Desenvolvimento de metodologia e estudo do potencial da técnica TOFD visando a inspeção e o monitoramento de equipamentos

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1 ISSN Revista Matéria, v. 4, n. 4, pp , Desenvolvimento e metoologia e estuo o potencial a técnica D visano a inspeção e o monitoramento e equipamentos SOUZA, R.R.; MARTINS, C.O.D.; LIMA, T.R.S.; REGULY, A. Laboratório e Metalurgia Física, Universiae Feeral o Rio Grane o Sul. Av. Osvalo Aranha, 99, S60, CEP: , Porto Alegre RS Brasil. ricson@emet.ufrgs.br, cmartins@emet.ufrgs.br, tlima@emet.ufrgs.br, reguly@emet.ufrgs.br RESUMO Com o constante crescimento a inústria nacional, cresce também a emana pelo esenvolvimento e ferramentas eficientes e inspeção e monitoramento a integriae estrutural e equipamentos e estruturas. Dentre estas, estacam-se os ensaios não estrutivos. Das iversas técnicas não estrutivas aplicaas para a inspeção e componentes, estaca-se o uso a técnica e ultra-som convencional para a localização e imensionamento e efeitos. Porém, em inspeções e campo, evio ao esconhecimento freqüente a orientação os efeitos, recorre-se a metoologias que utilizam iversos ângulos incientes e sistemas e análise e sinais, resultano num processo lento e subjetivo e inspeção. Com o aumento a emana por meias on line, tem-se elevao a necessiae e processos mais rápios e confiáveis, entre estes, estaca-se o uso a técnica e ultra-som via time of flight iffraction (D). Este trabalho apresenta a técnica D como uma ferramenta eficiente na eterminação a profuniae e entalhes usinaos em blocos e aço SAE 022, a partir a calibração seguno Norma Britânica BS 7706:993. Para isso, foi elaboraa uma metoologia utilizano quatro variações (freqüência/ângulo) iferentes e inspeção, verificano o potencial o métoo na análise as iferentes profuniaes, a fim e aplicar na inspeção e no monitoramento e equipamentos. Os resultaos mostram que tanto para efeitos aflorano na superfície e varreura quanto para efeitos aflorano na superfície oposta, o imensionamento poe ser preciso, se a variação aequaa (freqüência/ângulo) para caa caso for selecionaa. Palavras-chaves: ensaios não estrutivos, confiabiliae operacional, D. Development of methoologies applie to inspection of components by D technique ABSTRACT With the constant growth of the omestic inustry, the eman for the evelopment of efficient tools for inspection an monitoring of structural integrity of equipment an structures also grows. Among these, non-estructive testing have been use. Consiering to the non-estructive techniques applie to inspection of components use in oil inustries, the use of the conventional ultra-soun technique for location an sizing of efects has prove to be important. However, in the fiel inspections, ue to the frequent lack of orientation of efects, are utilize methoologies that use many incient angles an systems analysis of signals, resulting in a slow an subjective inspection. With the increasing of eman for online inspection, the necessity for faster an more reliable processes has been raise, among these, the use of the time of flight iffraction. This work presents D technique as an efficient tool to etermine the height of artificials reflectors machine in samples of SAE 022 steel, from calibration accoring to British Stanar 7706:993. For this, it was elaborate a methoology using four ifferent variations (frequency / angle) of inspection, verifying the potential of the metho in analysis of ifferent heights, in orer to apply in inspection an monitoring of equipments. Results show that as for notches breaking in the surface inspecte as for notches breaking in the insie surface, opposite the scanne surface, sizing can be precise, if the correct variation (frequency / angle) for each case was chosen. Keywors: non estructive test, operational confiabillity, D. Autor Responsável: Ricson Rocha e Souza Data e envio: /08/09 Data e aceite: 22/0/0

