DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO DE ENSAIOS COM RODAS MAGNÉTICAS

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO DE ENSAIOS COM RODAS MAGNÉTICAS Carlos Eduardo Guedes Catunda, Eng. Mecânico, Mestrando. João Marcos Alcoforado Rebello, Eng. Metalúrgico, D.Sc. Ivan Costa da Silva, Eng. Eletrônico, M.Sc. Antônio Alves de Carvalho, Eng. Mecânico, M.Sc., Doutorando. Elineudo Pinho de Moura, Eng. Químico, M.Sc., Doutorando. LABOEND/COPPE/UFRJ CENTRO DE TECNOLOGIA, BLOCO I, SALA 243, CIDADE UNIVERSITÁRIA, ILHA DO FUNDÃO CEP: , RIO DE JANEIRO, RJ, BRASIL, FONE/FAX: (21) contato: XXI CONGRESSO NACIONAL DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS CONAEND PALAVRAS-CHAVE: Integridade Estrutural, Ultra-som, TOFD. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores.

2 SINÓPSE A avaliação da integridade estrutural dos equipamentos em pleno serviço é uma importante metodologia de manutenção preventiva e preditiva para muitas instalações industriais, justamente devido ao alto grau de periculosidade do ambiente destas. O modelo estrutural criado para o VERM (Veículo de Ensaios com Rodas Magnéticas), foi desenvolvido para permitir a manutenção em atuações de inspeção não destrutiva externa de equipamentos industriais. Esse projeto foi concebido como um veículo portátil de varredura ultra-sônica automática para ensaios de TOFD em estruturas in situ de plantas industriais, embora a aplicação não se limite apenas a apenas este caso. O veículo é dotado de rodas magnéticas que acoplam o sistema de varredura à estrutura inspecionada, permitindo a operação no sistema em qualquer posição. O ambiente de aquisição de dados interpreta os dados gerados pelos transdutores, em tempo real, formando uma imagem computacional, em ambiente Delphi, da estrutura analisada. O resultado da inspeção do sistema é apresentado em uma escala de cinza em varredura D- Scan. As variações nos tons da escala representam uma indicação da presença de descontinuidades no sistema. A análise dos resultados pode ser também estendida para visualizações simultâneas de A-Scan com D-Scan, facilitando o diagnóstico do material. Este projeto surge então, como uma alternativa viável de inspeção não destrutiva de equipamentos industriais. 1. INTRODUÇÃO O âmbito tecnológico possui inúmeras ramificações, porém é de absoluto consenso que a garantia da segurança e a integridade da estrutura física das máquinas e equipamentos são os requisitos mínimos para o pleno funcionamento de uma planta industrial. A complexidade das máquinas e equipamentos percorre um vasto campo das indústrias: de geração de energia, refinarias e petroquímicas, aeroespacial, instalações offshore, naval, vasos e esferas de pressão, tubulações, tanques de armazenagem, entre outros [1]. Em prol de uma operação mais confiável e segura, as indústrias de todo mundo, têm investido muito na adoção de padrões técnicos e certificações internacionais no que concerne a identificação de defeitos (por técnicas não destrutivas) que possam vir a causar falhas no sistema, representando um risco para o ambiente e para o ser humano. O modelo estrutural criado para o VERM, foi desenvolvido com três rodas magnéticas que acoplam o sistema de varredura à estrutura inspecionada, permitindo a operação no sistema em qualquer posição [2]. Como a grande ênfase dos ensaios não destrutivos está na inspeção de chapas e tubulações, os estudos preliminares do VERM concentrar-se-ão nestes ambientes, visando a colocação deste projeto em operações reais de campo num breve futuro. A técnica selecionada pela equipe de trabalho para os ensaios experimentais foi a do tempo de percurso da onda difratada (TOFD Time of Flight Diffraction). Os testes experimentais seguiram os padrões normalizados para este ensaio segundo os organismos competentes [3]. Os primeiros testes foram realizados em blocos padrão, os testes subsequentes foram realizados em estruturas in situ selecionadas pela equipe. 3

