... 05
2.1 Do surgimento aos dias atuais ... 05
2.1 Do surgimento aos dias atuais ... 05
2.2 Conceito e aplicações ... 08
2.2 Conceito e aplicações ... 08
2.2.1 O uso da bancada RLAM ... 13
2.2.1 O uso da bancada RLAM ... 13
UNIDADE 3 UNIDADE 3 – – FERROGRAFIA ... FERROGRAFIA ... . 1717 3.1 Tribologia 3.1 Tribologia ... ... 1717 3.2 Ferrografia ... 21
3.2 Ferrografia ... 21
3.3 O processo e ti 3.3 O processo e tipos de análise da ferrografia pos de análise da ferrografia ... . 2222 3.3.1 Exame Analítico (AN) ... 23
3.3.1 Exame Analítico (AN) ... 23
3.3.2 Exame Quantitativo (DR) 3.3.2 Exame Quantitativo (DR) ... . 2525 UNIDADE 4 UNIDADE 4 – – TERMOGRAFIA ... 27 TERMOGRAFIA ... 27
4.1 Aplicações elétricas 4.1 Aplicações elétricas ... ... 2828 4.2 Aplicações mecânicas 4.2 Aplicações mecânicas ... ... 3030 UNIDADE 5 UNIDADE 5 – – ULTRASSOM ... 32 ULTRASSOM ... 32
5.1 Fundamentos e princípios 5.1 Fundamentos e princípios do ultrassom do ultrassom ... ... 3232 5.2 Aplicações do ultrassom... 36
5.2 Aplicações do ultrassom... 36
5.3 Componentes e funcionamento de um ultrassom ... 5.3 Componentes e funcionamento de um ultrassom ... ... ... 3838 UNIDADE 6 UNIDADE 6 – – ESPECTROGRAFIA ... ESPECTROGRAFIA ... ... 4343 UNIDADE 7 UNIDADE 7 – – HIDRÁULICA E ANÁLISE DE PRESSÕES HIDRÁULICA E ANÁLISE DE PRESSÕES ... ... 4545 7.1 Hidráulica ... 45 7.1 Hidráulica ... 45 7.2 Bombas hidráulicas ... 46 7.2 Bombas hidráulicas ... 46 7.3 Bombas de engrenagem ... 48 7.3 Bombas de engrenagem ... 48 7.4 Caldeiras a vapor ... 48 7.4 Caldeiras a vapor ... 48 7.5 Vasos de pressão 7.5 Vasos de pressão ... ... 4949 UNIDADE 8 UNIDADE 8 – – LUBRIFICAÇÃO ... LUBRIFICAÇÃO ... . 5353 8.1 Tipos de lubrificação ... 53
8.1 Tipos de lubrificação ... 53
8.2 Características e 8.2 Características e propriedades dos óleos lubrificantes ...propriedades dos óleos lubrificantes ... ... 5555 8.3 Programa de lubrificação... 58
8.3 Programa de lubrificação... 58
UNIDADE 9 UNIDADE 9 – – PNEUMÁTICA ... 62 PNEUMÁTICA ... 62
REFERÊNCIAS ... 65
UNIDADE 1
UNIDADE 1
–
–
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO
Ao
Ao conjunto conjunto de de cuidados técnicos cuidados técnicos indispensáveis para indispensáveis para que que as as máquinas demáquinas de um parque industrial, bem como outros instrumentos, instalações e ferramentas um parque industrial, bem como outros instrumentos, instalações e ferramentas funcionem de maneira regular e
funcionem de maneira regular e permanente, pertencem ações como a conservação,permanente, pertencem ações como a conservação, a adequação, restauração, substituição e prevenção. São exemplos básicos de a adequação, restauração, substituição e prevenção. São exemplos básicos de conservação, a lubrificação de uma engrenagem; de restauração, a retificação de conservação, a lubrificação de uma engrenagem; de restauração, a retificação de uma mesa de desempeno; de substituição, a troca do
uma mesa de desempeno; de substituição, a troca do plugue de um cabo elétplugue de um cabo elétrico.rico. Se pensarmos no campo de atuação da manutenção preditiva, ele é Se pensarmos no campo de atuação da manutenção preditiva, ele é bastante amplo. Em cada equipamento ou instalação é possível encaixar pelo bastante amplo. Em cada equipamento ou instalação é possível encaixar pelo menos um tipo de aplicação, dentre as quais, por mais conhecidas e usuais, menos um tipo de aplicação, dentre as quais, por mais conhecidas e usuais, podem-se destacar: Análipodem-se Vibracional, Ferrografia, Termografia, Ultrasonografia e Análipodem-se se destacar: Análise Vibracional, Ferrografia, Termografia, Ultrasonografia e Análise de Pressões.
de Pressões.
Pode-se destacar, ainda, a manutenção preditiva como importante Pode-se destacar, ainda, a manutenção preditiva como importante ferramenta de apoio em modernos programas de manutenção, como na TPM (
ferramenta de apoio em modernos programas de manutenção, como na TPM (TotalTotal Productive Maintenance
Productive Maintenance), onde é de fundamental importância no Pilar de), onde é de fundamental importância no Pilar de
Manutenção Planejada (LIMA; SALLES, 2006). Manutenção Planejada (LIMA; SALLES, 2006).
Outra importante contribuição da manutenção preditiva refere-se às Outra importante contribuição da manutenção preditiva refere-se às características de produto e processos que podem ser monitorados através de características de produto e processos que podem ser monitorados através de parâmetros específicos de equipamentos ou instalações, os quais podem ser parâmetros específicos de equipamentos ou instalações, os quais podem ser vinculados à frequência da manutenção preditiva.
vinculados à frequência da manutenção preditiva.
São essas técnicas e sua aplicabilidade prática que veremos ao longo desta São essas técnicas e sua aplicabilidade prática que veremos ao longo desta apostila.
apostila.
Ressaltamos em primeiro lugar que embora a escrita
Ressaltamos em primeiro lugar que embora a escrita acadêmica tenha comoacadêmica tenha como premissa ser científica, baseada em normas e padrões da academia, fugiremos um premissa ser científica, baseada em normas e padrões da academia, fugiremos um pouco às regras para nos aproximarmos de vocês e para que os temas abordados pouco às regras para nos aproximarmos de vocês e para que os temas abordados cheguem de maneira clara e objetiva, mas não menos científicos. Em segundo lugar, cheguem de maneira clara e objetiva, mas não menos científicos. Em segundo lugar, deixamos claro que este módulo é uma compilação das ideias de vários autores, deixamos claro que este módulo é uma compilação das ideias de vários autores, incluindo aqueles que consideramos clássicos, não se tratando, portanto, de uma incluindo aqueles que consideramos clássicos, não se tratando, portanto, de uma
redação original e tendo em vista o caráter didático da obra, não serão expressas opiniões pessoais.
Ao final do módulo, além da lista de referências básicas, encontram-se outras que foram ora utilizadas, ora somente consultadas, mas que, de todo modo, podem servir para sanar lacunas que por ventura venham a surgir ao longo dos estudos.
UNIDADE 2
–
ANÁLISE VIBRACIONAL
2.1 Do surgimento aos dias atuais
O conceito básico de análise vibracional consiste em análise de sistemas rotacionais (como motores, etc.), medindo sua vibração e comparando com gráficos de valores preestabelecidos, nos quais é possível avaliar rolamentos e os componentes periféricos aos rolamentos.
A medição e análise vibracional teve início efetivo na década de 1970, com o desenvolvimento da indústria petroquímica que gerou a necessidade de implantação de sistemas de proteção de turbo máquinas.
As vibrações eram medidas através de analisadores com filtro sintonizável, gravadores de fita magnética e analisadores de espectro. Houve o surgimento da tecnologia de minicomputadores, que era frágil e difícil de ser mantida em ambiente industrial.
