UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Edson Vasques Moreira
APLICAÇÃO DA RADIOGRAFIA DIGITAL
UTILIZANDO DETECTORES PLANOS
PARA INSPEÇÃO DE SOLDAS DE
GASODUTOS E OLEODUTOS
Taubaté – SP
2007
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Edson Vasques Moreira
APLICAÇÃO DA RADIOGRAFIA DIGITAL
UTILIZANDO DETECTORES PLANOS
PARA INSPEÇÃO DE SOLDAS DE
GASODUTOS E OLEODUTOS
Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté.
Área de Concentração: Tecnologia de Materiais e Processos de Fabricação.
Orientador: Prof. Dr. José Rubens de Camargo.
Taubaté – SP
2007
EDSON VASQUES MOREIRA
APLICAÇÃO DA RADIOGRAFIA DIGITAL UTILIZANDO DETECTORES PLANOS PARA INSPEÇÃO DE SOLDAS DE GASODUTOS E OLEODUTOS
Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté.
Área de Concentração: Tecnologia de Materiais e Processos de Fabricação.
Data: _________________ Resultado: _________________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. José Rubens de Camargo - Universidade de Taubaté Assinatura ____________________________________________
Prof. Dr. Evandro Luis Nohara – Universidade de Taubaté
Assinatura ____________________________________________
Prof. Dr. Edson Cocchieri Botelho – Unesp.
AGRADECIMENTOS
Aos meus familiares.
À TenarisConfab, pelo apoio técnico e financeiro.
Ao Prof. Dr. José Rubens de Camargo, pelo incentivo e orientação. Aos colegas e professores da UNITAU pela ajuda e apoio que me deram.
A Yxlon International, pela ajuda e apoio nos testes realizados.
A coisa mais incompreensível sobre o universo é que ele é compreensível.
Resumo
APLICAÇÃO DA RADIOGRAFIA DIGITAL UTILIZANDO DETECTORES PLANOS PARA A INSPEÇÃO DE SOLDAS DE GASODUTOS E OLEODUTOS Uma das inspeções não destrutivas mais importantes para a garantia da qualidade dos tubos soldados é o ensaio radiográfico no cordão de solda. Neste tipo de ensaio, a utilização de filmes radiográficos aplicados à área industrial vem sendo realizada por mais de um século. Nos últimos 10 anos, a implantação da radiografia digital tem sido notada mais fortemente em vários segmentos, tais como: medicina, aeroespacial, segurança, automobilístico, petróleo e petroquímico, dentre outros. Além de uma tendência tecnológica, é sabido que a técnica da radiografia digital traz benefícios em termos de produtividade, sensibilidade, meio ambiente, ferramentas com tratamento de imagem, redução de custos etc. Este trabalho tem como objetivo comparar as técnicas da radiografia convencional com a digital, utilizando detectores planos aplicados na inspeção de juntas soldadas pelo processo de arco submerso em tubos para oleodutos e gasodutos. Foram confeccionados corpos-de-prova de juntas soldadas, especialmente preparados com presença de defeitos críticos, para que pudessem ser aplicados às duas técnicas, comparar os resultados, analisando a possibilidade da substituição da técnica de filme pela técnica digital. Foi realizado um levantamento bibliográfico das principais especificações utilizadas neste segmento para verificar se a radiografia digital poderia ser aplicada (API 5L, 2004; ISO 3183-1, 1996; ISO 3183-2, 1996; ISO 3183-3, 1999; ISO/FDIS 3183(E), 2006). Para atender o objetivo deste trabalho, foram realizados 5 experimentos variando as espessuras, filtros e técnicas. Após os testes realizados, observou-se uma maior sensibilidade quanto ao indicador de qualidade de imagem (IQI) de arame e na detecção de defeitos na técnica digital. Portanto, baseado nos resultados encontrados, pode-se afirmar que a radiografia digital, com o detector plano, pode ser utilizada neste segmento com vantagens sobre a técnica convencional.
Abstract
Digital radiography application using flat panel detectors to inspect welds in oil-pipelines and gas-pipelines.
One of the most important non-destructive testing for the welded pipes quality guarantee is the radiographic testing in the weld seam. In this kind of inspection the radiographic films applied to the industrial area has been used for longer than a century. Over the last ten years the digital radiography has been more significantly implemented in some segments such as: medicine, aerospace, security, automobile, petroleum and petrochemical among others. Besides being a technological trend it is known that the digital radiography has benefits regarding productivity, sensitivity, environment, image tools treatment, costs reduction, etc. This work aims to compare the conventional technique to the digital one. It is done by using flat panel detectors, applied in the inspection of weld seam using submerged arc welding in oil and gas pipelines, on-shore and off-shore. Critically-defective welded seam samples were prepared so that the two techniques could be applied, the results compared and the substitution of the current method by the digital one could be analyzed. A research of the main specifications used in this segment has been done to check the feasibility of the digital radiography use (API 5L, 2004; ISO 3183-1, 1996; ISO 3183-2, 1996; ISO 3183-3, 1999; ISO/FDIS 3183(E), 2006). In order to achieve the goal 5 experiments have been made, changing the wall thickness, filters and techniques. After the tests, a bigger sensitivity related to the wire of Image Quality Indicator (IQI) and in detection of real defects has been noticed with the digital technique. Therefore, based on these results it can be stated that the digital radiography using flat panel detector can be applied to this segment with advantages over the conventional method.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Fluxograma do Processo UOE da fábrica da TenarisConfab. 23 FIGURA 2 - Esquema do fundamento da radiografia. 31 FIGURA 3 - Fontes de Raios X (a) Direcional (b) Panorâmico. 32 FIGURA 4 - Inspeção Radiográfica em Tubos Soldados. 32
FIGURA 5 - Ponto focal. 33
FIGURA 6 - Camada dos filmes radiográficos. 34
FIGURA 7 - Curva característica de filmes radiográficos. 36 FIGURA 8 - Disposição Geométrica entre fonte-filme-objeto. 40
FIGURA 9 - IQI DIN. 42
FIGURA 10 - IQI de arame duplo. 44
FIGURA 11 - Técnica de exposição parede simples - vista simples. 46 FIGURA 12 - Técnica de exposição parede dupla - vista simples. 47 FIGURA 13 - Técnica de exposição parede dupla - vista dupla. 48 FIGURA 14 - Mordedura e Desalinhamento com falta de penetração. 50 FIGURA 15 - Mordedura Interna e Concavidade interna. 51 FIGURA 16 - Falta de penetração e Inclusão de escória entre passes. 51 FIGURA 17 - Escória alongada e Falta de fusão. 51 FIGURA 18 - Porosidade agrupada e Porosidade alinhada na raiz. 51 FIGURA 19 - Trinca transversal e Trinca longitudinal. 52
FIGURA 20 - Inclusão de tungstênio. 52
FIGURA 21 - Aplicações da radiografia digital. 53 FIGURA 22 - Rejeitos da radiografia convencional. 56 FIGURA 23 - Comparação entre Filme, Radioscopia e Detector Plano. 57 FIGURA 24 - Probabilidade de detecção de defeitos. 58
FIGURA 25 - Radioscopia óptica. 59 FIGURA 26 - Radioscopia com captura da imagem. 59 FIGURA 27 - Construção de uma placa de fósforo de armazenamento. 61
FIGURA 28 - Criação da imagem latente. 61
FIGURA 29 - Leitura da imagem. 62
FIGURA 30 - Tomografia industrial. 63
FIGURA 31 - Método cintilador – Fósforo. 64
FIGURA 32 - Esquema de um detector plano. 64
FIGURA 33 - Detector plano semicondutor. 65
FIGURA 34 - Fatores da qualidade da imagem. 66
FIGURA 35 - Fluxograma das etapas do trabalho. 69 FIGURA 36 - Corpos-de-prova de tubos soldados “SAW”. 72 FIGURA 37 - Corpo-de-prova 3 de 1,000” – Solda Interna. Região de trincas
detectadas por partículas magnéticas.
73
FIGURA 38 - Corpo-de-prova 2 de 1,000” – Solda Externa. Região de trincas detectadas por partículas magnéticas.