3 O princípio de funcionamento desta técnica se baseia nas difrações de ultra-som oriundas das extremidades superior e inferior do defeito presente no interior do cordão de solda, quando neste se introduz um feixe de ondas ultra-sônicas provenientes de um transdutor angular emissor e têm suas reflexões e difrações captadas por outro transdutor angular que trabalha somente como receptor de ondas ultra-sônicas [4-5]. O ambiente de aquisição de dados foi especialmente desenvolvido para a aplicação da técnica ultra-sônica de TOFD. A plataforma computacional interpreta os dados gerados pelos transdutores formando uma imagem computacional da estrutura analisada, através de uma escala de cinza. A interpretação dos tons fornece o diagnóstico da presença de descontinuidades no sistema inspecionado. A premissa básica deste projeto é, verificar a viabilidade do emprego deste veículo, aqui preconizado, em aplicações e situações reais nas indústrias. Este tipo de sistema torna-se mais que necessário nos dias de hoje, uma vez que o custo da retirada parcial ou total de operação de equipamentos industriais é muito elevado. Existem também os problemas de realocação dos produtos transportados para outras linhas de transmissão e possível sobrecarga das mesmas, aumentando a probabilidade de falha no sistema como um todo. Este estudo tem como objetivo o projeto, fabricação e testes de um veículo que percorra externamente um equipamento industrial verificando a existência de defeitos que possam vir a causar falhas estruturais no sistema. Este tipo de sistema de manutenção e inspeção, por não apresentar um mecanismo destrutivo e nem invasivo ao equipamento, otimiza a operação em grandes estruturas industriais e aumenta o tempo de operação contínua. É fundamental ressaltar que estas técnicas de inspeção não destrutivas externas estão cada vez mais sendo usadas em larga escala no âmbito industrial com o claro objetivo de diminuir o risco de acidentes, quantidade de falhas e melhorar o rendimento das estruturas inspecionadas, otimizando a operação das grandes estruturas das máquinas e equipamentos. 2. PLATAFORMA OPERACIONAL. O projeto do veículo foi desenvolvido para permitir a atuação na inspeção de equipamentos industriais. O VERM é um projeto concebido para servir como um veículo de varredura automática não destrutiva. O ambiente de aquisição de dados foi especialmente desenvolvido, em ambiente Delphi, para a aplicação da técnica ultrasônica de TOFD. A plataforma computacional interpreta os dados gerados pelos transdutores formando uma imagem computacional da estrutura analisada, através de uma escala de tons de cinza. A interpretação da imagem D-Scan juntamente com o A-Scan fornece o diagnóstico da presença de descontinuidades no sistema inspecionado. O sistema completo está subdividido, então, em duas partes principais. São elas: (i) plataforma física de varredura e (ii) plataforma computacional de varredura. Cada um destes subitens está explicado em maiores detalhes nas seções seguintes. 4

4 2.1. PLATAFORMA FÍSICA DE VARREDURA Todas as peças do veículo foram projetas de modo a unir baixo peso, resistência mecânica e arranjo estrutural compacto de maneira a fabricar um veículo leve de pequenas proporções com performance suficiente para cumprir as tarefas designadas para tal. Grande parte das peças fabricadas foi confeccionada em alumínio com o tratamento superficial de jateamento de areia. Outras peças foram diretamente fabricadas em aço inox para suplantar o problema da corrosão aparente. As demais peças são constituídas de aço carbono e receberam um prévio tratamento com desoxidantes e posterior aplicação do tratamento superficial por pintura de zarcão, figura 1. Tratamento Superficial dos Componentes do Veículo 1 Desoxidação 2 Anodização 3 Jateamento de Areia 4 Inox 5 Pintura de Zarcão Fig.[01]. Componentes do Veículo com Tratamento Superficial Na questão da sustentação do veículo, temos que o VERM é um projeto dotado de três rodas magnéticas que acoplam o sistema de varredura à estrutura inspecionada, permitindo a operação no sistema em qualquer posição. O veículo foi projetado para locomover-se em equipamentos industriais, principalmente chapas e tubulações. Quanto à inspeção de chapas, figura 02, o veículo não possui nenhuma restrição ao deslocamento, podendo locomover-se em qualquer posição sob qualquer configuração de movimento. Quanto à inspeção de tubulações, figuras 03-05, o veículo foi projetado para locomoção externa em dutos a partir de 6 e diâmetro (152,4 mm) com varredura radial ou longitudinal dependendo do tipo de solda na tubulação em questão. O projeto completo possui um eixo com tração em duas rodas e um outro eixo com uma roda livre para girar com um grau de liberdade. O VERM, em sua configuração final, possui uma massa de 3 Kg e um torque máximo no eixo de tração de 4 Nm; o que preenche os requisitos básicos para inspeção dos equipamentos em estudo. O motor é responsável pelo posicionamento do veículo; recebe o sinal em alta corrente do driver/amplificador e realiza em resposta um movimento rotativo. A quantidade de rotação é proporcional a quantidade de pulsos fornecidos pelo driver, já a velocidade é diretamente proporcional a freqüência dos pulsos. O motor utilizado para o veículo em 5

