TÉCNICAS E METODOLOGIAS INSPECÇÃO NÃO-DESTRUTIVA

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1 TÉCNICAS E METODOLOGIAS DE INSPECÇÃO NÃO-DESTRUTIVA por Luís Guerra Rosa Professor Associado do I.S.T. INTRODUÇÃO Os engenheiros necessitam com frequência de determinar as propriedades de um dado material, pelo que recorrem a ensaios normalizados (geralmente realizados sobre amostras ou provetes previamente preparados). Assim, pode afirmar-se que a maioria da informação (e em especial, aquela que diz respeito às propriedades mecânicas: comportamento à tracção, à compressão, ao corte, resistência ao impacto, à fadiga, etc) é obtida através de ensaios de natureza destrutiva. No caso de peças ou estruturas complexas, torna-se muitas vezes obrigatório ensaiar a totalidade da peça ou estrutura (à escala real). Por outro lado, as propriedades determinadas através de um ensaio de tipo destrutivo podem estar longe de representar as características de outras peças ou estruturas ainda que fabricadas com os mesmos materiais. As operações de obtenção e fabrico de um dado material ou componente mecânico levam a que nele apareçam defeitos de variados tipos e tamanhos. A natureza e as dimensões dos defeitos influenciam, em maior ou menor grau, o comportamento em serviço da peça ou componente. Outro tipo de defeitos, como por exemplo as fendas de fadiga ou de corrosão, podem surgir durante a vida em serviço do material. (Na Tabela I resumem-se as possíveis origens de defeitos em materiais ou peças.) Torna-se, pois, absolutamente necessário recorrer a métodos de detecção da presença de defeitos na fase de produção, assim como é necessário detectá-los e, se possível, medir a sua velocidade de crescimento durante a vida em serviço da peça ou estrutura.

2 2 Tabela I. Tipos de descontinuidades ou defeitos concentradores de tensão encontrados em materiais e estruturas. Defeitos que podem ser introduzidos durante o processamento das matérias-primas ou em operações de vazamento: inclusões (de escórias, naturais, acidentais ) segregações porosidades gasosas (bolsas de gás) defeitos devidos à contracção (porosidade, fissuras ) fissurações de vários tipos (devidas a esforços, hidrogénio, etc.) Defeitos que podem ser introduzidos durante a manufactura das peças: defeitos de maquinagem, de forjagem, de extrusão, de trefilagem, de laminagem, etc defeitos de soldadura (faltas de fusão, faltas de penetração, fendas, escórias, porosidades ) defeitos com origem em tratamentos térmicos, em tratamentos superficiais e em operações de revestimento fendas devidas a tensões residuais Defeitos que podem ser introduzidos durante as operações de transporte, manuseamento e montagem de peças ou estruturas: defeitos na superfície montagens incorrectas, desalinhamentos, tensões residuais falta de componentes Defeitos gerados durante o serviço ou utilização: defeitos devidos a alterações metalúrgicas defeitos com origem em fenómenos de fractura, de fadiga, de fluência, de desgaste, etc defeitos com origem em fenómenos de corrosão, de corrosão sob tensão

3 3 O primeiro estágio do exame de uma peça ou estrutura consiste muitas vezes na simples inspecção visual. O exame a olho nu não revelará muito mais que os defeitos relativamente grandes e que se encontram à superfície. A eficácia da inspecção visual pode no entanto ser melhorada se se usar uma lupa ou um microscópio. O tipo de microscópios de uso mais adequado para o normal exame visual de uma superfície são os denominados microscópios estereoscópicos. Geralmente não se requer uma ampliação muito grande, pelo que a maioria dos microscópios usados neste tipo de inspecção têm ampliações na gama de 5 a 100. Hoje em dia, a inspecção visual não se circunscreve ao âmbito das superfícies exteriores. A utilização de sondas de fibras ópticas permite a inspecção de superfícies interiores, uma vez que estas sondas (de tipo rígido ou de tipo flexível) podem ser introduzidas em cavidades, orifícios ou tubagens. Por outro lado, através da uti1ização de princípios físicos bem conhecidos, desenvolveram-se vários métodos de inspecção para a1ém da inspecção visual directa. Todos estes métodos têm como objectivo fornecer informação sobre a qualidade do material e, simultaneamente, têm como característica comum a todos eles o facto de não alterarem ou danificarem as peças ou estruturas examinadas. Na Tabela II resumem-se os tipos de Ensaios Não-Destrutivos (END) mais divulgados, apresentando-se as suas principais características e campos de aplicação. Pode dizer-se que todos estes diferentes métodos não-destrutivos coexistem pacificamente na prática industrial e, dependendo do tipo de aplicação, podem ser usados isoladamente ou em conjugação com outro método. Embora haja uma certa sobreposição entre os vários métodos de END, pode também afirmar-se que eles são complementares entre si. O facto de, por exemplo, o ensaio por ultra-sons poder revelar tanto fendas internas como fendas superficiais, tal não significa que seja sempre o melhor método para todos os tipos de inspecção não-destrutiva. A escolha do método mais adequado depende em muito do tipo de defeito que se pretende detectar, assim como depende da geometria e dimensões das peças que se quer examinar.