2 INTRODUÇÃO A falha catastrófica e componentes e estruturas vêm sempre acompanhaas e prejuízos financeiros, geralmente, inamissíveis, os quais elevam os custos e proução e justificam as pesquisas em manutenção a integriae estrutural, mostrou MARTINS []. Neste sentio, esforços estão seno estinaos para o esenvolvimento e iversas ferramentas, principalmente, utilizano as técnicas e ensaios não estrutivos. Dentre as iversas técnicas isponíveis, estacam-se o uso o controle manual por ultra-som convencional e o métoo raiográfico para a localização e imensionamento e escontinuiaes. Em inspeções e campo, evio ao freqüente esconhecimento a geometria e a localização as escontinuiaes, necessita-se a utilização e iferentes ângulos e inciência e a análise a amplitue os ecos, resultano num processo lento, subjetivo e ispenioso, revelaram BARROS e CALDEIRA [2]. Além isso, VEIGA et al. [3] isseram que o imensionamento preciso e efeitos perpeniculares à superfície e inspeção é uma as limitações as técnicas convencionais e ultra-som. Outras ificulaes, seguno SILVA et al. [4], encontraas na inspeção e materiais metálicos, como a etecção e trincas paralelas ao feixe e raios-x, representam um problema há muitos anos. Neste sentio, torna-se necessário o esenvolvimento e sistemas eficientes e inspeção e monitoramento e componentes e estruturas, capazes e automação e e rápia aplicação, como a técnica e ultra-som via D - Time of Flight Diffraction ou Tempo e Vôo a Ona Difrataa, ou usualmente: D. Antes o uso o D, a etecção e o imensionamento as escontinuiaes com técnicas ultra-sônicas usualmente utilizavam a amplitue o eco obtia e relacionavam caa amplitue iretamente a imensão a escontinuiae, mostraram MOURA et al. [5]. Para a utilização o D, SILVA et al. [6] inicaram que a eterminação os fatores envolvios na inspeção, tais como: tamanho, forma e orientação o efeito; ângulo e freqüência os transutores; espessura o material e parâmetros e varreura são impresciníveis. Além isso, e acoro com KENZIE e SPECK [7], o D fornece uma melhor correlação entre as alturas as trincas meias e reais o que a técnica a quea o eco em 20B, por exemplo. O D utiliza um par e cabeçotes (um transmissor e um receptor) colocaos sobre a mesma superfície o objeto e teste. A separação os cabeçotes, também chamaa e PCS ( Probe Center Separation - Centro e separação os sensores), é ajustaa e acoro com a espessura e paree a amostra. O scanner com os cabeçotes é movio paralelamente à região provável os efeitos. Uma ona longituinal é enviaa pelo transmissor em ireção ao receptor. O primeiro sinal a chegar é o e uma ona próxima à superfície viajano em ireção ao receptor, chamaa e ona lateral. Devio à abertura o feixe a ona também alcançará a paree e funo, seno que as iferenças no tempo fornecem uma leitura a espessura e paree precisa e será usao para calibrações com base no tempo, geralmente em micro-segunos. Os ois outros sinais, sinal ifratao a ponta a trinca superior e sinal ifratao a ponta a trinca inferior, aparecem evio à falta e homogeneiae no material, ou seja, quano algum efeito está presente, revelaram MOURA et al. [5]. A Figura apresenta um esquema o ensaio D inicano as principais onas presentes urante a inspeção e um componente com um efeito interno, no qual se refere ao transmissor e 2 ao receptor. Figura : Desenho esquemático o ensaio D: (a) Ona lateral, (b) Difração superior, (c) Difração inferior e () Eco e funo. MOURA et al. [5]. Uma ona transversal é também emitia entro o material que se transforma em uma ona longituinal (ou vice-versa). Estes sinais são chamaos e sinais e conversão e moo. Os sinais e conversão e moo poem ar informações aicionais às inicações etectaas e algumas vezes permitir etectar anomalias bem próximas à superfície, no qual o D utilizano ona longituinal não etecta com 80