5 questão é do tipo motor de passo híbrido síncrono, montado em ligação em série para permitir maior desempenho e maior torque de saída. O drive controlador é possui linguagem de alto-nível própria e a alimentação é realizada por uma fonte transformadora e retificadora AC/DC@75VDC. O redutor de velocidade presente no veículo serve para aumentar o torque de entrada no eixo de tração em 3,7 vezes do gerado pelo motor. Fig.[02]. Varredura Lateral em Chapa de Aço Fig.[03]. Varredura Radial Lateral de Tubulações de 6 (152,4 mm)) Fig.[04]. Varredura Radial de Tubulações de 6 (152,4 mm) Fig.[05]. Varredura Radial de Tubulações de 14 (355,6 mm Os transdutores são montados dentro de sapatas específicas para aplicação da técnica TOFD com angulação ideal para o ensaio. As sapatas estão inseridas dentro de uma guia com dois graus de liberdade que é a responsável pela varredura. As sapatas estão dispostas a uma distância pré-determinada entre si, estabelecida pela espessura da chapa ou tubulação a ser inspecionada. Os transdutores utilizados são Piezo-compósitos, com angulação 60 para o feixe sônico principal. As sapatas dos transdutores foram confeccionadas em acrílico. 6

6 2.2. PLATAFORMA COMPUTACIONAL DE VARREDURA A Plataforma Computacional de Varredura consiste em uma ambiente na linguagem de programação Delphi específica para leitura e interpretação dos sinais oriundos dos transdutores do veículo. Os pulsos oriundos do equipamento de ultra-som são enviados diretamente ao transdutor transmissor e o sinal de resposta retorna ao osciloscópio para leitura. O sinal visualizado na tela do osciloscópio é enviado através de cabo coaxial à uma placa conversora A/D instalada no computador. Os sinais visualizados na tela equipamento de ultra-som são diretamente convertidos para visualização na tela do computador. A transmissão é feita quase que em tempo real. A movimentação do veículo na superfície de inspeção se dá através de uma comunicação do driver controlador com a porta serial do computador. A comunicação do driver controlador com o computador serve apenas para fornecimento dos comandos iniciais, na verdade, o driver controlador possui linguagem própria e independe do computador após o fornecimento dos comandos iniciais. O driver controlador é alimentado por uma fonte transformadora e retificadora AC/DC de 75VDC. Os pulsos de controle gerados pelo driver controlador comandam o motor de passo do veículo de acordo com os parâmetros desejados, figura 06. O monitoramento do controle do motor de passo fornece a localização do veículo dentro da superfície de inspeção. Fig. [06]. Configuração de Montagem dos Elementos Controladores [06] O sincronismo dos procedimentos de aquisição do sinal juntamente com o de posicionamento do veículo consiste no procedimento adotado para a formação de imagens do objeto inspecionado. O resultado da varredura e interpretação dos sinais é a formação de uma imagem computacional da estrutura analisada. Os resultados são apresentados em uma escala de tons de cinza em varredura D-Scan. A interpretação dos tons fornece o diagnóstico da presença de descontinuidades no sistema inspecionado. O programa permite a leitura simultânea dos sinais A-Scan para otimizar a análise do material. 7