4 4 Tabela II Método Características Aplicabilidade Líquidos penetrantes Detecção de defeitos abertos à superfície. Pode ser usado em qualquer material metálico, em muitos plásticos, vidros e cerâmicos vidrados. Partículas magnéticas Detecção de defeitos superficiais e sub-superficiais. Só pode ser usado em materiais ferromagnéticos. Correntes eddy Detecção de defeitos superficiais e sub-superficiais. Pode também ser usado para medir espessuras de revestimentos não-condutores, por ex. tinta sobre metal. Pode ser usado em qualquer material metálico. Ultra-sons Detecção de defeitos internos, mas pode também detectar defeitos superficiais. Pode ser usado na maioria dos materiais. Radiografia Detecção de defeitos internos, defeitos superficiais, observação do posicionamento de peças numa estrutura. Pode ser usado em muitos materiais, mas há limitações no que respeita à espessura máxima da peça.

5 5 TIPOS DE EQUIPAMENTOS Os vários métodos de END podem ser usados, na prática, de muitas maneiras e a variedade de equipamentos ao dispor dos técnicos é, hoje em dia, verdadeiramente espantosa. Para qualquer um dos métodos por exemplo, para o método das correntes eddy ou correntes de Foucault é possível utilizar um sistema simultaneamente portátil e versátil, uma vez que se pode seleccionar o tipo de sonda mais adequado dentro de uma vasta colecção de sondas disponíveis. Assim, um operador qualificado pode usar o mesmo sistema para detectar defeitos de vários tipos numa vasta gama de diferentes peças e de diferentes materiais. Numa outra escala, uma empresa pode fazer um investimento para aquisição de um sistema totalmente automatizado e projectado por encomenda, o qual é incorporado numa linha de produção de modo a realizar a inspecção de rotina de todas as peças aí produzidas. É óbvio que estes dois tipos extremos de equipamentos (o portátil e o sistema totalmente automatizado e integrado) diferem nos seus aspectos concepcionais, de complexidade e de custos, embora ambos possam fazer uso dos mesmos princípios físicos para a detecção de defeitos ou anomalias. Para todos os métodos de END, existem equipamentos compactos e portáteis (os quais podem ser usados tanto em laboratório ou oficina, como no exterior in situ ); assim como o mesmo princípio em que o método se baseia pode servir para se criar um sistema de inspecção em larga escala. Enquanto o equipamento portátil visa resolver situações individuais de inspecção (caso a caso), os sistemas incorporados na linha de fabrico controlam grandes quantidades de um único produto ou de uma gama restrita de produtos. A QUALIDADE DA INSPECÇÃO Quando se usam métodos de END, há que ter certos cuidados e há que procurar obter não só informação de tipo qualitativo, mas sobretudo, e sempre que possível, informação de tipo quantitativo. A informação de tipo quantitativo terá necessariamente de ser fiel e, ao mesmo tempo, útil. A aplicação descuidada de um método de END conduz frequentemente a erros graves na avaliação da qualidade dos materiais ou produtos.

6 6 Torna-se imperioso prever de antemão quais os modos mais prováveis e críticos que poderão levar à ruína da peça ou estrutura, e a partir disso ser capaz de determinar os tipos de defeitos potencialmente perigosos e as suas dimensões admissíveis. Esta tarefa é, em primeiro lugar, da competência e responsabilidade do próprio criador ou projectista do produto. Assim, deverá caber ao próprio projectista a especificação dos defeitos que são inaceitáveis, bem como a indicação do método de inspecção mais adequado. Nem sempre é necessário usar um método de END capaz de detectar defeitos de muito pequena dimensão. Por exemplo, num ferro fundido cinzento cada lamela de grafite é uma descontinuidade; assim, um defeito ou outro tipo de descontinuidade que tenha uma dimensão idêntica à das lamelas típicas de grafite pode não ter importância no referido ferro fundido, mas ser muito importante noutros materiais, por exemplo numa liga forjada de alumínio, pelo que neste caso se exige um método de detecção com elevada sensibilidade. No entanto, se um método com a mesma sensibilidade fosse aplicado no ferro fundido cinzento, a maioria das lamelas de grafite seriam registadas, obtendo-se uma informação massiva que certamente mascararia a detecção de outros defeitos com maior dimensão, cuja presença, esta sim, poderá ser inaceitável. Em resumo, pode concluir-se que para se ter uma aplicação bem sucedida de um método de END o sistema de detecção e os procedimentos a seguir devem ser adequados ao tipo de defeitos a detectar, o operador deve possuir formação e experiência suficientes, e os níveis de aceitação de defeitos devem ser criteriosamente escolhidos de modo a se poder distinguir o que é aceitável do que não o é. Se qualquer dos pré-requisitos anteriores não for cumprido, existe a possibilidade de erro na detecção ou na caracterização de defeitos significativos. Tal terá uma importância vital se conduzir à impossibilidade de se detectarem defeitos que possam prejudicar as performances da peça ou estrutura. Um método de END mal projectado ou mal conduzido, pode levar a que a detecção de defeitos sem importância possa conduzir à rejeição da peça, ou, pelo contrário, que defeitos importantes possam ser considerados irrelevantes.

