XVII CONGRESSO NACIONAL DE
ENGENHARIA MECÂNICA E
INDUSTRIAL
AVALIAÇÃO NÃO DESTRUTIVA DE DUTOS DE MATERIAL COMPÓSITO COM TÉCNICAS DE TERMOGRAFIA ATIVA
José Carlos Bizerra Costa Junior (1) (jrcosta.ufs@gmail.com ), Erick Cerqueira das Neves (1)
(cerqueiraen@gmail.com ), Ricardo Silva Rocha(3)( ric.rocha@petrobras.com.br ), Jaqueline Dias Altidis(2)
(jaquelinealtidis@yahoo.com.br ), Carlos Otávio Damas Martins(1) (carlosmartinsufs@gmail.com).
(1) Universidade Federal de Sergipe (UFS); Laboratório de Análise de Integridade Estrutural (LAIES) (2) Universidade Federal de Sergipe (UFS); Departamento de Engenharia Mecânica
(3) PETROBRAS; UO/SEAL
RESUMO: Diante dos vários procedimentos disponíveis para a inspeção de equipamentos e sistemas tubulares
fabricados em materiais compósitos, a Termografia Ativa tem se mostrado promissora, devido ao seu potencial não invasivo e capacidade em analisar grandes áreas num curto espaço de tempo. Este trabalho buscou analisar a aplicabilidade da técnica de Termografia Ativa na detecção de descontinuidades volumétricas simuladas em amostras reais de dutos de material compósito do tipo epóxi reforçado com fibra de vidro. Como etapa complementar, foi discutida e aplicada a técnica de segmentação, como parte do pós-processamento das imagens termográficas obtidas. Os ensaios termográficos com o soprador térmico se mostraram efetivos para geração de um contraste térmico na superfície do material, permitindo a visualização das descontinuidades pela câmera termográfica. Adicionalmente, a técnica de segmentação se mostrou uma ferramenta importante no pós-processamento das imagens, potencializando a visualização dos defeitos. Deste modo, os resultados obtidos justificam a continuidade de pesquisas relacionadas e formação de parcerias cooperativas entre pesquisadores da Universidade Federal de Sergipe e profissionais do setor produtivo nacional.
PALAVRAS-CHAVE: Termografia Ativa, inspeção, tubulações, compósitos, processamento de imagens. NON-DESTRUCTIVE EVALUATION OF COMPOSITE MATERIAL PIPELINES WITH ACTIVE
THERMOGRAPHY TECHNIQUES
ABSTRACT: In view of many procedures available for the inspection of pipelines systems and equipment made
of composite materials, Active Thermography has shown to be promising due to its non-invasive potential and the ability to analyze large areas in a short time. This work aimed to analyze the applicability of the Active Thermography technique in the detection of simulated volumetric defects in real specimens of glass fiber reinforced composite ducts. As a complementary stage, the segmentation technique was applied as part of the post-processing of the thermographic images obtained. The thermographic tests with the thermal blower were effective for generating thermal contrast on the surface of the material, allowing visualization of the defects by the thermographic camera. In addition, the segmentation technique proved to be an important tool in the post-processing of the images, enhancing the visualization of the defects. Thus, the results obtained justify the continuation of related research and the formation of cooperative partnerships between researchers from the Federal University of Sergipe and professionals from the national productive sector.
1. INTRODUÇÃO
1.1. Generalidades
Apesar de muito rentável, a exploração e transporte de petróleo e seus derivados apresenta-se como um desafio constante para engenheiros e pesquisadores. As grandes distâncias e apresenta-severas condições operacionais, demandam cuidados especiais para o uso correto de materiais e componentes. Neste sentido, podemos citar o exemplo dos problemas relacionados a elevada corrosividade do petróleo e seus subprodutos, justificando a utilização de materiais nobres para a fabricação de equipamentos e sistemas. Para o caso do transporte de água produzida, as indústrias têm preferido à aplicação de materiais compósitos poliméricos em relação aos convencionais dutos de aço. Este novo cenário reduz a probabilidade de falha associada à corrosão, servindo de base para a redução dos investimentos em processos e etapas de inspeção e manutenção periódica.