Numa breve retrospectiva proposta por Santos (2010) temos que:
Nas décadas de 1970 e 1980 eram utilizados medidores analógicos nacionais e importados operados à bateria, e os modelos com filtro, que permitiam o balanceamento de campo com uso de luz estroboscópica. Também havia os analisadores espectrais que exigiam o uso de gravação em fita magnética em campo e posterior reprodução em laboratório.
De 1985 a 1994 ocorreu a implantação da manutenção preditiva em grandes empresas, interessadas em identificar o tipo de falha e o período estimado para ela ocorrer. Com ela, surgiram os primeiros analisadores FFT (Fast Fourier Transform1)
de campo, operados à bateria e comunicados com os embrionários PC ( Personal
1 É um algoritmo eficiente para se calcular a Transformada discreta de Fourier (DFT) e a sua inversa. As Transformadas rápidas de Fourier são de grande importância em uma vasta gama de aplicações,
de Processamento digital de sinais para a resolução de equações diferenciais parciais a algoritmos para multiplicação de grandes inteiros.
Computer ), e a evolução para os coletores de espectros de vibração. Com o
desenvolvimento da eletrônica, apareceram os coletores portáteis de vibração.
De 1994 a 2003, ocorreu um investimento vertiginoso das empresas em sistemas de manutenção preditiva, muitas vezes sem o correspondente investimento em desenvolvimento de recursos humanos necessários para a obtenção de resultados consistentes.
Desde 2003, o diagnóstico é considerado uma ferramenta do processo, e o foco foi alterado para o gerenciamento de ativos, o aumento da disponibilidade e a disponibilização da informação para outras áreas da empresa.
A manutenção pró-ativa para confiabilidade (PRM) é o passo seguinte a um bom programa de manutenção preditiva. Algumas empresas de classe mundial e de diferentes segmentos descobriram que este sistema, bem implantado, é o mais efetivo método de gerenciamento de risco, aumentando a confiabilidade e ajudando a obter o melhor retorno para os ativos.
A tendência das indústrias de classe mundial é procurar obter altos níveis de eficiência da planta, através da análise das informações e processos de controle de seus ativos.
Nessa caminhada tivemos da chave de fenda (coloca-se a ponta da chave no ponto que se deseja checar [ouvir] e, encostando o ouvido no cabo da chave, ouve-se o ruído) ao estetoscópio que veio substituí-la até medidores, analisadores, monitores e transmissores de vibração.
Analisador de vibração
Abaixo tem-se um modelo simplificado para registro de vibrações
• Os pontos A, B, C, são os locais determinados para a medição. Os
• Além deste controle, deve existir uma pasta com toda documentação
pertinente à máquina (cópia da nota fiscal, catálogo, desenhos e outros).
• Não havendo catálogos, solicite ao fabricante (caso a máquina seja antiga,
é provável que não exista catálogo, então, deve ser programada uma abertura para efetuar os desenhos) (SANTOS, 2010).
2.2 Conceito e aplicações
Segundo Rao (2009), qualquer movimento que se repete após um intervalo de tempo pode ser denominado vibração. Silva (2009) concorda com Rao ao afirmar que um movimento periódico, tal como uma oscilação de uma partícula, de um sistema de partículas ou de um corpo rígido, em torno de uma posição de equilíbrio é definida como vibração.
O conhecimento das características das respostas em vibração associadas a defeitos comuns possibilita a identificação prévia dos mesmos nas mais diferentes máquinas, sem, no entanto, se fazer necessária uma desmontagem investigativa.
Há numerosas fontes de vibração em um ambiente industrial que tornam necessárias manutenções frequentes e dispendiosas. O controle da vibração é facilitado quando o agente motivador é identificado pela análise da resposta do sistema e, muitas vezes, as altas amplitudes de vibração podem ser eliminadas por uma atuação prática simples, subsidiada por uma análise teórica bem feita (AMORIM, 2006).
Diversos métodos são utilizados no controle das fontes de vibrações, são eles: Controle das frequências naturais do sistema, inserção de mecanismos de amortecimento, tais como os neutralizadores e absorvedores de vibrações; controle de folgas e eliminação de roçamentos. (JESUS; CAVALCANTE, 2011).
O diagnóstico de problemas em máquinas rotativas consiste em um processo de identificação das causas da origem da vibração mediante a análise das mesmas, fazendo-se assim necessário conhecer as características dos equipamentos e as principais peculiares associadas a potenciais falhas.
Eisenmann (1997 apud JESUS; CAVALCANTE, 2011) afirma que
desbalanceamento é uma das fontes mais comum de vibração em máquinas e equipamentos, enquanto Inman (2004 apud JESUS; CAVALCANTE, 2011) cita que
vibrações causadas por desbalanceamento normalmente dominam o espectro e ocorrem na frequência de rotação (1 x RPM). O desbalanceamento acontece devido a uma alteração no equilíbrio das forças radiais que atuam sobre o eixo da máquina. A causa mais comum é o acúmulo de material sobre volantes de inércia, hélices de
ventiladores, hélices de ventoinhas de motores, etc., mas pode ser causado também por perda de massa como a quebra de uma hélice, por exemplo. Se um componente específico (como ventilador, motor, rotor, por exemplo), é afetado individualmente por desbalanceamento, esse componente vibrará mais que os outros, mas se a fonte for um acoplamento, ocorre de todo conjunto da máquina vibrar.
O desalinhamento, ilustrado abaixo, é um problema tão comum como o desbalanceamento. Em uma montagem mecânica existem vários eixos, mancais e acoplamentos com características dinâmicas diferentes. Quando o conjunto gira as forças dinâmicas interagem entre si, excitando vibrações no sistema. Mesmo com as máquinas bem alinhadas inicialmente, à frio, vários fatores podem afetar esse estado, tais como a dilatação térmica dos metais (quando da máquina em funcionamento), os assentamentos de fundação e a deterioração de ancoragens (MELO, 2008).
Tipos de desalinhamento
As características de vibração ocasionadas por desalinhamento dependem do tipo de desalinho e da extensão ou grau de desalinhamento. As características gerais são:
o desalinhamento ocorre em uma certa direção, logo as forças radiais não
serão uniformemente distribuídas e a vibração é direcional;
normalmente, a frequência de vibração é a de rotação do eixo (1 x RPM);
contudo, quando o desalinhamento é severo, a frequência é de segunda ordem (2 x RPM) e muitas vezes também de terceira ordem (3 x RPM). O desalinhamento angular geralmente causa vibração em 1 x RPM; o paralelo causa vibração predominante em 2 x RPM (JESUS; CAVALCANTE, 2011).
O roçamento entre partes estacionárias e rotativas de uma máquina pode causar aumento dos níveis de vibração nas frequências de 1x e 2x RPM. Se o atrito for contínuo poderão aparecer vibrações numa faixa larga em altas frequências. Quando o roçamento for parcial, aparecem no espectro picos correspondentes às frequências naturais do sistema.
Esse tipo de vibração é muito comum em selos de máquinas rotativas ou quando há eixos empenados, partes quebradas ou danificadas que levam ao atrito entre metal, situação que pode ocorrer por conta de babbit’s danificados nos
mancais. O roçamento produz espectros semelhantes aos das folgas mecânicas, e gera uma série de frequências excitando uma ou mais ressonâncias (ANDRADE, 2004) (JESUS; CAVALCANTE, 2011).
Abaixo temos três espectros característicos de desbalanceamento, desalinhamento e roçamento.
Espectro de desalinhamento
Espectro de roçamento
Fonte: RLAM2
(2008 apud JESUS; CAVALCANTE, 2011, p.23-5)
As máquinas são elementos mecânicos complexos, articulados. As peças que sofrem excitação podem oscilar e as oscilações transmitem-se pelas articulações aos demais elementos acoplados. O resultado é um complexo de frequências que caracteriza o sistema.
Marçal e Susin (2005) explicam que cada vez que uma peça altera suas características mecânicas por desgaste ou trinca, uma componente de frequência do sistema será alterada. Havendo alteração no acoplamento entre as peças, altera o
coeficiente de transmissão do sinal entre as peças e, em consequência, a forma de frequência global do sistema.