73
FIGURA 39 - Ampola de Raios-X e Negatoscópio. 75
FIGURA 40 - Sistema Kodak Industrex de digitalização de filmes. 76
FIGURA 41 - Laboratório de aplicação. 77
FIGURA 42 - Detector plano XRD 0820 NA. 78
FIGURA 43 - Esquema do arranjo utilizado e arranjo da exposição detalhado. 79 FIGURA 44 - Determinação da resolução espacial. 81 FIGURA 45 - Determinação da resolução espacial pelos valores de cinza. 81 FIGURA 46 - Detalhe da medição da resolução espacial realizada. 82 FIGURA 47 - Radiografia convencional 1,250” – Sensibilidade W11 visível. 84 FIGURA 48 - Radiografia convencional – Região das trincas. 84
FIGURA 49 - Radiografia digital – Sesibilidade – W12 (W13 parcialmente)
visível. 85
FIGURA 50 - Radiografia digital – Sensibilidade W13 visivel - Filtro Passa Alto 17x17p.
85
FIGURA 51 - Radiografia digital - Trincas. 85
FIGURA 52 - Radiografia digital - Trincas - Filtro Passa Alto 17x17 p. 86 FIGURA 53 - Radiografia convencional 1,000” – Sensibilidade W12. 87 FIGURA 54 - Radiografia convencional – Trincas. 87 FIGURA 55 - Radiografia Digital – Sensibilidade – W13 visível. 88 FIGURA 56 - Radiografia Digital – Sensibilidade W13 (14 parcial) visível.
Filtro 17x17 p.
88
FIGURA 57 - Radiografia digital – Trincas. 89
FIGURA 58 - Radiografia digital - Trincas - Filtro Passa Alto 17x17 p. 89 FIGURA 59 - Radiografia convencional 0,750” – Sensibilidade W13. 90 FIGURA 60 - Radiografia convencional – Trincas. 91 FIGURA 61 - Radiografia digital – Sensibilidade - W 14 visível. 91 FIGURA 62 - Radiografia digital – Sensibilidade W13 (14 parcial) visível.
Filtro 17x17 p.
92
FIGURA 63 - Radiografia digital – Trincas. 92
FIGURA 64 - Radiografia digital - Trincas - Filtro Passa Alto 17x17 p. 93 FIGURA 65 - Radiografia convencional 0,500” – Sensibilidade W13. 94 FIGURA 66 - Radiografia convencional – Região de Trincas. 94 FIGURA 67 - Radiografia digital – Sensibilidade – W 14 (15 em 16 bits)
visível.
95
FIGURA 68 - Radiografia digital – Sensibilidade W16 visível. Filtro Passa Alto 17x17 p.
95
FIGURA 70 - Radiografia digital - Trincas - Filtro Passa Alto 17x17 p. 96 FIGURA 71 - Radiografia convencional 0,250” – sensibilidade W14. 97 FIGURA 72 - Radiografia convencional – Trincas. 98 FIGURA 73 - Radiografia digital – Sensibilidade W 15 (16 em 16 bits)
visível.
98
FIGURA 74 - Radiografia digital – Sensibilidade W15 (16 em 16 bits) visível. Filtro 17x17 p.
99
FIGURA 75 - Radiografia digital – Trincas. 99
FIGURA 76 - Radiografia digital - Trincas - Filtro Passa Alto 17x17 p. 99 FIGURA 77 - Resolução espacial para espessura de 1,250”. 101 FIGURA 78 - Resolução espacial para espessura de 0,750”. 102 FIGURA 79 - Resolução espacial para espessura de 0,250”. 102 FIGURA 80 - Medida da resolução espacial - Espessura de 1,250”. 103 FIGURA 81 - Medida da resolução espacial - Espessura de 0,750”. 103
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - IQI de arame – DIN 54109. 42
TABELA 2 - IQI de arame duplo. 45
TABELA 3 - Custo total entre as técnicas. 56
TABELA 4 - Características técnicas típicas de filmes, CR e DR. 57 TABELA 5 - Composição química especificada para os tubos. 70 TABELA 6 - Análise química encontrada dos tubos. 70 TABELA 7 - Resultado das análises químicas do cordão de solda. 71 TABELA 8 - Espessura das amostras de tubos soldados “SAW”. 71 TABELA 9 - Tipos de filmes por marca (fabricante). 74
TABELA 10 - Parâmetros médios utilizados. 74
TABELA 11 - Especificação do sistema de digitalização de filmes. 76 TABELA 12- Amostras selecionadas para radiografia digital. 77 TABELA 13- Especificação do Detector plano PerkinElmer XRD 0820 NA. 79 TABELA 14- Parâmetros utilizados para radiografia digital. 80 TABELA 15- Sensibilidade IQI de arame para as 5 especificações. 100 TABELA 16- Resultados obtidos com filme e digital. 101 TABELA 17- Resolução espacial com IQI de arame duplo. 104 TABELA 18- Arame essencial para IQI de arame ISO, API 5L. 114 TABELA 19- Arame essencial exigido, ISO 3183-1. 115 TABELA 20 Arame essencial exigido, ISO 3183-2. 116
Abreviaturas e símbolos
ACCP American Society for NonDestructive Testing – Central Certification Program.
API American Petroleum Institute.
ASTM American Society for Testing and Materials. AWS American Welding Society.
BSR Basic Spacial Resolution.
CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear.
CS Contrast Sensibility
CR Computed Radiography.
DR Direct Radiography.
DSAW Double Submerse Arc Welding. GMAW Gas Metal Arc Welding.
IQI Indicador de Qualidade de Imagem.
ISO International Organization for Standardization. PSL Product Specification Level.
SAW Submerged Arc Welding.
SNQC Sistema Nacional de Qualificação e Certificação.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 19
2. REVISÃO DA LITERATURA 21
2.1 Fabricação de tubos. 21
2.1.1 Materiais. 21
2.1.2 Processo de Fabricação – UOE. 22
2.1.3 Soldagem por Arco Submerso – SAW. 27
2.2 Radiografia convencional. 30
2.2.1 Aparelhos de Raios-X. 31
2.2.2 Filmes radiográficos. 34
2.2.3 Processamento do Filme Radiográfico. 37
2.2.4.1 Processamento manual. 38
2.2.4.2 Processamento automático. 39 2.2.4 Telas Intensificadoras de Imagem. 39
2.2.5 Penumbra. 40
2.2.6 Indicadores da Qualidade da Imagem - IQI's (Penetrâmetros). 41
2.2.6.1 IQI DIN. 41
2.2.6.2 Localização e posicionamento dos IQI's. 43
2.2.7 IQI de arame duplo. 44
2.2.8 Curvas de exposição para radiografia. 45
2.2.9 Técnicas de exposição. 46
2.2.9.1 Técnica de Parede Simples -Vista Simples (PSVS). 46
2.2.9.2 Exposição Panorâmica. 46
2.2.9.3 Técnica de Parede Dupla - Vista Simples (PDVS). 47
2.2.9.4 Técnica de Parede Dupla - Vista Dupla (PDVD). 47
2.2.10 Descontinuidades. 48
2.2.10.1 Aparência das descontinuidades. 48
2.2.10.2 Defeitos típicos em juntas soldadas com imagem
2.3 Radiografia Digital. 52 2.3.1 Vantagens. 54 2.3.2 Tipos de detectores. 58 2.3.2.1 Radioscopia. 58 2.3.2.2 Radiografia computadorizada (CR). 59 2.3.2.3 Tomografia. 63 2.3.2.4 Detectores planos. 63
2.3.2.5 Processamento da imagem digital. 65
2.4 Especificações aplicáveis. 67 3 PROPOSIÇÃO. 68 4 MATERIAIS E MÉTODOS. 69 4.1 Planejamento experimental. 69 4.2 Materiais. 69 4.3 Corpos-de-prova. 69 4.4 Técnicas. 73 4.4.1 Técnica convencional. 74 4.4.2 Técnica digital. 76
4.4.2.1 Amostras selecionadas para o técnica digital. 76 4.4.2.2 Equipamentos e acessórios utilizados. 77
4.4.2.3 Detector plano digital. 78
4.4.3 Determinação da resolução espacial. 80
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO. 83
5.1 Experiência 1 – Tubo com espessura de 1,250”. 83
5.1.1 Técnica convencional. 83
5.2 Experiência 2 – Tubo com espessura de 1,000”. 86
5.2.1 Técnica convencional. 86
5.2.2 Técnica digital. 87
5.3 Experiência 3 – Tubo com espessura de 0,750”. 90
5.3.1 Técnica convencional. 90
5.3.2 Técnica digital. 91
5.4 Experiência 4 – Tubo com espessura de 0,500”. 93
5.4.1 Técnica convencional. 93
5.4.2 Técnica digital. 94
5.5 Experiência 5 – Tubo com espessura de 0,250”. 97
5.5.1 Técnica convencional. 97
5.5.2 Técnica digital. 98
5.6 Avaliação da sensibilidade do IQI de arame. 100 5.7 Avaliação da resolução espacial (Penumbra) por IQI de arame duplo. 101
5.7.1 Medida da resolução espacial - Tubo com espessura de 1,250”. 102
5.7.2 Medida da resolução espacial - Tubo com espessura de 0,750”. 103
5.7.3 Discussão sobre os resultados da resolução espacial. 104
6 CONCLUSÕES. 106
REFERÊNCIAS. 107
2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 Fabricação de tubos
Tubos de aço podem ser basicamente divididos de acordo com o método de fabricação, como sem costura e soldados. Os tubos soldados são divididos em: soldados por resistência elétrica (ERW – Electric Resistance Welding), tubos espirais (SAWH – Helicoidal Submerged Arc Welding) e tubos UOE (SAWL – Longitudinal Submerged Arc Welding) de acordo com o processo de formação e o processo de soldagem. Tubos soldados pelo processo ERW são produzidos utilizando-se bobinas de aço, e o diâmetro do tubo é determinado pela largura da bobina. Tubos espirais são feitos de bobinas na forma de uma espira, e assim obtêm-se tubos de grandes diâmetros. O processo UOE é utilizado normalmente para grandes diâmetros e espessuras, formando uma peça por vez pela conformação de chapas de aço. Primeiramente a chapa de aço é prensada em forma de “U”, por uma prensa U, e então em forma de “O”, por uma prensa O. A principal aplicação para tubos espirais são tubos para estaca (JFE, 2003). Os tubos UOE são utilizados em grande quantidade em linhas de transporte de petróleo e gás natural. Este processo possui alta reprodutibilidade, garantindo um padrão de qualidade elevado e é próprio para fabricação de produtos com exigências rigorosas.