A Figura 1 apresenta uma visualização de uma unidade de bombeio de petróleo em campos terrestres, assim como um segmento de tubulações de bombeio de água produzida (sistema no qual estão sendo aplicados os dutos de materiais compósitos).
FIGURA 1 - Unidade de bombeio e central de bombeamento de água produzida para a exploração de campos terrestres de petróleo. Fonte: PETROBRAS (2017).
Em contrapartida, como todos os materiais, compósitos poliméricos podem estar sujeitos a outros mecanismos de dano. Análises em relação às solicitações e responsabilidade dos componentes utilizados, devem avaliar a necessidade da inspeção para a garantia da integridade e segurança operacional. Neste aspecto, a Norma Regulamentadora (NR-13), estabelece requisitos mínimos para gestão da integridade estrutural das tubulações que interligam caldeiras a vapor e vasos de pressão. Associadas a esta norma, algumas empresas utilizam também o Serviço Próprio de
Inspeção de Equipamentos (SPIE) como ferramenta para certificar, sobretudo, os prazos que estes componentes devem ser inspecionados. Porém, a substituição de dutos de aço por dutos de material compósito nas linhas de transporte de água produzida, abre um novo leque de variáveis, quanto aos diferentes mecanismos de danos nestes materiais, que precisam ser investigadas e abordadas nos procedimentos de inspeção existentes. Associado a esta problemática, relatos de falhas recentes tem demandado a necessidade de se estudar os mecanismos de degradação destes materiais bem como a de se desenvolver procedimentos adequados de inspeção e monitoramento.
Deste modo, o presente trabalho visa o desenvolvimento de técnicas não invasivas de inspeção de componentes tubulares, fabricados em materiais compósitos de matriz polimérica, utilizados no transporte de água produzida durante à exploração de Petróleo em campos terrestres. Para tal, foram extraídas amostras reais de um segmento de duto de material compósito do tipo epóxi reforçado por fibra de vidro, onde foram usinados defeitos com diferentes características geométricas. A seguir, foram testadas diferentes metodologias de aplicação da técnica de Termografia Ativa como meio de inspeção e detecção de descontinuidades.
Este trabalho consiste em um estudo piloto para o Estado de Sergipe e, apesar de não contar com investimentos financeiros, visa a aproximação entre pesquisadores da Universidade Federal de Sergipe com o setor produtivo regional e nacional.
O Estado de Sergipe ocupa importante papel na produção Nacional de Petróleo e seus derivados. Tendo na cidade de Carmopólis o maior volume em reservas terrestres do país e o primeiro descoberto na bacia sedimentar de Sergipe – Alagoas (1963), atualmente contamos com mais de 25 plataformas e diversas unidades terrestres, sob responsabilidade da UO/SEAL (PETROBRAS, 2017).
Deste modo, acredita-se que ao direcionar pesquisas para a solução de possíveis problemas tecnológicos enfrentados pela Petrobras em Sergipe, estamos contribuindo para a formação de recursos humanos e o crescimento do potencial sócio – econômico do nosso Estado.
1.2. Objetivo Geral
Avaliar a aplicabilidade das técnicas de Termografia Ativa por reflexão, na detecção de defeitos simulados em amostras de dutos de material compósito de matriz epóxi reforçado por fibra de vidro, a partir da variação da fonte de excitação térmica.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Metodologia
Para este trabalho foram analisados dois estudos envolvendo materiais compósitos do tipo polímeros reforçados por fibra de vidro (PRFV). O primeiro consistiu em avaliar a influência da variação das fontes de excitação térmica do ensaio termográfico por reflexão, na obtenção das imagens termográficas, ou seja, avaliar a aplicabilidade dos métodos para a detecção dos defeitos simulados nos corpos de prova utilizados neste trabalho. O segundo estudo buscou produzir e analisar curvas de resfriamento de pontos defeituosos de um corpo de prova específico (CP01) durante um período (t), com o objetivo de avaliar a possível relação entre as dimensões dos defeitos presentes na amostra e a variação de temperatura destes pontos, quando comparados com uma região sem defeitos. Em caráter complementar ao primeiro estudo, a partir das melhores configurações de ensaio obtidas, buscou-se aprimorar as imagens termográficas geradas com um método inicial de pós-processamento de imagem definida como segmentação que, de acordo com Grosso (2011), transforma uma imagem em diferentes níveis de cinza em uma imagem binária, facilitando o processo de análise das imagens e suas características. A Figura 3 apresenta, de maneira geral, as etapas necessárias à realização do trabalho.
