ENSAIO NÃO DESTRUTIVO ULTRASSOM

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2 ENSAIO NÃO DESTRUTIVO ULTRASSOM SISTEMAS COMPUTADORIZADOS PAULO CESAR F. HENRIQUES ENGº MECÂNICO, M.Sc. US N3 SNQC 0029

3 CERTIFICADO EM 1992

4 INTRODUÇÃO O que são Ensaios Não Destrutivos? Os Ensaios Não Destrutivos (END) são técnicas utilizadas na inspeção de materiais e equipamentos sem danificá-los, sendo executados nas etapas de fabricação, construção, montagem e manutenção. São largamente utilizados nos setores petróleo/petroquímico, químico, mecânico, aeronáutico, aeroespacial, siderúrgico, naval, eletromecânico, papel e celulose, entre outros. Contribuem para a qualidade dos bens e serviços, redução de custo, preservação da vida e do meio ambiente, sendo fator de competitividade para as empresas que os utilizam.

5 INTRODUÇÃO PORQUE INSPECIONAR?

6 INTRODUÇÃO Acidente em Plataforma no Golfo do México A plataforma Deepwater Horizon, da petrolífera inglesa British Petroleum (BP), explodiu e provocou vazamento de cerca de 5 milhões de barris de petróleo no mar. A sonda estava na fase final da perfuração de um poço no Golfo do México e no dia 20 de abril de 2010 aconteceu uma explosão na torre, provocando um incêndio de grandes proporções. Morreram 11 pessoas e 7 trabalhadores foram levados para o hospital. Deepwater Horizon afundou em 22 de abril de 2010 em águas de aproximadamente 1500 metros de profundidade. O petróleo vazou no Golfo do México durante 87 dias, se espalhou por mais de km no litoral norte-americano.

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23 AS ARMAS DA INSPEÇÃO DE EQUIPAMENTOS 1- INSPEÇÕES SENSITIVAS 2- ENSAIOS MECÂNICOS E DE LABORATÓRIO 3- ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS 4- ANÁLISE DE DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES 5- MONITORAMENTO ONLINE DE VARIÁVEIS DE PROCESSO E CORROSÃO

24 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS (END) RAZÃO PARA UTILIZARMOS END? Competitividade Segurança (Meio ambiente, pessoas, projeto) Legislação ou exigências contratuais Confiabilidade

25 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS (END) EM QUE ETAPA UTILIZAMOS END? Matéria prima (chapas, eixos, engrenagens, etc.); Controle dos processos (soldagem) Inspeção final (liberação); Paradas para Manutenção; Inspeções Periódicas, conforme a NR-13.

26 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS (END) MÉTODOS MAIS USADOS Ensaio Visual Ultrassom (solda e medição de espessuras) Radiografia (X e Gama) Partículas Magnéticas Líquidos Penetrantes Correntes Parasitas

27 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS (END) OUTROS MÉTODOS DE END IRIS Ultrassom automatizado ToFD (Time-of-Flight Diffraction ultrasonics) Phased Array Ultrasonics Termografia ACFM (Alternating Current Field Measurement) Shearografia

28 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS (END) MÉTODOS DE RASTREIO (screening) (INSPEÇÃO GLOBAL) Emissão Acústica Ondas Guiadas Ultrassônicas

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30 HISTÓRIA DO ULTRASSOM FORJAMENTO DE UMA ESPADA PERCUSSÃO DO SOM GERADA PELA MARTELADA ENSAIO DE TINIDO SINOS, ÂNCORAS E RODAS DE TRENS

31 HISTÓRIA DO ULTRASSOM AS DIFERENÇAS NO SOM GERADO ENTRE PEÇAS BOAS E DEFEITUOSAS SÓ ERAM PERCEBIDAS POR PESSOAS COM MUITA EXPERIÊNCIA ENSAIO RUDIMENTAR COM BAIXA CONFIABILIDADE ONDAS SONORAS DE BAIXA FREQUÊNCIA NÃO DETECTAVAM PEQUENOS DEFEITOS

32 HISTÓRIA DO ULTRASSOM Em 1826 o físico suíço Jean-Daniel Colladon conseguiu determinar a velocidade do som nas águas do lago de Genebra colocando um sino debaixo da água. Diversos outros cientistas contribuíram para com o desenvolvimento das técnicas então chamadas de eco sonda. Em 1912, um mês após o Titanic afundar foi patenteado o primeiro sonar pelo inglês Lewis Richardson.

