Copyright 2018, ABENDI, PROMAI.
Trabalho apresentado durante o XXXVI – Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção.
21ª IEV – Conferência Internacional sobre Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipos Industriales.
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).
SINOPSE
As fontes eólicas promissoras na geração de energia elétrica são ambientalmente seguras e com um elevado potencial. Sujeita a intempéries, as pás eólicas também correm o risco de choques de animais, materiais e a vibração do próprio sistema. Assim, o monitoramento não destrutivo destas estruturas é importante para manter a eficiência de todo o processo. O principal material que compõe as pás é um compósito de matriz polimérica reforçado por fibras, além da madeira de balsa como reforço estrutural. Devido à natureza heterogênea e anisotrópica dos materiais, o monitoramento do sistema usando ensaios não destrutivos ultrassônicos, por exemplo, torna-se difícil pela dispersão e atenuação elevada, dificultando a interpretação e análise dos sinais adquiridos. O ensaio não destrutivo Tap Test pode vir a ser uma opção segura à limitação de alguns END's em materiais compósitos. O objetivo deste trabalho é a inspecionar chapas de compósitos de resina polimérica utilizados em pás eólicas com descontinuidades utilizando o ensaio não destrutivo Tap Test, onde serão analisadas regiões com e sem defeito das amostras. Os sinais coletados serão processados a fim de possibilitar a extração de características e possibilitar a existência de descontinuidades.
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1 Graduando em Eng. Industrial Mecânica – GPEND /LABIND/IFBA 2 Graduando em Eng. Industrial Mecânica – GPEND /LABIND/IFBA 3 Prof. Dr. Eng. Metalúrgica e de Materiais - GPEND/LABIND/IFBA 4 Profa.Dra. Eng. Metalúrgica e de Materiais - GPEND/LABIND/IFBA
CONAEND&IEV2018 - 390
DETECÇÃO DE DANOS EM PÁS DE TURBINAS EÓLICAS UTILIZANDO TAP TEST. João C. S. Queiroz1, Ygor T.B. Santos2, Ivan C. da Silva3, Cláudia T. T. Farias4.
INTRODUÇÃO
Com o aumento do interesse mundial por energias renováveis, a demanda proveniente de fontes limpas aumentou significativamente. O Brasil, além de apresentar cerca de 80% de matriz energética provinda de hidroelétricas, também está investindo em novas fontes, como a eólica e a solar. Nos últimos anos o país enfrentou períodos de seca diminuindo a energia provinda das hidroelétricas, que tiveram seus níveis em reservatórios minimizados. Por isso, no intuito de estabilizar e diversificar a matriz energética, grandes investimentos em energia eólica estão ocorrendo, principalmente pelo elevado potencial nos estados como o Rio Grande do Norte, Ceará e Bahia [1].
A transformação da energia cinética dos ventos em energia elétrica se dá através da rotação das pás dos aerogeradores. As pás eólicas são as partes que mais sofrem estresse mecânico por terem contato constante com o vento e com o ambiente onde se encontra. Para amenizar esses problemas as lâminas das pás eólicas são construídas com materiais compósitos que apresentam boa resistência mecânica ou a fadiga, são leves, apresentam boa resistência à corrosão e a raios UV [2].
Materiais compósitos são produzidos pela união de dois ou mais materiais com distintas composições e propriedades separados por uma interface[3]. Essa combinação produz um material novo com as características desejáveis de trabalho. Em geral, os materiais que formam o compósito são classificados em dois tipos: aglomerante (fase continua ou matriz) e reforço (fase dispersa ou fibras). [4], [5]. No caso de matriz polimérica, a fibra de vidro e de carbono são as mais utilizadas pois, agregam excelentes propriedades mecânicas.
As instalações de turbinas eólicas devem ser inspecionadas em intervalos regulares de dois ou quatro anos para análise da estrutura, das partes mecânicas e das pás eólicas. Os ensaios não destrutivos são utilizados para garantir uma confiabilidade de todo o sistema e evitar catástrofes. Técnicas como a sherografia, termográfica, ultrassom, Tap Test entre outras, vem ganhando o mercado de inspeções nestes sistemas [1].