FIGURA 2 - Metodologia geral do trabalho. Fonte: Elaborado pelo autor
Foram utilizados, portanto, quatro corpos de provas, sendo três de 8 mm e um de 17,7mm de espessura. Buscou-se simular falhas relativas a perda de espessura localizada (defeitos volumétricos). Estes defeitos foram simulados através de furos cilíndricos e rasgos controlados,
Preparar e Identificar os corpos de prova Treinamento em Termografia (Pré-testes) Preparação dos sistemas de Termografia Ativa Por Reflexão Realização dos Ensaios/ Variação de parâmetros Pré-tratamento das imagens: Flir Tools + Tratamento final dos
termogramas obtidos: ImageJ Curvas de perfil de resfriamento dos defeitos x Dimensões dos defeitos
produzidos por usinagem na parte interna da tubulação, com diferentes diâmetros e profundidades, como mostrado na Figura 02.
FIGURA 3 - Corpos de prova usinados. Fonte: acervo do autor
Os defeitos e suas respectivas dimensões estão indicados nas Tabelas 4 e 5.
TABELA 1 - Corpos de prova 01 e 02. Fonte: Elaborado pelo autor CP 01 -Furo Cilíndrico CP 02 - Furo Cilíndrico
Espessura 8mm Espessura 8mm N° de defeitos: Diâmetro (mm) Profundidade (mm) N° de defeitos: Diâmetro (mm) Profundidade (mm) 1 10 2,7 1 19 1,9 2 10 3,8 2 19 2,2 3 10 2,15 3 19 3,6 4 10 5,95 4 19 2,9 5 10 5,25 5 19 2,8 6 10 5,45 7 12 5,25 8 12 3,15 9 12 2,55/4,3 10 12 5 11 14 4,15 12 14 6,3 13 14 3,95 14 14 6,8
TABELA 2 - Corpos de prova 03 e 04. Fonte: Elaborado pelo autor CP 03 -Rasgos CP 04 -Furo Cilíndrico e Rasgo
Espessura 8 mm Espessura 17,7 mm N° de defeitos: Dimensões (mm) Profundidade (mm) N° de defeitos: Diâmetro (mm) Profundidade (mm) 1 28x10 3 1 10 10,2 2 30x10 2,5 2 19 5,35 3 28x10 2 3 11 9,15 4 11 7,6 5 12 5 6 12 6,1 7 (rasgo) 29,25x12 5,3 8 (rasgo) 31,15x10 7,95 2.2. Equipamentos utilizados
O trabalho foi realizado com a modalidade de Termografia ativa pulsada e vibrotermografia por reflexão, onde os defeitos se encontram na face oposta à câmera e a fonte de calor, utilizando como fontes de excitação térmica os seguintes equipamentos:
• Soprador térmico de 1550W de potência (DEWALT-D26411), com temperatura de saída que pode variar entre 50 e 600ºC;
• Lâmpada de infravermelho Philips de 150W de potência;
• Sistema Gerador de Flash ATEk 5000 LLC com duas lâmpadas de modelagem halógena de 150W de potência cada;
• Gerador de pulso ultrassônico Proceq, modelo Pundit lab, com transdutor de 54kHz e 250kHz.
Para geração das imagens, foi utilizada uma câmera termográfica infravermelha FLIR, modelo T640 Sc.
2.2.1. Variáveis manipuladas
Para cada fonte térmica utilizada neste trabalho, buscou-se variar parâmetros relacionados a cada equipamento. Para o soprador térmico e lâmpada de infravermelho, por exemplo, foram testadas diferentes distâncias da fonte emissora de calor ao corpo de prova, bem como tempo de
excitação térmica variados. Para o flash, buscou-se variar a potência das lâmpadas halógenas em três níveis. Já para o caso do ensaio termográfico com ultrassom, foram feitos testes com transdutores de diferentes frequências. As Tabelas 3 a 6 mostram como os parâmetros foram trabalhados em cada corpo de prova.