3 precisão. BASKARAN et al. [8] solucionaram o problema a superposição o sinal a ona lateral com a extremiae o efeito, quano este é próximo à superfície. Para isso ele utilizou o sinal a ona ifrataa transversal, também chamaa e S-D, e superou esta limitação a técnica. BABY et al. [9] afirmaram que onas longituinais são preferias comparaas às onas transversais por reuzir a ambigüiae nas fontes e sinais. Parâmetros como o tamanho e trinca, posição, localização e/ou forma são relativamente irrelevantes para a técnica D. Os sinais ifrataos serão enviaos para o receptor, assim, as iferenças no caminho e tempo arão uma meição mais precisa a escontinuiae. Através o D, SOUZA [0] mostrou que é possível inciir no interior o material um feixe e ultrasom inclinao em relação à superfície e inspeção a partir a escolha o ângulo e inciência e freqüência o cabeçote aequaa para a inspeção proposta. MONDAL [] citou que a taxa e crescimento méio anual (AAGR) o mercao e D é e 0-20% maior o que outras técnicas e ensaios não estrutivos. O métoo está ganhano populariae evio à alta probabiliae e etecção (POD), baixa taxa e chamaa falsa, portabiliae, baixo custo e a elevaa precisão intrínseca no imensionamento e escontinuiaes, especialmente na profuniae, revelou GOUJON [2]. CARNEVAL et al. [3] mostraram que o D, comparaa com outras técnicas não-estrutivas convencionais, é a mais apropriaa para eterminar a profuniae ou a altura e uma trinca. Porém o D não fornece uma informação precisa sobre o tipo e efeito etectao, seno esta informação epenente exclusivamente a experiência e conhecimento o operaor, seguno MOURA et al. [4]. CARVALHO et al. [5] observaram que efeitos aflorano na superfície oposta, como a falta e penetração em um corão e sola por exemplo, apresentam um erro no imensionamento menor para técnicas ultra-sônicas automatizaas comparano com técnicas ultra-sônicas manuais, seno que a probabiliae e etecção (POD) por D é e 93,8%. Este trabalho mostra a eficiência a técnica D no imensionamento e efeitos e iferentes geometrias e profuniaes, a partir a calibração e acoro com a Norma BS 7706 [6]. Esta metoologia constitui uma boa referência para avaliar o potencial e a precisão o métoo, servino e base para o monitoramento automatizao e utos, solas e emais componentes a inústria petrolífera. O Trabalho é parte o Projeto Desenvolvimento e Proceimentos e Monitoração e Defeito em Dutos Rígios para a Inústria Petrolífera, esenvolvio em parceria com a Petrobras S/A, o qual visa o esenvolvimento e técnicas avançaas e inspeção e monitoramento e utos rígios. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização este trabalho foram confeccionaos 3 corpos e prova usinaos por eletroerosão (CP, CP2 e CP3) com as seguintes imensões: 200mm e comprimento, 50mm e largura e 24,8mm e espessura o aço SAE 022. Os CP e CP2 foram utilizaos para a calibração o ganho o equipamento (parões) usano sinais ifrataos a partir e rasgos ou entalhes, seguno a Norma BS 7706 [6]. O CP apresentava um entalhe usinao em V, teno 5mm e largura, profuniae e 2,5mm e o ângulo o entalhe com o eixo horizontal foi usinao em 60º. Já o CP2 apresentava um entalhe reto com 0,3mm e largura e 8mm e profuniae. Finalmente, o CP3 teve ois efeitos simulaos em iferentes profuniaes, interpretaos tanto pelo lao os entalhes aflorano na superfície e varreura quanto pelo lao oposto, representano os entalhes aflorano na superfície oposta, o que inica quatro situações istintas e inspeção. Ambos os entalhes apresentavam 0,7mm e largura espaçaos 70,60mm entre si, seno que um foi usinao a uma profuniae e 2,5mm e o outro, a uma profuniae e 8mm. O proceimento para a caracterização os iferentes tipos e efeitos apresentaos (aflorano na superfície e varreura e aflorano na superfície oposta), após calibração, teve como referência a Norma BS EN [7]. Toos os corpos e prova (CP, CP2 e CP3) foram calibraos e interpretaos utilizano caa uma as quatro variações e freqüência e ângulo e inciência propostas: 5MHz/60º, 5MHz/70º, 0MHz60º e 0MHz/70º. Para tais proceimentos foram utilizaos iferentes conjuntos e cabeçotes e sapatas, seno eles: 2 transutores e 5 MHz com iâmetro o cristal e 6 mm. 2 transutores e 0 MHz com iâmetro o cristal e 6 mm. 2 sapatas e acrílico com ona longituinal em 60 º. 2 sapatas e acrílico com ona longituinal em 70 º. 8