33 HISTÓRIA DO ULTRASSOM A partir de 1929 diversos instrumentos geradores de ondas ultrassônicas foram desenvolvidos pelo Instituto de Eletrotécnica de Leningrado por Serguei Sokolov. Firestone desenvolveu e patenteou por volta de 1941 na universidade de Michigan um aparelho detector de falhas conhecido como refletoscópio supersônico.

34 HISTÓRIA DO ULTRASSOM Após os trabalhos de Firestone os irmãos Krautkrämer e Karl Deutsch iniciaram pesquisas para o desenvolvimento de aparelhos ultrassônicos. A partir de 1980 os aparelhos tornaram mais robustos e menores sendo cada vez mais aperfeiçoados até os dias atuais. Os tubos de raios catódicos foram substituídos por telas de LED ou LCD e incorporaram funções de operações trigonométricas para a exta localização das descontinuidades.

35 HISTÓRIA DO ULTRASSOM Os rápidos avanços da micro informática e a capacidade de digitalização de imagens permitem o registro, identificação e dimensionamento das descontinuidades. Técnicas sofisticadas apresentação de imagens em 3D em tempo real possibilitam uma análise confiável da peça sob exame, tal como conhecemos nos exames ultrassônicos em gestantes ou para avaliação de regiões lesionadas do corpo humano.

36 ULTRASSOM CONVENCIONAL DETECTA DESCONTINUIDADES INTERNAS TAIS COMO TRINCAS, VAZIOS, FALTA DE FUSÃO EM SOLDAS, POROSIDADES ENTRE OUTOS. PODE SER UTILIZADO NA MAIORIA DO MATERIAS METÁLICOS E NÃO METÁLICOS INCLUSIVE PARA MEDIÇÃO DE ESPESSURA.

37 ULTRASSOM CONVENCIONAL ULTRASSOM

38 ULTRASSOM CONVENCIONAL DESCONTINUIDADE DIMENSIONAMENTO ( 6 db) COMPRIMENTO LOCALIZAÇÃO

39 ULTRASSOM CONVENCIONAL MÉTODO DE INSPEÇÃO (PULSO-ECO)

40 ULTRASSOM CONVENCIONAL REGISTRO DOS RESULTADOS - Identificação da Empresa; - Identificação numérica; - Identificação da peça, equipamento ou tubulação; - Material inspecionado indicando o tipo, grau, diâmetro e espessura; - Número e revisão deste procedimento; - Aparelho e cabeçotes utilizados, indicando os respectivos modelos e número de série; - Identificação do registro da calibração da aparelhagem; - Condição superficial; - Acoplante utilizado; - Registro dos resultados contendo para cada descontinuidade: Localização em relação à direção longitudinal da solda; Croquis da localização na seção transversal da solda; Identificação e comprimento da descontinuidade; Cabeçote utilizado na detecção da descontinuidade. Superfície de detecção; Ganho de varredura; - Norma, incluindo edição/revisão e/ou valores de referência para interpretação dos resultados; - Laudo indicando aceitação, rejeição ou recomendação de ensaio - Data; complementar; - Identificação e assinatura do inspetor responsável;

41 AUTOMATIZADO O equipamento de ultrassom mecanizado consiste de: - Scanner com painel de transdutores - Cabo umbilical - Computador e monitor - Instrumentos eletrônicos

42 AUTOMATIZADO Scanner e Cabeçotes Scanner e Cinta Ultra-Som Computadorizado Bloco de Calibração Monitor

43 AUTOMATIZADO CABEÇOTES

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46 AUTOMATIZADO DISPOSIÇÃO DOS CABEÇOTES DIREÇÃO DE VARREDURA

47 AUTOMATIZADO

48 AUTOMATIZADO VANTAGENS Velocidade de inspeção Registro dos resultados Possibilidade de reispeção virtual Ferramentas de avaliação de imagens Dimensionamento das descontinuidades Avaliação das descontinuidades (critério de aceitação/rejeição)

49 AUTOMATIZADO LIMITAÇÕES Grande número de painéis de transdutores para cobrir gama de diâmetros aumenta os custos; Uma grande espessura de parede exige um grande número de transdutores: Scanner fica muito pesado e difícil de manipular; Ex.: Junta de 32mm de espessura pode precisar de mais de 40 transdutores para atender às normas de projeto;

50 AUTOMATIZADO LIMITAÇÕES Pequeno diâmetro com parede espessa torna difícil uma inspeção adequada; Diversidade de diâmetros diminui a produtividade; Um grande número de partes móveis aumenta a probabilidade de problemas mecânicos ao longo da obra.

