APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM AUTOMATIZADO NA INSPEÇÃO DE SOLDA CIRCUNFERENCIAL EM DUTOS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS

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1 UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ Humberto Silva Campinho APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM AUTOMATIZADO NA INSPEÇÃO DE SOLDA CIRCUNFERENCIAL EM DUTOS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS TAUBATÉ SP 2007

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3 UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ Humberto Silva Campinho APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM AUTOMATIZADO NA INSPEÇÃO DE SOLDA CIRCUNFERENCIAL EM DUTOS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté. Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação Orientador: Prof. Dr. José Rubens de Camargo TAUBATÉ SP 2007

4 C196a Campinho, Humberto Silva Aplicação do ultra-som automatizado na inspeção de solda circunferencial em dutos na indústria de petróleo e gás / Humberto Silva Campinho. Taubaté: UNITAU, f. :il;30 cm. Dissertação (Mestrado) Universidade de Taubaté. Faculdade de Engenharia Mecânica. Curso de Engenharia Mecânica. Orientador: José Rubens de Camargo. 1. Inspeção. 2. Dutos. 3. Solda circunferencial. I. Universidade de Taubaté. Departamento de Engenharia Mecânica. II. Título. CDD(21)

5 HUMBERTO SILVA CAMPINHO APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM AUTOMATIZADO NA INSPEÇÃO DE SOLDA CIRCUNFERENCIAL EM DUTOS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté. Área de Concentração: Materiais e processos de Fabricação Data: Resultado: COMISSÃO JULGADORA Prof. Dr. José Rubens de Camargo Universidade de Taubaté Assinatura Prof. Dr. João Marcos Alcoforado Rebello COPPE/UFRJ Assinatura Prof. Dr. José Rui Camargo Universidade de Taubaté Assinatura

6 Dedico este trabalho, A minha esposa Gilda de Almeida Rego Campinho pelo amor, apoio, carinho, paciência e dedicação na minha caminhada como pessoa e familiar. Aos meus filhos Fábio, Alexandre, João, Isabel e Beatriz pelo carinho, estímulo e compreensão nos momentos de ausência no dia-a-dia.

7 AGRADECIMENTOS Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas, às quais presto minha homenagem: Ao meu orientador, Prof. Dr. José Rubens Camargo, pela amizade e estímulo durante esta jornada. Ao amigo José Maurício Barbosa Rabello, companheiro de jornada. Aos companheiros de mestrado pela excelente convivência e amizade. Aos meus colegas da Engenharia / SL / SEQUI da Petrobras pelo estímulo, amizade e apoio técnico. À Petrobras, pela oportunidade que me propicia a participar deste mestrado. Aos meus Gerentes Luiz César de Almeida e José Antônio Duarte em acreditar no meu potencial, incentivando o desenvolvimento técnico na minha vida profissional. Aos professores Doutores Ana Paula Rossifini Alves, Anselmo Monteiro Ilkiu, Durval Rodrigues Junior, Eduardo Norberto Codaro, Evandro Luís Nohara, Eveline Mattos Tápias Oliveira, Carlos Alberto Chaves e Marcos Valério Ribeiro, que partilharam seu conhecimento. A todos aqueles que direta ou indiretamente contribuiram para realização deste trabalho.

8 RESUMO Aplicação do ultra-som automatizado na inspeção de solda circunferencial em dutos na indústria de petróleo e gás Esta dissertação apresenta os resultados qualitativos e quantitativos da inspeção de juntas soldadas pelo processo GMAW (Gas Metal Arc Welding), na etapa de validação da soldagem, utilizando-se o ensaio por ultra-som automatizado e radiográfico convencional, em uma análise que envolve um total de 44 juntas soldadas e 73 descontinuidades, realizado em uma obra de duto da Engenharia da Petrobras. Utilizando como base os requisitos da norma API 1104 (1999), os quais definem os procedimentos e critérios de aceitação para execução da inspeção por ensaio não destrutivos aplicados nos dois processos, bem como os da norma ASTM E que apresenta critérios para inspeção por ultra-som automatizado. Palavras-chave: Ultra-som automatizado. Inspeção. Solda circunferencial. Dutos. Petróleo e gás.

9 ABSTRACT Application of automated ultrasonic for girth weld inspection in oil and gas pipelines This dissertation presents the qualitative and quantitative results of inspection of welded joints by the process GMAW (Gas Metal Arc Welding) in validation of welding step using the automated ultrasonic testing and conventional radiographic, in an analysis that involves a total of 44 joints welded and 73 discontinuities held in a project of duct of Engineering's Petrobras. Using as bases the requirements of the API 1104 (1999) standard which define the procedures and criteria for acceptance for the implementation of inspection by non-destructive test applied in two cases, as well as those of ASTM E which presents criteria for inspection by automated ultrasonic. Key-words: Automated ultrasonic. Inspection. Girth Weld. Pipeline. Oil and Gas.

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Fluxograma das atividades de construção e montagem de um duto terrestre...19 Figura 2 - Processo de inspeção por ensaio não-destrutivo...20 Figura 3 - Gráfico tensão/corrente em função do tempo, para o processo STT, mostrando em cada fase a gênese do metal fundido...22 Figura 4 - Descontinuidades: (a) Falta de penetração, (b) falta de fusão e (c) porosidade...24 Figura 5 - Faixas de freqüências do som...27 Figura 6 - Ciclo da onda...28 Figura 7 - Esquema ilustrativo da direção de propagação das ondas longitudinais e transversais...29 Figura 8 - Ondas longitudinais...30 Figura 9 - Onda transversal...31 Figura 10 - Interação da onda com uma descontinuidade...36 Figura 11 - Sistema de ultra-som convencional...38 Figura 12 - Sistema de ultra-som computadorizado...40 Figura 13 - Diagrama do Sistema Eletrônico de Ultra-som...41 Figura 14 - Mostrador A-Scan - Retificado...42 Figura 15 - Mostrador A-Scan - Rádio freqüência (RF) ou não retificado...42 Figura 16 - Conjunto de vista para ultra-som automatizado...44 Figura 17 - Registro da varredura do US-AUT para dutos...45 Figura 18 - Varredura passo a passo em um sistema mecanizado...46 Figura 19 - Varredura linear...46 Figura 20 - Feixe sônico (xz) e pressão sônica em função do percurso...48 Figura 21 - Relação da amplitude normalizada com o ângulo de divergência e diâmetro do feixe em função da distância e queda de db...49 Figura 22 - Semi-ângulo de abertura do feixe para queda de 6 db no aço...50 Figura 23 - Cabeçote feixe focalizado...51 Figura 24 - Influência da resolução lateral na descontinuidade...51 Figura 25 - (a) lentes côncavas; (b) espelho côncavo na água; (c) com uma sapata e uma lente côncava para feixes em ângulo; lente convexa; (e) cristal côncavo; (f) lente cônica...52

