CONAEND&IEV MODELAMENTO POR ELEMENTOS FINITOS DE UMA SONDA DE CORRENTES PARASITAS PULSADAS PARA TUBOS ISOLADOS

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1 CONAEND&IEV MODELAMENTO POR ELEMENTOS FINITOS DE UMA SONDA DE CORRENTES PARASITAS PULSADAS PARA TUBOS ISOLADOS Carollina S. Santana 1, Filipe L. Oliveira 2, Camilla B. Larocca 3, Carla Beatriz F. Carmo 4, Ivan C. Silva 5, Cláudia T. T. Farias 6 Copyright 2018, ABENDI, PROMAI. Trabalho apresentado durante o XXXVI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção. 21ª IEV Conferencia Internacional sobre Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipos Industriales. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es). SINOPSE O método de simulação por elementos finitos é um recurso empregado no desenvolvimento de ferramentas e sensores para uso industrial e pesquisa. No ensaio não destrutivo, a modelagem do campo magnético na presença do material sob teste, permite determinar os parâmetros geométricos da sonda e prever a influência de descontinuidades no sinal. Como parte do desenvolvimento de equipamentos para o ensaio de correntes parasitas pulsadas (PEC) foi criado um modelo que reproduz a resposta de uma sonda na presença de perda de espessura em tubo de aço carbono revestido com material compósito. Os sinais teóricos foram comparados aos experimentais para validação do modelo mostrando boa correlação. 1 Graduanda, Engenharia Industrial Elétrica GPEND/LABIND/IFBA 2 Graduando, Engenharia Industrial Mecânica GPEND/LABIND/IFBA 3 Graduanda, Engenharia Industrial Elétrica GPEND/LABIND/IFBA 4 Graduanda, Engenharia Industrial Elétrica GPEND/LABIND/IFBA 5 Prof Dr. em Eng. Metalúrgica e de Materiais GPEND/LABIND/IFBA 6 Profa Dra. em Eng. Metalúrgica e de Materiais GPEND/LABIND/IFBA

2 1. INTRODUÇÃO Materiais revestidos ou termicamente isolados são amplamente encontrados na indústria e estão sujeitos a trincas, ou processos corrosivos. Os ensaios não destrutivos são requisitados por não causar danos permanentes ao material, componente ou estrutura [1]. Por não demandar contato, a técnica de correntes parasitas pulsadas (PEC, Pulsed Eddy Current) tem sido empregada para inspecionar materiais condutores envolvidos por revestimentos não condutores [2], mesmo quando estes são cobertos por finas chapas metálicas de alumínio ou aço. Isto é possível graças a utilização de um pulso para excitação de uma bobina [3], que proporciona um espectro de frequência rico em informações, gerando correntes parasitas a grandes profundidades [4]. Em materiais ferromagnéticos, a sua grande permeabilidade magnética e condutividade elétrica afetam o campo magnético. Os efeitos da condutividade são proeminentes na borda de subida da resposta transitória, portanto, mudando o padrão espectral no domínio da freqüência, enquanto os efeitos da permeabilidade dominam na fase estável da resposta transiente [5]. É prática comum nos END magnéticos empregar um campo magnético de saturação para mitigar os efeitos da permeabilidade, contudo a sonda também detecta este campo sobreposto por ela gerado. As sondas PEC são, basicamente, uma bobina geradora do campo magnético associada a segunda bobina sensora ou sensor de estado sólido (Hall ou GMR). A detecção do defeito é feita a partir da comparação do sinal de medida com um de referência obtido em uma região sem defeito. Arranjos diferenciais com dois sensores foram empregados no intuito de obter um referência no mesmo ponto de medida [6], como uma forma de minimizar o efeito de variações locais da permeabilidade magnética. Sendo a sonda um elemento crucial, técnicas de modelagem têm sido empregadas para otimizar o seu projeto [7, 8]. A partir de um modelo, pode-se previamente determinar os parâmetros constitutivos da sonda e prever a resposta em função da existência de descontinuidades. Entre diversas aplicações, a modelagem por elementos finitos foram utilizadas para investigar o efeito de blindagens metálicas [9], determinar o efeito do uso de rebites de aço ou titânio em estruturas aeronáuticas [10] e determinar o desalinhamento de tubos em espelhos de trocadores de calor [11]. A modelagem pelo método dos elementos finitos também mostrou-se eficaz na detecção de rachaduras e defeitos quando combinado com a técnica PEC [12]. Sendo a sonda um elemento importante para a técnica de correntes parasitas, neste trabalho foi realizada uma simulação utilizando o método dos elementos finitos a fim de prever a

