APLICAÇÃO DA TÉCNICA TERMOGRÁFICA NA INSPEÇÃO DE ESTRUTURAS AERONÁUTICAS

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1 APLICAÇÃO DA TÉCNICA TERMOGRÁFICA NA INSPEÇÃO DE ESTRUTURAS AERONÁUTICAS Trabalho apresentado no XXVI CONAEND Congresso Nacional de Ensaios Não-Destrutivos e Inspeção ENGº RODRIGO GAYA ENGº ATTÍLIO BRUNO VERATTI

2 Índice 1. Introdução 1.1. Técnica Termográfica 1.2. Compósitos 1.3. Técnicas de Inspeção 2. Desenvolvimento 2.1. Metodologia 2.2. Descrição do Equipamento 2.3. Ajustes e Condições para a Inspeção 2.4. Arranjo Estrutural 2.5. Convenção de Localização 2.6. Características Termográficas 3. Execução 3.1. Resultados 3.2. Análises 4. Comparação das Técnicas 5. Conclusão 6. Autores

3 1. INTRODUÇÃO Com a crescente aplicação dos compósitos na indústria aeronáutica, faz-se necessário que novas técnicas de inspeção sejam aplicadas, de forma a permitir que as estruturas constituídas por este materiais, sejam adequadamente inspecionadas. De uma modo geral, as superfícies primárias de vôo ailerons, lemes e profundores, e carenagens aerodinâmicas são constituídas por compósitos estruturais (laminados sólidos e painéis em sanduíche). As aeronaves mais modernas, tais como B787, terão a fuselagem constituída por Plásticos Reforçados por Fibra de Carbono (CFRP), de modo que os programas de inspeção e análise de danos, têm de contemplar técnicas de END capazes de identificar danos tais como delaminações, descolamentos e a presença de umidade. As aeronaves A310, têm o leme constituído por um painel com camadas de fibra de carbono, orientadas sobre as direções 0, 45 e 90, reforçadas por um núcleo de poliamida (NOMEX) na configuração de favo de mel (honeycomb).

4 1. INTRODUÇÃO Devido ao aprisionamento de umidade, através das furações dos parafusos de fixação, localizados no bordo de fuga e no bordo de ataque, e dos pontos de fixação da ferramenta de remoção, um extenso programa de inspeção foi definido pela Airbus, uma vez que estes pontos de umidade quando não detectados, levam ao descolamento das camadas e do núcleo, afetando a segurança de vôo. Uma aeronave modelo A310 já perdeu o leme em vôo, em função deste tipo de dano. Em função desta questão do leme da frota A310, as técnicas de ultra-som, raio-x e termografia têm sido utilizadas, com o objetivo de detectar descolamentos e pontos de umidade. O presente trabalho demonstra as vantagens da técnica termográfica sobre o Raio-X, bem como um novo campo de aplicação para a primeira.

5 1. INTRODUÇÃO 1.1. Técnica Termográfica A termografia infravermelha é a ciência de aquisição e análise de informações térmicas, a partir de dispositivos de obtenção de imagens infravermelhas, sem contato.

6 1. INTRODUÇÃO 1.2. Compósitos Compósito é qualquer material multifásico que exiba uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases constituintes, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades. O reforço destes materiais é feito a partir de fibras, que apresentam alta resistência à tração, enquanto a matriz que apresenta ductilidade, tem a função de proteger e unir as fibras, permitindo uma distribuição uniforme de tensões da matriz para as fibras, resultando no material reforçado. Os compósitos são divididos em três categorias: reforçados por partículas, reforçados por fibras e os estruturais, sendo estes subdivididos em laminados sólidos e painéis em sanduíche.

7 1. INTRODUÇÃO 1.2. Compósitos A ilustração abaixo mostra exemplos de compósitos estruturais. Figura a Figura b Compósitos Estruturais. (a) Laminado Sólido; (b) Painel em Sanduíche

8 1. INTRODUÇÃO 1.3. Técnicas de Inspeção Dentre as diversas técnicas de END disponíveis, algumas se destacam no que se refere aos compósitos. Para a inspeção dos lemes da frota A310, a identificação de umidade é feita através da utilização da Termografia e do Raio-X. Delaminações e descolamentos são identificados por meio do Tap test e Ultra-som. Tap Test : - utilizada para identificar delaminações e descolamentos ; Ultra-som : utilizada para detectar descolamentos e delaminações; Termografia : utilizada para detectar pontos com presença de umidade e pontos houve injeção de resina. Raio-X : utilizada para detectar pontos com presença de umidade, pontos onde houve injeção de resina e reparos existentes.