11 Figura 26 - Cabeçote com feixe focalizado...53 Figura 27 - Fator de focalização normalizado ( S F ) na queda de 6 db...55 Figura 28 - Distância focal, ponto focal e comprimento focal...55 Figura 29 - Influência do fator de focalização ( S ) na zona focal...56 Figura 30 - Crescimento da sensibilidade do pulso-eco versus fator de focalização normalizado...57 Figura 31 - Feixe dos transdutores plano (a) e focalizado (b)...58 Figura 32 - Simulação do perfil do feixe sônico do cabeçote...59 Figura 33 - Pulso ultra-sônico típico...60 Figura 34 - Medida da largura da banda...61 Figura 35 - Cabeçote Phased Array...61 Figura 36 - Classificação dos cabeçotes baseada na largura da banda...62 Figura 37 - Técnica ToFD - ondas longitudinais e as transversais do feixe sônico...64 Figura 38 - Incidência de feixe sônico na extremidade do entalhe...65 Figura 39 - Identificação de sinal típico de difração no entalhe...66 Figura 40 - Princípio do ToFD e a fase do sinal para os quatro principais sinais...68 Figura 41 - Técnica ToFD - medição da altura e ligamento da descontinuidade...70 Figura 42 - Zonas-mortas do ToFD causadas pela ondas lateral e do eco de fundo 71 Figura 43 - Imagem ToFD de descontinuidades típicas de solda...72 Figura 44 - Princípio da técnica Phased Array...74 Figura 45 - Técnica TANDEM utilizada para detecção de descontinuidades perpendiculares à superfície do duto...75 Figura 46 - Esquema das zonas da solda e descontinuidades...76 Figura 47 - Esquema das posições dos cabeçotes focalizado na solda...77 Figura 48 - Representação esquemática de três tipos de chanfros 78 Figura 49 - Imagem do ultra-som automatizado...79 Figura 50 - Registro da apresentação B-Scan e A-Scan (RF) da técnica ToFD...80 Figura 51 - Sistema automatizado de inspeção por ultra-som de solda de dutos...81 Figura 52 - Bloco de referência esquemático e foto do bloco em processo de calibração da sensibilidade...83 Figura 53 - Comparação da probabilidade de detecção dos ensaios de ultra-som manual, radiografia e ultra-som automatizado...86 Figura 54 - Etapa de construção e montagem de duto...88 F

12 Figura 55 - Fluxograma das etapas do trabalho...89 Figura 56 - Tipo e dimensões da junta...90 Figura 57 - Ensaio Radiográfico exposição panorâmica Crawler...91 Figura 58 - Zonas de discriminação...92 Figura 59 - Técnica de exposição de parede simples vista simples, com a fonte no centro do tubo...95 Figura 60 - Técnica de exposição de parede simples vista simples, com a fonte deslocada do centro do tubo...95 Figura 61 - Corpo-de-prova para validação do procedimento de US-AUT...96 Figura 62 - Esquema da traçagem da linha referência...97 Figura 63 - Bloco de Referência Figura 64 - Arranjo dos cabeçotes em relação a linha de centro da solda Figura 65 - Posicionamento dos cabeçotes por zona de discriminação Figura 66 - Definição da amplitude e do tempo de percurso Figura 67 - Sistema de inspeção automatizado Figura 68 - Mostrador da inspeção realizada pela empresa RTD Figura 69 - Junta soldada do duto em construção Figura 70 - Negatoscópio, ultra-som automatizado e os corpos-de-prova Figura 71 - Amostra para o ensaio de tração Figura 72 - Ensaio de tração do corpo-de-prova com descontinuidade Figura 73 - Inspeção por ultra-som automatizado e radiografia por junta soldada..111 Figura 74 - Tendência de aceitação, rejeição e descontinuidades não encontradas das juntas Figura 75 - Descontinuidades detectadas pelo ensaio radiográfico Figura 76 - Descontinuidades detectadas pelo ensaio de ultra-som automatizado.116 Figura 77 - Comprimento detectadas pelos ensaios de ultra-som automatizado e radiográfico Figura 78 - Variabilidade dos dados de ultra-som e radiografia Figura 79 - Quantidade e tipo de descontinuidades detectadas por ultra-som automatizado e radiografia Figura 80 - Correlação do ensaio radiográfico e ultra-som automatizado Figura 81 Descontinuidade 6 da junta 4 US-AUT identifica a existência da altura Figura 82 - Descontinuidade 2 da junta 3 detectada pela radiografia...126

13 Figura 83 - Descontinuidade 21 da junta 11 na raiz da solda Figura 84 - Fotomacrografia da Descontinuidade 21 da Junta 11 não detectadas pelo ER Figura 85 - Radiografia (raios gama) da descontinuidade 21 da junta 11 não detectou descontinuidade Figura 86 - Radiografia (raios X) da descontinuidade 21 da junta 11 - dimensão de 20 mm Figura 87 - US-AUT descontinuidade 22 da junta 11 dimensão de 16 mm Aceitável Figura 88 - Radiografia descontinuidade 22 da junta 11 - dimensão aceitável de 16 mm Figura 89 - Fotomacrografia da descontinuidade 22 da Junta Figura 90 - Fratura da descontinuidade 22 da Junta Figura 91 -US-AUT da descontinuidade 23 da junta 11 dimensão de 38 mm não relatado Figura 92 - Descontinuidade 23 da Junta 11 com desalinhamento de 1,2 mm Figura 93 - Descontinuidade 23 da Junta 11 com desalinhamento e falta de fusão Figura 94 - US - AUT da descontinuidade 24 da Junta 11 com dimensão do comprimento de 12 mm Figura 95 - US-AUT - Descontinuidade 27 da Junta11, comprimento igual a 50 mm Figura 96 - US AUT descontinuidade 27 Junta 11, comprimento 50 mm e altura de 9 mm Figura 97 Descontinuidade 27 da radiografia da junta 11 comprimento de 34 mm Figura 98 - Junta11 descontinuidade 27 - Seção longitudinal da solda 34 mm de comprimento Figura 99 - Junta11 descontinuidade 27 - Seção longitudinal da solda falta de fusão...134

14 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Divergência do feixe para cristais circulares...49 Tabela 2 - Dimensão do foco versus cabeçote)...58 Tabela 3 - Cabeçotes e refletores por zona de discriminação Tabela 4 - Resultado da inspeção US - AUT & ER Tabela 5 - Análises Totais - US-AUT x ER Tabela 6 - Análise Horizontal - US-AUT x ER Tabela 7 - Análise Vertical - US-AUT x ER Tabela 8 - Resultados do testes de Student Tabela 9 - Resumo da estatística descritiva do ultra-som e radiografia Tabela 10 - Comparação dos pareceres divergentes Tabela 11 - Descontinuidades não detectada pela radiografia e detectadas pelo US Tabela 12 - Descontinuidades não detectada pelo ultra-som e detectada pela radiografia Tabela 13 - Descontinuidades US-AUT Rejeitada x ER Aceitável Tabela 14 - Descontinuidades US-AUT Aceitável x ER - Rejeitada Tabela 15 - Relação das descontinuidades detectadas na junta

15 LISTA DE SIGLAS ECA Engineering critical assessment US-AUT Ultra-som automatizado ER Ensaio radiográfico END Ensaio não-destrutivo STT Surface test transfer RF Modo de rádio freqüência ToFD Time of flight difrection tempo de percurso da onda difratada US Ultra-som manual POD Probabilidade de detecção SNQC Sistema Nacional de Qualificação e Certificação PSVS Parede simples vista simples IQI Indicador de qualidade de imagem FBH Furo de fundo plano A Aceitável R Rejeitado PO Porosidade IE Inclusão de escória FF Falta de fusão FP Falta de penetração MO Mordedura