TABELA 3 - Parâmetros de ensaio com o soprador térmico. Fonte: Elaborado pelo autor CP01, CP02, CP03 e CP04 Ensaio Distância Fonte/Amostra (mm) Tempo de
Aquecimento (s) Fonte de excitação térmica
1 50 10 Soprador térmico industrial 2 50 20 Soprador térmico industrial 3 50 30 Soprador térmico industrial 4 50 40 Soprador térmico industrial 5 100 20 Soprador térmico industrial 6 100 30 Soprador térmico industrial 7 100 40 Soprador térmico industrial 8 100 50 Soprador térmico industrial
TABELA 4 - Parâmetros de ensaio com a lâmpada de infravermelho. Fonte: Elaborado pelo autor CP01, CP02, CP03 e CP04 Ensaio Distância Fonte/Amostra (mm) Tempo de Aquecimento (min) Fonte de excitação térmica 1 130 10 Lâmpada de Infravermelho 2 130 20 Lâmpada de Infravermelho
TABELA 5 - Parâmetros de ensaio para utilização do Flash. Fonte: Elaborado pelo autor CP01, CP02, CP03, CP04 Ensaio Potência do gerador (%)
Número de pulsos Fonte de excitação térmica
1 25 10 Flash
2 50 10 Flash
3 75 10 Flash
4 100 10 Flash
TABELA 6 - Parâmetros de ensaio com o Ultrassom. Fonte: Elaborado pelo autor (CP01, CP02, CP03 e CP04) Ensaio Frequência do transdutor (kHz) Tempo de excitação (min) Fonte de excitação térmica 1 54 10 Ultrassom 2 54 20 Ultrassom 3 54 30 Ultrassom 4 250 10 Ultrassom 5 250 20 Ultrassom 6 250 30 Ultrassom
Já a câmera termográfica foi controlada por um software fornecido pelo fabricante, neste caso o FLIR Tool +, e nele foi possível ajustar parâmetros como a emissividade do material (0,93), e condições do ambiente como umidade e temperatura. Os ensaios foram gravados com o auxílio deste software e um computador. Os vídeos obtidos das melhores configurações encontradas foram transformados para o formato JPG de sequência de fotos, para posterior tratamento das imagens com o software ImageJ.
2.3. Tratamento das imagens: segmentação
Após a aquisição das imagens termográficas das melhores respostas obtidas para o CP01, CP02 e CP03, foi necessário convertê-las do formato RGB para tons de cinza (8 bits), formato compatível com o programa de processamento de imagens ImageJ. De posse das imagens em tons cinza, analisou-se o comportamento do histograma dos níveis de cinza das imagens em função do posicionamento dos pixels ao longo do corpo de prova, como mostrado na Figura 4.
FIGURA 4 - Histograma do defeito menos visível do CP01. Fonte: Elaborado pelo autor
A partir do valor máximo encontrado de intensidade de pixel do defeito menos visível para cada amostra, foi determinado este valor, como sendo o limiar para realizar o procedimento de segmentação em 2D e 3D da sequência de imagens. Ou seja, toda intensidade de pico superior ao limite estabelecido foi considerada defeito, aparecendo como um ponto branco na imagem. Por sua vez, valores inferiores a este limite, implicam em regiões não defeituosas, mostradas na cor preta.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A distância entre a câmera termográfica e os corpos de prova foi fixada em 450 mm e a emissividade do compósito em 0,93 (GROSSO, 2011), para todos os ensaios. As imagens foram obtidas diretamente do software da câmera, utilizando, inicialmente, recursos simplificados para o pré-tratamento das imagens e redução dos ruídos. Foi escolhido, portanto, o recurso de “Equalização de histograma”, como opção do campo “Distribuição de cor” do Flir Tools +, obtendo um contraste melhorado.
As metodologias abordadas inicialmente para utilização da lâmpada de infravermelho, do flash fotográfico e do ultrassom como fontes de excitação térmica, não geraram resultados satisfatórios para identificação das descontinuidades nas amostras utilizadas, e ainda estão sob desenvolvimento. Portanto, serão discutidos e enfatizados neste trabalho apenas os resultados obtidos com a utilização do soprador térmico no ensaio termográfico.