Folgas, defeitos ou desalinhamentos de rolamentos ou mancais de máquinas rotativas refletem-se na alteração de frequências ou no surgimento de novas frequências. O desbalanceamento do rotor é transmitido pelo rolamento.
As forças centrífugas, alternativas e de fricção atuantes nos distintos elementos de uma máquina em operação, dão origem a vibrações mecânicas proporcionais, que se manifestam nos mancais. Devido a este fato, medindo-se vibrações nos mancais pode-se detectar e determinar os esforços presentes em quaisquer componentes da máquina, determinando-se eventuais anormalidades de funcionamento. Em geral, a medida de vibrações deve ser efetuada nos mancais, por ser um dos pontos válidos pelas normas em uso empregadas para avaliar o funcionamento de máquinas (YA’CUBSOHN, 1983 apud MARÇAL; SUSIN, 2005).
A premissa fundamental sobre a qual se baseia a análise de vibração como técnica aplicada à manutenção industrial é:
Cada componente ou cada tipo de deficiência mecânica de uma máquina em operação produz uma vibração de frequência específica que em condições normais de funcionamento, alcança uma amplitude máxima determinada(YA’CUBSOHN, 1983 apud MARÇAL; SUSIN, 2005).
Desta feita, é possível medindo-se e analisando-se a vibração, estabelecer sua origem, identificar cada componente da máquina e o tipo de falha que a está gerando, além, de avaliar o estado mecânico do componente que a produz ou a gravidade da deficiência detectada.
A metodologia básica recomenda o seguinte:
1) Medição de frequência para identificar a origem da vibração – o
conhecimento da frequência permite identificar o componente da máquina ou a natureza da falha que produz a vibração.
2) Medição da amplitude para avaliar a vibração e consequentemente o funcionamento normal ou anormal do sistema – a medição da amplitude permite
avaliar por comparação com valores limites, previamente estabelecido, se a vibração corresponde a um funcionamento normal ou anormal e o grau de importância da falha detectada (MARÇAL E SUSIN, 2005).
2.2.1 O uso da bancada RLAM
Os rolamentos geram quatro frequências características relacionadas a defeitos. Eles são relativos a falhas na pista externa, na pista interna, nas gaiolas e corpos rolantes. Essas frequências são várias vezes a velocidade de rotação do eixo, porém não são necessariamente múltiplos inteiros dessa rotação (LAMIN; ABREU; BRITO, 2006).
Mancais de rolamento com defeito sobre as pistas, esferas ou rolos, usualmente causam vibrações em altas frequências. Isso se explica devido à natureza das forças dinâmicas que excitam o rolamento defeituoso gerando vibrações. Por exemplo, uma falha na esfera passa pelas pistas interna e externa em uma sucessão de impactos com o dobro da frequência de rotação da esfera. A frequência fundamental da vibração será bem mais alta do que a do eixo. Além disso, forças dinâmicas do tipo impulso geram vibrações de frequência muito alta, na faixa de ressonância estrutural das pistas do rolamento. A amplitude da vibração dependerá da extensão da falha no rolamento.
A Manutenção Industrial da RLAM dispõe de um setor denominado Preditiva, que se dedica ao acompanhamento contínuo dos parâmetros de funcionamento dos equipamentos dinâmicos que compõe a planta da Refinaria. A Manutenção Preditiva da RLAM faz uso das técnicas de análise de óleo, medição de temperatura e monitoramento dos níveis de vibração como ferramentas de identificação e acompanhamento de defeitos em diversos equipamentos.
A análise de vibração desponta como uma técnica de fundamental importância ao passo que disponibiliza os resultados das investigações de forma rápida e criteriosa, possibilitando tomadas de decisões de maneira consciente. Com o objetivo de difundir os conhecimentos relativos às técnicas de monitoramento de equipamentos rotativos, a RLAM possui uma bancada de testes que simula um
conjunto rotor-mancal. Essa bancada é composta por uma base metálica, motor e acoplamento, eixo e disco de inércia, mancais de deslizamento e suportes para sensores, conforme mostra a figura abaixo:
Fonte: JESUS; CAVALCANTE (2011, p. 11)
Na bancada da RLAM os transdutores (dispositivos que recebem um sinal e o retransmite, através de transformações de energia, fazendo uso, para isso, de elementos sensores) utilizam o princípio do contato, no qual é medido o movimento absoluto da máquina. Esses são os mesmos que os técnicos da Preditiva aplicam no cotidiano das medições e se caracterizam pela facilidade de transporte e montagem. No caso específico da RLAM, os transdutores são sensores de aceleração (acelerômetros) (ASH210-A) constituídos basicamente por uma massa sísmica e um cristal piezelétrico, utilizados na condição de nível global dos sinais coletados, com sensibilidade de 100 mV/g ± 5%, banda passante de 0,5 Hz - 15 kHz e base magnética.
Os analisadores portáteis, frequentemente chamados de coletores de dados, são aparelhos desenvolvidos objetivando acompanhar e verificar o estado de funcionamento de equipamentos dinâmicos. São projetados para terem operação simplificada, incorporando funções pré-programadas de armazenamento de rotas (que são caminhos, sequências de medição) e coleta rápida de dados.
O coletor de sinais utilizado na bancada é um analisador portátil CSI 2130, que apresenta processamento contínuo, display colorido, bateria com autonomia de
oito horas e cabo de comunicação com entrada USB (EMERSONPROCESS, 2010). Tendo em vista a condição que se deseja investigar, é preciso buscar um ponto externo acessível durante o funcionamento do equipamento, que seja portador das informações desejadas. A trajetória da vibração, desde a fonte até o ponto de medida deve ser a mais sólida e curta possível, garantido máxima fidelidade na transmissão. Por esse motivo, os pontos de medição devem ser sempre nos locais mais próximos da sustentação do equipamento. No caso dos equipamentos rotativos isso se dá nos mancais (DIAS; RODRIGUES; RAMALHO, 2009).
Na bancada são executadas medições nas posições vertical, horizontal e axial de cada mancal, e é medida a vibração nessas direções também no motor (figura abaixo).
Pontos de aquisição de dados na bancada
É fato que as máquinas rotativas são equipamentos utilizados nos diversos ambientes do cotidiano, tornando-se elementos indispensáveis nas atividades humanas e devido ao alto nível de exigência em tais especialidades, conhecer o comportamento dinâmico dessas máquinas é fundamental.
No estudo realizado por Jesus e Cavalcanti (2011), ao analisar experimentalmente um conjunto suportado por dois mancais de deslizamento, localizado na RLAM e suas respectivas respostas para os fenômenos de desbalanceamento, desalinhamento e roçamento, concluíram que a obtenção de
conhecimento relativo aos principais fenômenos que afetam os equipamentos rotativos, através da aquisição de dados e análise da resposta do sistema simulando condições específicas de operação de equipamentos industriais, é ponto de partida para investigar não só estes como outros fenômenos de maneira contínua, contribuindo para solucionar vários problemas em máquinas industriais.
UNIDADE 3
–
TRIBOLOGIA E FERROGRAFIA
3.1 A tribologia
O termo tribologia, que vem do grego Τριβο (Tribo – esfregar) e Λογοσ
(Logos – estudo) foi utilizado, oficialmente, pela primeira vez, em 1966, em um
relatório feito por H. Peter Jost para o comitê do departamento inglês de educação e
ciência. Neste relatório, o termo foi definido como a “ciência e tecnologia de
superfícies interativas em movimento relativo e dos assuntos e práticas
relacionados”. Tal relatório continua estudos sobre os impactos econômicos do
desgaste de peças, principalmente automotivas. As maiores perdas no motor de um automóvel (por exemplo), transitando em uma cidade, são devidas ao resfriamento e à exaustão.
Apenas 12% da potência do motor são transmitidas às rodas, o que é menor do que as perdas por atrito (cerca de 15%). Considerando melhorias de 20% a economia seria de 300 milhões de reais por ano e uma redução de 37.500 toneladas de CO2 emitidos para atmosfera, apenas na cidade de São Paulo, segundo dados
obtidos por Anderson em 1991(Anderson, 1991 apud RADI et al ., 2007).