16 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DA LITERATURA CONSTRUÇÃO DE DUTOS NO BRASIL PROCESSO DE INSPEÇÃO POR ENSAIO NÃO-DESTRUTIVO APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM NO BRASIL Requisitos das normas Processos de soldagem TIPOS DE DESCONTINUIDADES ENSAIO RADIOGRÁFICO HISTÓRIA DA APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM O ULTRA-SOM CONCEITOS TIPOS DE ONDAS ULTRA-SÔNICAS Onda longitudinal Onda transversal Onda superficial O ENSAIO ULTRA-SÔNICO Interação da onda com uma descontinuidade Sistemas do ultra-som manual Sistemas automatizados de ultra-som Tipos de mostradores dos equipamentos de ultra-som Tipos de varreduras na inspeção automatizada Características dos cabeçotes de ultra-som Campo próximo Divergência do feixe Feixes sônicos focalizados Tamanho do foco do feixe Zona focal Forma da onda e do espectro do transdutor Técnica do tempo de percurso da onda difratada INSPEÇÃO PELA TÉCNICA ToFD Onda lateral Reflexão na parede oposta Onda refletida...68

17 Onda difratada na extremidade TÉCNICA PHASED ARRAY TÉCNICA TANDEM TÉCNICA DE ULTRA-SOM AUTOMATIZADO (US-AUT) SISTEMA DE REGISTRO DE RESULTADOS Acoplamento Cabeçotes de ultra-som Blocos de referência PARECERES DO USO DO ULTRA-SOM E DA RADIOGRAFIA PROPOSIÇÃO MATERIAIS E MÉTODOS PLANEJAMENTO DA INSPEÇÃO NA CONSTRUÇÃO E MONTAGEM MATERIAIS EQUIPAMENTOS Radiografia com fonte de raios gama Radiografia com fonte de raios X Ultra-som automatizado PESSOAL QUALIFICADO PROCEDIMENTOS DE ENSAIO NÃO-DESTRUTIVO Procedimento de ensaio visual Procedimento de ensaio radiográfico Procedimento de ensaio por ultra-som INSPEÇÕES POR ENSAIO VISUAL INSPEÇÕES POR ENSAIO RADIOGRÁFICO INSPEÇÕES POR ENSAIO POR ULTRA-SOM AUTOMATIZADO Tipos de Cabeçotes e refletores por zona de inspeção Bloco de referência Disposição dos cabeçotes no escaner Sensibilidade de calibração Regulagem dos parâmetros de inspeção Sistema de inspeção por ultra-som automatizado Sistema de Registro de resultado PROCESSOS DE CONSOLIDAÇÃO DOS PARECERES CARACTERIZAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES ENCONTRADAS...107

18 Amostra para ensaio de tração e macrografia Ensaio de tração RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS DA INSPEÇÃO POR JUNTA SOLDADA INSPEÇÃO POR DESCONTINUIDADES DETECTADAS RESULTADOS DA INSPEÇÃO REFERENTE A DIMENSÃO DA DESCONTINUIDADES ANÁLISE DAS DESCONTINUIDADES DIVERGENTES CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A Resultados ER x US AUT APÊNDICE B - CRITÉRIO DE REGISTRO E ACEITAÇÃO DE DESCONTINUIDADES APÊNDICE C CRITÉRIO DE ACEITAÇÃO API APÊNDICE D EXEMPLO TÍPICO DE BLOCO DE REFERÊNCIA...155

19 16 1. INTRODUÇÃO A inspeção de solda circunferencial em dutos tem sido tradicionalmente dominada pelo ensaio radiográfico e o ensaio visual. Com o advento do processo automatizado de soldagem, o ultra-som automatizado (US-AUT) tem sido uma opção para detecção de falta de fusão orientada desfavoravelmente para a aplicação do ensaio radiográfico, além de conseguir acompanhar a frente de soldagem, obtendo assim um rápido controle do processo (GINZEL; BOER; HOFF, 1997). A inclusão na norma API 1104, em sua edição de 1994, tem requisitos permitindo a utilização do ultra-som em substituição ao ensaio radiográfico, e foi um dos fatores fundamentais para que este tipo de técnica fosse utilizado de forma abrangente. Neste mesmo ano, este método de inspeção também foi aceito oficialmente pelo ASTM Standard (ASTM E 1961, 1998) e um outro fator que colaborou para a utilização do ultra-som automatizado foram os requisitos das normas de proteção radiológica, nos quais os controles do manuseio com fontes radioativas são rigorosos, objetivando proteger o trabalhador e o indivíduo do público, reduzindo assim a possibilidade de acidentes (GINZEL, 2000a). O sistema de ultra-som automatizado, utilizado atualmente, dispõe de um conjunto de cabeçotes com movimentos mecanizados, conectados a um sistema computadorizado no qual a aquisição e o tratamento de dados são efetuados com recursos digitais e de alta velocidade (DUBÉ; GINZEL; MOLES, 1999). No Brasil, a construção e montagem de gasodutos e oleodutos para indústria de petróleo e gás utilizam materiais que seguem a norma API (American Petroleum Institute) e o processo de soldagem circunferencial de campo utilizado freqüentemente é SMAW (Shielded Metal Arc Weld). As inspeções destas juntas devem ser executadas atendendo os requisitos da norma API 1104 (Welding of Pipelines and Related Facilities), conforme critério de aceitação convencional, na qual a avaliação da descontinuidade é feita baseada na amplitude, comprimento e sua morfologia (RICHTER; QUADRADO, 1998). No exterior, também são aplicados os requisitos do API 1104, utilizando processo de soldagem automatizado e critérios de aceitação alternativos (ECA Engineering Critical Assessment), definidos por meio de requisitos de cálculo da

20 17 mecânica da fratura, que define as dimensões das descontinuidades aceitáveis levando em consideração o dimensionamento da altura e o comprimento. A grande aplicação do ultra-som automatizado ocorreu em 1993 na construção do gasoduto construído pela empresa canadense TransCanada Pipelines Ltda (TCPL) e a principal motivação do uso da técnica foram os benefícios e vantagens que poderiam trazer no transcorrer dos trabalhos (GINZEL, et al.,1993), que são os seguintes: - Inspeção sem utilização de fontes radioativas; - Resultados emitidos em tempo real; - Realimentação imediata da qualidade da solda, reduzindo assim o número de reparos; - Permite o uso de critério alternativo (ECA); - Redução significativa do tempo de inspeção; - Sem demoras ou obstruções no processo de fabricação do duto; - Exatidão no posicionamento do defeito em 3 dimensões, incluindo profundidade e largura. No Brasil, existe uma forte tendência ao uso da inspeção por US-AUT com sistemas convencionais (Pulso-Eco e ToFD Time of Flight Difrection) e os sistemas que utilizam cabeçotes Phased Array acrescido de ToFD nas soldas circunferenciais de dutos (Petrobras N-464, 2004). Este trabalho apresenta os resultados qualitativos e quantitativos da inspeção de juntas soldadas pelo processo GMAW (Gas Metal Arc Welding) utilizando-se o ensaio por ultra-som automatizado e ensaio radiográfico convencional, em uma análise que envolve um total 44 juntas soldadas e 73 descontinuidades, na etapa de validação da soldagem. Esta análise tem como base os requisitos da norma API 1104 (1999), os quais definem os procedimentos para execução da inspeção por ensaio não destrutivos utilizados nos dois processos. Esta norma define os critérios de aceitação do US-AUT e do ER, estabelecendo quando uma descontinuidade encontrada deve ser considerada defeito, acarretando a retirada da mesma, por meio de reparo. Caso o defeito seja identificado como trinca a junta soldada deve ser cortada e o processo de soldagem iniciado em novas condições de soldagem (CAMPINHO, 2006).

