APLICAÇÃO DE LÓGICA FUZZY NA DETERMINAÇÃO DA PRESENÇA DE CAMADA INTERDIFUNDIDA EM CHAPA DE AÇO COM REVESTIMENTO DE NÍQUEL.

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1 APLICAÇÃO DE LÓGICA FUZZY NA DETERMINAÇÃO DA PRESENÇA DE CAMADA INTERDIFUNDIDA EM CHAPA DE AÇO COM REVESTIMENTO DE NÍQUEL. Ivan Costa da Silva Laboratório de Ensaios Não-Destrutivos, Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais-COPPE-UFRJ, Caixa Postal 68505, CEP , Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, RJ ivanco@metalmat.ufrj.edu.br Cláudia Teresa Teles Farias Laboratório de Ensaios Não-Destrutivos, Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais-COPPE-UFRJ, Caixa Postal 68505, CEP , Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, RJ cfarias@metalmat.ufrj.edu.br Ricardo de Oliveira Carneval PETROBRAS/CENPES/PDEP/TMEC-Ilha do Fundão, Cidade Universitária, Quadra 7, , Rio de Janeiro,RJ, BRASIL carneval@cenpes.petrobras.com.br Marcelo Torres Piza Daes PETROBRAS/CENPES/PDEP/TMEC-Ilha do Fundão, Cidade Universitária, Quadra 7, , Rio de Janeiro,RJ, BRASIL mtpd@cenpes.petrobras.com.br João Marcos Alcoforado Rebello Laboratório de Ensaios Não-Destrutivos, Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais-COPPE-UFRJ, Caixa Postal 68505, CEP , Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, RJ jmarcos@metalmat.ufrj.edu.br Resumo. O uso de revestimentos de Ni-P na proteção dos materiais contra a corrosão é uma prática corrente em todos os ramos industriais. O ensaio não-destrutivo por correntes parasitas têm mostrado sua relevância na medição de espessura de camadas e por ser um ensaio muito sensível a micro-estrutura dos materiais parece a escolha natural para avaliar a presença de camada interdifundida em revestimentos de níquel. Neste trabalho utiliza-se um algoritimo do tipo Fuzzy C-Means para classificação de materiais revestidos e submetidos a diferentes condições de tratamento térmico. Palavras-chave: Revestimento de Ni-P, Correntes parasitas, Lógica Fuzzy. 1. Introdução Uma forma de proteção de peças metálicas contra abrasão e corrosão marinha consiste no revestimento destas com uma camada níquel-fósforo. Inúmeros tipos de revestimentos de níquel químico (RQN, revestimentos de níquel-fósforo aplicados a partir de banhos químicos, sem a utilização de corrente elétrica para assistir a deposição) tem sido apresentados no mercado nos últimos cinqüenta anos com inúmeras propriedades, principalmente aquelas relacionadas a corrosão e desgaste. Um exemplo de componente que utiliza este tipo de revestimento são as ponteiras de risers utilizados na indústria do petróleo, que devem trabalhar submersas e têm uma vida útil de 20 a 30 anos. O processo de revestimento é complementado, com um tratamento térmico, aquecendo-se o material a uma determinada temperatura, durante determinado tempo. Deste processo surge uma camada interdifundida Ni-Fe proveniente da migração de parte do revestimento para dentro do material a ser protegido. O ensaio não destrutivo pela técnica de correntes parasitas tem por suas características grande suscetibilidade a alterações metalúrgicas nos materiais metálicos inspecionados por esta técnica. Pode-se classificar diferentes tipos de metais e suas ligas, determinar a condição de tratamento térmico, dimensionar camadas de revestimentos e etc. Contudo a classificação de agrupamentos com grande quantidade de pontos nem sempre é tarefa fácil, mesmo para um especialista. Afim de fazer o reconhecimento dos agrupamentos provenientes de diferentes condições de tratamento térmico é proposta a utilização da função C-means proveniente da lógica fuzzy. A lógica fuzzy ou lógica difusa foi estruturada em 1965 por Zadeh para tratar e representar incertezas. A lógica difusa torna-se importante na medida em que o mundo em que vivemos não é constituído por fatos absolutamente verdadeiros ou falsos. 02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to Rio de Janeiro - RJ - Brasil