3.1. Soprador térmico
Para cada corpo de prova ensaiado, as imagens termográficas aqui apresentadas, são reflexo das configurações que apresentaram percentuais de detecção dos defeitos mais significativos.
A Figura 5 apresenta a imagem termográfica para o CP01 que melhor revelou as descontinuidades simuladas, tendo como tempo de excitação térmica (t) de 30s e distância entre a fonte emissora e o corpo de prova (Df) de 50 mm.
FIGURA 5 - Termograma do CP01. Fonte: Elaborado pelo autor
O ajuste da escala temperatura foi feito manualmente, tendo sua variação limitada em 10ºC, e limite inferior de 40ºC e superior de 50ºC, em função da melhor visibilidade dos defeitos. Esta configuração permitiu que após o resfriamento da amostra por aproximadamente 35 segundos, fossem identificados com clareza 12 dos 14 pontos das descontinuidades simuladas. Os dois defeitos não identificados, relativos aos pontos 1 e 3 da Tabela 1, são descontinuidades que apresentam raios de defeito inferiores as medidas de suas respectivas profundidades em relação a superfície do corpo de prova. Não se enquadram, portanto, na regra geral mencionada por Maldague (2002), que diz que o raio do menor defeito detectável deve ser pelo menos uma a duas vezes maior do que a sua profundidade sob a superfície. Essa regra é uma diretriz útil para os ensaios de Termografia pulsada básico em materiais isotrópicos homogêneos.
A Figura 6, por sua vez, apresenta os termogramas obtidos para o CP02. A escala foi ajustada manualmente para os limites de 64 a 75 ºC. O tempo de aquecimento de 40s e a distância de 50mm
entre a fonte e a amostra, foi a configuração que melhor contribuiu para que fossem encontrados todos os defeitos simulados.
FIGURA 6 - Termograma do CP02. Fonte: Elaborado pelo autor
Em seguida, foi obtida a imagem termográfica para o CP03 (Figura 7). Os parâmetros de ensaio otimizados que resultaram nesta imagem foram: tempo de excitação de 30s e distância fonte/amostra de 50 mm. Todos os defeitos puderam ser visualizados para esta configuração. Observou-se que defeitos de dimensões reduzidas podem ser visualizados mais rapidamente pela câmera. Assim como, o tempo de visualização destes é bem menor se comparado a defeitos maiores, devido ao rápido espalhamento do calor ao longo do corpo de prova.
Já para o CP04 a melhor configuração de ensaio com a utilização do soprador térmico foi encontrada para o tempo de aquecimento de 50s e distância fonte/amostra de 50 mm, como mostrado na Figura 8.
FIGURA 8 - Termograma do CP04. Fonte: Elaborado pelo autor
Apenas um dos oito defeitos simulados para este corpo de prova pode ser detectado. A relação entre o raio dos defeitos simulados e a espessura restante de material é maior quando comparada aos outros corpos de prova ensaiados. Este aspecto dificulta ainda mais a detecção pela técnica da Termografia ativa. A grande espessura do corpo de prova, por sua vez, gera um maior espalhamento do fluxo de calor na amostra, reduzindo significativamente o gradiente de temperatura na superfície do material e, consequentemente, impedindo a visualização das descontinuidades.
3.2. Avaliação da variação de temperatura com o a dimensão dos defeitos.
Esta etapa do estudo foi realizada apenas para o corpo de prova CP01, por este apresentar um número maior de defeitos simulados e respostas mais significativas tanto na quantidade quanto na qualidade da visibilidade dos defeitos detectados. A partir da melhor configuração de ensaio selecionada para este corpo de prova, descrita no item 5.1, e com o auxílio do software OriginPro8, foram geradas as curvas de resfriamento de cada descontinuidade monitorada, num intervalo de tempo (t), representadas pelas Figuras 9 a 11.
FIGURA 9 - Curvas de resfriamento dos defeitos simulados no CP01-01. Fonte: Elaborado pelo autor
FIGURA 10 - Curvas de resfriamento dos defeitos simulados no CP01-02. Fonte: Elaborado pelo autor
FIGURA 11 - Curvas de resfriamento dos defeitos simulados no CP01-03. Fonte: Elaborado pelo autor
Para construção dos gráficos, foi destacado o intervalo de tempo no qual há uma diferenciação expressiva entre cada curva de resfriamento e os seus respectivos pontos sem defeito de referência. Nota-se que as curvas tendem a se estabilizar rapidamente, indicando que não há mais gradiente térmico expressivo na superfície do material, e a partir desse momento, as descontinuidades se tornam mais difíceis de serem visualizadas.