21 18 2. REVISÃO DA LITERATURA Nesse capítulo será abordado uma pequena apresentação das etapas que envolve a construção de dutos relatando os aspectos do processo de soldagem e inspeção de solda (visual, radiográfica e ultra-sônica) que foram utilizados na amostra utilizada para a pesquisa desta dissertação. Também, foi feita uma revisão dos conceitos teóricos no qual se fundamenta a inspeção por ultra-som automatizado, ferramenta em que se baseia o presente trabalho. Os conceitos descritos são: a história da inspeção por ultra-som, os princípios básicos e físicos do som, o comportamento da onda ultra-sônica, os sistemas de inspeção, as características dos cabeçotes da técnica, a técnica pulso-eco, a técnica do tempo de percurso da onda difratada (ToFD) CONSTRUÇÃO DE DUTOS NO BRASIL Em uma obra de construção e montagem de dutos (gasoduto e oleoduto) terrestres existe uma seqüência de construção que deve ser seguida no transcorrer da montagem, que contempla várias especialidades da engenharia, conforme mostrado no fluxograma da Figura 1.

22 19 Figura 1 - Fluxograma das atividades de construção e montagem de um duto terrestre (Petrobras N 464, 2004) 2.2. PROCESSO DE INSPEÇÃO POR ENSAIO NÃO-DESTRUTIVO O processo de inspeção por ensaio não-destrutivo correlaciona várias etapas presentes, conforme mostra a Figura 2. Quando definido o produto (equipamento), e em seguida a norma de projeto do produto, que estabelece os requisitos de inspeção, neste momento é necessário um conhecimento prévio do tipo de descontinuidade que se espera encontrar, com o objetivo que sejam feitas as escolhas mais adequadas das técnicas de inspeções e os respectivos equipamentos a serem utilizados (CARVALHO, 2006). Para assegurar a confiabilidade e qualidade dos resultados de uma inspeção de ensaios não-destrutivos (END), são necessários inspetores bem treinados e certificados, bem como o uso de materiais que agregam tecnologia avançada, e procedimento de inspeção qualificado para situação específica a ser aplicada e ainda atenção adequada para os impactos ambientais no resultado da inspeção (JINHONG; JIANYING; ZAIQI, 2000). Todas essas etapas do processo de inspeção devem ser bem avaliadas antes da inspeção, considerando que toda técnica possui capacidades e limitações,

23 20 portanto o atendimento a esses requisitos implicam em uma probabilidade de detecção máxima possível. Figura 2 - Processo de inspeção por ensaio não-destrutivo (CARVALHO, 2006) 2.3. APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM NO BRASIL Requisitos das normas No processo de construção e montagem de dutos, existem normas que definem os requisitos mínimos que devem ser atendidos em todo o processo, incluídos os requisitos de inspeção. Do ponto de vista da integridade estrutural, as fases de soldagem e a inspeção não-destrutiva são as principais da etapa de construção e montagem de um duto terrestre. Na fase da soldagem, a escolha do processo adequado, a qualificação dos procedimentos de soldagem e dos soldadores, contribuem para a boa qualidade da obra. É interessante ressaltar que existem normas para construção e montagem de dutos terrestres e submarinos (API 1104, 1999; CSA Z622, 2003; DNV-OS-F101, 2000; AS , 2002; ISO 13847, 2000), porém esta dissertação adotou como linha central os requisitos da norma API 1104 (1999), por que todo material de

24 21 estudo (juntas soldadas, inspeções, corpos-de-prova) são referentes a construção e montagem de um gasoduto terrestre construído segundo a norma API Processos de soldagem Tradicionalmente o processo de soldagem mais utilizado no Brasil, na soldagem de juntas circunferenciais de campo é feita utilizando-se a soldagem manual com eletrodos revestidos (Shielded Metal Arc Welding SMAW). Este é um processo de soldagem lento, cujas descontinuidades são principalmente geradas pelo fator humano. É a inspeção não-destrutiva, por meio do ensaio radiográfico ou do ensaio por ultra-som que irá verificar a qualidade da solda, buscando detectar descontinuidades que por ventura tenham ocorrido durante o processo de soldagem da junta (CAMPINHO, 2006). A definição do método de inspeção a ser utilizado, a qualificação dos procedimentos de inspeção não-destrutiva e dos inspetores irá conferir uma maior confiabilidade nos resultados alcançados na fase de inspeção. A busca de novas tecnologias construtivas na montagem de oleodutos e gasodutos tem como objetivo o aprimoramento da qualidade, por intermédio do aumento na confiabilidade do processo de soldagem, na redução do prazo de construção, acarretando redução nos custos de execução. O processo de soldagem utilizado na montagem do duto que está sendo usado para esta dissertação é o comercialmente denominado como Surface Test Transfer - STT, que se apresenta como alternativa à substituição aos processos convencionais de soldagem manual do eletrodo revestido. O STT é uma derivação do processo MIG/MAG (Gas Metal Arc Welding - GMAW) que utiliza a transferência metálica por curto-circuito com controle de corrente. Alguns autores denominam este processo como processo de soldagem MIG/MAG em transferência metálica por curto-circuito com controle de corrente (SILVA, R.H.G., 2005). Diferentemente do processo GMAW padrão, a máquina para STT não possui controle para tensão. Ela usa controle de corrente para o ajuste do aporte de calor, independente da velocidade do arame, isto é, trocas na extensão do eletrodo

25 22 não afetam o aporte aplicado. O processo STT produz soldas que requerem baixo aporte térmico, sem sobre aquecimento ou perfuração, além de minimizar as distorções de origem térmica. Respingos e fumos são reduzidos e praticamente não produz escória. Por meio do controle da forma de onda, propicia que no momento do curtocircuito exista uma queda brutal da corrente e conseqüente transferência da gota de metal fundido por intermédio da tensão superficial da poça de fusão, sem ocorrência de respingos, conforme mostra a Figura 3 (LINCOLN ELETRIC COMPANY, 2003). Figura 3 - Gráfico tensão/corrente em função do tempo, para o processo STT, mostrando em cada fase a gênese do metal fundido (LINCOLN ELETRIC COMPANY, 2003) O autor Silva, R.H.G. (2005), apresenta um quadro comparativo entre tempos de soldagem para eletrodo revestido e CCC (STT, com CO 2 puro), em que o último consome apenas 52,5% do tempo gasto pelo primeiro para completar 350 mm de soldagem na posição plana. É importante ressaltar os tipos de descontinuidades mais comuns neste tipo de transferência metálica que são falta de fusão, falta de penetração, avanço da vareta no interior do chanfro o que ocorre normalmente na posição de soldagem plana devido ao posicionamento da tocha dentro da poça de fusão, além de praticamente não produzir escória (ALCATRÃO; MENEZES, 2005; ZAPATA, 2003).