51 INTERVALO

52 PHASED ARRAY

53 PHASED ARRAY COMO FUNCIONA? Consiste de um feixe de cristais, que pulsam de forma individualmente programada; Uma programação precisa permite que se crie interferências construtivas e destrutivas, direcionando e focalizando o feixe sônico; A tecnologia Phased Array permite: Deflecção Electrônica do Feixe Escaneamento Eletrônico Setorial do Feixe Inspeções Complexas

54 PHASED ARRAY COMO FUNCIONA? Phased array é uma tecnologia extensão do ultrassom convencional, com a qual é possível modificar eletronicamente as características acústicas do transdutor. Em um único transdutor está disponibilizado um arranjo de cristais, que são controlados de modo a garantir uma inspeção mais completa. As modificações dos transdutores são feitas introduzindo-se defasagens de tempo controladas entre os sinais emitidos e recebidos por cada cristal.

55 PHASED ARRAY Os transdutores para ultrassom convecional apresentam apenas um cristal piezoelétrico Os transdutores Phased Array apresentam um arranjo de cristais que podem ser excitados individualmente.

56 PHASED ARRAY TECNOLOGIA DOS PIEZOCOMPÓSITOS Ao invés de utilizar cristais piezoelétricos, são utilizados estruturas de compósitos chamados de piezocompósitos. Estes compósitos são feitos de pequenos pedaços de cerâmica embebidos em uma matriz de epóxi.

57 PHASED ARRAY PRINCÍPIOS BÁSICOS Para escanementos lineares, os feixes são multiplexados utilizando-se a mesma lei focal. Para escaneamentos setoriais (ângulos múltiplos), os mesmos elementos são utilizados, mas as leis focais são modificadas. Para focalizar em determindada profundidade, as leis focais são modificadas.

58 PHASED ARRAY APARELHAGEM

59 PHASED ARRAY CABEÇOTES FLEXÍVEIS

60 PHASED ARRAY CABEÇOTE PHASED ARRAY

61 PHASED ARRAY Scanner Semi-Automático Pode ser utilizado em tubos a partir de uma polegada de diâmetro até superfícies planas Modular, pode ser utilizado com um ou dois transdutores. Rodas magnéticas para superfícies ferrosas.

62 PHASED ARRAY VARREDURA SETORIAL

63 PHASED ARRAY VARREDURA LINEAR

64 PHASED ARRAY VARREDURA LINEAR

65 PHASED ARRAY ANGULAÇÃO DO FEIXE

66 PHASED ARRAY Exemplo de Foco Eletrônico Transdutor Phased array Varredura 30 mm 60 mm 10 mm SDH 1 mm Prof.

67 PHASED ARRAY FOCALIZAÇÃO ELETRÔNICA

68 PHASED ARRAY Cuidados na focalização

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71 PHASED ARRAY

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73 PHASED ARRAY Melhorias obtidas com o Phased Array: Substitui a radiografia e o ultrassom manual, com vantagens técnicas, operacionais e econômicas; Substitui todos os transdutores por apenas um ou dois transdutores trabalhando simultaneamente; Sem limite de ângulos para inspecionar, o que melhora a qualidade da inspeção; Permite inspecionar, com alta confiabilidade, tubulações de pequeno diâmetro (a partir de 48mm) e espessura (a partir de 2mm); Inspeção de juntas tubo-conexão por apenas um lado da solda. Scanner mais rápido e leve Um conjunto scanner/probe atende a todos os diâmetros e espessuras Inspeções mais rápidas;

74 PHASED ARRAY Maior flexibilidade para diferentes configurações de diâmetro/espessura; Setup mais rápido; Melhor detectabilidade; Melhor dimensionamento de defeitos; Inspeções mais confiáveis e precisas. Phased array Convencional

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76 PHASED ARRAY LIMITAÇÕES Tecnologia nova e mais complicada Elevado custo Maior capacitação do inspetor

77 ToFD Dois transdutores Configurados (Emissor/Receptor) Possui recursos de caracterização de defeitos Utiliza técnica de padrão de reconhecimento ao invés de amplitude Sinais difratados COMO FUNCIONA? Mede os tempos de chegada das ondas diretas, refletidas e difratadas

78 ToFD

79 ToFD APARELHAGEM

80 ToFD Transmissor Onda Lateral Receptor Reflexão na Espessura OL RE Extremo Superior Extremo Inferior

81 ToFD Transmissor 2S Receptor d 1 d 2 Altura do defeito h d d 2 1 Como apenas tempos de trânsito são usados para medida da altura do defeito, estimativas precisas da altura são obtidas. Na prática precisão de 1 mm para trincas reais são alcançadas (0,1 mm no caso de entalhes usinados)