Tomando-se como referência a curva das regiões sem defeitos dos gráficos, percebe-se que a medida que as dimensões dos defeitos crescem, principalmente no sentido da redução de espessura do material, estes apresentaram variações de temperatura maiores, quando comparadas a outros pontos onde se encontram defeitos menores.
3.3. Tratamento das imagens termográficas
Buscou-se nesta etapa, como forma complementar ao estudo, realizar uma análise inicial do pós-processamento das imagens termográficas obtidas no ensaio com soprador térmico, a partir do método da segmentação, utilizando o software ImageJ. Tomou-se como referência os corpos de
prova CP01, CP02 e CP03, por apresentar mesma espessura e ampla variedade de dimensões dos defeitos.
Após a escolha do valor do limiar utilizado para segmentação, como descrito no item 4.4, foram obtidas as imagens segmentadas para o CP01 e CP02 e CP3, respectivamente, em 2D e 3D, como mostrado nas Figuras 12 a 14.
(a) (b)
FIGURA 12 - Imagens segmentadas do CP01: (a) em 2D; (b) 3D. Fonte: Elaborado pelo autor
(a) (b)
(a) (b)
FIGURA 14 - Imagens segmentadas do CP3: (a) em 2D; (b) em 3D. Fonte: Elaborado pelo autor
De acordo com as respostas obtidas nas imagens processadas do CP01, CP02 e CP3, constatou-se que o processo de segmentação de fato contribuiu para um destacamento maior dos objetos de interesse, que são as descontinuidades.
Para segmentação em 3D, pode-se também notar uma relação entre a profundidade dos defeitos com seus respectivos tamanhos de pico nas figuras. De forma que os pontos que apresentaram os picos maiores foram os pontos de maior perda de massa do material. Porém, no que se refere a qualidade do processamento das imagens por este método, foram listados alguns fatores que podem resultar em interferência na obtenção de melhores imagens:
• A análise foi feita em uma amostra de duto real, retirada do campo de operação. Neste tipo de amostra, podem existir defeitos desconhecidos, que não foram considerados, e que podem interferir na interpretação das imagens, gerando ruídos ou “falsos positivo”;
• Convexidade do duto pode reduzir a precisão na produção das imagens termográficas, revelando as descontinuidades de forma parcial;
• Não conformidade na usinagem dos furos também podem gerar distorções, dificultando a estimação das dimensões das descontinuidades.
• Resíduos na superfície do material podem alterar a emissividade nesta região, gerando mudanças falsas de temperatura, já que a quantidade de energia que chega ao detector não é mais compatível com a emissividade fornecida no início do ensaio.
4. CONCLUSÃO
Diante dos resultados obtidos, o aporte térmico realizado com o soprador de 1550 W de potência proporcionou melhores condições quanto ao fluxo de calor nos corpos de prova para a obtenção de respostas significativas na Termografia ativa, utilizando distâncias pequenas (5 cm) entre a fonte emissora e a amostra, e poucos segundos de excitação térmica (entre 20 e 40 segundos).
Apesar de algumas não conformidades em relação a usinagem dos corpos de prova, a metodologia de pós-processamento das imagens por segmentação, apresentou resultados satisfatórios, deixando as descontinuidades mais evidentes, atenuando os ruídos e facilitando a interpretação dos dados. Torna-se, portanto, uma importante ferramenta para ser utilizada em paralelo aos ensaios termográficos.
A partir da segmentação em três dimensões, por exemplo, foi destacada a possibilidade de avanço no processamento das imagens no que se refere ao dimensionamento dos defeitos simulados.
5. REFERÊNCIAS
GROSSO, M. “Análise Termográfica de Defeitos de Corrosão em Aços Revestidos Por Materiais Compósitos.” Trabalho de Conclusão de Curso - Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2011.
MALDAGUE, X. “Introduction to NDT by Active Infrared Thermography.” Materials Evaluation, v.6, n.9, p.1060-1073, 2002.