26 TIPOS DE DESCONTINUIDADES Os processos de soldagem ocasionam no transcorrer da execução da montagem do duto vários tipos de descontinuidades que são identificadas por ensaio não-destrutivo (ensaio visual, radiografia ou ultra-som). A existência destas descontinuidades devem ser avaliadas quanto a dimensão e as respectivas tolerâncias, conforme definido no critério de aceitação definido na norma específica da construção do duto ou outros documentos de referência, segundo os requisitos da norma API (1999). De acordo com a norma API, as descontinuidades devem ser identificadas, mensuradas e avaliadas, levando em consideração a localização das descontinuidades, podendo ser internas ou superficiais à solda, e quanto a suas características podem ser planares ou volumétricas, conforme descritas a seguir: abertura de arco, ângulo excessivo do reforço, concavidade, deposição insuficiente, embicamento, falta de fusão, falta de penetração, mordedura, penetração excessiva, perfuração, poro, porosidade, rechupe de cratera, reforço excessivo, respingos, trinca, sobreposição e desalinhamento. Essas descontinuidades podem ser identificadas por ensaios não-destrutivos superficiais (líquido penetrante, visual e partículas magnéticas) ou por ensaios que identificam, também, descontinuidades internas a solda (ultra-som e radiografia). A Figura 4 mostra três tipos de descontinuidades, normalmente ocasionadas pelos processos de soldagem utilizados, como a falta de penetração, falta de fusão e porosidade detectadas pelo ensaio radiográfico, encontram-se registradas em filmes radiográficos (WELDING ENGINEER, 2007).

27 24 Figura 4 - Descontinuidades: (a) Falta de penetração, (b) falta de fusão e (c) porosidade (WELDING ENGINEER, 2007) 2.5. ENSAIO RADIOGRÁFICO A radiografia é um método usado para inspeção não destrutiva que se baseia na absorção diferenciada da radiação penetrante que passa através da peça a qual está sendo inspecionada. Devido às diferenças na densidade e variações na espessura do material, ou mesmo diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do material, diferentes regiões de uma peça absorvem quantidades diferentes da radiação penetrante. Essa absorção diferenciada da radiação pode ser detectada por meio de um filme, de um tubo de imagem ou mesmo medida por detectores eletrônicos de radiação. Essa variação na quantidade de radiação absorvida, detectada por meio de um meio, indica, entre outras coisas, a existência de uma descontinuidade no material. Logo a radiografia industrial é usada para detectar variação de uma região de um determinado material que apresenta uma diferença em espessura ou densidade comparada com uma região vizinha, em outras palavras, a radiografia é um método capaz de detectar com boa sensibilidade as descontinuidades volumétricas. Portanto, a capacidade do processo de detectar descontinuidades com pequenas espessuras em planos perpendiculares ao feixe, como trinca depende da técnica do ensaio realizado. Descontinuidades volumétricas como vazios e inclusões que apresentam uma espessura variável em todas as direções, devendo ser facilmente

28 25 detectadas desde que não sejam muito pequenas em relação à espessura da peça (ANDREUCCI, 2006) HISTÓRIA DA APLICAÇÃO DO ULTRA-SOM O primeiro aparelho de ultra-som foi desenvolvido em 1942 por D. O. Sproule, um físico que trabalhava para Kelvin & Hugues. Entretanto, foi Sokolov na Rússia, em 1929, que primeiro registrou experiências usando cristais de quartzo para introduzir vibrações ultra-sônicas em materiais. Sokolov demonstrou que ondas ultrasônicas poderiam ser utilizadas no lugar de raios X para detectar descontinuidades em materiais. Estes estudos, além dos desenvolvidos por um grupo de alemães (Mulauser, Pohlman e outros) eram baseados no método de transmissão sônica e teve grande sucesso na inspeção de fundidos. Porém, até o desenvolvimento do método pulso-eco por Sproule, os resultados não foram satisfatórios em forjados e outros materiais com grande atenuação sônica (GÓMES, 1982). Após a Segunda Guerra Mundial, descobriu-se que Trost e Gots da Alemanha e Firestone nos Estados Unidos haviam desenvolvido, independentemente, sistemas similares. Em 1947, Sproule desenvolveu o cabeçote angular que permitia a introdução do som em diversos ângulos no material, sem a produção de sinais indesejáveis. Desde então, os princípios gerais do método permanecem os mesmos. Os maiores desenvolvimentos têm sido na instrumentação, eletrônica e processamento dos dados, e mais recentemente o avanço se deve a introdução da microinformática. Nos anos cinqüenta, ocorreu um extenso aprendizado desta nova ferramenta. O grande desenvolvimento e utilização do ensaio por ultra-som só ocorreram, entretanto, a partir dos anos 60. No Brasil, o ensaio por ultra-som teve nas décadas de 70 e 80 o seu grande impulso em termos de utilização e credibilidade, com a construção das primeiras plataformas de produção de petróleo da bacia de Campos, da usina nuclear em Angra dos Reis, e o início da qualificação de inspetores de ultra-som. Atualmente, este ensaio atingiu uma grande aceitação, principalmente como alternativa ao

29 26 ensaio radiográfico, para as situações nas quais existam dificuldades quanto à proteção radiológica (SANTIN, 2003). O ultra-som automatizado em dutos foi utilizado e desenvolvido sua aplicação de forma industrial no início da década de 90, de forma pioneira pelas empresas SGS (Société Générale de Surveillance) em parceria com a Krautkrämer (HECKHÄUSER; SCHULZ, 1996), R/D Tech e a Weldsonic (GINZEL, 2006). Em 1993, a TransCanada PipeLines Limited (TCPL) tornou-se a primeira empresa Norte Americana a introduzir em sua especificação requisitos para inspecionar soldas circunferenciais de dutos por ultra-som automatizado (GINZEL, et al.,1993). No Brasil, em 1998, a Petrobras e governo Boliviano construíram uma importante linha de gás, chamada GASBOL (Gasoduto Bolívia-Brasil). Nesta construção, foi usado processo para soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding) mecanizado das juntas entre o Rio Grande (Bolívia) e Paulínia (Brasil). Este processo foi escolhido com o objetivo do aumento da produtividade, necessitando utilizar um sistema de inspeção que acompanhasse a produção e detectasse as descontinuidades inerentes ao processo de soldagem (RICHTER; QUADRADO, 1998). Os autores Richter e Quadrado (1998) em seu trabalho, relatam a grande a aplicação no Brasil do ensaio por ultra-som automatizado em substituição ao ensaio radiográfico, tradicionalmente usado em construção e montagem de duto, na inspeção das soldas circunferenciais dos dutos do GASBOL, com a obtenção de resultados satisfatórios nos aspectos de prazo, qualidade e produtividade O ULTRA-SOM CONCEITOS O ensaio por ultra-som é um método não destrutivo caracterizado pela produção de ondas mecânicas que se propagam no material a ser inspecionado, produzindo um feixe sônico de alta freqüência com o objetivo de detectar descontinuidades internas e superficiais. O som que percorre o material é refletido pelas interfaces sendo detectado e analisado para determinar a presença e localização de descontinuidades interna e superficial (SANTIN, 2003).