4 A Figura 2 apresenta, e forma resumia, a seqüência e ensaios aotaa neste trabalho. Confecção os corpos e prova Norma BS 7706 (parões) Simulação e efeitos Entalhe em V (CP) Calibração em iferentes variações (5MHz/60º, 5MHz/70º, 0MHz/60º e 0MHz/70º) Entalhe reto (CP2) Calibração em iferentes variações (5MHz/60º, 5MHz/70º, 0MHz/60º e 0MHz/70º) Entalhes retos e iferentes profuniaes (CP3) Interpretação em iferentes variações (5MHz/60º, 5MHz/70º, 0MHz/60º e 0MHz/70º) Figura 2: Fluxograma etalhao as etapas a metoologia aotaa neste trabalho. CP = corpo e prova. Para a realização os experimentos, foi utilizao um equipamento e ultra-som e 6 canais, no qual a parte e harware e software foi esenvolvia pela equipe a CPTi/PUC-Rio, que permite trabalhar tanto no moo pulso-eco (ultra-som convencional) quanto no moo D, seno o último, escopo este trabalho. Desta forma, além os transutores e sapatas citaos, foram utilizaos os seguintes acessórios para a realização este trabalho: Um porta-sonas (scanner) para posicionar/movimentar os cabeçotes; Corpo e prova (CP) a ser inspecionao; 2 cabos com conexão microot; Vaselina líquia como acoplante; Placa e aquisição e aos (harware); Computaor pessoal e um software para aquisição e aos. A Figura 3 apresenta o conjunto D, com toos os acessórios necessários para o seu funcionamento. Figura 3: Equipamento e D utilizao no ensaio. 82

5 3 RESULTADOS 3. Etapa : Calibração As Tabelas e 2 apresentam os valores meios para caa variação () utilizaos na calibração e CP e CP2, respectivamente. Tabela : Valores e profuniae méia e tempos e chegaa a ona ifrataa para toas as variações calibraas com o CP. Profuniae real o entalhe 2,5mm Ona 5MHz 60º 5MHz 70º 0MHz 60º Lateral 4,36 8,8 4,43 8,09 Difração Funo 7,88 5,43 3,30 20,62 8,80 2,5 5,45 8,8 3,00 7,98 20,6 0MHz 70º 3, Tabela 2: Valores e profuniae méia e tempo e ona e toas as variações calibraas com o CP2. Profuniae real o entalhe Ona 5MHz 60º 5MHz 70º 0MHz 60º Lateral 4,65 7,96 4,43 8,27 Difração 4,93 8,32 4,92 8,64 0MHz 8mm Funo 7,88 9,00 20,48 9,7 7,95 8,88 20,5 9,25 70º Sabeno que as profuniaes e 2,5mm e 8mm representam o 00% (valor real), observa-se que a calibração foi eficiente para toas as variações. Para o CP o erro na calibração méia não foi maior o que 6,5%. Já para o CP2, não ultrapassou 6% (Figura 4). As inicações e a 3 nas Figuras 4, 5 e 6 representam as onas principais no A-scan e B-scan: () ona lateral, (2) eco ifratao e (3) eco e funo. 83

6 Figura 4: Ecogramas obtios na calibração o CP (5MHz/70º) e o CP2 (0MHz/60º). A partir a calibração o equipamento, pôe-se eterminar a variação (freqüência/ângulo) mais inicaa para efeitos e iferentes profuniaes aflorano na superfície e varreura e aflorano na superfície oposta à varreura. Os círculos nas Figuras 5 e 6 representam bloqueio ou iminuição o eco. 3.2 Etapa 2: Simulação e efeitos Os ecogramas a seguir (Figuras 5 e 6) apresentam alguns os principais resultaos obtios para caa variação na inspeção os entalhes simulaos no CP3. As análises foram feitas com os entalhes aflorano na superfície e varreura e também aflorano na superfície oposta para toas as quatro variações propostas Figura 5: Ecogramas com entalhes aflorano na superfície o CP3 (5MHz/70º e 0MHz/60º). 84

7 Figura 6: Ecogramas com entalhes aflorano na superfície oposta o CP3 (0MHz/60º e 0MHz/70 ). Complementano, na Figura 7, os resultaos e profuniaes experimentais foram colocaos em um gráfico e barras. Desta forma, no eixo X, a numeração e a 4 se refere às iferentes profuniaes e refletores analisaas, seno os números e 2 referentes aos entalhes aflorano na superfície o ensaio, seno eles 8mm e 2,5mm respectivamente. Já os números 3 e 4 se referem aos entalhes aflorano na superfície oposta à varreura, seno eles 2,5mm e 7mm. No eixo Y, tem-se a profuniae os entalhes em mm. Gráfico comparativo - CP3 Profuniae Quantiae e refletores Profuniae real 5MHz60º 5MHz70º 0MHz60º 0MHz70º Figura 7: Gráfico comparativo mostrano as profuniaes experimentais obtias para caa variação o ensaio no CP3. 4 DISCUSSÃO A calibração o equipamento se mostrou eficiente para toas as variações utilizaas, com erros experimentais não maiores o que 6%. Com relação aos entalhes aflorano na superfície, tanto na profuniae e 8mm quanto na profuniae e 2,5mm a variação que utiliza os cabeçotes e 5MHz e a sapata e 70º apresentou os resultaos e profuniae com menor erro experimental. Já, para os cabeçotes e 5MHz colocaos nas sapatas e 60º o erro foi maior para estes entalhes aflorano na superfície e varreura. Já, aumentano a freqüência para 0MHz e manteno o ângulo e sapata e 70º, para o entalhe mais profuno (7mm) o erro no imensionamento foi mínimo (menor que %). Isto também ocorre para os cabeçotes e 0MHz colocaos nas sapatas e 60º que tiveram um melhor resultao no entalhe mais 85