2.1.1 Materiais
Para a fabricação de tubos são utilizadas chapas laminadas de aço carbono, de acordo com as exigências estabelecidas nas especificações envolvidas (API 5L, 2004; ISO 3183-1, 1999; ISO 3183-2, 1999; ISO 3183-3, 2004). Para a produção de tubos de alta resistência, as usinas devem produzir aços microligados com alto nível de controle dos parâmetros fundamentais durante todo o processo de fabricação (ROZA, 2006). Aços microligados são conhecidos como aços de alta resistência (limite de escoamento a partir de 60.000 psi) e baixa
liga, sendo constituídos por um grupo específico de aços com composição química especialmente desenvolvida para alcançar elevados valores de propriedades mecânicas. Na prática, são adicionadas pequenas quantidades de elementos químicos, como o nióbio (Nb), o vanádio (V) e o titânio (Ti). Cada elemento apresenta uma aplicação mais adequada. O titânio é mais indicado para o controle do tamanho de grão durante o reaquecimento. O nióbio para o controle do tamanho de grão austenítico durante o processamento retardando a recristalização (NEVES, REGONE, BUTTON, 2002).
As linhas de desenvolvimento para novos produtos em aço aplicados nesta área são bem conhecidas. A busca por menores custos de instalação dos dutos e reparos requer o menor peso possível, e isto impõe a redução da espessura com a contrapartida do aumento da resistência mecânica. Porém, para manter uma alta soldabilidade são utilizados pequenos valores de carbono equivalente com máximo de 0,43%. Também a tenacidade não pode ser afetada, pois uma trinca, uma vez iniciada, pode se propagar facilmente ao longo de grandes extensões produzindo enormes danos, inclusive ecológico. A resistência à corrosão é outro aspecto muito importante para o material, pois muitos poços apresentam alto teor de sulfeto de hidrogênio (H2S). Este gás forma uma solução aquosa chamado de gás azedo (sour gas),
extremamente corrosivo, podendo provocar trincas internas. Este fenômeno é conhecido como fragilização induzida por hidrogênio (HIC, Hydrogen Induced Cracking) (GORNI, SILVEIRA, REIS, 2006).
2.1.2 - Processo de Fabricação – UOE
Para fabricação de tubos pelo processo de fabricação “UOE” são apresentadas as principais etapas envolvidas, conforme apresentado na Figura 1 e o respectivo fluxograma da fábrica da TenarisConfab:
Figura 1 – Fluxograma do processo UOE da fábrica da TenarisConfab.
a) Entrada de chapas
Neste posto as chapas são identificadas e armazenadas na área de inspeção da fábrica onde essas são inspecionadas conforme procedimento e Plano de Inspeção e Ensaios. As chapas são numeradas e seus dados são inseridos no sistema computadorizado (PIE-F4-126, 2006).
b) Usinagem de bordas
As bordas longitudinais das chapas são usinadas na largura determinada da chapa por meio de dois cabeçotes fresadores, um em cada lado. Por fresa são feitos os chanfros longitudinais das bordas das chapas para soldagem dos tubos (PIE-F4-126, 2006).
c) Prensa de bordas
A pré-formação das bordas longitudinais é realizada por meio de prensa hidráulica equipada com ferramentas especialmente projetadas, objetivando formar um raio nas bordas
das chapas próximo ao do tubo a ser fabricado, facilitando, assim, a formação posterior na prensa “O” (PIE-F4-126, 2006).
d) Prensa U
A prensagem das chapas é feita por equipamento hidráulico constituído de um punção raiado e de laterais interligadas por um sistema de tesouras. A operação de prensagem é realizada colocando-se a chapa sobre a "mesa", que a apóia em suas laterais, e descendo-se o punção bem no centro da chapa e assim a chapa passa a ter uma forma de "U" (PIE-F4-126, 2006).
e) Prensa O
A transformação da chapa em forma de "U" para a forma em "O" é feita por prensa hidráulica composta de matrizes superiores e inferiores, com raios preestabelecidos. Nessa operação é aplicada uma compressão ao material (PIE-F4-126, 2006).
f) Selamento
Os tubos são fechados por um equipamento que possui rolos dispostos ao longo da circunferência do tubo de forma a propiciar um bom fechamento das bordas do tubo, possibilitando, assim, a operação de soldagem contínua pelo processo GMAW (GMAW – Gas Metal Arc Welding), utilizando-se máquina de solda automática (PIE-F4-126, 2006).
g) Faceamento
Esta operação é feita por dois tornos copiadores, com a finalidade de facear as extremidades dos tubos em 90º em relação à sua superfície (PIE-F4-126, 2006).
h) Soldagem do apêndice
Neste ponto também são soldados os apêndices, chamados de chapinhas guia. A finalidade das chapinhas é evitar que o arco elétrico inicie e termine sobre o tubo, bem como guiar o cabeçote da máquina de solda interna ao final do tubo (PIE-F4-126, 2006).
i) Solda interna
A soldagem interna dos tubos é feita por máquinas de solda por arco submerso (SAW – Submerged Arc Welding). Nesse sistema, cada arame é alimentado por uma fonte de potência independente e todos os eletrodos atuam em uma única poça de fusão. Após as soldas internas serem executadas, elas são inspecionadas visual e dimensionalmente (PIE-F4-126, 2006).
j) Solda externa
A soldagem externa é feita por máquinas de solda por arco submerso (SAW – Submerged Arc Welding). O mesmo sistema de fusão e de alimentação da solda interna é utilizado neste equipamento. O fluxo de soldagem é alimentado por gravidade, e após as soldas serem executadas, elas são inspecionadas visual e dimensionalmente (PIE-F4-126, 2006).
k) Inspeção por ultra-som
Nesta etapa as soldas dos tubos são inspecionadas por ultra-som automático, e este ponto tem a finalidade de dar uma resposta da qualidade da solda, ajudando assim como controle do processo (PIE-F4-126, 2006).
l) Expansão a frio (E)
A expansão a frio dos tubos é feita por um equipamento automático, constituído de uma lança que é introduzida no tubo. Na extremidade da lança são montadas castanhas com
raio predeterminado, e tem um movimento sincronizado do avanço do tubo e a retração do cilindro hidráulico, assim, o tubo é expandido. A expansão dos tubos é realizada e tem por objetivo calibrar o tubo nas dimensões estabelecidas (PIE-F4-126, 2006).
m) Teste hidrostático
O equipamento de teste hidrostático é constituído por duas placas de vedação nas extremidades do tubo e um sistema de bombas que o enchem de água e o submete a uma pressão preestabelecida. Para cada tipo de produto o valor da pressão é estabelecido. A pressão de teste e o tempo efetivo são registrados automaticamente (PIE-F4-126, 2006).