A tribologia reúne os conhecimentos adquiridos na física, na química, na mecânica e na ciência dos materiais para explicar e prever o comportamento de sistemas físicos que são utilizados em sistemas mecânicos, é a ciência que estuda o desgaste e o atrito, ou seja, a interação de superfícies em movimento e de técnicas relacionadas às mesmas.
Segundo Radi et al . (2007), o que unifica a tribologia não são os
conhecimentos básicos, mas sim a área de aplicação.
O desgaste é a principal causa da deterioração dos componentes de máquinas devido à fadiga superficial do material (BARWELL, 1979 apud SUSKI,
2004). Ele raramente é catastrófico, porém reduz a eficiência da operação, podendo resultar em mudanças dimensionais dos componentes ou danos na superfície, que podem gerar problemas secundários como vibrações e desalinhamentos. Entretanto, em casos extremos o desgaste causa a formação e propagação de trincas na
superfície do componente ou próxima à mesma, podendo levar a sua fratura e a formação de fragmentos.
Resistência ao atrito e desgaste não são propriedades intrínsecas do material, mas são características do sistema de engenharia (Tribosistema), podendo causar perdas de energia e material, respectivamente. Atrito é a resistência ao movimento e aumenta com a interação da área de contato real dos sólidos.
As perdas devido ao desgaste podem ser reduzidas por otimização e organização, além de um design apropriado, produção, montagem, acessórios (veja
figura abaixo) e microestrutura do componente.
Fonte: Zum-Gahr (1987apud SUSKI, 2004, p. 18)
O controle das perdas por desgaste deve iniciar com o correto processo de fabricação do produto, incluindo a escolha do equipamento e lugar para instalação. Para estocagem deve-se considerar as partes a serem protegidas do desgaste.
O design do produto pode reduzir efetivamente o desgaste de componentes,
otimizando a transferência de força e movimento, o uso apropriado de materiais e lubrificantes em função da força, temperatura e ambiente. Partes submetidas ao
desgaste devem ser projetadas para uma fácil substituição. O grau de exatidão da forma, tamanho, perfil da superfície, rugosidade e folga entre as superfícies durante o funcionamento influenciam o atrito e desgaste. A vida útil em serviço depende muito da exatidão da montagem, por exemplo, alinhamento exato e limpeza de quaisquer superfícies sujeitas à falha do componente (SUSKI, 2004).
Tradicionalmente são aceitos quatro modos de desgaste que estão representados na Figura abaixo:
Modo de desgaste
Fonte: RUDIet al . (2007, p. 3)
O desgaste adesivo ocorre quando a ligação adesiva entre as superfícies é
suficientemente forte para resistir ao deslizamento. Como resultado dessa adesão, uma deformação plástica é causada na região de contato gerando uma trinca que pode se propagar levando à geração de um terceiro corpo e a uma transferência completa de material.
No desgaste abrasivo ocorre remoção de material da superfície. Esse
desgaste ocorre em função do formato e da dureza dos dois materiais em contato.
Quando o desgaste é ocasionado pelo alto número de repetições do
O desgaste corrosivo ocorre em meios corrosivos, líquidos ou gasosos. Neste
tipo de desgaste são formados produtos de reação devido às interações químicas e eletroquímicas. Essas reações são conhecidas como reações triboquímicas e produzem uma intercamada na superfície que depois é removida.
Os modos de desgaste podem ocorrer através de diversos mecanismos. Os mecanismos de desgaste são descritos pela consideração de mudanças complexas na superfície durante o movimento. Em geral, o desgaste ocorre através de mais de um modo, portanto, a compreensão de cada mecanismo de desgaste em cada modo se torna importante. O diagrama abaixo mostra um breve resumo destes mecanismos (Kato, 2001 apud RUDI et al ., 2007; SUSKI, 2004).
Diagrama dos processos de desgaste em função do elemento interfacial e do tipo de movimento das interfaces
O desgaste ocorre em função da cinemática do sistema. Pode variar entre, deslizamento, rolamento, oscilação, impacto e erosão, dependendo do tipo de interação e do movimento das interfaces. A erosão pode ainda ser classificada pelo estado físico do contracorpo, sólido ou líquido, ou pelo ângulo de ação, alto ou baixo. Os processos de desgaste também poderão ser classificados quanto ao
elemento interfacial, podendo ser de desgaste de 2-corpos ou estar sob ação de partículas sólidas pressionadas entre duas superfícies, por exemplo, poeira em lubrificantes ou minerais em rochas sob pressão, caracterizando um desgaste de 3-corpos (Peterson, 1980 apud SUSKI, 2004; RUDI et al ., 2007). O pesquisador tem
que ter sempre em mente o tipo de aplicação do material que ele deseja testar para que possa simular as mesmas condições de velocidade, de movimento e de carga.
Existem diferentes técnicas que podem ser utilizadas para testes de desgaste. Em contraste com outros testes mecânicos, não há especificação única de padronização, mas um número razoável de técnicas aceita em todo o mundo. Em função da falta de padronização existem, quase sempre, diferenças nos procedimentos dos testes, como tamanho e geometria dos corpos de prova, ambiente, etc. Portanto, é muito importante o conhecimento das condições de teste para a correta comparação dos resultados obtidos.
Outro fator que contribui para o elevado número de testes é a grande variedade de sistemas de desgaste que ocorrem na prática. Oportunamente, quando técnicas similares são utilizadas, os resultados obtidos podem ser comparados, ao menos qualitativamente.
Obter-se-á sucesso na comparação de resultados obtidos em laboratório com a indústria somente se os mecanismos do sistema no laboratório e prática forem bastante similares (SUSKI, 2004).
3.2 A ferrografia
A ferrografia foi descoberta em 1971 por Vernon C. Westcott, um tribologista de Massachusetts, Estados Unidos, e desenvolvida durante os anos subsequentes com a colaboração do Roderic Bowen e patrocínio do Centro de Engenharia Aeronaval Americano e outras entidades, (www.bibvirt.futuro.usp.br). Em 1982, a
ferrografia foi liberada para uso civil e trazida para o Brasil em 1988. (BARONI; GOMES, 1995).
A ferrometria é uma técnica que conta o número de micropartículas metálicas num dado volume de lubrificante (mede o desgaste que envolve a perda de massa), mas são necessárias técnicas mais complicadas para detectar microfissuras de fadiga e transformações estruturais dos materiais (ultravioletas e líquidos penetrantes, ultrassons ou raios-X, por exemplo).
Segundo Schio (2011), a ferrografia é uma técnica laboratorial de manutenção preditiva para o monitoramento e diagnose de condições dos componentes das máquinas (embora existam inúmeras outras aplicações, como desenvolvimento de materiais e lubrificantes). A partir da quantificação e análise da formação das partículas de desgaste (limalhas), encontradas em amostras de lubrificantes, determinam-se: tipos de desgaste, contaminantes, desempenho do lubrificante, etc.
Há dois níveis de análise ferrográfica. Uma quantitativa que consiste numa técnica de avaliação das condições de desgaste dos componentes de uma máquina por meio da quantificação das partículas em suspensão no lubrificante, e uma analítica que utiliza a observação das partículas em suspensão no lubrificante (CUNHA, 2005).
O conceito básico consiste na análise de particulados e propriedade de fluídos e óleos hidráulicos, visando a determinação de sua qualidade para atendimento das especificações do seu meio ambiente funcional (equipamento).
São princípios básicos da ferrografia:
toda máquina se desgasta; o desgaste gera partículas;
o tamanho e a quantidade das partículas indicam a severidade do
desgaste;
a morfologia e o acabamento superficial das partículas indicam o tipo de
3.3 O processo e tipos de análise da ferrografia
A amostragem é feita com a máquina em funcionamento ou momentos após a sua parada, de forma a ser evitada a precipitação das partículas (ALMEIDA, 2006). O ponto de coleta deve estar localizado o mais próximo possível da fonte de geração de partículas. No caso de sistemas circulatórios, uma válvula na tubulação de retorno do óleo é o ponto ideal. Quando inacessível, drenos em reservatórios ou amostragem por meio de bombas de coleta são alternativas válidas. O maior cuidado está em se evitar pontos após filtros ou regiões onde não ocorra homogeneização. Enviadas ao laboratório, as amostras serão analisadas pelo dois tipos de exames falados anteriormente.