30 27 O comportamento das ondas de ultra-som é o mesmo das ondas do intervalo audível; elas propagam-se em meios elásticos, sejam sólidos, líquidos, ou gasosos, mas não se propagam no vácuo. A velocidade com que se movem nestes meios materiais e a taxa com que a amplitude e a energia decrescem durante a propagação são propriedades características do meio em que a onda está se movendo. Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas, no meio em que se propaga. A passagem de energia acústica pelo meio faz com que as partículas sejam desbalanceadas em relação ao seu estado de equilíbrio (CATUNDA; REBELLO; SILVA, 2002). Assumindo-se que o meio em estudo é elástico, ou seja, as partículas que o compõem não estão rigidamente ligadas, podendo oscilar em qualquer direção, então as ondas acústicas são classificadas em várias categorias; dentre as mais conhecidas têm-se: ondas internas (ou de corpo), superficiais e guiadas. Estas ondas podem ser classificadas em infra-som, som audível e ultra-som em relação aos valores de freqüência. Normalmente a freqüência empregada no ensaio não-destrutivo por ultra-som é na faixa 100 khz a 50 MHz. A Figura 5 mostra o espectro de freqüências das ondas sonoras. Figura 5 - Faixas de freqüências do som (OLYMPUS, 2006) O ensaio por ultra-som é fundamentado no conceito da boa condutividade sonora dos materiais sólidos, apesar de ser bastante conhecido o fenômeno de

31 28 formação de ondas sonoras no ar e nos líquidos, essas ondas com determinada velocidade dependem do material no qual a vibração se propaga, da temperatura, do tratamento térmico do material, etc. (NEPOMUCENO, 1980). As ondas ultra-sônicas refletidas pelas interfaces dependem do estado físico da matéria e das propriedades específicas do meio. O efeito de interação da onda sonora com a matéria é maior quanto menor for o comprimento de onda, ou seja, as maiores interações ocorrem nas maiores freqüências da onda, como mostra a Figura 6 e a Equação 1. ν λ = (1) f Figura 6 - Ciclo da onda (OLYMPUS, 2006) Onde, ν é a velocidade das ondas sonoras no meio em [mm/s], f é a freqüência em [Hz] e λ é o comprimento de onda em [mm]. Um ensaio por ultra-som segue determinados passos para encontrar o diagnóstico de um determinado material. Para possível detecção de descontinuidade em materiais, as etapas do procedimento tornam-se as seguintes: - Detecção de regiões refletoras; - Localização de regiões refletoras; - Avaliação das regiões refletoras; - Diagnóstico das regiões refletoras (tipo de reflexão, orientação, dimensionamento, avaliação, etc).

32 29 A designação região refletora geralmente é substituída pelo inspetor de ultrasom, pelo termo descontinuidade. Esta denominação é definida como sendo uma irregularidade no produto em inspeção a qual pesquisa-se a existência de defeito (BERKE, 2000). Na realidade, somente após a localização, avaliação e o diagnóstico ter sido realizado, é que se pode determinar a existência ou não de um defeito. Descontinuidades como trincas, poro, falta de fusão e outros tipos, podem ser detectadas por ultra-som, pois geram uma interface sólida - gás de fácil detecção. Outras descontinuidades como inclusões, falta de penetração e outras podem ser também detectadas por reflexão parcial ou espalhamento do feixe sônico, ou até mesmo pela produção de outros efeitos detectáveis (SILVA, I.C., 1999) TIPOS DE ONDAS ULTRA-SÔNICAS Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas no meio que se propaga, com direções definidas conforme mostra Figura 7. A passagem de energia acústica pelo meio faz com que as partículas que o compõe executem um movimento de oscilação em torno da posição de equilíbrio, cuja amplitude diminui com o tempo, em decorrência da perda de energia da onda (CARVALHO, 2006). Figura 7 - Esquema ilustrativo da direção de propagação das ondas longitudinais e transversais (ROSA FILHO, 2002)

33 30 Levando em consideração que os materiais em estudo são elásticos, logo as partículas não estão rigidamente ligadas, mas podem oscilar em qualquer direção, sendo assim pode-se classificar as ondas ultra-sônicas, conforme definido na norma de terminologia da ABNT NBR 8050 (2004). A literatura de forma geral classifica em três categorias as ondas ultra-sônicas: ondas longitudinal, transversal e superficial ou de Rayleigh e Lamb ou de chapas (GOLIS, 2001). Existem na literatura outros tipos de ondas que não foram contempladas na norma ABNT 8050 (2004) e que normalmente são utilizadas pelos profissionais que atuam na área de END Onda longitudinal Movimento ondulatório no qual o deslocamento das partículas é paralelo à direção de propagação da perturbação, também chamada de onda de compressão. (ABNT NBR 8050, 2004). As ondas longitudinais apresentadas na Figura 8 são feixes cujas partículas do meio vibram na mesma direção da propagação da onda (ondas de pressão). As oscilações de tais ondas são descritas pela compressão e descompressão atômica do material, ou seja, uma alternância de compressões e distensões das partículas que compõem o meio, proporcionando alterações de volume sem alterar a forma (considerando as partículas como elementos cúbicos infinitesimais, os ângulos entre as arestas não se alteram). Essas ondas podem se propagar tanto em meios sólidos como em fluidos e, quando comparadas aos outros tipos de ondas, apresentam pequena compressão e determinam o comprimento de onda, também denominadas amplitudes, períodos curtos e velocidades altas (OLYMPUS, 2006). Figura 8 - Ondas longitudinais (OLYMPUS, 2006)

34 Onda transversal Movimento ondulatório no qual o deslocamento é perpendicular à direção de propagação da perturbação, também denominada onda cisalhante (ABNT NBR 8050, 2004). As ondas transversais mostradas na Figura 9 são observadas quando as partículas do meio vibram na direção perpendicular ao de propagação, ou seja, com cisalhamentos ou rotações nestas direções, ocasionando alterações de forma (ângulos entre arestas dos elementos cúbicos infinitesimais se deformam) sem alterar o volume. Neste caso, são criados com a passagem da onda, picos e vales decorrentes do movimento vertical das partículas. As ondas transversais são incapazes de se propagarem nos líquidos e gases pelas características das ligações entre partículas destes meios e, mostram amplitudes e períodos maiores e velocidades mais baixas (CATUNDA, 2004). Figura 9 - Onda transversal (OLYMPUS, 2006) Onda superficial Perturbação que se propaga em uma superfície na forma de movimento ondulatório (ABNT NBR 8050, 2004). As ondas superficiais podem ser classificadas como: ondas de Rayleigh, de Lamb e Creeping.

35 Onda de Rayleigh Onda superficial caracterizada pelo movimento elíptico das partículas em torno do eixo de propagação, apresentando penetração inferior a um comprimento de onda (ABNT NBR 8050, 2004). As ondas Rayleigh se propagam nas superfícies livres do meio. Nelas, os deslocamentos ocorrem no plano que contém a direção de propagação da onda e são, simultaneamente, perpendiculares à superfície na qual a onda se propaga. Sua ocorrência está vinculada à finas camadas, de espessura equivalente a um comprimento de onda. A condição para ser gerado este tipo de onda pode ser calculada pela lei de Snell, por intermédio do cálculo do segundo ângulo crítico, aquele em que a onda tangencia a superfície do material. Uma onda de Rayleigh pura, somente provoca uma fina camada de oscilação, na qual a penetração da onda é na ordem de um comprimento de onda (SANTIN, 2003). Uma característica marcante das ondas Rayleigh é que as amplitudes dos deslocamentos, que são bastante grandes nas superfícies em que se propagam, decrescem exponencialmente com o aumento da distância à superfície livre. As ondas Rayleigh apresentam ciclos de freqüências e velocidades distintos, e que, quando comparadas aos outros tipos de ondas, apresentam períodos longos e velocidades de propagação próximas às das ondas superficiais Onda de Lamb Tipo de onda que se propaga através da espessura de uma chapa fina e que pode ser gerada apenas a determinados valores de ângulos de incidência, freqüência e espessura da chapa (ABNT NBR 8050, 2004).