n) Inspeção por ultra-som
Nesta etapa o cordão de solda é inspecionado por um equipamento automático com vários cabeçotes para garantia da qualidade da solda. Esta inspeção é realizada após o tubo ter sido expandido e testado hidrostaticamente. As extremidades dos tubos não inspecionadas pelo sistema automatizado e as regiões que apresentaram indicações do ultra-som automático são avaliadas por ultra-som manual e/ou por ensaio radiográfico (PIE-F4-126, 2006).
o) Ensaio radiográfico
Uma extensão mínima de 204 mm das soldas das extremidades dos tubos e as regiões que possuem indicações do sistema de ultra-som automático, das quais foram pedidos exames complementares, são radiografadas (PIE-F4-126, 2006). São utilizadas fontes de raios-X e filmes radiográficos industriais. No bunker de raios-X são obedecidas as normas da Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN quanto à radioproteção (CNEN-3.02, 1988; CNEN-NN-6.04, 1989).
p) Biselamento
As extremidades dos tubos são torneadas por tornos copiadores, para confecção dos biseis. Estes biseis são confeccionados para a soldagem dos tubos, nas dimensões definidas no plano de inspeção e ensaios (PIE-F4-126, 2006).
q) Inspeção final e marcações
Nesta etapa são feitas várias medições e também a inspeção visual final. Dentre as inspeções realizadas podem-se destacar os controles de diâmetro, ovalização, empeno, ortogonalidade, altura do reforço de solda, espessura, ângulo do bisel, altura da raiz, verificação da existência de defeitos no cordão de solda, medição do comprimento, peso, etc. (PIE-F4-126, 2006).
2.1.3 Soldagem por arco submerso
A soldagem por arco submerso (SAW- Submerged Arc Welding) é um método no qual o calor requerido para fundir o metal é gerado por um arco formado pela corrente elétrica passando entre o arame de soldagem e a peça de trabalho. A ponta do arame de soldagem, o arco elétrico e a peça de trabalho são cobertos por uma camada de um material mineral granulado conhecido por fluxo para soldagem por arco submerso (ASME II, 2006; AWS A 5.17, 1997; AWS A 5.23, 1997). A elevada corrente de soldagem aliada ao alto aporte térmico criam uma grande poça de fusão. Sob tais condições, a solda deve ser mantida na horizontal para evitar que o metal de solda fundido escorra. As vantagens deste processo são as elevadas velocidades de soldagem, maiores taxas de deposição, boa integridade do metal de solda, processo de fácil uso, melhor ambiente de trabalho e maior segurança para o operador. Para uma boa soldagem de tubos é essencial que ocorra a combinação de alguns fatores em sua devida proporcionalidade, que são: consumíveis de solda, parâmetros corretos (corrente,
tensão e velocidade de avanço), calor gerado na poça de fusão, geometria do chanfro e a qualidade do metal de base. O enorme calor desenvolvido pela passagem da corrente de soldagem através da zona de soldagem funde as extremidades dos arames e as bordas adjacentes do tubo, criando uma poça de metal fundido. O fluxo para soldagem por arco submerso protege completamente a poça de soldagem do contato com a atmosfera e uma parte do fluxo se funde, sendo que esta porção fundida tem várias funções das quais podem ser destacadas: cobrir completamente a superfície da solda, evitar a contaminação do metal de solda por gases atmosféricos; dissolver e, portanto, eliminar as impurezas que se separam do metal fundido e flutuam em sua superfície. A combinação de todos esses fatores resulta em uma solda íntegra, limpa e homogênea. À medida que o cordão de solda é constituído, a parte fundida do fluxo se resfria e endurece, formando um material duro e vítreo, que protege a solda até seu resfriamento, sendo normal seu completo destacamento da solda (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2005).
Dois materiais devem ser selecionados para a soldagem por arco submerso: o arame de soldagem e o fluxo, os quais devem satisfazer em termos de qualidade e de economia aos requisitos das soldas a serem executadas (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2005; PARANHOS, 1999). Dois fatores influenciam a escolha do fluxo as características de desempenho e as propriedades mecânicas. Para muitas soldas, as características de desempenho ditam quais são os fluxos que podem ser empregados em cada pedido de fabricação. As características de desempenho incluem facilidade de remoção da escória, capacidade de remoção de óxidos e carepa, capacidade de condução de corrente elétrica, possibilidade de uso de vários arames e possibilidade de aplicação de corrente alternada. As propriedades mecânicas são de importância primária para muitas aplicações críticas, tais como tubulações de alta pressão de trabalho e serviços a baixas temperaturas. Para essas
soldas, deve haver um compromisso das características de desempenho para satisfazer às propriedades mecânicas requeridas (WAINER, BRANDI, MELLO, 1999).
O principal fator que governa a escolha do arame de soldagem é sua influência na composição química e propriedades mecânicas da solda. As propriedades mecânicas e químicas de uma solda por arco submerso são determinadas principalmente pela composição do metal de base, composição do arame utilizado, fluxo e parâmetros de soldagem empregados. Os fluxos para soldagem por arco submerso são compostos minerais granulares e fusíveis que cobrem o arco e produzem proteção, limpeza e controle da geometria do cordão de solda. Eles influenciam fortemente a usabilidade e as propriedades mecânicas do metal de solda. Muitos fluxos diferentes estão disponíveis, cada um oferecendo suas características peculiares de desempenho, permitindo otimizações de processo para os diferentes requisitos de aplicação (PARANHOS, 1999). Os fluxos, apresentados a seguir, podem ser classificados de acordo com seu tipo de manufatura e quanto a sua participação na soldagem:
Fluxo aglomerado. Os fluxos aglomerados são fabricados a partir da mistura seca de
seus ingredientes, que são aglomerados com uma solução aquosa de silicato de sódio e/ou de potássio. A massa resultante é pelotizada, seca e reduzida mecanicamente a partículas que são peneiradas e classificadas para obter o melhor desempenho na remoção de óxidos e carepas, menor consumo de fluxo, baixo custo de fabricação, bom desempenho sobre uma gama de aplicações com uma única distribuição granulométrica, podem ser ligados e resultam em soldas livres de porosidade mesmo com óxidos e carepas (PARANHOS, 1999).
Fluxos fundidos. Os fluxos fundidos são fabricados a partir da mistura seca de seus
ingredientes, que são então fundidos em um forno elétrico. O banho é vazado e sofre um choque térmico, que reduz o fluxo a partículas de tamanhos variados, que são peneiradas e classificadas para obter-se composição química apropriada, material homogêneo, não
higroscópico, solda com menor risco de trincas por hidrogênio, maior estabilidade do arco, maiores velocidades de soldagem (PARANHOS, 1999).
Os fluxos também podem ser classificados em neutros e ativos. Estes termos são freqüentemente utilizados para descrever o comportamento do fluxo e geralmente referem-se ao teor de manganês e/ou de silício que será transferido do fluxo para o metal de solda. Esses são termos relativos que dependem da composição do fluxo, da composição química do arame e da razão entre a escória e o arame fundido. Os fluxos neutros são definidos como aqueles que não produzem alterações significativas na composição química do metal depositado como resultado de grandes mudanças na tensão do arco e, portanto, no comprimento do arco. Conseqüentemente, a resistência mecânica do depósito de solda não é significativamente alterada pela quantidade fundida de fluxo, que varia com a tensão de soldagem. O uso principal dos fluxos neutros é em soldas multipasse de peças com espessuras acima de 25 mm. Esses fluxos apresentam maior sensibilidade à porosidade e às trincas (ASME II, 2006).
Os fluxos ativos são definidos como aqueles que contêm pequenas quantidades de manganês, silício ou ambos, que são desoxidantes adicionados ao fluxo para melhorar a resistência à porosidade e às trincas causadas pelos contaminantes no metal de base ou dele proveniente (ASME II, 2006).
2.2 Radiografia convencional
O ensaio radiográfico caracteriza-se por um método não-destrutivo que tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades que se encontrem na massa dos materiais, detectando variações de uma região de determinado material que apresente uma diferença em espessura ou densidade comparada com uma região vizinha (KODAK, 1980).