9 2. DESENVOVLVIMENTO 2.1. Metodologia De modo a executar de forma correta e precisa a inspeção do leme, uma metodologia seguindo as diretrizes do manual de ensaios Não Destrutivos da Airbus (A310 NTM), bem como a experiência adquirida pelo corpo técnico da VEM, foi adotada, conforme os passos abaixo: a) Execução em hangar; b) Leme instalado na aeronave; c) Aeronave posicionada fora do alcance de fluxos de ar com alta ou baixa temperatura (manter a temperatura ambiente entre 10º C e 30º C (50º F - 86º F); d) Minimizar a influência de fontes de calor adjacentes (reflexos); e) Limpeza da superfície a ser inspecionada; f) Identificação das áreas a serem inspecionadas;

10 2. DESENVOVLVIMENTO 2.1. Metodologia De modo a executar de forma correta e precisa a inspeção do leme, uma metodologia seguindo as diretrizes do manual de ensaios Não Destrutivos da Airbus (A310 NTM), bem como a experiência adquirida pelo corpo técnico da VEM, foi adotada, conforme os passos abaixo: g) Delimitação da janela de inspeção; h) Calibração do equipamento; i) Aquecimento das áreas demarcadas; j) Registro dos pontos com umidade; k) Medida e análise termográfica; l) Execução do reparo (se necessário).

11 2. DESENVOLVIMENTO 2.2. Descrição do Equipamento Utilizado Equipamento utilizado: Câmera infravermelha FLIR ThermaCAM T400. Características: - Imagem em tempo real - FPA 320x250 pixels; - Ajuste automático de amplitude e nível (level e span); - Sensibilidade térmica < 0,07 C a 30 C; - Faixa de medição de -20 C à 350 C; - 6 palestas de cores - Paleta sugerida para essa inspeção: cinza; - Campo de visão mínimo: 24 x 18, max. 34 x 25 - Menor distância de foco: 500 mm;

12 2. DESENVOLVIMENTO 2.2. Descrição do Equipamento Utilizado Equipamento utilizado: Câmera infravermelha FLIR ThermaCAM T400. Características adicionais: - Fusão de imagens (PIP) - Gravação de Video Térmico - Câmera digital 1,3 megapixel - Capacidade de armazenamento; imagens

13 2. DESENVOLVIMENTO 2.3. Ajustes e Condições para Inspeção - Ajuste de brilho e contraste: automático; - Faixa de temperatura: -20 C à 100 C (-4 F à 212 F); - Emissividade: e = 1; - Paleta de cores: Cinza (white hot); - Manter a câmera perpendicular a área de inspeção, a uma distância entre 800mm e 1000mm; - Manter a área de inspeção dentro do campo de visão do equipamento; - Focalizar a imagem, utilizando uma borda, rebite ou ponto de fixação (hoisting point);

14 2. DESENVOLVIMENTO 2.3. Ajustes e Condições para Inspeção O objetivo deste processo é identificar, através do aquecimento da estrutura do leme, pontos onde existam anomalias térmicas, que caracterizem a umidade. Em função da constituição do leme, é necessário um aquecimento gradual, que permita um contraste térmico, possibilitando a diferenciação entre umidade e adesivo, sem no entanto, ultrapassar a temperatura de 55 ºC (131º F). As figuras a seguir, ilustram, respectivamente, a estrutura do leme e os cortes transversais das áreas a serem inspecionadas..

15 2. DESENVOLVIMENTO 2.4. Arranjo Estrutural Vista e estrutura do leme

16 2. DESENVOLVIMENTO 2.4. Arranjo Estrutural (a) (b) Cortes transversais. (a) fixadores do bordo de fuga; (b) Hoisting points.

17 2. DESENVOLVIMENTO 2.4. Arranjo Estrutural (c) (d) Figura 5 - Cortes transversais. (c) Suportes; (d) Perfis em Z.