82 ToFD Transmissor Onda Lateral bloqueada Receptor Reflexão na espessura RE Sem onda lateral Extremidade da trinca

83 ToFD Transmissor Onda lateral Receptor Onda lateral bloqueada OL Extremo da trinca Sem eco na parede oposta

84 ToFD Transmissor Onda lateral Receptor Sinal refletido (Falta de fusão entre passes, delaminações) OL Reflexão na espessura RE Eco de reflexão

85 Amplitude + ENSAIO ULTRASSÔNICO ToFD Branco Visualização dos Dados Grande quantidade de dados Informação da fase é importante - Preto Tempo Tempo Cada tela A-scan é substituida por uma linha em padrão de cinza

86 ToFD OL A-scan D-scan RE Superfície superior Parede oposta

87 ToFD Recursos de Medição A-scan h d 1 d 1 t 1 t 2 Cursores Cálculos por Software l t 1,t 2 d 1, d 2 e h são calculados automaticamente P D-scan

88 ToFD Manipulador Codificador de posição Solda De fácil aplicação Rodas Magnéticas Manual (ou mecanizado) Codificador de posição uniaxial Cabeçotes US Roda Magnética Basicamente 2 cabeçotes, mas pode portar mais (PE) Ajuste fácil do PCS se necessário

89 ToFD TOFD Vantagens Varredura linear, inspeção volumétrica Varredura muito rápida Ajuste independente da configuração da solda Capacidade de dimensionamento preciso do defeito Muito sensível a todos os tipos de defeitos Praticamente insensível a orientação da descontinuidade Independente da amplitude, acoplamento acústico menos crítico

90 ToFD LIMITAÇÕES Não se baseia em refletividade (critérios convencionais); Deficiente para descontinuidades próximas das superfíceis (ensaios complementares); Não aplicável para pequenas espessuras (< 8 mm); Não há criterios de aceitação na maioria das normas; Requer pessoal altamente especializado; Não recomendável para material de ganulação grosseira.

91 ToFD PE 45 OT TOFD PE 60 OT

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99 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO NORMA BRASILEIRA ABNT NBR 16616:2017 Ensaios não destrutivos - Ultrassom convencional - Qualificação de procedimento Esta Norma estabelece os requisitos para metodologia de qualificação de procedimento de ensaio não destrutivo por ultrassom convencional em soldas de aços-carbono, aços baixa liga, aços inoxidáveis e ligas austeníticas.

100 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO

101 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO

102 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO Programa de qualificação do procedimento Para a qualificação do procedimento deve ser elaborado um programa de qualificação escrito que deve conter no mínimo os seguintes itens: a) aplicabilidade do procedimento; b) aparelhagem e blocos necessários; c) corpos de prova (CP): metais-base e de adição; processos de soldagem e geometria dos chanfros; diâmetros (se aplicáveis) e espessuras indicando as faixas cobertas;

103 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO quantidade, dimensões e tipo de CP; orientação para confecção (fabricação) dos CP, incluindo quantidade, tipo, dimensões e localização de descontinuidades; os CP devem ser representativos da peça ou componente a ser inspecionado pelo procedimento de ensaio de ultrassom (por exemplo, inspeção de junta soldada entre tubo e acessório de tubulação);

104 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO d) ensaios complementares necessários para qualificação: preferencialmente, deve ser realizado o ensaio radiográfico e, quando não for possível, deve ser utilizado outro método ou técnica complementar que permita detectar e dimensionar as descontinuidades existentes; e) descrição da metodologia de ensaios a serem realizados, ressaltando limitações de varredura ou situações especiais/diferenciadas, se presentes (por exemplo, alta temperatura); f) metodologia de registro de resultados dos ensaios realizados; g) critério de análise de resultados; e h) relatório final.

105 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE INSPEÇÃO Demonstração de desempenho do procedimento Avaliação dos resultados Para cada CP inspecionado, deve ser elaborado um mapa comparativo das descontinuidades introduzidas versus descontinuidades detectadas Relatório final parecer conclusivo sobre a aprovação para uso ou não do procedimento

106 AGRADECIMENTO E CRÉDITOS Manfred Ronald Richter Cesar Coppen Ricardo de Oliveira Carneval Rafael Florêncio Global End Applus RDT Olympus GE Technologies Abendi

107 Contatos Paulo Cesar Francisco Henriques Especialista em Inspeção de Equipamentos e N3 em Ultrassom Obrigado! pcfh22@gmail.com (21) (11)