A radiografia é um método usado para inspeção não destrutiva que se baseia na absorção diferenciada da radiação penetrante pela peça que está sendo inspecionada. Devido
às diferenças na densidade e variações na espessura, ou mesmo diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do material, diferentes regiões de uma mesma peça absorverão quantidades diferentes da radiação penetrante. Essa absorção diferenciada de radiação poderá ser detectada por meio de um filme, ou de um tubo de imagem ou mesmo medida por detectores eletrônicos de radiação. Essa variação na quantidade de radiação absorvida, detectada através de um meio, irá indicar, entre outras coisas, a existência de um defeito interno em determinado material, por isso a radiografia industrial é utilizada para detecção de defeitos volumétricos com boa sensibilidade. Descontinuidades que não produzem mudanças significativas da espessura não são detectadas por esta técnica. Na Figura 2 pode-se observar um esquema ilustrativo de uma peça com uma descontinuidade que, certamente, poderá causar uma maior sensibilidade no filme devido a maior quantidade de radiação recebida (ANDREUCCI, 2003; KODAK, 1999).
Figura 2 – Esquema do fundamento da radiografia (ANDREUCCI, 2003; KODAK, 1980).
2.2.1 Aparelhos de raios-X
Na inspeção por raios-X se empregam ampolas de vidro que são formadas basicamente de duas partes: o ânodo e o cátodo. No cátodo há um filamento por onde passa uma corrente da ordem de miliamperes. Entre o ânodo e cátodo é colocada uma alta-tensão (milhares de volts); assim os elétrons criados no filamento quando aquecido irão ser
desacelerados na placa, denominada alvo, gerando calor e os raios-X. De uma forma simplista, pode-se dizer que a kilovoltagem aplicada em uma ampola é responsável pela capacidade de penetração nos materiais, enquanto que a amperagem é responsável pela quantidade de elétrons gerados e, portanto, diretamente proporcional ao tempo de exposição. Na Figura 3 são apresentados dois tipos de ampolas de raios-X que são comumente utilizados no ensaio radiográfico com este tipo de fonte. Na Figura 3 (a) tem-se uma ampola de um aparelho de raios-X direcional e que possui um feixe muito colimado direcionado para um lado específico da ampola, e na Figura 3 (b) uma com feixe panorâmico (ANDREUCCI, 2003).
(a) (b)
Figura 3 – Fontes de raios X (a) Direcional (b) Panorâmico (ANDREUCCI, 2003).
Os equipamentos de raios-X industriais se dividem geralmente em dois componentes: o painel de controle e o cabeçote, ou unidade geradora. O painel de controle consiste em uma caixa onde estão alojados todos os controles, indicadores, chaves e medidores, além de conter todo o equipamento do circuito gerador de alta voltagem. É por meio do painel de controle que se fazem os ajustes de voltagem e amperagem, além de comando de acionamento do aparelho (ABENDE, 2005). Na Figura 4, pode-se observar um cabeçote onde se encontra
alojada a ampola e os dispositivos de refrigeração. A conexão entre o painel de controle e o cabeçote se faz por meio de cabos especiais de alta-tensão (ABENDE, 2005).
Figura 4 - Inspeção Radiográfica em Tubos Soldados da TenarisConfab.
As máximas voltagens e amperagens, tamanho do ponto focal (Figura 5), tipo de feixe de radiação, peso e tamanho determinam a capacidade de operação do equipamento. Isso se deve ao fato de essas grandezas determinarem as características da radiação gerada no equipamento.
A voltagem se refere à diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo e é expressa em quilovolts (kV). A amperagem se refere à corrente do tubo e é expressa em miliamperes (mA). Os equipamentos considerados portáteis, com voltagens até 300 kV, possuem peso em torno de 40 a 80 kg, dependendo do modelo. Os modelos de tubos refrigerados a gás são mais leves, ao contrário dos refrigerados a óleo.
2.2.2 Filmes radiográficos
Os filmes radiográficos são compostos de uma emulsão e uma base. A emulsão consiste em uma camada muito fina (espessura de 0,025 mm) de gelatina, que contém um grande número de minúsculos cristais de brometo de prata. A emulsão é colocada sobre um suporte, denominado base, que é feito geralmente de um derivado de celulose, transparente e de cor levemente azulada. Uma característica dos filmes radiográficos é que, ao contrário dos filmes fotográficos, eles possuem a emulsão em ambos os lados da base, conforme mostrado na Figura 6. Os cristais de brometo de prata, presentes na emulsão, possuem a propriedade de, quando atingidos pela radiação ou luz, tornarem-se susceptíveis de reagir com um produto químico denominado revelador. O revelador atua sobre esses cristais provocando uma reação de redução que resulta em prata metálica negra. Os locais do filme, atingidos por uma quantidade maior de radiação, apresentarão, após a ação do revelador, um número maior de grãos negros que as regiões atingidas por radiação de menor intensidade. Dessa forma, quando vistos sob a ação de uma fonte de luz, os filmes apresentarão áreas mais escuras e mais claras que irão compor a imagem do objeto radiografado (SCHMIDT, 2004). A imagem formada no filme radiográfico possui áreas claras e escuras, evidenciando certo grau de enegrecimento que é denominada de densidade. Matematicamente a densidade é expressa como sendo o logaritmo da razão entre a intensidade de luz visível que incide no filme e a intensidade que é transmitida e visualmente observada (ABENDE, 2005).
Figura 6 – Camada dos filmes radiográficos. (SCHUBERT, 2005). A seguir, são detalhadas algumas características dos filmes radiográficos:
a) Velocidade
Se dois filmes diferentes forem submetidos a uma mesma exposição, nota-se que as densidades obtidas nos dois filmes serão diferentes, ou seja, com uma mesma exposição, um filme apresenta maior rapidez para atingir determinada densidade, quando comparado com outro. Portanto, um filme rápido necessita de menor tempo de exposição para atingir uma determinada densidade, quando comparado com um outro filme mais lento. Ou ainda, se um filme rápido e um filme lento forem submetidos a uma exposição idêntica, o filme rápido atingirá uma densidade maior. A velocidade é uma característica própria de cada filme e depende, principalmente, do tamanho dos cristais de prata presentes na emulsão. Quanto maior o tamanho dos cristais, mais rápido será o filme e sua imagem será mais grosseira e menos nítida que uma imagem formada por grãos menores. Portanto, quanto mais rápido o filme, menos nítida será a imagem formada por ele (KODAK, 1980).
b) Classificação dos filmes
A grande variedade de condições e a heterogeneidade de materiais encontrados na radiografia industrial levaram os fabricantes a produzir vários tipos de filmes. Uma
classificação dos filmes foi estabelecida pela ASTM, que identifica os tipos de filmes pela velocidade de exposição e sensibilidade. Os mais empregados na área industrial são os da Classe 1 e 2 por possuírem características de sensibilidade, velocidade e resistência adequadas. (ASTM E-1815, 2006).
c) Curva característica dos filmes
A curva característica de um filme, também chamada de curva sensitométrica ou curva H & D (Hurter-Driffield), relaciona a exposição dada a um filme com a densidade resultante. Por meio das curvas características podem-se comparar qualitativamente filmes diferentes, estabelecendo critérios para corrigir densidades obtidas para uma dada exposição, conforme apresentado na Figura 7. As curvas são em geral fornecidas pelo fabricante do filme e são obtidas mediante as exposições sucessivas do filme, tendo suas densidades medidas em cada exposição. Os valores são plotados em um gráfico de densidades em função do logaritmo da exposição relativa (KODAK, 1980).
d) Contraste
Para que se forme uma imagem no filme é necessário que ocorram variações na densidade ao longo do mesmo, pois uma imagem é formada a partir de áreas claras e escuras. A diferença de densidades entre duas regiões adjacentes no filme é denominada contraste. O contraste pode também ser entendido como a capacidade de o filme detectar intensidade e energias diferentes de radiação. Imagens com alto contraste permitem em geral melhor qualidade e segurança na interpretação da radiografia (ABENDE, 2005; KODAK, 1980).
e) Definição
Observando com detalhe a imagem formada no filme radiográfico, é possível notar que a mudança de densidades de uma área a outra não se faz de maneira brusca. A imagem de um objeto apresenta uma região de transição nas suas bordas, com uma densidade intermediária entre a densidade da imagem e a de fundo. Quanto mais estreita for esta faixa de transição, melhor será a definição desta imagem (ABENDE, 2005).
2.2.3 Processamento do filme radiográfico
O processamento dos filmes e dos banhos para o processamento radiográfico deve seguir algumas considerações gerais, necessárias ao bom desempenho desta tarefa. No manuseio do filme, a limpeza é essencial. A câmara escura e os acessórios e equipamentos devem ser mantidos rigorosamente limpos, e usados somente para o propósito aos quais eles se destinam. Os banhos de processamento e a revelação devem ser controlados, quanto a temperatura e tempo de duração de acordo com a recomendação do fabricante, e podem ser processados manualmente ou em processadoras automáticas.