7 7 FIABILIDADE DAS TÉCNICAS DE DETECÇÃO DE DEFEITOS No projecto mecânico tradicional, estabelece-se em regra uma tensão admissível dividindo o valor da tensão de cedência, ou da tensão de rotura, por um de factor de segurança. Parte-se do princípio que o valor da tensão de cedência ou da tensão de rotura é representativo do material em que a peça é fabricada. Por outro lado, as filosofias de projecto baseadas nos conceitos da Mecânica da Fractura reconhecem a possibilidade da existência de defeitos no material. Estes defeitos tanto podem existir antes, como podem surgir durante a vida em serviço das peças. Os métodos da Mecânica da Fractura procuram quantificar os efeitos que a presença desses defeitos exerce sobre a resistência mecânica das peças. Em geral, os métodos da Mecânica da Fractura procuram determinar a capacidade de um determinado elemento estrutural resistir à propagação de uma fenda. A propagação de uma fenda pode ser devida a um esforço monótono ou ainda a fenómenos de fadiga (esforços cíclicos), acompanhados ou não por efeitos ambientais (corrosão, altas temperaturas, etc). Através da Mecânica da Fractura, os componentes são caracterizados por determinadas propriedades do material, por ex. a tenacidade ao entalhe (K c ) ou por outros parâmetros caracterizadores da propagação de fendas por Fadiga ou Corrosão Sob Tensão. Deste modo, é possível determinar o máximo tamanho de defeito admissível para qualquer zona da peça. A fiabilidade de uma dada técnica de END está relacionada com a eficiência dessa técnica para detectar defeitos de um determinado tipo, forma e dimensão. Após a realização da inspecção, pode dizer-se que existe uma certa probabilidade do componente ou peça estar livre de defeitos do referido tipo, forma e dimensão. Quanto maior for essa probabilidade, maior será a fiabilidade da técnica de END usada. Contudo, deve ter-se sempre presente o facto de que a inspecção não-destrutiva é levada a cabo, na maioria dos casos, por seres humanos. Como se sabe, duas pessoas nunca realizam a mesma tarefa (ainda que repetitiva) da mesma maneira. Por isso, existe uma incerteza adicional que deve ser levada em conta na avaliação da fiabilidade de uma técnica de inspecção, e daí a importância das decisões de aceitação/rejeição terem de ser baseadas em dados estatísticos. O papel da inspecção não-destrutiva é garantir, com um certo grau de confiança, que os defeitos que correspondem ao tamanho máximo admissível (para os esforços previstos) estão ausentes da peça quando esta é utilizada. Por vezes, pode ser necessário garantir

8 8 que defeitos menores que o tamanho crítico estejam também ausentes. O projecto mecânico baseado na metodologia de rotura controlada (Fail-Safe Design) considera a possibilidade de crescimento sub-crítico de fendas e aplica-se em especial a componentes sujeitos a fadiga e/ou a ambientes corrosivos. Segundo esta filosofia de projecto, as peças podem resistir a um determinado período de utilização antes que ocorra ruína catastrófica. Assim, nalguns casos, as peças são submetidas a inspecções periódicas ou a um processo de controle contínuo (monitorização) para se ter a certeza de que as fendas não atingem o tamanho crítico. A utilização dos conceitos da Mecânica da Fractura no projecto coloca grande ênfase na capacidade dos vários métodos nãodestrutivos para a detecção de defeitos de pequena dimensão. A diferença entre o valor da dimensão crítica e o valor da dimensão mínima detectável representa o grau de segurança com que a peça é utilizada. Em qualquer programa específico de inspecção, há sempre um número significativo de indicações de defeito que não correspondem a defeitos reais. Assim, a probabilidade de se ter um componente sem defeitos de determinado tamanho é reduzida. Contudo, quando se ensaiam componentes de grande responsabilidade é necessário tentar-se encontrar o maior número possível de defeitos, pelo que a tendência para se considerarem todas as possíveis indicações de defeito é grande (uma vez que é preferível fazer uma má rejeição do que ter a possibilidade duma rotura catastrófica em serviço). Obviamente que um engenheiro que usa os conceitos da Mecânica da Fractura está interessado em saber qual o menor tamanho de defeito que pode ser detectado pela inspecção. A escolha do método de inspecção é ditada, exclusivamente, tendo isso como primeira consideração. Todos os outros parâmetros são secundários. Por exemplo, a detecção de fendas de fadiga em peças de aço por ultra-sons, a qual é relativamente fácil de realizar, será normalmente preterida em favor de uma inspecção por correntes eddy se o critério for a detecção de fendas da ordem de 1.5 mm de comprimento, uma vez que as probabilidades de detecção são, respectivamente, 50% e 80%.