3.3.1 Exame Analítico (AN)
Permite a observação visual das partículas para que sejam identificados os tipos de desgaste presentes (ALMEIDA, 2006). Sobre uma lâmina de vidro (ferrograma) bombeia-se lentamente a amostra. As partículas são depositadas e, posteriormente, examinadas com o auxílio de um microscópio ótico especial (ferroscópio).
O ferrograma possui 25 x 60 x 0,7 mm. Montado no ferrógrafo analítico (abaixo) sofre a ação de um campo magnético cuja distribuição das linhas de força não é uniforme, mas de intensidade menor na entrada do fluxo e, num gradiente crescente, tem sua intensidade máxima na saída.
Dessa forma, à medida que a amostra flui por sobre a lâmina, as partículas ferromagnéticas de maior tamanho são depositadas logo na entrada. Avançando-se no ferrograma, encontramos as partículas de tamanhos menores. Na saída, observamos as partículas de até 0,1 μm. Essas partículas são identificadas pela
forma com que se alinham, seguindo a direção das linhas de força do campo magnético.
As partículas paramagnéticas ou não magnéticas (ligas de cobre, alumínio, prata, chumbo, etc. e contaminantes como areia, borracha, fibras de pano, papel etc.) depositam-se de forma aleatória. São encontradas ao longo de todo ferrograma.
Ao final do bombeamento da amostra, circula-se um solvente especial,
isento de partículas, que “lava” o ferrograma, levando consigo o lubrificante. Até 98%
das partículas presentes na amostra permanecem retidas na lâmina. Após a secagem, o ferrograma está pronto para ser examinado no f erroscópio.
Todo material utilizado na ferrografia é descartável. Um ferrograma, com cuidados especiais, pode ser armazenado por até 4 anos. Cada tipo de desgaste pode ser identificado pelas diferentes formas que as partículas adquirem ao serem geradas.
O desgaste mais comum é a Esfoliação. São partículas geralmente de 5 μm,
podendo atingir 15 μm. Sua forma lembra flocos de aveia. A Esfoliação é gerada
sem a necessidade de contato metálico, mas apenas pela transmissão de força tangencial entre uma peça e outra por meio do filme lubrificante. A quantidade e o tamanho dessas partículas aumentarão caso a espessura do filme seja reduzida devido à sobrecarga, diminuição da viscosidade do óleo, diminuição da velocidade da máquina, etc.
Outro desgaste bastante comum é a Abrasão. Gera partículas assemelhadas a cavacos de torno com dimensões de 2 a centenas de mícron. A principal causa para esse tipo de desgaste é a contaminação por areia. Os pequenos grãos de areia ingeridos pela máquina se incrustam, por exemplo, num
mancal de metal patente e o canto vivo exposto “usina” o eixo que está girando, tal
De forma geral, considera-se como indício de problema partículas maiores
que 15 μm. Os vários tipos de partículas observadas pela ferrografia recebem
nomes que representam ora o tipo do desgaste (Esfoliação, Abrasão, Corrosão, etc.), ora sua forma (Laminares, Esferas, etc.) ou ainda a natureza (Óxidos, Polímeros, Contaminantes Orgânicos, etc.).
Existem regras bem definidas para a representação da taxa de incidência de cada tipo de partícula num ferrograma. A representação da análise é feita de forma gráfica, onde barras horizontais indicam a incidência.
3.3.2 Exame Quantitativo (DR)
Segundo Almeida (2006), a Ferrografia Quantitativa, ou ferrografia de leitura direta (Direct Reading = DR) utiliza os mesmos princípios da ferrografia analítica. A diferença está no formato do corpo de prova e no método de leitura.
O corpo de prova (conjunto tubo precipitador) é formado por uma mangueira de PTFE, um tubo de vidro e uma mangueira de drenagem. O tubo de vidro é instalado sobre o campo magnético especial, da mesma forma que o ferrograma. Duas regiões deste tubo são iluminadas de baixo para cima por uma fonte de luz controlada. A sombra formada pelas partículas que se depositam no tubo é observada por fotocélulas ligadas ao circuito micro processado.
Assim como no ferrograma, as partículas se precipitam de forma ordenada por tamanho. O tubo precipitador é divido em duas regiões onde se encontram as
partículas maiores que 5 μm, chamadas Grandes (Large = L) e menores ou iguais a 5 μm, chamadas Pequenas (Small = S).
Fonte: Almeida (2006, p. 142).
A unidade utilizada na ferrografia quantitativa é exclusiva e arbitrada. Para 50% da área do tubo coberta por partículas foi arbitrado o número 100, adimensional. A leitura fornecida pelo instrumento é diretamente proporcional à concentração de partículas da amostra.
O manuseio dos valores de L e S permite várias interpretações, tais como: L+S = concentração total de partículas
PLP = (L-S)/(L+S)*100 = modo de desgaste IS = (L2 - S2)/diluição2 = índice de severidade
Assim como em outras técnicas de Manutenção Preditiva, os primeiros exames são utilizados na determinação da referência da máquina (base-line).
Para cada tipo de máquina estabelecem-se diferentes periodicidades nos exames quantitativos (DR) e analíticos (AN). A título de exemplo, temos:
a) DR a cada 30 dias.
b) AN a cada 90 dias ou quando algo anormal é apontado pelo DR.
c) Nas duas primeiras amostras efetuam-se DR + AN para determinação da base-line (ALMEIDA, 2006).
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A Ferrografia consiste na determinação da severidade, modo e tipos de desgaste em máquinas, por meio da identificação da morfologia, acabamento superficial, coloração, natureza e tamanho das partículas encontradas em amostras de óleos ou graxas lubrificantes, de qualquer viscosidade, consistência e opacidade.
UNIDADE 4
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TERMOGRAFIA
A técnica que possibilita a medição de temperaturas ou observação de padrões diferenciais de distribuição de calor, por meio da medição da radiação infravermelha, naturalmente emitida pelos corpos, apresentando imagens térmicas (termogramas) dos componentes, equipamentos ou processos denomina-se Termografia.
É amplamente utilizada na mecânica e elétrica, pois apresenta diversas vantagens, como: baixo custo; alto rendimento, com a medição de grandes áreas em pouco tempo; segurança, pois não há necessidade de contato físico com os equipamentos.
A utilização da termografia, um ensaio não destrutivo que tem seu princípio na leitura térmica, através da radiação infravermelha emitida pelos objetos, está fundamentado no método preditivo de manutenção, com propósito de aumentar a confiabilidade dos equipamentos, ou seja, o equipamento estar disponível para executar determinado trabalho, mantendo suas funções continuamente quando este for solicitado. Considerando que toda quebra em equipamentos provocada por disfunção em componentes, apresenta anteriormente um sintoma de falha, detectar a alteração da temperatura normal de operação dos componentes elétricos, tem sido uma prática bastante utilizada pelas indústrias, e a aplicação da termografia é utilizada como método para monitorar a temperatura dos componentes, evitando aquecimento excessivo e possíveis falhas (PALUCHOWSKI et al ., 2011).
O conceito básico consiste na análise pela visão humana do expectro infravermelho, chamadas de termogramas. O Infravermelho é uma frequência eletromagnética, naturalmente emitida por qualquer corpo com intensidade proporcional a sua temperatura.
Dentre as utilidades da termografia, elencam-se:
análise de quaisquer circuitos eletroeletrônicos; quadros de energias, estações, subestações; cabines de entradas de energia;
instalações elétricas; no breaks;
pontes rolantes, escadas rolantes, elevadores, etc.