18 2. DESENVOLVIMENTO 2.5. Convenção de Localização De modo a organizar a execução das inspeções, o leme foi subdividido em quatro níveis, identificados por letras e números, conforme ilustrado abaixo. Este sistema de coordenadas foi adotado para identificar e registrar as anomalias encontradas. Inspeções por Raio-X foram realizadas nos pontos com anomalias, de forma a corroborar os resultados da inspeção termográfica. Os locais são identificados da seguinte forma: D / E: Lado direito ou esquerdo da aeronave; D / T: Região dianteira ou traseira do leme; A - B: Região inferior (A) e superior (B) do nível 1; C - D: Região Inferior (C) e superior (D) do nível 2; E - F; Região inferior (E) e superior (F) do nível 3; G - H: Região inferior (G) e superior (H) do nível 4.

19 2. DESENVOLVIMENTO 2.6. Características Termográficas Em virtude da pintura decorativa do leme das aeronaves, diferentes tonalidades de cores e desenhos podem ser encontrados, o que requer uma avaliação da emissividade das superfícies, com o objetivo de determinar a influência das diferentes tonalidades de cores na medida final de temperatura. Tal avaliação é vista abaixo: A fita adesiva, posicionada entre as duas tonalidades de verde foi utilizada para definir se há uma diferença relevante na emissividade das mesmas. Cosntatação: Ambas superfícies são similares e de alta emissividade.

20 2. DESENVOLVIMENTO 2.6. Características Termográficas As anomalias são caracterizadas por regiões de maior inércia térmica e se apresentam como áreas de maior ou menor temperatura nos termogramas, durante os transientes provocados por ar aquecido.

21 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados DD1 - Lado direito - Área dianteira - Nível 1 - Exemplo de áreas integras.

22 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados DT1 - Anomalia encontrada no lado direito, área traseira, nível 1.

23 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados ET1 - Anomalia encontrada no lado esquerdo, parte traseira, nível 1.

24 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados ET1 - Anomalia encontrada no lado esquerdo, parte traseira, nível 1 - Detalhe. Video mostrando o processo de detecção dessa falha - não disponível na versão PDF.

25 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados ET2a - Primeira anomalia multipla encontrada no lado esquerdo, parte traseira, nível 2.

26 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados ET2b - Segunda anomalia multipla encontrada no lado esquerdo, parte traseira, nível 2. O video mostra o processo de detecção dessa falha - não disponível na versão PDF..

27 3. EXECUÇÂO 3.1. Resultados ET3c - Terceira anomalia encontrada no lado esquerdo, parte traseira, nível 3. Na correlação de técnicas é mostrado o Raio X correspondente a esta anomalia.

28 3. EXECUÇÂO 3.2. Análises Os termogramas pertinentes aos pontos com anomalias térmicas foram gravados para posterior análise com o aplicativo QuickReport, da FLIR Systems. Com o uso deste aplicativo, um processo de análise de imagens sobre os termogramas é realizado, com o objetivo de identificar os pontos mais críticos das áreas com anomalias. De modo a corroborar e identificar com maior precisão, o número de células contaminadas e a área total afetada, os pontos com anomalias foram inspecionados por Raio-X, uma vez que esta técnica permite uma melhor definição da estrutura do núcleo do leme. A técnica de Raio-X também auxilia na diferenciação entre resina e umidade, em função de um melhor contraste. A definição do prazo e processo de reparo do leme estão atrelados ao número de células contaminadas e a área máxima afetada. No caso do presente trabalho, os resultados das inspeções termográficas e por Raio-X, mostraram correlação de 100%.

29 4. Comparação de TécnicasT Conforme abordado durante as inspeções, as técnicas de termografia e Raio-X são utilizadas em conjunto, com o objetivo de identificar com precisão, pontos de compósitos estruturais com aprisionamento de umidade. A técnica do Raio-x é mais antiga e é amplamente aplicada nos programas de inspeção de estruturas aeronáuticas, não limitada aos compósitos. A técnica termográfica é relativamente nova no meio aeronáutico, revelando-se uma poderosa ferramenta para inspeção de estruturas constituídas por compósitos. A Tabela I, resume de modo objetivo as vantagens e desvantagens entre as técnicas supracitadas.