8 profuno e 7mm, representao pelo número 4 na Figura 7. Para um entalhe com profuniae igual à metae a espessura o corpo e prova, aflorano na superfície oposta, o imensionamento para toas as variações apresentou um pequeno erro experimental que variou entre 0,8 e 2,2%. MOURA e VASCONCELOS [8], para um entalhe usinao a uma profuniae e 8mm aflorano na superfície oposta à varreura, por eletroerosão, em uma chapa e 8mm e espessura por 600mm e comprimento, obtiveram um erro percentual e 6,25% utilizano cabeçotes e 5MHz em sapatas e 60º, ficano próximo ao erro percentual representao na Figura 7 este trabalho para esta variação. Neste caso, poeria ser moificao o ângulo e inciência a ona longituinal para 70º a fim e alterar a intensiae a energia ultra-sônica inciente na extremiae, iminuino o erro experimental, como sugeriu SOUZA [0]. Já para um entalhe aflorano na superfície oposta à varreura, usinao a 3mm e profuniae, o erro percentual encontrao por MOURA e VASCONCELOS [8] ficou em,6%. SOUZA [0] mostrou que esta precisão poeria ser aina maior com a utilização e cabeçotes e maior freqüência. SILVA et al. [6] citaram que o fato os entalhes estarem em regiões e maior ou menor energia ultra-sônica, e acoro com o irecionamento o feixe na amostra, poe ser a causa os resultaos e profuniaes serem mais profunos ou menos profunos o que o valor real, respectivamente. Neste artigo, o feixe foi irecionao para a região central o corpo e prova, isto justifica o fato o entalhe e 2,5mm, aflorano na superfície oposta, apresentar o resultao mais próximo o real para toas as variações, por estar em uma região e energia ultra-sônica intermeiária. Este mesmo entalhe analisao, aflorano na superfície e varreura, teve profuniaes experimentais maiores o que a real, por apresentar a sua extremiae inferior no caminho o feixe e maior energia ultra-sônica. Para o entalhe e 8mm este fenômeno pôe ser verificao também. 5 CONCLUSÕES A análise os resultaos obtios neste artigo permite concluir que: O equipamento se mostrou aferio para o imensionamento os efeitos propostos. Para entalhes aflorano na superfície e varreura, com profuniaes menores que a metae a espessura o corpo e prova, a variação que utiliza cabeçotes e 5MHz acoplaos em sapatas com 70º e ângulo é a mais inicaa para o imensionamento. Já para entalhes com profuniaes maiores que a metae a espessura o corpo e prova, também aflorano na superfície oposta o imensionamento utilizano cabeçotes e maior freqüência (0MHz) se mostrou mais preciso. Depeneno a profuniae e focalização o feixe ultra-sônico e a localização o efeito na amostra, a intensiae a energia ultra-sônica inciente em sua extremiae poe resultar em valores e profuniaes experimentais mais profunos ou menos profunos. Quano a extremiae o efeito estiver na linha e foco o feixe o imensionamento se mostra mais preciso, principalmente, aflorano na superfície oposta. O métoo se mostrou eficiente no imensionamento e efeitos e iferentes profuniaes seno, portanto, inicao para sistemas automatizaos e inspeção, seja no monitoramento o crescimento e trincas seja na etecção e efeitos em sola. 6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam e agraecer ao CPTi/PUC-RJ, ao CENPES/PETROBRÁS (em especial ao Dr. Sérgio Damasceno Soares) e ao CNPq. 7 BIBLIOGRAFIA [] MARTINS, C.O.D., Desenvolvimento e metoologias e inspeção e monitoramento e risers flexíveis através e técnicas micromagnéticas e análise e tensões, Tese e D.Sc., UFRGS, Rio Grane o Sul, pp. 34, [2] BARROS, P.M., CALDEIRA, R., D como técnica e etecção e imensionamento e escontinuiaes, ISQ Brasil,

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