36 Onda de Creeping As ondas de Creeping são ondas longitudinais que se propagam na superfície do material, geradas pela incidência de um feixe sobre o primeiro ângulo crítico de propagação. Estas são fortemente atenuadas, pois a cada ponto em seu deslocamento, uma onda transversal é gerada e transmitida para o interior do material com certo ângulo. Existem cabeçotes projetados especialmente para produzir ondas de Creeping, utilizados principalmente para a detecção de descontinuidades superficiais e sub-superficiais em materiais diversos. Em peças com superfícies paralelas, estas ondas transversais são novamente transformadas em ondas de Creeping no lado oposto, e desta forma é possível detectar descontinuidades na superfície oposta (SANTIN, 2003). Deve-se observar que uma onda elástica não contém massa, quando cessado o movimento de oscilação, cada partícula volta à posição de equilíbrio. Sabe-se, que o que se propaga através do material é apenas um estado de movimento e energia. Também é importante observar também que a velocidade com que a maioria das ondas elásticas se propagam em um dado material é constante e independente da freqüência, depende apenas do material e do tipo de onda (CARVALHO, 2006). É importante ressaltar que as ondas ultrasônicas são ondas mecânicas diferente das ondas geradas pelo ensaio radiográfico (raios X ou raio gama) que são ondas eletromagnéticas (KRAUTKRÄMER; KRAUTKRÄMER, 1990). A geração das ondas ultra-sônicas é por meio do efeito piezelétrico, que transforma a energia elétrica aplicada em um elemento piezelétrico em energia mecânica quando deformado mecanicamente. Inversamente, ocorre a deformação do elemento quando uma diferença de potencial elétrico (efeito piezelétrico reverso). Uma corrente elétrica alternada gera vibrações mecânicas no elemento na freqüência correspondente à freqüência de excitação. Estes elementos piezelétricos são chamados de transdutores por transformar energia de um tipo em outro (SANTIN, 2003).

37 O ENSAIO ULTRA-SÔNICO O ensaio por ultra-som é um método não-destrutivo no qual um feixe sônico de alta freqüência (nível de MHz, no caso da maioria dos materiais metálicos) é introduzido no material a ser inspecionado com o objetivo de detectar descontinuidades superficiais e sub-superficiais. O som que percorre o material é refletido pelas interfaces, sendo detectado e analisado para determinar a presença, localização e dimensão de descontinuidades. A energia sônica refletida pelas interfaces depende essencialmente do estado físico da matéria que está do lado oposto da interface e em menor grau das propriedades específicas da matéria. Por exemplo, as ondas sônicas são quase totalmente refletidas em interfaces metal-gás. Reflexões parciais ocorrem em interfaces metal-líquido e metal-sólido, sendo o percentual de energia dependente de certas propriedades físicas dos materiais que compõem a interface (SILVA, I.C., 1999). Trincas, laminações, rechupes, poros, falta de fusão e outras descontinuidades que atuam como interfaces metal-gás, podem ser facilmente detectadas por ultrasom. Inclusões e outras descontinuidades podem também ser detectadas pela reflexão parcial, espalhamento do feixe sônico ou até mesmo pela produção de outros efeitos detectáveis. A maioria dos aparelhos para o ensaio por ultra-som detecta descontinuidades por meio da monitoração das reflexões sônicas transmitidas ao material por intermédio de um cabeçote acoplado a peça. O aparelho geralmente dispõe de um visor que possibilita determinar a intensidade da energia refletida e a localização das interfaces. Pela análise destas reflexões, o inspetor consegue determinar a existência ou não de descontinuidades no material. Na maioria das aplicações de ensaio não-destrutivo por ultra-som procura-se propagar um único modo de onda no material. Isto, porque as ondas longitudinais e as transversais têm velocidades diferentes. Caso existam os dois modos, é difícil interpretar corretamente o sinal de eco recebido. As ondas transversais permitem confeccionar sistemas com melhor resolução axial devido ao menor comprimento de onda (SIMON, 1993).

38 Interação da onda com uma descontinuidade Quando as ondas sônicas que percorrem um material atingem a interface com um segundo material, parte da energia incidente é refletida de volta para o primeiro meio e a energia restante é transmitida para o segundo. Se as impedâncias acústicas dos dois materiais forem iguais, não haverá reflexão e toda energia será transmitida; se as impedâncias forem muito diferentes, como por exemplo, a interface metal-ar, haverá reflexão pura. Esta característica é usada no ensaio por ultra-som para calcular as quantidades de energia refletida e transmitida por descontinuidades e, assim, determinar a posição, tamanho, forma, e natureza dos mesmos. No instante em que a onda ultra-sônica atinge uma descontinuidade no material que percorre, todos os fenômenos interativos de propagação de ondas ocorrem simultaneamente, como mostra a Figura 10 (CATUNDA, 2004). Quando ocorrem associações entre duas ou mais classes de propagação de ondas de mesma fase aparente, diz-se que as ondas resultantes são ondas acopladas, como o caso de deslocamentos dos tipos de ondas longitudinal e transversal, características de camadas de baixa velocidade, encaixadas entre camadas de velocidades mais altas. Nos casos em que ocorrem conversões entre modos de propagação de ondas, as ondas resultantes recebem o nome de convertidas (conversão de modo). O fenômeno da conversão de modo é um fator complicador porque gera uma variedade de ecos que dificultam a distinção dos sinais difratados pelas pontas das descontinuidades (CATUNDA; REBELLO; SILVA, 2002). Para evitar este tipo de problema utilizam-se ondas longitudinais incidentes, de modo que os ecos das ondas difratadas ocorram bem antes dos sinais com modo convertido, está solução confirma a utilização de cabeçotes para a técnica do tempo de percurso da onda difratada (ToFD) usar cabeçotes com ondas longitudinais (SILVA, I.C., 1999). Isto é possível graças a diferença de velocidade entre as ondas transversal e longitudinal (CATUNDA, 2004) e mostrado na Equação 2. Onda refletida: ν =, 83 1 (2) L ν T

39 36 Onde, ν L e ν T são as velocidades longitudinais e transversais da onda respectivamente. A ν L depende da massa específica, do módulo de elasticidade, do coeficiente de Poison, sendo que ν T depende somente do módulo de rigidez e da massa específica, por meio dessas propriedades foi calculado o fator de proporcionalidade de 1,83 para o aço conforme a Equação 2. A origem da onda difratada (difração) está na superposição das vibrações originadas em cada ponto de uma frente de onda. Cada frente de onda é um conjunto de fontes de vibração que se propagam para diante, e da superposição das vibrações originadas em cada ponto dessa frente é que se forma a frente de onda vizinha. Em condições normais, o processo se desenvolve de modo que a forma das frentes de onda é preservada durante a propagação. Assim, quando uma onda sônica encontra em seu percurso uma descontinuidade, além de ocorrer a reflexão por uma parte da onda, a difração permite que a mesma contorne a descontinuidade, e continue se propagando, além dele (SILVA, I.C., 1999). Figura 10 - Interação da onda com uma descontinuidade (CATUNDA, 2004) Independentemente se a inspeção é realizada por imersão ou com contato, e se o cabeçote é monotransdutor ou Phased Array linear, a interação entre o feixe sônico e a peça é governada pela chamada região de detectabilidade; a área está