2 A popularidade dos sistemas de lógica difusa aumentou drasticamente nos últimos anos e, com esse aumento, veio também um incremento na pesquisa sobre o assunto, inclusive na área dos ensaios não destrutivos (Upadhyaya et all,1999). A lógica fuzzy pode ser aplicada nas seguintes áreas: Análise de dados; Construção de sistemas especialistas; Controle e otimização, Reconhecimento de padrões e agrupamentos. A detecção da camada interdifundida de Ni-Fe pode ser feita por microscopia, mas com danos ao material. Alternativamente propõe-se a utilização de correntes parasitas afim de diagnosticar presença desta camada. O método utilizado consiste de comparar o sinal do material revestido com e sem tratamento térmico, aplicando a técnica de classificação de grupos c-means proveniente da lógica fuzzy. Onde o conjunto de medidas feitas em pontos diversos do material sob teste, foram as amplitudes máximas correspondentes as componentes reativa e resistiva da bobina, para as seguintes variáveis: espessura do revestimento (75 e 100microns), temperatura (200 o, 600 0,650C.) e tempo (6, 10 e 20h.). 2. Efeitos da Estrutura Metalúrgica nas Propriedades do Revestimentos de Níquel Depositado O revestimento de níquel depositado pode conter fases cristalinas, micro-cristalinas e amorfas. A quantidade relativa de cada uma destas fases depende da formulação do banho e da composição do depósito resultante. Esses fatores juntamente com a execução de tratamento térmico (TT) adicional determinam as propriedades do revestimento (Duncan, 1986). A influência do teor de fósforo na dureza do revestimento para um percentual de P superior a 10,5% confere ao revestimento menores valores de dureza, enquanto que percentuais em torno de 4% de P conferem os maiores valores de dureza. Uma relação inversa a da dureza é notada para a resistência a abrasão no revestimento de níquel depositado. Ou seja, ligas que são totalmente compostas de fase β determinam a maior dureza e a menor abrasão (segundo ensaio Taber), enquanto que a fase amorfa γ possui resultado inverso. As ligas de baixo teor de fósforo com fase β possuem baixa resistência com valores de resistência bem inferiores ao do níquel puro. A resistência das ligas com médio fósforo, altamente tensionadas internamente sob tração, que contenha grandes quantidades de γ na fase β, é tão alta quanto a de muitos aços ferramenta. Uma vez que o revestimento se torne totalmente amorfo sua resistência diminui. 3. Analise de Agrupamentos. A necessidade de separar dados é um problema comum em engenharia. Um método de separar dados é agrupá-los em classes similares que chamamos de agrupamentos ou clusters. O algoritimo C-Means utiliza a distância de um ponto ao centro do agrupamento para estabelecer uma relação de pertinência µ ik ao conjunto dos dados analisados. Um agrupamento tem o seu centro definido por : C i N m µ ik k = 1 = N m µ ik k = 1 x k, i=1,...c, com x k = (x k1, x k2,...,x kj...), (1) onde i é o número de classes, j é o número de variáveis do indivíduo e m é o fator de nebulosidade, que varia de 1 a. Segundo Bezdek (1982), o erro quadrático das amostras é: C N m J ( L, U ) = µ (2) i= 1 k = 1 ik onde L é uma matriz que contém os centros de cada agrupamento, U é a matrix de dimensão CXN que contém todas as pertinências µ ik dos pontos do agrupamento, C é o número de agrupamentos e N a sua quantidade de pontos. Por ser um algoritimo fuzzy um ponto pode ter pertinência a mais de um agrupamento, a matriz de partição U deve ter as seguintes propriedades [tese do rapaz da nuclear ]: A soma dos valores de pertinência de um registro à todas as classe é igual a um, ou seja, a soma de todas as linhas da matriz U é igual a 1;