2.2.3.1 Processamento manual
O processamento manual é composto por uma série de banhos que se relata a seguir:
a) Revelação
Quando um filme exposto é imerso no tanque contendo o revelador, esta solução age sobre os cristais de brometo de prata metálica. Esta seletividade está na capacidade de discriminar os grãos expostos dos não expostos. Devido a fatores eletroquímicos, as moléculas dos agentes reveladores atingem os cristais, que ficam como que revestidos. A visibilidade da imagem e, conseqüentemente, o contraste, a densidade de fundo e a definição dependem do tipo de revelador usado, do tempo de revelação e da temperatura do revelador. Desta forma, o controle tempo-temperatura é de fundamental importância para se obter uma radiografia de boa qualidade. A revelação deve ser feita com agitação permanente do filme no revelador, a fim de que se obtenha uma distribuição homogênea do líquido em ambos os lados da emulsão, evitando-se a sedimentação do brometo e outros sais que podem provocar manchas susceptíveis de mascarar possíveis descontinuidades (ABENDE, 2005, KODAK, 1980).
b) Banho de parada
Quando o filme é removido da solução de revelação, uma parte do revelador fica em contato com ambas as faces do filme, fazendo, dessa forma, com que a reação de revelação continue. O banho interruptor tem, então, a função de interromper esta reação a partir da remoção do revelador residual (ABENDE, 2005; KODAK, 1980).
c) Fixação
Após o banho de parada, o filme é colocado em um terceiro tanque, que contém uma solução chamada de “fixador”. A função da fixação é remover o brometo de prata das porções não expostas do filme, sem afetar os que foram expostos à radiação. O fixador tem também a
função de endurecer a emulsão gelatinosa, permitindo a secagem ao ar aquecido. O tempo de fixação normalmente não deve exceder a 15 minutos. Os filmes devem ser agitados quando colocados no fixador durante pelo menos 2 minutos, para garantir uma ação uniforme deste. O fixador deve ser mantido a uma temperatura igual ao do revelador, ou seja, cerca de 20ºC (ABENDE, 2005; KODAK, 1980).
d) Lavagem dos filmes
Após a fixação, os filmes seguem para o processo de lavagem para remover o fixador da emulsão. Cada filme deve ser lavado por um período de, aproximadamente, 30 minutos. A temperatura da água no tanque de lavagem é um fator muito importante a ser considerado, e os melhores resultados são obtidos com a temperatura por volta de 200C (ABENDE, 2005; KODAK, 1980).
2.2.3.2 Processamento automático
Este sistema de processamento químico e mecânico é utilizado quando há grande volume de trabalho, pois só assim torna-se econômico. O processamento é inteiramente automático, sendo que o manuseio só é utilizado para carregamento e descarregamento de filmes. O ciclo de processamento é inferior a 15 minutos. Quando adequadamente mantido e operado, este equipamento produz radiografia de alta qualidade. A alta velocidade de processamento torna-se possível pelo uso de soluções químicas especiais, contínua agitação dos filmes, manutenção da temperatura das soluções e secagem por jatos de ar aquecido.
2.2.4 Telas intensificadoras de imagem
As telas intensificadoras possuem como principal finalidade diminuir o tempo de exposição em ensaios radiográficos industriais. Nestes casos usam-se finas folhas de metal (geralmente chumbo) como intensificadoras da radiação primária emitida pela fonte. O fator
de intensificação, além de ser função da natureza e da espessura da tela, depende do contato efetivo entre elas e o filme. Quando se aumenta a espessura da tela de chumbo, a radiação primária e os elétrons emitidos pela face oposta dessa tela sofrem atenuação e, como conseqüência, o fator de intensificação diminui. O grau de intensificação das telas de chumbo depende da natureza e espessura do material a ensaiar, da qualidade da fonte emissora de radiação e do tipo de filme usado (KODAK, 1980).
2.2.5 Penumbra
Supondo a dimensão de uma fonte emissora de radiação com dimensão F é muito pequena e pode, para efeitos didáticos, ser considerado um ponto. Neste caso, colocando-se um objeto entre o foco puntiforme e um filme radiográfico ter-se-á uma imagem muito nítida, conforme apresentado na Figura 8a. Se for aumentada a dimensão do foco para o valor F, mantendo-se a distância da fonte ao objeto, se obterá uma imagem no filme com uma zona de penumbra, reduzindo a nitidez (definição) da imagem, conforme é apresentado na Figura 8b. Se for mantida a dimensão do foco para o valor F e reduzida a distância da fonte ao objeto, obter-se-á uma imagem no filme com uma zona de penumbra muito maior, e a nitidez da imagem será perdida, conforme é apresentado na Figura 8c. A ampliação está relacionada com fatores geométricos e a nitidez ou definição é função da fonte emissora de radiação e da posição do material situado entre a fonte e o filme. Quando a fonte possui diâmetro considerável ou está muito próxima do material, a imagem não é bem definida e sua forma poderá ser diferente da real se o ângulo do plano do material variar em relação aos raios incidentes, produzindo, neste caso, uma distorção da imagem (ABENDE, 2005; KODAK, 1980). Para obtenção de imagens bem definidas ou próximas ao tamanho do objeto, devem-se utilizar as menores dimensões de fonte de radiação possível, estas devem estar posicionadas o mais afastado possível do material a ensaiar, o filme radiográfico deve estar mais próximo
possível do material, o feixe de radiação deve estar o mais perpendicular possível em relação ao filme e os planos do material e do filme devem ser paralelos. A distorção da imagem não pode ser totalmente eliminada em virtude dos formatos complicados das peças e dos ângulos de que se dispõe para a realização do ensaio radiográfico (ABENDE, 2005).
Figura 8 - Disposição Geométrica entre fonte-filme-objeto (KODAK, 1980).
2.2.6 Indicadores da Qualidade da Imagem - IQI's (Penetrâmetros)
Para que se possa julgar a qualidade da imagem de uma radiografia são empregadas pequenas peças chamadas Indicadores de Qualidade de Imagem (IQI), e que são colocadas sobre o objeto radiografado. Os IQI's são também chamados de “Penetrâmetros”. O tipo ou norma de fabricação do IQI deve ser aquele que o projeto de construção do equipamento a ser radiografado exige. O IQI é uma pequena peça construída com um material radiograficamente similar ao material da peça ensaiada, com uma forma geometricamente simples e que contém algumas variações de forma bem definidas, tais como furos ou entalhes (KODAK, 1980).
2.2.6.1 IQI - DIN
O IQI fabricado conforme a norma DIN é constituído por 7 arames, dispostos paralelamente, cujo material é radiograficamente similar ao material ensaiado (DIN 54109,
1989). A relação entre o diâmetro do arame e seu número respectivo é descrito na norma indicada (veja a Tabela 1). Os arames foram divididos em três grupos, a saber: 1 a 7, 6 a 12 e 10 a 16. Quanto maior o número, menor seu diâmetro, o que determina os níveis de qualidade especificados, conforme é apresentado na Figura 9 (AGFA, 1989).
Tabela 1 – IQI de arame (DIN 54109)
O IQI, sempre que possível, deve ser colocado sobre a solda de forma que os arames estejam perpendiculares à linha da solda e de forma que sua imagem apareça na zona central da radiografia.
Figura 9 - IQI (DIN 54109, 1989).
O número da qualidade de imagem é o número do arame mais fino visível na radiografia. O número de qualidade de imagem requerido é definido para cada faixa de
espessura de material. A classe de qualidade de imagem é função do rigor com que a inspeção deve ser feita e deve ser especificada pela norma do produto (DIN 54109, 1989).
2.2.6.2 Localização e posicionamento dos IQI's
Sempre que possível, o IQI deverá ser colocado no lado da peça, voltado para a fonte. Caso isso não seja possível, o IQI poderá ser colocado no lado voltado para o filme, sendo nesse caso acompanhado por uma letra “F”, de material de chumbo. Apenas um IQI é geralmente usado para cada radiografia se variações de espessura provocarem uma variação de - 15 % ou + 30% da densidade vista através do corpo do IQI tipo furos ou adjacente a área de interesse de uma radiografia, será necessária colocação de um IQI adicional para cada área excepcional, conforme recomenda a ASME (ASME V, 2006). Em radiografia de componentes cilíndricos em que são expostos mais de um filme por vez, deverá ser colocado um IQI por radiografia. Apenas no caso de exposições panorâmicas, em que todo o comprimento de uma junta circunferêncial é radiografado com uma única exposição, é permitida a colocação de três IQI igualmente espaçados. A disposição em círculo de uma série de peças iguais, radiografadas simultaneamente, não é considerada como panorâmica para efeito de colocação de IQI, sendo necessário que a imagem do mesmo apareça em cada uma das radiografias. Quando porções de solda longitudinal forem radiografadas simultaneamente com a solda circunferencial, IQI adicionais devem ser colocados nas soldas longitudinais, em suas extremidades mais afastadas da fonte. Para componentes esféricos, onde a fonte é posicionada no centro do componente e mais de um filme é exposto simultaneamente, deverão ser usados, pelo menos 3 IQI’s, igualmente espaçados, para cada 360 graus de solda circunferencial mais um IQI adicional para cada outro cordão de solda inspecionado simultaneamente (ASME V, 2006).