A técnica de Tap Test, pode se apresentar bastante promissora, principalmente pelo seu baixo custo, sendo bastante utilizada no mercado aeronáutico. Tap Test é um ensaio não destrutivo manual para inspeção de materiais compósitos com alta capacidade para automatização. Neste procedimento, o inspetor com o auxílio de um instrumento na forma de um martelo (o mais tradicional) toca a superfície da estrutura de teste e avalia o som gerado. O inspetor escuta diretamente o som ou utiliza um receptor especialmente projetado para analisar o som ou o impacto e comparar a resposta com a parte livre de defeitos [6]. A principal aplicação é avaliação da colagem de materiais compósitos tanto de laminados fibra metal, quanto fibra resina epóxi. Juntamente ao sistema mecânico, outros aparelhos devem ser utilizados para a captação e digitalização dos sinais através de processamentos digitais de sinais.
Este trabalho, tem como principal objetivo detectar defeitos em chapas de materiais compósitos utilizados em pás de turbinas eólicas por meio não destrutivo. No ensaio foi a técnica Tap Test com auxílio de um acelerômetro na captura de sinais oriundos do impacto. Foram analisadas regiões com e sem defeito. Após a inspeção realizou se o processamento digital dos sinais para a facilitar a identificação e classificar as descontinuidades.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Ensaio com Tap Test
A Tap Test é a técnica mais antiga e simples de inspecionar compósitos. O objetivo principal é detectar descontinuidades, principalmente descolamentos e delaminações. Os resultados baseiam-se na comparação da resposta acústica do material com e sem defeito. Uma área sem defeito produzirá um som característico em comparação com uma região com defeito que geralmente produz um com acústica diferente. A Figura 1 utilizada no trabalho de [7] mostra a diferença dos sinais no domínio do tempo, obtidos a partir do ensaio com Tap Test feito com uma moeda como elemento de impacto em um compósito tipo honeycomb.
Figura 1- Sinal de impacto de um ensaio Tap Test em um compósito honeycomb mostrando as diferenças nas regiões com e sem defeito.
Embora o Tap Test seja viável na inspeção de materiais compósitos, ela precisa ser seguida por outra técnica de Ensaios Não Destrutivos (END) como: inspeção ultrassônica, radiográfica, termografia entre outros para informar com precisão as informações de tamanho e profundidade do defeito. Esta modalidade de ensaio é uma boa ferramenta para inspetores, mas aqueles que a usam precisam compreender suas limitações. Algumas
destas limitações envolvem a profundidade que pode ser inspecionada em relação ao tipo de material utilizado. Uma das grandes limitações, por exemplo, é a espessura dos materiais até uma linha de adesão [8]. Se for apenas algumas camadas, pode ser usada, mas geralmente, para mais de um quarto de polegada de espessura não é aconselhável a utilização desta técnica.
As pás de turbina eólica podem sofrer danos tanto durante a construção quanto em seu uso motivado principalmente pelas intempéries do tempo, imperfeições causadas por fadiga, impactos, delaminação, matriz seca e presença de corpos estranhos influenciam na natureza do impacto assim como seu resultado [7]. Cawley [9], mostrou que a delaminação em um material, pode ser modelada como um sistema massa-mola, cuja a mola é a rigidez da camada acima do defeito e, na ausência do defeito, essa rigidez tende ao infinito. A medida que a área do defeito se torna maior ou se aproxima da superfície, a rigidez da mola é reduzida. A mudança da rigidez pode ser detectada com a leitura da força e/ou do som de impacto de um êmbolo que vai de encontro ao corpo de prova, a aquisição de dados pode ser através de um microfone ou de um acelerômetro.
METODOLOGIA
Corpos de Prova (CP’S)
Neste trabalho, foram utilizados três corpos de prova retirados de parte de uma pá eólica. Os corpos de prova (CP’s) observados na Figura 2 possuem defeitos do tipo matriz seca e delaminação. A Tabela 1 mostra as dimensões correspondentes aos CP’s.
(a) (b) (c)
Figura 2: Corpos de prova: (a) CP1/região com delaminação; (b) CP2/região com delaminação; (c) CP3/região com matriz seca.
Tabela 1: Dimensões dos corpos de prova. Largura (mm) Comprimento (mm) Espessura (mm) Fibra de vidro em matriz polimérica Madeira de Balsa CP1 201 229 5,1 10,0 CP2 226 226 5,1 10,0 CP3 216 224 4,9 10,0
Sistema para aquisição dos sinais
Para a realização da inspeção foi desenvolvido um sistema para a geração e coleta de sinais a partir do impacto de um êmbolo nos corpos de prova. O sistema de inspeção é formado por quatro componentes principais: êmbolo, solenoide, placa eletrônica para acionamento do solenoide, acelerômetro modelo MMA1201P, circuito eletrônico de conexão do acelerômetro. Com a exceção do acelerômetro, todos os outros componentes foram confeccionados ou desenvolvidos nos Laboratórios de Inspeção Não Destrutiva (LABIND/IFBA).