Santos (2006, p.19) faz um breve comentário sobre a evolução, principalmente dos equipamentos termovisores, salientando a importância dos estudos realizados nesta área:
A Termografia infravermelha, tal como é conhecida hoje, com Termovisores portáteis capazes de detectar e converter, em tempo real, a radiação infravermelha em imagens visíveis e com a possibilidade de medição de temperatura, só foi possível devido a diversos estudos e descobertas, das quais alguns dos mais importantes, a partir da descoberta da radiação infravermelha.
A termografia, ou a geração de imagens térmicas, pode ser utilizada em aplicações, tais como a inspeção de equipamentos elétricos, de processos e no diagnóstico de construções. Os equipamentos elétricos incluem motores, equipamentos de distribuição, quadros de comando, subestações, entre outros. Equipamentos de processo incluem equipamentos de montagem e manufatura automatizados. Os diagnósticos de construção incluem a verificação de umidade em telhados e inspeções de vazamento de ar e detecção de umidade no isolamento de prédios. Dentre essas aplicações, são mais comumente utilizados para inspecionar a integridade de sistemas elétricos (FLUKE, 2009).
4.1 Aplicações elétricas
Dentro da prática termográfica, os componentes que envolvam eletricidade tem a maior aplicação, nos quais se inspeciona aquecimento em acionamentos, aquecimento em bornes, aquecimento em componentes elétricos, quadros de comando até subestações de energia.
Em eletricidade e eletrônica, a monitorização constante e a detecção precoce de alterações na temperatura de um determinado componente permitem a
prevenção de falhas de maquinaria e consequentes perdas de produtividade, além de resultar em redução significativa nos custos com manutenção corretiva por falhas indesejadas de máquinas, por conta de defeitos em componentes elétricos que as integram (AFONSO, 2010; FLUKE, 2009).
Seguindo esse mesmo pensamento, em 1972, foi implantado a prática da termografia em Furnas Centrais Elétricas, uma distribuidora de energia, onde a manutenção preditiva em todas as subestações da empresa, tem como foco principal a prática termográfica, apresentando ótimos resultados, dentre eles uma maior confiabilidade do sistema de distribuição de energia, detectando problemas em seu estágio inicial, evitando desta forma paradas indesejadas e, consequentemente, maior produtividade e operacionalidade de seus sistemas de distribuição de energia (ARAÚJO; BARBOSA; SINISCALCHI, 2008).
O trabalho de Brice apud Santos (2006, p.23), traz um exemplo prático de
aplicação em subestação de energia elétrica, no qual cita que
um lado importante da operação de subestações de alta tensão é a manutenção preventiva de equipamentos elétricos energizados. Os problemas nesses equipamentos geralmente aparecem como pontos quentes devido a sobrecargas térmicas locais ou mau contato.
Em trabalho de Brito, Alves e Filho (2011), é abordado um programa de manutenção preditiva em aproximadamente 500 painéis elétricos, utilizando a prática da análise termográfica, com o objetivo de introduzir uma variável que indique a importância da falha no contexto do sistema. Citam que torna-se
necessário incluir na classificação do aquecimento o parâmetro de “Criticidade” dos
componentes dos painéis elétricos, que segundo eles se classifica em três classes: Classe 1: quando sua falha afeta o fornecimento de energia de toda a unidade e paradas de custo muito elevado.
Classe 2: quando sua falha causa paradas à produção, porém restritas a uma parte da unidade.
Classe 3: quando sua falha pode ser facilmente contornada através de manobras ou redundâncias, sem interromper a produção.
Ainda, esses mesmos autores demonstraram a importância e a eficiência da análise termográfica, na qual, com a implantação deste programa, torna-se possível minimizar os custos de manutenção elétrica e maximizar a disponibilidade dos painéis de comando elétrico assistidos, evitando-se falhas prematuras e paradas indesejáveis da produção por falhas em componentes que integram os painéis elétricos (BRITO; ALVES; FILHO, 2011).
4.2 Aplicações mecânicas
As inspeções eletromecânicas e mecânicas abrangem uma grande variedade de equipamentos. A geração de imagens térmicas provou ser inestimável para a inspeção de equipamentos, tais como motores e equipamentos giratórios. A maior parte dessas aplicações é qualitativa, a imagem térmica atual é normalmente comparada com a anterior e, consequentemente, feito comparações para se detectar quais as partes do motor que estão gerando um aumento da temperatura, e as possíveis causas de isso estar acontecendo. Motores são inspecionados termicamente porque são muito suscetíveis a falhas relacionadas ao calor. Captar imagens térmicas de um motor ao longo do tempo pode ser de grande valor, pois pode revelar, se um motor está entupido com poeira, que tenha falta de fase, que esteja desalinhado ou desbalanceado, ou até mesmo se seus rolamentos estão danificados, evitando com essas análises a queima desse motor ou a parada de algum processo por conta disso (FLUKE, 2009).
Além de inspeções termográficas em equipamentos mecânicos e elétricos, também existe uma ampla utilização em demais processos. Um exemplo é no diagnóstico de construções que pode-se utilizar o termovisor para inspeção de umidade em telhados, no qual, através da diferença de temperatura se comparada a outros pontos do telhado, pode-se verificar vazamentos de água e demais danos nas estruturas causados por infiltrações (FLUKE, 2009).
São vantagens de uma inspeção termográfica:
excelente custo/ benefício – o custo de uma inspeção termográfica em
relação à economia que ela proporciona é imensurável, pois um bom programa preventivo de inspeções periódicas e intervenções adequadas elimina a ocorrência de falhas imprevistas e paradas não programadas. Além de minimizar a ocorrência de prejuízos materiais e até humanos;
sem interrupção do processo produtivo – para apresentação de melhores
resultados, as inspeções devem ser realizadas nos períodos de plena atividade ou carga;
segurança – as inspeções são realizadas a distâncias seguras, sem
necessidade de contato físico entre a instalação e o inspetor, e permite maior segurança na estocagem de produtos;
rapidez – a inspeção termográfica é realizada com equipamentos portáteis,
tornando-se um processo rápido e de alto rendimento. Em função de resultados instantâneos, possibilita a intervenção imediata, caso necessário;
aumento da confiabilidade – há uma maior confiança no sistema de trabalho,
reduzindo-se, assim, os itens em almoxarifado (SOUZA; PIRES; ALVES, 2010).
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A análise termográfica, sendo um processo não destrutivo e que é realizado com o funcionamento da máquina com carga total, pode identificar o defeito logo em seu início, com a antecedência necessária que possibilite o planejamento da parada do sistema e um reparo simples e de baixo custo (SANTOS, 2009).
UNIDADE 5
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ULTRASSOM
Souza (2011) explica didaticamente que ultrassom corresponde a um som com frequência de onda superior aos 20 KHz, e tem algumas aplicações, como a ultrassonografia, o ultrassom terapêutico e focando nosso curso, funciona como um Ensaio Não Destrutivo (END) (uma das técnicas utilizadas na inspeção de materiais e equipamentos sem danificá-los, sendo executados nas etapas de fabricação, construção, montagem e manutenção).
No meio científico, utiliza-se a palavra frequência para especificar uma grandeza física. Assim como no cotidiano, a frequência simboliza a quantidade de determinados eventos que ocorrem em um intervalo de tempo. No caso particular das ondas, a palavra frequência caracteriza o número de oscilações de uma onda por um período de tempo. Ela é medida em Hertz, ou seja, número de eventos por segundo, em homenagem ao físico alemão Heinrich Hertz.
Há três tipos de ondas: mecânicas, eletromagnéticas e de matéria. As ondas mecânicas dependem de um meio para se propagar, enquanto as eletromagnéticas não. Já as ondas de matéria representam o comportamento de pequenas partículas, como elétrons e prótons.
Um exemplo de onda mecânica é o som (vibrações que tem como meio o ar). O som ouvido pelos seres humanos varia entre as faixas de frequência 20 Hz à 20 KHz, portanto, os sons que ultrapassam ou são inferiores a tais faixas, não conseguem ser percebidos pelo homem. Dentre tais sons, há o chamado ultrassom (SOUZA, 2011).