7 A plataforma computacional utilizada para a varredura das estruturas permite o levantamento de curvas de calibração para cada configuração de transdutores, dimensionamento de descontinuidades, visualização simultânea das imagens D-Scan e A-Scan; e emissão de relatórios detalhados da estrutura inspecionada. 3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS. Os ensaios experimentais realizados para testes do projeto proposto foram realizados para validação em dois ambientes distintos: blocos-padrão com defeitos de eletro-erosão intencionalmente inseridos de 3 e 6 mm; e 3 chapas soldadas de ¾ (19 mm) de espessura com defeitos reais dos processos de soldagem. Os resultados apresentados foram realizados no âmbito do LABOEND (Laboratório de Ensaios Não Destrutivos). Os defeitos foram mensurados pela técnica de TOFD e posteriormente comparados com as dimensões avaliadas pelo processo radiográfico. A figura 07, mostra a comparação entre a radiografia (janela 07-a) e a imagem gerada pelo programa computacional onde, a janela 07-b mostra a imagem gerada pela varredura, e a janela 07-c a medida dos defeitos avaliados. Fig. [07]. Comparação entrea radiografia e a imagem por TOFD Os resultados das inspeções dos corpos de prova são apresentados em varredura A-Scan e D-Scan. A varredura D-Scan apresenta os resultados em uma escala de cinza. A identificação das regiões defeituosas é avaliada pela variação no padrão de tons na 8

8 escala de cinza. A varredura A-Scan serve também para confirmar suspeitas de regiões defeituosas através do padrão do sinal recebido pelo transdutor. Os defeitos ensaiados nos blocos-padrão (cp1), consistem em duas trincas de eltroerosão intrínsecas na parte inferior de corpos de ½ (12,7 mm) de espessura. Os defeitos presentes nas chapas soldadas (cp8, cp9 e cp10), são os formados nos processos de soldagem normais. A qualidade destes defeitos são tais quais: falta de fusão, falta de penetração, porosidade e mordedura. As indicações de descontinuidades foram comparadas com os ensaios radiográficos para validação da técnica TOFD em detecção de defeitos, tabela_1. Os resultados das medidas de comprimento e profundidade são apresentados na tabela 2. Identificação do Defeito Descrição do Defeito Radiografia Detecção TOFD 01_cp1 Entalhe * X 02_cp1 Entalhe * X 01_cp8 Falta de Fusão X X 02_cp8 Falta de Fusão X X 03_cp8 Porosidade X X 04_cp8 Porosidade X X 05_cp8 Mordedura X X 01_cp9 Porosidade X X 02_cp9 Falta de Fusão X X 03_cp9 Falta de Fusão X 04_cp9 Porosidade X X 05_cp9 Porosidade X X 06_cp9 Porosidade X 07_cp9 Falta de Penetração X 08_cp9 Porosidade X 01_cp10 Falta de Fusão X 02_cp10 Falta de Fusão X 03_cp10 Falta de Fusão X X 04_cp10 Porosidade X 05_cp10 Falta de Penetração X 06_cp10 Falta de Penetração X * não ensaiado pela técnica radiográfica Tabela 1. Comparação de detecção por radiografia (detecção real) e detecção pela técnica TOFD Na comparação com os resultados de detecção, tabela 1, alguns defeitos do tipo Falta de Penetração e Porosidades, não foram detectados pela técnica TOFD, o que pode vir a sugerir uma modificação no tocante a sensibilidade da técnica TOFD. Outros defeitos do tipo Falta de Fusão foram detectados erroneamente pela técnica TOFD pois, os mesmos não estavam presentes nos ensaios radiográficos. O diagnóstico da presença destes defeitos possivelmente se deu pela maior sensibilidade do ensaio de ultra-som em detrimento do radiográfico. 9