3 resposta da sonda na presença de descontinuidades. Assim, pôde-se comparar os resultados simulados com os dados obtidos na prática para delinear melhorias no projeto da sonda. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Correntes Parasitas Pulsadas (PEC) A técnica de Correntes Parasitas Pulsadas utiliza propriedades magnéticas para determinar descontinuidades em corpos de provas metálicos. Consiste em um sistema alimentado por pulsos de uma onda quadrada, induzindo correntes em condutores a partir de um campo magnético produzido pela bobina. A corrente induzida irá gerar um campo eletromagnético secundário no material sob teste. A interação entre os campos da bobina e das correntes parasitas serão o sinal de saída para a análise da inspeção. Locais onde existem descontinuidades irão afetar as correntes parasitas, modificando assim o campo magnético no local específico. Ao utilizar um pulso quadrado para alimentação, o sistema é capaz de utilizar múltiplas frequências na inspeção do corpo metálico. Assim, medições foram combinadas para proporcionar uma avaliação mais rigorosa da integridade estrutural reduzindo anomalias no sinal que podiam ser confundidas com falhas [13], e podendo assim alcançar defeitos superficiais e profundos, ao mesmo tempo, diferentemente da técnica convencional de correntes parasitas (ECT, Eddy Current Technique). Alguns parâmetros utilizados para analisar os sinais são a amplitude do sinal e o seu tempo de carga e descarga do sinal. Quanto menor a parede do corpo de prova, menor a profundidade da corrente parasita, assim, maiores as frequências. Sabe-se que, pela equação 1, a relação de frequência e tempo são inversamentes proporcionais, assim, quanto maiores as frequências contidas em um sinal, mais rápido esse sinal vai ser. f = 1/T Eq.1 Já, a amplitude do sinal varia em relação à profundidade de um defeito. Essa diferença se dá pela mudança da impedância que depende da distância entre a bobina e o material, geometria, condutividade e permeabilidade do material.

4 2.2 Método dos Elementos Finitos (FEM) O método dos elementos finitos é um método de cálculo numérico que mostra-se flexível e preciso em uma grande variedade de aplicações, por exemplo, em áreas como Aeronáutica e Engenharia Nuclear [14]. Também demonstrou eficiência colaborando no projeto de sondas e na simulação das condições de ensaio [15]. A sua fórmula de cálculo é usada para modelar propriedades não lineares e anisotrópicas do material. A modelagem consiste em discretizar a estrutura do objeto, representando-o em domínios denominados elementos finitos. Os domínios são conectados por nós também chamados de pontos nodais, que consistem em uma resolução aproximada do problema. Assim, de acordo com as equações matemáticas que gerem os comportamentos físicos e com as condições de contorno é possível obter a solução. 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Modelagem do conjunto Tubo-Sonda O modelamento por elementos finitos foi empregado para otimizar o projeto da sonda de inspeção com o intuito de estimar os parâmetros geométricos ideais para a sonda, a penetração esperada do campo magnético e sua interação com os defeitos. O modelo por elemento finitos foi criado empregando o pacote de programas Ansys Maxwell. Em ambiente 3D foi criada uma geometria que contempla a bobina e seus imãs associados, o tubo e o isolamento, como mostra a Figura 1. Figura 1 - Representação do modelo com tubo em meia cana, bobina e imãs. A esta geometria foram associados parâmetros tais como: a análise em modo transiente; as características magnéticas de cada material e a distância dos ímãs em relação ao centro da bobina (27,5 mm). Para o modelo eletrônico da excitação da bobina, foi associado um circuito

5 RL, excitados por uma fonte de onda quadrada de 10Vcc, com frequência de 1kHz e ciclo de carga 50%, como mostrado na Figura 2. Figura 2 - Circuito eletrônico para excitação do modelo. Um modelo prévio foi desenvolvido para o ajuste da coercividade magnética dos imãs. Para tal, foi medida a densidade de campo magnético na face do imã usado na sonda empregando um medidor de campo LakeShore, MODEL 410 GAUSSMETER. A coercividade magnética de um imã NdFe30 pertencente a biblioteca de materiais do programa foi alterada para que fornecesse a mesma densidade obtida experimentalmente. Primeiro, foi realizada uma simulação com o tubo íntegro. Em seguida, uma segunda simulação com os mesmos parâmetros da anterior, porém introduzindo uma perda de material na parede interior do tubo, de modo que a espessura remanescente fosse de 3,75 mm. O modelo foi validado através da comparação com a curva resposta experimental do sensor de campo magnético no tempo. 3.2 Arranjo Experimental A sonda PEC utilizada foi desenvolvida nos Laboratórios de Inspeção Não Destrutiva (LABIND/IFBA), composta de uma bobina excitadora com 500 voltas, altura de 20 mm, diâmetro interno 17 mm, externo de 33 mm e diâmetro do fio 0,27 mm, Figura 3. O elemento sensor é do tipo GMR ( Giant Magnetoresistance ) alimentado por uma tensão de 5V. Dois imãs de neodímio (NdFe30) foram posicionados a uma distância de 48mm do centro da bobina com o objetivo de fornecer um campo de saturação do tubo.. Figura 3 - Vista da bobina com o sensor GMR em seu interior