3 Todo registro, deve pertencer ao menos a um agrupamento e nenhum agrupamento pode conter todos os registros, ou seja, a soma de todas as colunas da matriz U deve ser maior que 0 e menor que C ; algoritmo FCM realiza uma otimização iterativa do critério de erro, Eq.(2), utilizando os valores de centros dos agrupamento para o cálculo da matriz U e a nova matriz U para o cálculo de novos valores para os centros dos agrupamentos. 4. O Ensaio de Correntes Parasitas A inspeção por correntes parasitas é uma técnica não-destrutiva baseada na introdução de uma corrente elétrica no material a inspecionar e observação da interação entre correntes e o material (Hagermaler,1990). As correntes parasitas são geradas por meio de bobinas eletromagnéticas, que têm a sua impedância continuamente monitorada. O material é colocado no campo de ação de um campo magnético alternado, o qual é produzido pela bobina de teste alimentada por uma corrente alternada. Descontinuidades causam uma alteração local das características elétricas e magnéticas, gerando assim uma alteração local da intensidade das correntes parasitas. Esta, por sua vez, realiza uma alteração no sinal de medição da bobina. No caso deste trabalho a técnica será utilizada para detectar a presença de uma camada interdifundida proveniente do tratamento térmico no material. 5. Metodologia 5.1.Escolha dos corpos de provas Os corpos de provas foram separados segundo as condições de tratamento térmico, tabela 1. Tabela 1. Condições dos Tratamentos Térmicos. Tratamento térmico Revestimento (75 µm) Revestimento (100 µm) Camada interdifundida Sem tratamento A1 A19 Não C 20h A3 A21 Não C 6h A5 A23 Sim C 10h A7 A25 Sim C 6h A9 A28 Sim C 10h A12 A30 Sim C 1h A13 A32 Sim C 6h A15 A33 Sim C 10h A17 A35 Sim 5.2. Escolha dos parâmetros de inspeção. Utilizou-se aparelho de correntes parasitas marca Zetec, modelo MIZ-22. Acoplou-se nesse aparelho uma sonda superficial (para medição de propriedades superficiais dos materiais) Zetec, modelo ABS O procedimento de calibração do aparelho de correntes Parasitas, consiste em determinar os parâmetros: freqüência, fase e ganho que melhor apresentem melhor sensibilidade e resolução para a faixa de propriedades medidas além de permitir uma separação entre as indicações relevantes (propriedades medidas) e os sinais espúrios (ruídos e propriedades sem interesse para a inspeção). No caso desse trabalho os parâmetros ajustados foram os que se encontram na tabela 2, a seguir. Tabela 2. Parâmetros do Ensaio de Correntes Parasitas. Parâmetro Valor Ajustado Freqüência (khz) 200 Fase (graus) 206 Ganho (db) 49,5 Escala Horizontal (x, V/div) 10 Escala Horizontal (y, V/div) 10

4 5.3. Coleta de Pontos Foram selecionados para teste 580 pontos, aproximadamente 72 pontos por condição de tratamento. A coleta dos pontos observou a seguinte sistemática: - utilizou-se o corpo-deprova (cp) do tipo chapa sem revestimento de níquel (A0) como referência; - antes de acoplar a sonda nos diversos corpos-de-prova (cps) esta era acoplada no cp A0 e o sistema era balanceado para evitar perturbações na medida provocadas por problemas eletrônicos de desbalanceamento ao longo do tempo; - durante o processo de medição permaneceu-se com a sonda acoplada ao cp por um tempo de aproximadamente 5 segundos. Este procedimento teve por objetivo levantar as possíveis variações de medição ao longo do tempo. Para obter as indicações (resposta) do ensaio de correntes parasitas para os diversos cps empregou-se um programa de aquisição de dados desenvolvido pela PETROBRAS/CENPES/TMEC em linguagem Visual Basic 6 chamado EDAquis. A figura 36 apresenta a tela principal do programa onde pode observa-se os parâmetros e variáveis de ensaio empregados. O programa EDAquis possui uma janela que reproduz a tela e os controles do aparelho de correntes parasitas MIZ- 22, apresenta essa tela com os pontos aquistados dos diversos cps analisados. Figura 1. Tela com osciloscópio e Controles do aparelho no programa EDAquis. Após a aquisição dos dados pelo programa EDAquis os mesmos foram transportados para o programa planilha Excel onde foram filtrados para permanecer apenas os pontos correspondentes aos diferentes cps, nas situações: camada com 75 µm de espessura, figura 2a; e camada com 100 µm de espessura, figura 2b. (a) (b) Figura 2. Resultados do Ensaio de Correntes Parasitas para os cps com espessura de camada (a) de 75 µm e (b) de 100 µm.