2.2.7 IQI de arame duplo
Para a medição da resolução espacial do procedimento que está sendo aplicado é utilizado um indicador de qualidade de imagem (IQI) de arame duplo que é feito de acordo com as normas ASTM ou BS EN (ASTM E-2002, 1998; BS EN 462-5, 1996), conforme apresentado na Figura 10. O IQI de arame duplo deve ser usado em conjunto com o IQI de arame ou furo e deve ser colocado no lado da fonte alinhado com o feixe normal da radiação. Para análise do IQI de arame duplo deve-se utilizar uma lupa com 4X de aumento. O limite de discernimento da técnica utilizada é o par de arames onde não se vê o espaço entre eles e o valor da penumbra, U é 2d, onde d é o diâmetro deste arame.
Figura 10 – IQI de Arame Duplo (BS EN 462-5, 1996).
Na Tabela 2 pode-se observar os números dos elementos, os valores de penumbra correspondentes e as dimensões dos arames do IQI de arame duplo assim como suas tolerâncias.
Tabela 2 – IQI de arame duplo (BS EN 462-5, 1996).
2.2.8 Curvas de exposição para radiografia
O primeiro fator a ser determinado em uma exposição com raios-X é a voltagem (energia) a ser usada. Essa voltagem deverá ser suficiente para assegurar ao feixe de radiação energia suficiente para atravessar o material a ser inspecionado. Por outro lado, uma energia muito alta irá ocasionar uma diminuição no contraste do objeto, diminuindo a sensibilidade da radiografia. De forma a tornar compatíveis esses dois fatores, foram elaborados gráficos que mostram a máxima voltagem a ser usada para cada espessura de um dado material. É muito importante lembrar que, como materiais diferentes absorvem quantidades diferentes de radiação, existem gráficos para cada tipo de material a ser radiografado. É importante notar que cada gráfico fixa o material inspecionado, tipo e espessura das telas, densidade óptica do filme, distância do foco-filme, tipo de filme usado, tempo e temperatura de revelação do filme. Outro fator importante é que esses gráficos somente são válidos para um determinado aparelho e modelo. Normalmente, os aparelhos de raios-X são fornecidos com uma série de gráficos que permitem a sua utilização em uma vasta gama de situações (KODAK, 1980).
2.2.9 Técnicas de exposição
2.2.9.1 Técnica de Parede Simples - Vista Simples (PSVS)
Essa técnica é assim chamada, pois no arranjo entre a fonte de radiação, peça e filme, somente a seção da peça que está próxima ao filme será inspecionada e a projeção será em apenas uma espessura do material (ABENDE, 2005; ANDREUCCI, 2003). Esta é a principal técnica utilizada na inspeção radiográfica, e a mais fácil de ser interpretada, conforme apresentado na Figura 11.
2.2.9.2 Exposição panorâmica
Esta técnica constitui um caso particular da técnica de parede simples vista simples descrita acima, que proporciona alta produtividade em rapidez em um exame de juntas soldadas circulares com acesso interno, conforme indicado na Figura 11 (A). Na técnica panorâmica a fonte de radiação deve ser centralizada no ponto geométrico eqüidistante das peças e dos filmes, ou no caso de juntas soldadas circulares a fonte deve ser posicionada no centro da circunferência. Com isso, em uma única exposição da fonte, todos os filmes dispostos a 360 graus serão igualmente irradiados, possibilitando, assim, o exame completo das peças ou das juntas (ABENDE, 2005).
2.2.9.3 Técnica de Parede Dupla - Vista Simples (PDVS)
Nesta técnica de parede dupla vista simples, o feixe de radiação, proveniente da fonte, atravessa duas espessuras da peça, entretanto, projeta no filme somente a seção da peça que está mais próxima ao mesmo. Freqüentemente esta técnica é utilizada em inspeções de juntas soldadas, as quais não possuem acesso interno, por exemplo, tubulações com diâmetros maiores que 3½ polegadas, vasos fechados e outros. É importante lembrar que esta técnica requer que a radiação atravesse duas espessuras da peça e, portanto, o tempo de exposição será maior que a inspeção pela técnica de parede simples (ABENDE, 2005; ANDREUCCI, 2003). Assim, esta opção deverá ser selecionada quando outra técnica não for possível ou permitida, conforme apresentado na Figura 12.
Figura 12 - Técnica de exposição parede dupla - vista simples (ABENDE, 2005).
2.2.9.4 Técnica de Parede Dupla Vista Dupla (PDVD)
Neste caso o feixe de radiação proveniente da fonte também atravessa duas espessuras, entretanto, projetará no filme a imagem de duas seções da peça, e serão objetos de interesse. Nesta técnica, no cálculo do tempo de exposição devem ser levadas em conta as duas espessuras das paredes que serão atravessadas pela radiação. A técnica de parede dupla e vista dupla (PDVD) é freqüentemente usada para inspeção de juntas soldadas em tubulações com diâmetros menores que 3½ polegadas, conforme ilustrado na Figura 13 (ABENDE, 2005).
Figura 13 - Técnica de exposição parede dupla - vista dupla (ABENDE, 2005).
2.2.10 Descontinuidades
2.2.10.1 Aparência das descontinuidades
As descontinuidades são quaisquer variações na homogeneidade de uma peça ou material, tanto em sua estrutura como em sua forma. Por meio da análise da influência que a descontinuidade terá sobre a utilização do material ou do equipamento podem ser definidos critérios de aceitabilidade. As descontinuidades podem ser atribuídas a diferentes causas. Elas podem ocorrer durante o próprio processo de fabricação do material (por exemplo: durante a fundição), durante o processamento (durante a laminação, forjamento, usinagem etc.), ou durante o uso de equipamento, em serviço (aplicação de esforços mecânicos ou corrosão) (ABENDE, 2005). As descontinuidades internas em juntas soldadas mais comuns são:
a) Inclusões gasosas (poros)
Durante a fusão da solda, pode haver o aprisionamento desta, devido a várias razões, como o tipo de eletrodo utilizado, má regulagem do arco, deficiência na técnica do operador, umidade etc. Estas inclusões gasosas podem ter a forma esférica ou cilíndrica. Sua aparência radiográfica é sob a forma de pontos escuros com o contorno nítido. Algumas destas inclusões gasosas assumem uma forma alongada, cilíndrica e sua imagem radiográfica vai depender de uma orientação em relação ao feixe de radiação incidente. Outra forma típica de inclusão é aquela que tem a aparência de um galho ramificado, chamada, também, de porosidade vermiforme (ABENDE, 2005).
b) Inclusões de escória
São devidas ao aprisionamento de escória ou materiais estranhos durante o processo de soldagem. Elas se apresentam com mais freqüência em soldas de passes múltiplos, principalmente quando a limpeza não é bem efetuada entre um passe e outro (ABENDE, 2005).
c) Falta de penetração
É considerada falta de penetração a falta de material depositado na raiz da solda, devido ao fato de o material não ter chegado até a raiz. No caso de não haver passe de raiz (selagem), a falta de penetração pode ficar aparente. A aparência radiográfica em ambos os casos é uma linha escura, intermitente ou contínua, no centro do cordão (ABENDE, 2005).
d) Trincas
As trincas são descontinuidades produzidas por rupturas no metal como resultado de tensões nele produzidas durante a soldagem, sendo mais visível na radiografia, quando o feixe
de radiação incide sobre a peça em uma direção sensivelmente paralela ao plano que contém a trinca. A trinca produz uma imagem radiográfica na forma de uma linha escura com direção irregular. A largura desta linha dependerá da largura da trinca. Se a direção do plano que contém a trinca coincidir com o feixe de radiação, sua imagem será escura. De outra forma, ela perderá densidade, podendo não aparecer. Devido ao fato da trinca ser considerada como o mais grave defeito de uma solda, deve-se ter uma atenção especial para a sua detecção. A imagem das trincas, especialmente em filmes de granulação grossa, pode não ser muito clara (ABENDE, 2005).
e) Falta de fusão
Descontinuidades que é gerada devido a falta de fusão entre o metal depositado e o metal base. A falta de fusão só é bem caracterizada em uma radiografia quando a direção do feixe incidente coincide com o plano do defeito. A imagem radiográfica da falta de fusão é uma linha escura, estreita, paralela ao eixo da solda, em um ou em ambos os lados (ABENDE, 2005).