6 Para digitalização de sinais foi empregado um módulo Mydaq da National Instruments, conectado ao computador pela porta USB. Um programa para controle da excitação da bobina e captura do sinal de resposta foi desenvolvido em Labview. 3.3 Corpo de Provas Para validação do modelo foi empregado um tubo de aço carbono, Figura 4, com diâmetro externo de 163 mm, espessura de parede de 6,25 mm, revestido com uma camada de compósito laminado fibra-resina de 15 mm de espessura. Foram coletados sinais em duas regiões com e sem perda de espessura. Figura 4 - Imagem do corpo de prova. 4. RESULTADOS 4.1 Simulação do Campo Magnético A Figura 5 mostra um corte longitudinal do conjunto sonda-imãs sobre uma região do tubo sem perda de espessura de parede para um tempo de 0.7ms, obtida por simulação. A densidade de campo magnético no metal abaixo da bobina é de aproximadamente 0.05mT.

7 Figura 5 - Corpo de prova sem defeito. Na Figura 6, após simulação, observa-se que na região da perda de espessura há um aumento da densidade de campo magnético próximo a superfície. A densidade de campo magnético é de aproximadamente 0,07mT. Pode-se visualizar que a densidade de campo varia ao longo da parede. É possível notar a região com defeito no corpo de prova pela variação da densidade do campo magnético, pois, o fluxo das correntes parasitas sofrem uma resistência ao escoamento pela perda de material, diferenciando-se claramente da região sem defeito. Figura 6 - Corpo de prova com defeito.

8 4.2 Comparação Entre os Campos Magnéticos Experimental e Simulado Na Figura 7 são visualizados os campos magnéticos experimental e simulado. A alteração percentual da densidade dos campos magnéticos no tempo sobre uma região sem e com perda de espessura, pode ser vista na Figura 7(a) e 7(b), respectivamente. Observa-se que o modelo conseguiu reproduzir satisfatoriamente o resultado experimental, sobretudo durante o primeiro semi-ciclo (carga da bobina). Na fase de transiente o decaimento do modelo é mais acentuado, provavelmente por diferenças entre o tubo modelado e o usado no experimento. (a) (b) Figura 7 - Campos magnéticos experimental e teórico: (a) sobre uma região sem defeito; (b) sobre uma região com perda de espessura. 5. CONCLUSÕES Neste trabalho foram realizadas a determinação do campo magnético teórico e experimental em regiões sem defeito e com perda de espessura em um trecho de tubo em aço carbono revestido por material compósito. A modelagem, utilizando elementos finitos, conseguiu reproduzir satisfatoriamente o sinal de uma sonda PEC associada a dois imãs. Foi possível visualizar a distribuição do campo magnético ao longo da espessura de parede do tubo sob o

9 revestimento de 15 mm de material compósito. Em trabalhos futuros devem ser empreendidos a validação dos parâmetros do modelo referentes ao tubo e o emprego do sinal experimental aplicado à bobina modelada. Agradecimentos Ao IFBA e FAPESB pelo apoio institucional e financeiro. Referências Bibliográficas [1] Azaman K. N., Sophian A., Nafiah F., Effects of Coil Diameter in Thickness Measurement Using Pulsed Eddy Current Non-destructive Testing, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 260, vol. 260, conference 1, [2] Xinjun WU, Hai KE, Chen HUANG, Zhiyuan XU. Development of Pulsed Eddy Current Testing System for Wall Thinning through Insulation with Ferromagnetic Cladding. 18th World Conference on Nondestructive Testing, April 2012, Durban, South Africa. [3] Arjun V., Sasi B., Purna Chandra Rao B., Mukhopadhyay C. K., Jayakumar T., Optimisation of pulsed eddy current probe for detection of sub-surface defects in stainless steel plates, Sensors and Actuators A: Physical, Kalpakkam, v olume 226, 69-75, (May) [4] Hongbo W., Wei L., Zhihua F., Noncontact Thickness Measurement of Metal Films Using Eddy-Current Sensors Immune to Distance Variation, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 64, , [5] Adewale I.D., Tian G. Y., Decoupling the Influence of Permeability and Conductivity in Pulsed Eddy-Current Measurements. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 49, , (Mar) [6] Angani S. C., Park G. D., Kim D. G., Kim G. C., Cheong M. Y., Differential pulsed eddy current sensor for the detection of wall thinning in an insulated stainless steel pipe, American Institute of Physics, [7] Mizukami K., Mizutani Y., Todoroki A., Suzuki Y., Detection of in-plane and out-of-plane fiber waviness in unidirectional carbon fiber reinforced composites using eddy current testing, Composites Part B: Engineering, v olume 86, 84-94, (February) [8] Machado M. A., Rosado L., Pedrosa N., Vostner A., Miranda R. M., Piedade M., Santos T. G., Novel eddy current probes for pipes: Application in austenitic round-in-square profiles of ITER, NDT & E International, v olume 87, , (April) 2017.

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