5 6. Resultados 6.1. Metalografia dos Corpos de Provas Foram retiradas amostras de 18 corpos de provas para exame metalográfico afim de comprovar a existência da camada interdifundida e determinar a sua espessura, figura 3. Na figura 4 pode-se observar que os corpos de provas submetidos a maiores tempos e temperaturas de tratamento apresentaram maiores espessuras de camada interdifundida. Os valores medidos da camada interdifundida podem ser vistos nas tabelas 3 e 4 para os corpos de provas com revestimentos de 75 e 100 µm respectivamente. A espessura do revestimento aparentemente não é um fator determinante na espessura da camada interdifundida, já que houve alternância nos valores máximos obtidos para cada condição de tratamento. A figuras 5 mostra a metalografia dos corpos de prova A19 (sem tratamento térmico) e A15 (com tratamento térmico) respectivamente. Figura 3 cp A35 após corte na extremidade para verificação de presença de camada interdifundida. Espessuras de Camadas Interdifundidas 6 5 Microns SST 200oC/20h 600oC/6h 600oC/10h 620oC/6h 620oC/10h 650oC/1h 650oC/6h 650oC/10h Figura 4. Gráfico com os valeres médios da espessura de camada interdifundida para cada condição de tratamento térmico.

6 Tabela 3. Dimensionamento da espessura da camada interdifundida por metalografia. A1 A3 A5 A7 A9 A12 A13 A15 A17 75µm STT 200oC 600oC 600oC 620oC 620oC 650oC 650oC 650oC 20h 6h 10h 6h 10h 1h 6h 10h - - 2,7 3,24 3,39 4,44 2,6 4,54 5, ,81 3,67 3,04 3,94 2,06 4,44 5, ,02 3,92 3,57 3,67 2,05 4,3 5, ,11 3,25 2,71 4,22 2,44 4,54 5, ,7 3,39 2,94 4,32 1,86 4,22 5,21 MÉDIA - - 2,87 3,49 3,39 4,12 2,20 4,41 5,25 DP - - 0,19 0,29 0,35 0,31 0,31 0,14 0,14 Tabela 4. Dimensionamento da espessura da camada interdifundida por metalografia. A19 A21 A23 A25 A27 A29 A31 A33 A35 100µm STT 200oC 600oC 600oC 620oC 620oC 650oC 650oC 650oC 20h 6h 10h 6h 10h 1h 6h 10h - - 2,29 3,35 2,83 4,34 2,17 4,86 5, ,27 3,56 2,81 4,43 2,59 4,21 5, ,31 3,57 2,7 4,65 2,27 3,67 5, ,4 3,21 3,2 4,32 2,16 3,68 5, ,49 3,41 3,24 4,07 2,15 4,34 5,73 MÉDIA - - 2,35 3,42 2,96 4,36 2,27 4,15 5,52 DP - - 0,09 0,15 0,25 0,21 0,19 0,50 0,17 a) a) b) c) c) (1) (2) Figura 5. (1) Corpo de prova sem a camada interdifundida. (2) Corpo de prova com a camada interdifundida. As letras a), b) e c) referem-se ao revestimento Ni-P, a camada interdifundida e ao aço do corpo de provas e respectivamente.