30 4. Comparação de TécnicasT TERMOGRAFIA RAIO-X Realizada em tempo real e sem contato Menor HH associado, uma vez que um profissional pode realizar as inspeções O custo é vinculado à aquisição e manutenção do equipamento Minimização dos riscos do operador Realizada com contato, requerendo a interrupção do processo Alto HH associado as inspeções, em virtude no número de pessoas envolvidas para posicionamento da película e manuseio do equipamento Custo associado à aquisição e manutenção do equipamento, película, revelador, câmera de revelação. Exposição do operador à radiação Identificação dos pontos com umidade, sem precisão de contornos Identificação dos pontos com umidade, apresentando alta definição dos contornos Tabela I - Comparação entre as técnicas Termográfica e Raio-X

31 4. Comparação de TécnicasT Adesivo Hoisting point No 1 Fluido Raio X Infravermelho

32 4. Comparação de TécnicasT ET3c - Terceira anomalia encontrada no lado esquerdo, parte traseira, nível 3. Raio X e Termograma.

33 5. CONCLUSÃO A termografia tem-se revelado uma poderosa ferramenta para a inspeção de estruturas aeronáuticas constituídas por compósitos, estando focada na detecção da presença de umidade. Ainda, esta técnica permite a visualização de reparos existentes, uma vez que o aquecimento da superfície revela dados da estrutura interna. Esta técnica é bastante viável, em função do baixo custo e HH associados à sua aplicação. O Raio-X, cuja aplicação na inspeção de estruturas aeronáuticas, metálicas e compósitas, vem de longa data, apresenta-se como um complemento da técnica termográfica no que diz respeito à inspeção de compósitos, sobressaindo-se em relação à primeira quanto a melhor definição de contornos.

34 5. CONCLUSÃO Sua aplicação está focada na detecção da presença de umidade, permitindo ainda, a visualização de reparos existentes e estrutura interna. Esta é uma técnica cujo custo e HH são elevados em relação às outras técnicas (IR e UT). O ultra-som, amplamente utilizado na inspeção de estruturas aeronáuticas, metálicas e compósitas, cobre um grande campo de atuação, variando desde à medida de espessuras, detecção de rachaduras até a identificação de descolamentos e delaminações. Analogamente à termografia, apresenta um baixo custo e HH associados.

35 6. Autores Eng. Rodrigo Rio Novo Gaya Penha Valle - Engenheiro Eletricista formado pela Universidade Veiga de Almeida em a 2006 trabalhou na VEM (então VARIG Engenharia de Manutenção) nos setores Elétrica Instrumentos e Aviônica e Estruturas Aeronáuticas. - Em 2007 atuou na EMBRAER na área de soluções e suporte para provisão de materiais. - Termografista Nível I pelo ITC Suécia (norma 18436) - Atualmente engenheiro de estruturas na VEM com experiência nas aeronaves B737 / 300/400/500, B /300, DC10, MD11, B , B707, B777, A300 e A310 - Responsável pela oficina de compósitos da VEM

36 6. Autores Eng. Attílio Bruno Veratti - Engenheiro Metalurgista formado pela FEI em Especialista em sistemas termográficos com 29 anos de experiência e cursos na Inglaterra, Holanda, Estados Unidos e Suécia pela Agema Infrared Systems, Cincinnati Electronics, Raytek e FLIR Systems. - Implantou atividade de inspeções termográficas na empresa Optronics Sistemas Ópticos e Eletrônicos (representante AGEMA Infrared Systems), sendo posteriormente gerente de marketing da mesma. - Autor do livro Termografia - Princípios e Aplicações (1984 e 1992). - Autor do CD "Termografia" primeiro trabalho multimídia no campo da Termografia (1997). - Autor da metodologia que deu origem às normas Petrobrás N-2475 e Eletronuclear PN-T12 para classificação de componentes elétricos aquecidos (reg. CONFEA /85). - Acumula mais de 2710 inspeções termográficas, incluindo os mais diversos campos de aplicação e desenvolvimento da Termografia. - Autor do livro Procedimentos de Segurança em Inspeções Termográficas de Sistemas Elétricos (2005). - Atualmente diretor da empresa ICON Tecnologia e consultor de diversas empresas na área de desenvolvimento de novas aplicações da Termografia. - Responsável pelo site de pesquisa e banco de informações - Termografista Nível II (2006) e Nível III (2007) pelo ITC Boston, USA (Norma ASNT SNT-TC-1). - Termografista Nível II (2008) pelo ITC - Estocolmo, Suécia (Norma ISO 18436) - Membro das Comissões de Certificação e Normalização da ABENDE. - Na área de cursos capacitou mais de 2000 profissionais no período 1980 a 2006, após essa data atua como membro da equipe de Instrutores Licenciados do ITC Infrared Training Center, Estocolmo.