2.2.10.2 Defeitos típicos em juntas soldadas com imagem radiográfica convencional
Nas Figuras 14 a 20, pode-se ver a imagem radiográfica obtida de juntas soldadas com vários tipos de indicações ou defeitos, tais como: mordedura, desalinhamento, falta de penetração, falta de fusão, trincas, porosidades, etc. (GEIT, 2004).
(a) (b)
(a) (b)
Figura 15 – (a) Mordedura interna; (b) Concavidade interna (GEIT, 2004).
(a) (b)
Figura 16 – (a) Falta de penetração; (b) Inclusão de escória entre passes (GEIT, 2004).
(a) (b)
Figura 17 – (a) Escória alongada; (b) Falta de fusão (GEIT, 2004).
(a) (b)
(a) (b)
Figura 19 – (a) Trinca transversal; (b) Trinca longitudinal (GEIT, 2004).
Figura 20 – Inclusão de tungstênio (GEIT, 2004).
2.3 Radiografia digital
O fenômeno da luminescência fotoestimulável não é uma tecnologia nova. Sua descoberta se deu há mais de um século, entretanto, por falta de aplicações práticas, ficou por várias décadas relegada à condição de curiosidade científica. O interesse no fenômeno se renovou na década de 40, quando foram conduzidas várias experiências em busca de aplicações práticas voltadas, principalmente, para interesses militares. Nada mais derivou desse trabalho, possivelmente por não se dispor na época da tecnologia do computador. A primeira aplicação, em 1947, consistiu em um híbrido no qual se produziu a partir de uma folha de fósforo irradiada com luz infravermelha uma imagem de luminescência fotoestimulada sobre um filme fotográfico.
A radiografia digital computadorizada teve sua primeira aplicação em 1975, quando George Luckey desenvolveu a placa flexível de fósforo para armazenamento de imagem na Eastman Kodak Company (MANGO, 2004; ALLEN, DRAKE, 2005). No mesmo ano foi patenteado o primeiro sistema de fósforo de armazenamento escaneado, dando origem à
moderna radiografia computadorizada. No entanto, só em 1983 foi comercializado o primeiro sistema que empregava a tecnologia de fósforo de armazenamento. Sua aceitação passou a crescer consistentemente, primeiro em meio à comunidade médica do final da década de 80 e, agora, na comunidade industrial. No ano 2000 a radiografia computadorizada foi utilizada no Brasil em refinarias para avaliar a integridade de tubulações e em trocadores de calor para avaliação do estado de corrosão (VIDEIRA, et. al., 2003; CASTRO, 2002). Em refinarias, plantas químicas e outras operações onde o produto transportado está passando por tubos é fundamental o monitoramento em serviço destes componentes para se ter um nível de confiança adequado para o bom funcionamento das instalações (DENPRIS, 2005). Medidas de espessura de dutos com adequada precisão pode aumentar a confiança nos resultados comparando-se com a técnica convencional que utiliza filmes. Verificou-se também o uso desta técnica para a inspeção de isoladores elétricos (MELLO, 2004). A Figura 21 apresenta exemplos de aplicações da radiografia digital nas áreas de segurança, aeronáutica, refinarias e automotiva (YIRON, 2005; ESTERMANN, 2005).
(a) Refinarias (b) Segurança
(c) Aeronáutico (d) Automotivo
O uso da radiografia digital abre um mundo de oportunidades para aplicações em novos segmentos onde, até hoje, a radiografia convencional é utilizada (HELMSTETTER, 2005; GIBBS, 2005). A procura por sistemas de inspeção totalmente automatizados tem sido implementada no segmento automotivo com o uso da radiografia digital tem como objetivo aumentar a segurança e a confiabilidade dos laudos emitidos em peças críticas, além do aumento da produtividade (HEROLD, et al., 2006). Várias patentes têm sido emitidas envolvendo a radiografia digital na área médica, temas de inspeção de estruturas de aviões, sistemas e dispositivos para a automação da inspeção de soldas, de dutos livres e revestidos, tanques e de estruturas compostas de fibras de carbono, grafite reforçado e de não metais (BUENO et al., 2003; BIRDWELL, GALISH, 2002; LOTT, 2003; BATZINGER et al., 2005; GEORGESON, SAFAI, 2006; LASIUK, GRIFFIN, ALLISON, 2006; BIRDWELL, BANTEL, 2006; MOHR, BUENO, 2003).
2.3.1 Vantagens
Os sistemas de radiografia digital oferecem a possibilidade de obtenção de imagens com exigências de exposição muito menos rigorosas do que os sistemas analógicos. As imprecisões em termos de exposição provocam, normalmente, o aparecimento de radiografias demasiado escuras, demasiado claras ou com pouco contraste, facilmente melhoradas com técnicas digitais de processamento e exibição de imagem. As vantagens dos sistemas digitais podem ser divididas em: facilidade de exibição da imagem, redução das doses de raios-X, facilidade no processamento de imagem, facilidade de aquisição, armazenamento e recuperação da imagem (ROCHA, 2003).
A primeira vantagem da radiografia digital é que a imagem pode ser mostrada em um monitor, ao invés do processo tradicional de expor o filme contra a luz. O modo de mapear a imagem em níveis de brilho em um monitor pode ser totalmente controlado pelo observador.
Como alternativa, a gama total de intensidade pode ser usada para exibir uma parte dos valores de pixel aumentando, assim, o contraste na região de interesse. Sendo assim, toda a operação é simplificada desde a obtenção da imagem até o tempo de ciclo para se obter, avaliar e arquivar cada imagem em comparação às radiografias convencionais (ROCHA, 2003).
A segunda vantagem da radiografia digital é a possibilidade da redução da dose de raios-X a que um paciente ou operador ficam sujeitos, sendo possível usar tanto baixas energias como um tempo menor de exposição (EWERT et al., 2006). Desde que a relação sinal/ruído seja satisfatória, qualquer perda em contraste pode ser recuperada usando técnicas digitais de processamento de imagem (ROCHA, 2003).
A terceira vantagem da radiografia digital é a possibilidade do processamento digital de imagem (BRUGGER, HOWARD, 2005). O aumento do contraste ou a equalização por histogramas são técnicas digitais que podem ser usadas. Muitas vezes para se ver pequenos detalhes são utilizados filtros que possibilitam a visualização destes que, comparados com a técnica digital, poderiam não ser percebidos. Uma maior gama de pesquisas na imagem pode ser realizada resultando em uma diminuição da possibilidade de erros, aumentando a qualidade do laudo que é dado. Nestes casos, o uso de aplicativos de avaliação automático de imagem podem ser aplicados (ROCHA, 2003).
A quarta vantagem é a possibilidade da obtenção da imagem sem tempo de espera para o processamento do filme, armazenamento em bases de dados eletrônicos permitindo a pesquisa mais fácil e a transmissão para longas distâncias, usando redes de comunicação de dados (ROCHA, 2003).
A eliminação de produtos químicos, processadoras, secadoras, salas enormes de filmes a processar e processados sob condições controladas encontra-se integrada nesta nova técnica. Outro fato importante é o impacto ambiental com a eliminação de rejeitos, conforme
apresentado na Figura 22. No caso dos detectores planos uma outra vantagem pode ser incluída, pois com a automação necessária há a eliminação da necessidade de o operador entrar na área de risco (PINCU, 2005).
(a) Químicos (b) Embalagens plásticas Figura 22 – Rejeitos da radiografia convencional (PINCU, 2005).
Além dessas vantagens pode-se destacar o fator econômico que associa as vantagens mencionadas com fatores de custo envolvidos dos materiais, processos, etc. Foi demonstrado que com o uso dos detectores planos na aplicação industrial pode-se chegar a uma economia de cerca de 60% do custo total por exposição em relação ao uso de filmes (BOIY, 2006; DIAMOND, 2006).
A Tabela 3 apresenta os números comparativos entre as técnicas utilizando filme, CR e DR.