7 6.2. Testes Feitos Com o Algoritimo C-Means A figura 6 (a) e (b) mostra o resultado obtido utilizando um algoritmo C-means para separação e classificação dos pontos pertencentes ao material termicamente tratado (contendo a camada interdifundida ), dos sem tratamento térmico (sem a camada) para valores de 100 e 75 µm respectivamente. A figura 7 mostra que a separação pode ser feita para os três conjuntos mesmo quando analisados simultaneamente. Em todos os casos foi usado um fator de pertinência m=1, de modo não permitir que um ponto pertença simultaneamente a mais de um conjunto. Todos os pontos foram classificados corretamente (100% de acerto), ver tabela 5. Tabela 5. Quantidade de pontos usados na função C-means. Sem Camada Interdifundida Revestimento 75 µm Revestimento 100 µm Total Numero de pontos Erros (%) Figura 6. a)corpo de prova com revestimento de 75. b) Corpo de prova com revestimento de 100 microns. Com camada Com camada (a) (b) Figura 6. (a) Corpo de prova com revestimento de 75µm. (b) Corpo de prova com revestimento de 100 µm. 100 µm 75 µm Figura 7. Conjunto de pontos referentes aos corpos de prova com 75 e 100µm de revestimento.

8 7. Conclusões Pode-se concluir que as técnicas de separação de agrupamentos empregadas foram capazes de classificar com precisão os pontos oriundos de medidas feitas em materiais com e sem a presença de camada interdifundida. Embora as medidas metalográficas, tabelas 3 e 4, tenham apresentado uma baixa influência da espessura do revestimento nos valores da camada interdifundida, o algoritmo C-means, e em certa medida o K-means, conseguiu separar os corpos com diferentes espessuras de camadas de revestimento. O que pode ser explicado pela forma de calibração do equipamento de correntes parasitas, onde o lift-off é colocado no eixo horizontal com a componente X do sinal tratado. O lift-off carrega informação da distância da sonda a superfície de inspeção, daí que para espessuras maiores podemos esperar valores maiores da componente horizontal. O algoritmo C-means foi capaz de separar dentro do conjunto das medidas pertencentes ao agrupamento dos materiais termicamente tratados os pontos dos sub-agrupamentos de revestimento de 75 e 100 µm. O algorítimo K-means não teve o mesmo desempenho, mas foi capaz de reconhecer e separar os agrupamentos com e sem camada interdifundida, sem erros. Concluí-se que a técnica de ensaios não destrutivos por correntes parasitas pode quando associada a lógica fuzzy, ser utilizada para aferição dos efeitos do tratamento térmico (presença de camada interdifundida), bem como para identificar espessuras de revestimento de 75 e 100 µm nos conectores de risers com revestimento de níquel-fósforo. 8. Referências Bezdek, C. J. e Pal, S. K. Fuzzy Models for Pattern Recognition. IEEE Press, New York, Bezdek, C. J., Pattern Recognition with Fuzzy Objective Function Algorithms, New York, Plerum Press, Duncan R. N., Corrosion Resistance of High Phosphorus Electroless Nickel Coating, Plating and Surface Finishing, Vol 7, pp 52, Hagermaler D.J., Fundamentals of Eddy Current Testing, The American Society for Non-Destructive Testing, Upadhyaya, B.R., Yan W., Beharavesh M.M., Henry G., Development of a diagnostic expert system for eddy current data analysis using artificial intelligence methods, Nuclear Engineering and Design, 193,1999, Zadeh, L. A., Fuzzy Sets-Information and Control, Vol.8, pp , FUZZY LOGIC TO DETERMINE THE PRESENCE OF INTER-DIFFUSED LAYER IN NI-P COATED STEEL PLATES Abstract. Ni-P coatings to protect materials against corrosion are a common practice in many industrial fields. The Eddy Current Testing has been shown your relevancy in the measurement of coating thickness, and as it is very sensitive to microstructure changes, seems to be the natural choice to determine the presence of inter-diffused layer in nickel coating. In this paper a fuzzy C-means algoritm to classify coated materials submitted to heat treatment. Keywords. Ni-P coating, Eddy Currents, Fuzzy Logic..