Neste sistema, a captura do sinal é gerada após o impacto do êmbolo na região da placa eólica. O êmbolo foi usinado em um torno utilizando um tarugo de aço carbono SAE 1020 com as dimensões de 88 mm de comprimento e 5 mm de diâmetro. A força aplicada no êmbolo para gerar o impacto contra a região a ser inspecionada precisa estar padronizada para evitar uma diferença nos resultados, já que a amplitude do sinal possui relação direta com a intensidade da força aplicada. O componente eletrônico utilizado para a padronização da força é um solenoide que foi confeccionado, utilizando cobre esmaltado de 1 mm de diâmetro e uma estrutura de nylon PA6. Para gerar o pulso elétrico no solenoide foi devolvida uma placa de circuito eletrônico utilizando push button, LED, transistor TIP142, resistências, uma fonte de 5VDC para acionar o sistema e uma fonte de 32VDC para alimentação do solenoide. O acelerômetro necessita de uma tensão constante de 5VDC e filtros capacitivos no sinal de saída. Para atender esses requisitos foi confeccionado um circuito elétrico em acordo com o circuito proposto no datasheet do acelerômetro. A Figura 3 mostra a configuração do experimental utilizado neste trabalho.
Os sinais foram coletados em um osciloscópio digital Tektronix®, modelo TDS 2024B, a uma frequência de amostragem de 250 MS/s com interface para um microcomputador para armazenagem dos sinais. A varredura da chapa foi realizada, retirando sinais de região com e sem defeito, em cada área foram adquiridos 100 sinais na região sem defeito e 100 sinais na região com defeito de cada corpo de prova. Em sequência, os sinais foram armazenados em um computador e processados a partir de rotinas desenvolvidas em ambiente MATLAB®.
RESULTADOS
(a) (b) (c)
Figura 4: Sinais A-Scans dos corpos de prova utilizados: (a) delaminação, (b) sem defeito, (c) sinal com e sem defeito.
Os sinais obtidos na Figura 4, são resultados da inspeção por Tap Test no CP1. Os resultados obtidos no domínio do tempo mostram, que ocorreu diferenciação do tempo entre o pico dos sinais com e sem defeito para o correspondente defeito.
(a) (b) (c)
Figura 5: Sinais A-Scans dos corpos de prova utilizados: (a) delaminação, (b) sem defeito, (c) sinal com e sem defeito.
Na Figura 5, tem-se os sinais do CP2. Neste conjunto de sinais da mesma forma que o CP1, ocorreu um deslocamento no tempo maior que o CP1. Este fato se deve ao fato de que a descontinuidade decorrente deste CP ser em maior proporção o que fez com que os sinais, tivessem uma diferenciação maior para o mesmo tipo de defeito.
(a) (b) (c) Figura 6: Sinais A-Scans dos corpos de prova utilizados: (a) Matriz seca, (b) sem defeito, (c) sinal com e
sem defeito.
Já a Figura 6, tem-se os sinais proveniente do CP3. Este corpo de prova possui uma particularidade em relação aos demais, contendo a descontinuidade do tipo matriz seca (quando a resina não é absorvida pelas as fibras). Nestes sinais ocorreram uma diferença no tempo muito maior que o defeito de delaminação. Este fato pode ser explicado pela maior diferença de densidade entre os meios analisados.
Como complemento aos resultados dos sinais de Tap Test no domínio do tempo, foi realizada uma contagem da intercessão de todos os sinais nas suas respectivas classes para assim, verificar em cada corpo de prova o erro empregado na classificação de cada um. A tabela 2, mostra os valores correspondentes a cada corpo de prova.
Tabela 2- Valores referente ao erro de classificação dos corpos de prova. Classe / Total de sinais Sem Defeito /100 sinais Com Defeito / 100 sinais
Classificado como defeito Classificado como sem defeito
CP1 24% 4%
CP2 15% 2%
CP3 0% 0%
De acordo aos valores encontrados percebeu se que no CP1 e CP2 obtiveram valores relativamente altos quando na classificação de sem defeito 24 e 15% respectivamente. Esses valores podem ser explicados pelo fato de que esses sinais, terem capturados nas proximidades do defeito o que pode fazer com que ocorra influência de ambas classes na característica do sinal já que o sistema baseia se na rigidez das classes ou seja o quando o defeito modificou estruturalmente em relação a região sem defeito. Já o CP3 não ocorreu nenhum erro na classificação dos seus sinais fato esse, pode ser explicado através na natureza do defeito totalmente diferente de CP1 e CP2.