Voltando aos END, eles constituem uma das principais ferramentas do controle da qualidade de materiais e produtos, contribuindo para garantir a qualidade, reduzir os custos e aumentar a confiabilidade da inspeção.
São largamente utilizadas nos setores petróleo/petroquímico, químico, aeronáutico, aeroespacial, siderúrgico, naval, eletromecânico, papel e celulose, entre outros. Contribuem para a qualidade dos bens e serviços, redução de custo, preservação da vida e do meio ambiente, sendo fator de competitividade para as
Os END incluem métodos capazes de proporcionar informações a respeito do teor de defeitos de um determinado produto, das características tecnológicas de um material, ou ainda, da monitoração da degradação em serviço de componentes, equipamentos e estruturas.
Dentre os métodos mais usuais de END, além do ultrassom, podemos citar o ensaio visual, líquido penetrante, partículas magnéticas, radiografia (Raios X e Gama), correntes parasitas, análise de vibrações, termografia, emissão acústica, estanqueidade e análise de deformações.
5.1 Fundamentos e princípios do ultrassom
Os sons produzidos em um ambiente qualquer refletem-se ou reverberam nas paredes que constituem o ambiente, podendo ainda ser transmitidos a outros ambientes. Este fenômeno constitui o fundamento do ensaio por ultrassom de materiais.
Assim como uma onda sonora reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassônica também reflete quando percorre um meio elástico; do mesmo modo, a vibração ou onda ultrassônica refletirá ao incidir numa descontinuidade ou falha interna de um meio considerado. Através de aparelhos especiais, é possível detectar as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.
O teste ultrassônico de materiais é feito com o uso de ondas mecânicas ou acústicas colocadas no meio em inspeção, ao contrário da técnica radiográfica, que usa ondas eletromagnéticas. O ensaio por ultrassom caracteriza-se por ser um método não destrutivo com o objetivo de detectar descontinuidades internas, presentes nos mais variados tipos ou formas de materiais ferrosos ou não ferrosos.
As descontinuidades são caracterizadas pelo próprio processo de fabricação da peça ou por componentes, como por exemplo, bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, microtrincas em forjados, escórias em uniões soldadas e muitos outros. Portanto, o exame ultrassônico, assim como todo exame não
destrutivo, visa a diminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidade.
Um pulso ultrassônico é gerado e transmitido através de um transdutor especial, encostado ou acoplado ao material. Os pulsos ultrassônicos refletidos por uma descontinuidade, ou pela superfície oposta da peça, são captados pelo transdutor, convertidos em sinais eletrônicos e mostrados na tela LCD ou em um tubo de raios catódicos (TRC) do aparelho. Os ultrassons são ondas acústicas com frequências acima do limite audível. Normalmente, as frequências ultrassônicas situam-se na faixa de 0,5 a 25 MHz.
Geralmente, as dimensões reais de um defeito interno podem ser estimadas com uma razoável precisão, fornecendo meios para que a peça ou componente em questão possa ser aceito, ou rejeitado, baseando-se em critérios de aceitação da certa norma aplicável. Utiliza-se ultrassom também para medir espessura e determinar corrosão com extrema facilidade e precisão (INSPECON, 2010).
Os princípios físicos que regem o ensaio por ultrassom são a dispersão, a absorção, a atenuação sônica e a divergência do feixe sônico.
a) Dispersão – a dispersão do feixe sônico deve-se ao fato de a matéria não ser
totalmente homogênea e conter interfaces naturais de sua própria estrutura ou que são provocadas pelo processo de fabricação. Como exemplo citam-se os fundidos, que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades elásticas distintas. A mudança das características elásticas de ponto num mesmo material é chamada anisotropia, que é mais significativa quando o tamanho do grão é de 1/10 do comprimento de onda.
b) Absorção – absorção é a energia cedida pela onda para que cada partícula do
meio execute um movimento de oscilação, transmitindo vibração às outras partículas do próprio meio; esse fenômeno ocorre sempre que uma vibração acústica percorre um meio elástico.
c) Atenuação sônica – a onda sônica, ao percorrer um material qualquer, sofre
em sua trajetória efeitos de dispersão e absorção que resultam na redução da sua energia. Os resultados dos efeitos de dispersão e absorção, quando somados, resultam na atenuação sônica.
Na prática, esse fenômeno pode ser visualizado na tela do aparelho de ultrassom, quando se observam vários ecos de reflexão de fundo provenientes de uma peça com superfícies paralelas. As alturas dos ecos diminuem com a distância percorrida pela onda.
A atenuação sônica é importante quando se inspecionam peças em que este fator pode inviabilizar o ensaio. Soldas em aços inoxidáveis austeníticos e peças forjadas em aços inoxidáveis são exemplos clássicos desta dificuldade. O controle e avaliação da atenuação nestes casos é razão para justificar procedimentos de ensaio especiais. Alguns valores de atenuação podem ser encontrados num quadro
extraído do livro de Krautkramer “Ultrasonic Testing of Materials”.
d) Divergência do feixe sônico – a divergência é um fenômeno físico responsável
pela perda de parte da intensidade ou energia da onda sônica; a divergência se pronuncia à medida que a fonte emissora é afastada das vibrações acústicas. Tal fenômeno pode ser observado ao detectar um defeito pequeno
com o feixe ultrassônico central do transdutor; nesta condição, a amplitude do eco na tela do aparelho é máxima. No entanto, quando o transdutor é afastado lateralmente ao defeito, a amplitude diminui, indicando uma queda na sensibilidade de detecção do mesmo defeito. A diferença de sensibilidade ou altura do eco de reflexão entre a detecção do defeito com o feixe ultrassônico central e a detecção do mesmo defeito com a borda do feixe ultrassônico é considerável.
5.2 Aplicações do ultrassom
É largo o campo de aplicação do utrassom ou área de abrangência, indo de transformadores, passando por painéis, motores, geradores, cabos e terminações; isoladores; barramentos; barramentos blindados; relés; disjuntores; muflas/ terminações; caixas de passagem; outros equipamentos elétricos.
As aplicações deste ensaio não destrutivo são inúmeras: soldas, laminados, forjados, fundidos, ferrosos e não ferrosos, ligas metálicas, vidro, borracha, materiais compostos, tudo permite ser analisado por ultrassom. Indústria de base (usinas siderúrgicas) e de transformação (mecânicas pesadas), indústria automobilística, transporte marítimo, ferroviário, rodoviário, aéreo e aeroespacial: todos utilizam ultrassom. Mesmo em hospitais, a primeira imagem de um feto humano é obtida por ultrassom. Modernamente, o ultrassom é utilizado na manutenção industrial, na detecção preventiva de vazamentos de líquidos ou gases, falhas operacionais em sistemas elétricos (efeito corona), vibrações em mancais e r olamentos, etc. O ensaio ultrassônico é, sem sombra de dúvidas, o método não destrutivo mais utilizado e o que apresenta o maior crescimento para a detecção de descontinuidades internas nos materiais (INSPECON, 2010).
Três problemas básicos que podem ser detectados pelo equipamento de ultrassom seriam:
o arco elétrico – que ocorre toda vez que existe uma disrupção do ar, seguido
de passagem de corrente. A maior parte das faltas em sistemas elétricos industriais ocorre por falha de isolação, ou seja, através de arco;
corona – ocorre quando a tensão em um condutor elétrico excede o gradiente
de potencial do ar que circunda este condutor e começa a ionizá-lo e formar uma nuvem azul ou púrpura ao redor;
descargas Elétricas (embrionárias – descargas parciais) – conhecidas como
“baby arcing ” (arco embrionário), ocorre quando há perda de isolação e esta
perda de isolação estabelece um caminho para correntes (descargas) elétricas de baixa intensidade que não podem ser identificadas por dispositivos de proteção convencionais (ENGEPOWER, 2009).