9 As medidas apresentadas na tabela de resultados experimentais de medição pela técnica TOFD, tabela 2, não apresentaram aparentes disparidades com os defeitos usualmente encontrados em juntas soldadas. Identificação do Defeito Descrição do Defeito Comprimento [mm] TOFD Profundidade [mm] 01_cp1 Entalhe 0,9 6,4 02_cp1 Entalhe 0,8 10,4 01_cp8 Falta de Fusão 1,2 2,7 02_cp8 Falta de Fusão 0,5 7,2 03_cp8 Porosidade 0,2 12,6 01_cp9 Porosidade 2,6 11,2 02_cp9 Falta de Fusão 10,6 7,6 03_cp9 Falta de Fusão 3,3 8,1 04_cp9 Porosidade 4,0 8,8 05_cp9 Porosidade 3,9 8,8 01_cp10 Falta de Fusão 18,4 3,7 02_cp10 Falta de Fusão 5,9 13,1 03_cp10 Falta de Fusão 11,9 7,1 Tabela 2. Resultados Experimentais de Medição pela Técnica TOFD 4. COMENTÁRIOS FINAIS / CONCLUSÕES A experiência demonstrou que a utilização de sistemas de varredura ultra-sônica automática, operando com a técnica TOFD, propiciaram um aumento da produtividade (velocidade de inspeção) e índice de detecção de descontinuidades. Neste contexto, este projeto aliou o aumento da probabilidade de detecção de defeitos e confiabilidade no dimensionamento. O ensaio de ultra-som automatizado demanda a utilização de equipamentos sofisticados e de alto custo, principalmente no caso dos sistemas que operam com vários canais simultaneamente. No caso do projeto VERM, os sistemas podem ser mais simplificados porque com apenas um veículo de varredura e um par de transdutores, pode-se cobrir toda a estrutura soldada. Foi possível a detecção e o dimensionamento dos defeitos, do tipo falta de fusão, entalhes (trincas) e porosidades, presentes no sistema com o ensaio automático de TOFD nos corpos de prova analisados. Os ensaios com o protótipo VERM mostraram-se, de acordo com os ensaios efetuados, satisfatórios para inspeção de chapas e juntas soldadas. Portanto, o projeto VERM mostra-se com uma alternativa viável de inspeção automática portátil de campo para o monitoramento e diagnóstico de estruturas e equipamentos industriais. 10

10 REFERÊNCIAS [1] KHALID, A.; WANG, X.; RAKOCEVIC, M.; CHEN, S.; SATTAR, T.; BRIDGE, B., Development and Performance Evaluation of a Magnetic Climbing NDT System for the Inspection of Ferritic Structures, 14 th Word Conference on Non Destructive Testing (WCNDT), New Delhi, India, December 8-13, 1996, pp [2] CATUNDA, C.E.G.; Projeto VERM, Projeto Final do Curso de Engenharia Mecânica, UFRJ, Brasil, [3] Norma de TOFD, ENV 583-6, Parte 6, Versão Portuguesa, [4] SILVA, S.G.; SILVA, I.C.; REBELLO, J.M.A., Utilização da Técnica de Percurso da Onda Difratada (TOFD) na Inspeção de Soldas em Chapas de Aço, XVIII CONAEND, pp , [5] SILVA, I. C., Avaliação da Técnica do Tempo de Percurso da Onda Difratada no Dimensionamento de Descontinuidades ; Tese de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, [6] Catálogo Parker Hannifin Co. para Controladores e Indexadores, série OEM, parte b, U.S., 2000 AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo apoio financeiro a este projeto desde o seu início. ABSTRACT The structural integrity analysis of working equipments is an important preventive and predictive maintenance methodology at many industries, since their environments offer high risk. The structural model of VERM, was developed to allow outside non destructive testing on industrial equipments. This project was conceived as a scanning portable vehicle for TOFD testing in industrial plants, although its use is not limited to this case. The vehicle has magnetical wheels, which are responsible for connecting the scanning system to the analyzed structure, allowing the work at any position on the equipments. The data acquisition environment reads the transducers signals, in real time, generating an image, in Delphi, of the analyzed structure. The results are presented in a gray scale D-Scan. The nuances in the scale point out the presence of discontinuities on the system. The results evaluation can be shown in simultaneous A- Scan and D-Scan images, making the material diagnosis easier. Therefore, this project is a viable option of non destructive testing on industrial equipments. 11