A Figura 7 mostra as médias dos sinais no domínio do tempo para todos os corpos de prova.
(a) (b) (c)
Figura 7: Média dos Sinais A-Scans dos corpos de prova utilizados: (a) Sem defeito, (b) com defeito, (c) média de todos os sinais.
Na Figura 7(a), observa-se que a média dos sinais sem defeito possuem comportamento semelhantes (Tempo de pico 2.070ms) mostrando que os sinais correspondem realmente a região sem defeito dos respectivos corpos de prova. Já na Figura 7(b), mostra as médias dos corpos de prova com defeito. De acordo com a Figura 7(c), todos os sinais tiveram um aumento no tempo, conforme explica a literatura, semelhanças entre os sinais de delaminação (Tempo de pico 2.102ms) foram nítidas já o defeito de matriz seca teve tempo maior (Tempo de pico 2.224ms) já que a morfologia do defeito é bastante diferente confirmando a eficácia da técnica quando avaliada neste domínio. A tabela 3 mostra todos os parâmetros avaliados no domínio do tempo.
Tabela 3- Valores referente ao tempo de pico dos corpos de prova.
CP1 CP2 CP3
Sem Defeito 2.070ms 2.071ms 2.090ms
Com Defeito 2.102ms 2.117ms 2.224ms
CONCLUSÕES
Neste trabalho, a técnica não destrutiva Tap Test, empregada no domínio do tempo para a detecção de defeitos em materiais compósitos utilizados em pás de turbinas eólicas, foi satisfatória pois, conseguiu mostrar um aumento na amplitude dos sinais em regiões com defeito em relação aos sinais em regiões sem defeito. Além disso, os sinais se comportaram de forma similar, quando avaliado em uma mesma classe de defeito, mudando apenas a amplitude destes. Foi observado que os sinais coletados em regiões com defeito apresentaram maiores amplitudes do que os sem defeito, o que está de acordo
com a literatura para materiais compósitos, quando uma região com defeito absorve menos energia que uma região íntegra. Para o defeito tipo delaminacão, os sinais apresentaram similaridades entre si, já o sinal do defeito de matriz seca apresentou os maiores valores de tempo. Os resultados obtidos neste trabalho servem de fiador da técnica de Tap Test na inspeção de materiais compósitos das pás de geradores eólicos.
AGRADECIMENTOS
Ao IFBA e ao CNPq pela infraestrutura e apoio financeiro. Ao Sr. Sérgio R.O Araújo pela doação dos corpos de prova.
REFERÊNCIAS
[1] Portal da associação brasileira de energia eólica, http://www.portalabeeolica.org.br, visitada no dia 03/13/2018.
[2] Juengert, A. ; Grosse, C. “Inspection techniques for wind turbine blades using ultrasound and sound waves”. NDTCE’09, Non-Destructive Testing in Civil Engineering Nantes, France, June 30th – July 3rd, 2009.
[3] Alawsi, G; Aldajah, S. “Impact of humity on the durability of E-glass/polymer Composites”. Materials & Design 30 (2009) 2506-2512.Crutchlow, Rick. Changing from open to closed moulding. Reinforced Plastics 48 (2004) 40-41.
[4] Baldan, A. “Adhesively-bonded joints in metallic alloys, polymers and composite
materials”: Mechanical and environmental durability performance. Journal of Materials Science 39 (2004) 4729-4797.
[5] Kwakernaak, A.; Hofstede, J.C.J. “Adhesive Bonding: Providing Improved Fatigue
Resistance and Damage Rolerance at Lower Costs”. SAMPE Journal 44 (2008) 6-15.
[6] Site Aviationpros,“http://www.aviationpros.com/article/10389135/nondestructive-testing-of-aircraft-composites”, visitada dia 31/03/2018.
[7] Cawley, P. and Adams, R. D., “The mechanics of the coin-tap method of
non-destructive testing,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 122, 1988, pp. 299-316.
[8] Shane Esola, Ivan Bartoli, Suzanne E. Horner, James Q. Zheng, Antonios Kontsos,
“Defect Detection via Instrumented Impact in Thick-Sectioned Laminate composites” Journal Nondestructive Evaluation (2017).
[9] Cawley, P.. “The impedance method of non-destructive inspection”. 1984 NDT