Ferramenta indispensável para garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, com geometria complexa de juntas soldadas e chapas, essa técnica é aplicada na indústria moderna, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas. Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços carbono e em menor porcentagem nos aços inoxidáveis, bem como materiais não ferrosos podem ser examinados por ultrassom, mas requerem procedimentos especiais, existindo vantagens e desvantagens, a saber:
Vantagens Desvantagens
Alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas descontinuidades internas, como trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).
Para interpretação das indicações, o ensaio por ultrassom dispensa processos intermediários, agilizando a inspeção. No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme, que, via de regra, demanda tempo para o informe de resultados. Ao contrário dos ensaios por radiações
penetrantes, o ensaio por ultrassom não requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.
A localização, a avaliação do tamanho e a interpretação das descontinuidades encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassônico, enquanto que outros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define o tamanho do defeito mas não sua profundidade e em muitos casos este é um fator importante para proceder a um reparo.
Apresenta algumas desvantagens, como a exigência de grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor, além do preparo da superfície; o registro permanente do teste não é facilmente obtido; faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do método; em alguns casos de inspeção de solda existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, o que demanda tempo de fábrica.
O ensaio por ultrassom de materiais com ondas superficiais é aplicado com severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfície; para detectar este tipo de descontinuidade, existem ensaios não destrutivos mais simples, como os ensaios por líquidos penetrantes e por partículas magnéticas, que em geral são de custo e complexidade inferiores aos do ensaio por ultrassom.
5.3 Componentes e funcionamento de um ultrassom
Basicamente, o aparelho de ultrassom contém circuitos eletrônicos especiais, que permitem transmitir ao cristal piezelétrico, através do cabo coaxial, uma série de pulsos elétricos controlados, que são transformados pelo cristal em ondas ultrassônicas. Da mesma forma, sinais captados no cristal são mostrados na tela do tubo de raios catódicos em forma de pulsos luminosos denominados ecos, que podem ser regulados tanto na amplitude quanto na posição na tela graduada. Os ecos constituem o registro das descontinuidades encontradas no interior do material.
Em geral, os fabricantes oferecem vários modelos de aparelhos com maiores ou menores recursos técnicos; entretanto, alguns controles e funções básicas devem existir para que sua utilização seja possível. Esses controles são referentes a escolha da função, potência de emissão, ganho, escala e velocidade de propagação.
Todo aparelho possui entradas de conectores dos tipos BNC (aparelhos de procedência norte-americana) ou Lemo (aparelhos de procedência alemã), para permitir transdutores dos tipos monocristal e duplo-cristal.
A potência de emissão está diretamente relacionada à amplitude de oscilação do cristal ou tamanho do sinal transmitido. Em geral, os aparelhos apresentam níveis de potência controláveis por uma chave seletora com posições em número de 2 até 5.
O ganho está relacionado com a amplitude do sinal na tela ou amplificação do sinal recebido pelo cristal. Os aparelhos apresentam um ajuste fino e um grosseiro, calibrados em decibéis, num mesmo botão de controle ou separadamente.
As graduações na tela do aparelho podem ser modificadas, conforme a necessidade, por meio do controle de escala calibrada em faixas fixas com variações de 10, 50, 250 e 1.000mm.
Quando a velocidade de propagação é alterada no aparelho, nota-se claramente que o eco de reflexão produzido por uma interface muda de posição na tela do osciloscópio, permanecendo o eco original em sua posição inicial. O aparelho de ultrassom é basicamente ajustado para medir o tempo de percurso do som na peça ensaiada por meio da relação S = v x t, onde o espaço percorrido S é
proporcional ao tempo t e à velocidade de propagação v.
A unidade de medida do material também pode ser ajustada em centímetros, metros, etc. Dependendo do modelo e do fabricante do aparelho, pode existir um controle específico da velocidade ou, na maioria dos casos, um controle que trabalha junto com o da escala do aparelho. Nesse caso, existe uma graduação de velocidade em metros por segundo em relação aos diferentes materiais de ensaio por ultrassom.
Os componentes principais do equipamento de ultrassom são os cristais e os transdutores.
Cristais são materiais que apresentam o efeito piezelétrico responsável por
transformar a energia elétrica alternada em oscilação mecânica e a energia mecânica em elétrica. Os cristais são montados sobre uma base que f unciona como suporte ou bloco amortecedor. Tipos de cristais são quartzo, sulfato de lítio, titanato de bário e metaniobato de chumbo.
O transdutor, também chamado de cabeçote, é formado pelos cristais, pelos
eletrodos e pela carcaça externa. Um transdutor emite um impulso ultrassônico que atravessa o material e reflete nas interfaces, originando o eco. O eco retorna ao transdutor e gera o sinal elétrico correspondente.
O transdutor pode ser classificado em três tipos: normal ou reto, angular e duplo-cristal:
a) O transdutor normal ou reto é o chamado cabeçote monocristal gerador de ondas longitudinais perpendiculares à superfície de acoplamento. É construído a partir de um cristal piezelétrico com uma das faces colada num bloco rígido denominado amortecedor e outra face protegida por uma membrana de borracha ou por uma resina especial. O bloco amortecedor serve de apoio para o cristal e absorve as ondas emitidas pela face colada a ele. A face de contato do transdutor com a peça deve ser protegida contra desgaste mecânico por meio de membranas de borracha finas e resistentes ou camadas fixas de epóxi enriquecido com óxido de alumínio. Em geral, os transdutores normais são circulares, com diâmetro de 5 a 24 mm, com frequência de 0,5, 1, 2, 2,5, 4,5 e 6 MHz. Outros diâmetros e frequências existem, porém para aplicações especiais.
b) O transdutor angular é assim chamado em razão de o cristal formar um determinado ângulo em relação à superfície do material. O ângulo é obtido pela inserção de uma cunha de plástico entre o cristal piezelétrico e a superfície. A cunha pode ser fixa, sendo então englobada pela carcaça, ou intercambiável; neste último caso, um transdutor normal é preso com parafusos que fixam a cunha à carcaça. Uma vez que a prática é trabalhar
com diversos ângulos (35, 45, 60, 70 e 80 graus), a solução de um único transdutor com várias cunhas é mais econômica; no entanto, é necessário maior cuidado no manuseio. O ângulo nominal, sob o qual o feixe ultrassônico penetra no material, vale somente para inspeção de peças de aço; se o material for outro, determina-se o ângulo real de penetração por meio de blocos de calibração feitos desse mesmo material. A mudança do ângulo deve-se à mudança de velocidade no meio. O cristal piezelétrico somente recebe ondas ou impulsos ultrassônicos que penetram na cunha na direção paralela à de emissão, em sentido contrário. A cunha de plástico funciona como amortecedor para o cristal piezelétrico após a emissão dos impulsos. O transdutor angular apresenta sapatas de acrílico feitas para proporcionar ângulos de transmissão bem definidos. Entretanto, o uso contínuo e o consequente desgaste das sapatas poderão alterar o desempenho do transdutor. Esse problema pode ser agravado quando a pressão do dedo do operador incidir sobre as bordas do transdutor, fazendo com que o desgaste ocorra de modo irregular e alterando significativamente o ângulo nominal. c) O transdutor duplo-cristal é o mais indicado e largamente utilizado nos procedimentos de medição de espessura por ultrassom. Apresenta dois cristais incorporados na mesma carcaça, levemente inclinados em relação à superfície de contato e separados por um material acústico isolante. Cada um deles funciona somente como emissor ou somente como receptor, sendo indiferente qual deles exerce cada uma das funções. Os cristais são conectados ao aparelho de ultrassom por um cabo duplo; o aparelho deve ser ajustado para trabalhar com dois cristais. Os cristais são montados sobre blocos feitos de plástico especial de baixa atenuação. Devido a essa inclinação, os transdutores duplos não podem ser usados para qualquer profundidade, pois fora da zona de inclinação a sensibilidade se reduz. Possuem sempre uma faixa de inspeção ótima, que deve ser observada. Em certos casos, os transdutores duplos são utilizados com focalização, isto é, o feixe é concentrado em uma determinada zona do material para a qual se deseja máxima sensibilidade.