40 37 onde se pode detectar e dimensionar descontinuidades específicas com ganho suficiente e com sinal 6 db maior que o ruído, entre o final do sinal de entrada e o início do eco de fundo (DUBÉ, 2004) Sistemas do ultra-som manual O conhecimento da utilização do ultra-som manual é fator preponderante para o desenvolvimento do ultra-som automatizado. O diagrama da Figura 11 mostra o método de inspeção do tipo pulso-eco ou reflexão, que funciona dentro das seguintes características (ASM, 1997): - em intervalos regulares de tempo (60 a 3000 vezes por segundo) o temporizador eletrônico aciona o gerador de pulsos, o qual envia um pulso de corrente elétrica ao transdutor. Este pulso é na ordem de 100 a 1000 V. Ao mesmo tempo, o temporizador ativa o circuito de varredura (circuito de medição de tempo), que está conectado ao mostrador de sinais; - o transdutor converte a energia elétrica em energia acústica e transfere o pulso sônico gerado para a peça por meio de um acoplante. Quando o pulso sônico encontra uma interface que está posicionada perpendicularmente à direção do feixe, o som é refletido e retorna ao transdutor; - o pulso sônico atingindo o transdutor, por meio do acoplante, provoca a vibração do elemento piezelétrico, induzindo uma corrente alternada de pequena intensidade (0,001 a 1 V), que retorna ao aparelho; - a voltagem induzida é instantaneamente amplificada para cerca de 100 V e alimentada no mostrador de sinais, que indicará o tempo decorrido entre a emissão e a recepção do sinal.

41 38 Figura 11 - Sistema de ultra-som convencional (ASM, 1997) O mostrador do tipo A-Scan é basicamente um gráfico de amplitude versus tempo, no qual a linha horizontal em um osciloscópio representa o tempo decorrido; e as deflexões verticais, a amplitude dos ecos. O tamanho das descontinuidades pode ser estimado por comparação da altura do eco da descontinuidade com um outro refletor de tamanho conhecido. A localização da descontinuidade (profundidade) é determinada por meio da leitura de uma escala graduada no osciloscópio do aparelho. Para esta leitura é necessário a calibração da linha base, que é feita por meio de blocos com dimensões conhecidas. O uso do mostrador tipo A-Scan é limitado à detecção e caracterização de descontinuidades. Pode ser utilizado também para medição de espessuras, velocidade sônica, atenuação e geometria sônica. Os sinais no mostrador tipo A-Scan podem ser apresentados de dois modos: - modo de vídeo no qual somente é mostrado o sinal retificado correspondendo ao envelope das ondas RF (Figura 11). Este é o modo mais comumente utilizado nas inspeções convencionais.

42 39 - modo rádio freqüência (RF) no qual são mostrados os ciclos individuais completos de cada pulso, mostrado na Figura 15. O modo RF é pouco utilizado nas inspeções convencionais. Seu uso predominante é na inspeção com equipamentos de ultra-som automatizado e na inspeção pela técnica ToFD Sistemas automatizados de ultra-som A estrutura básica do sistema automatizado de ultra-som tem características essenciais como: movimentação dos cabeçotes e/ou material inspecionado, aquisição de dados automatizada, dados da medição da posição-relativa e os resultados do ensaio (BARBIAN, 2004). Um sistema está compreendido pelos componentes utilizados usualmente para a execução da varredura automatizada, que são: Sistema manual de cabeçotes, cabeçotes e cabos, técnica de acoplamento, equipamento de ultra-som, dados de aquisição e processamento, dados de avaliação, representação gráfica e controle do sistema. Os requisitos para o layout de um sistema para uma aplicação prática são determinados por meio do objetivo do ensaio e pela área de aplicação (tamanho e geometria da peça de ensaio, além dos requisitos da norma do equipamento especificado ou da norma referente às técnicas de ultra-som e o tipo de equipamento a ser inspecionado (BARBIAN, 2004). Os sistemas podem ser estacionários ou móveis. A aplicação dos sistemas estacionários é usada em: linha de produção com inspeção durante a produção de um grupo de produto, em locais de alto nível de automação, em avaliação automatizada, em que exista necessidade de velocidade de inspeção e avaliação em tempo real. No caso de sistemas móveis, existe a necessidade de portabilidade, com aplicação principalmente na inspeção da fabricação de equipamentos, na construção e montagem de unidade industrial e nas unidades de processamento em serviço. As configurações podem ser divididas em categorias dependendo do número de canais: podem ser de sistemas de um simples canal ou de múltiplos canais com operação paralela de um simples canal.

43 40 A extensão do sistema de manuseio depende do tipo de inspeção, inicia-se com uma simples ferramenta para suportar o cabeçote e caminha para inspeção por robôs com controle múltiplo e simultâneo. Tipicamente, a extensão da aquisição de dados e do sistema de avaliação é dependente do número de canais de ensaio, velocidade de teste e de requisitos do resultado do ensaio (BARBIAN, 2004). Para Barbian (2004), a Figura 12 mostra por meio de um fluxograma a estrutura básica do sistema de ensaio automatizado. Uma característica que diferencia o ensaio por ultra-som automatizado é a aquisição de dados ultra-sônicos, os quais registram a localização relativa do local específico que foi escaneado com o objetivo da obtenção dos dados para serem avaliados. Com o objetivo de definir a posição da aquisição, dos respectivos dados ultra-sônicos, para posição do cabeçote são utilizados encoders e sistemas de reconhecimento ótico. A real posição do feixe sônico pode ser determinada por meio do sincronismo de aquisição e da velocidade do movimento (BARBIAN, 2004). Figura 12 - Sistema de ultra-som computadorizado (BARBIAN, 2004) Durante a varredura do sistema automatizado, ele registra o volume total do objeto inspecionado, conforme definido nos parâmetros de inspeção, no procedimento de ultra-som e implantado pelo inspetor na execução do ensaio.

44 41 Outra característica importante é a oportunidade que o proprietário do equipamento possui de reavaliar a inspeção realizada a qualquer momento sem a necessidade de nova inspeção no equipamento. O equipamento de ultra-som é a principal parte do sistema de ultra-som automatizado, conforme apresentado pelo fluxograma mostrado pelo autor Barbian (2004), conforme mostra a Figura 13. Os aparelhos são construídos de acordo com as tecnologias disponíveis no mercado e o objetivo da aplicação que está se propondo pode ser analógico/digital, com um canal ou múltiplos canais, com escaner totalmente manual ou automatizado. Figura 13 - Diagrama do Sistema Eletrônico de Ultra-som (BARBIAN, 2004) Tipos de mostradores dos equipamentos de ultra-som Os sistemas de inspeção por ultra-som automatizado apresentam as representações de dados mais freqüentes, e são do tipo A - Scan, B - Scan, C - Scan, D - Scan e ToFD (B - Scan), citadas a seguir:

45 A-Scan Forma de apresentação de dados empregando uma linha base horizontal que indica distância, ou tempo, e uma deflexão da linha base que indica a amplitude. A representação do sinal A-Scan pode ser RF (rádio-freqüência) e sinal retificado, conforme mostrado nas Figura 14 e Figura 15 respectivamente. Figura 14 - Mostrador A-Scan - Retificado Figura 15 - Mostrador A-Scan - Rádio freqüência (RF) ou não retificado B-scan Forma de apresentação de dados ultra-sônicos que mostra a seção longitudinal da amostra indicando a posição, largura e altura das descontinuidades existentes, conforme apresentado na Figura 16.

46 C-scan Forma de apresentação de dados ultra-sônicos que mostra a vista plana do objeto inspecionado, a posição e comprimento das descontinuidades existentes, em relação ao chanfro da solda, conforme apresentado na Figura D-Scan Forma de apresentação de dados ultra-sônicos que mostra a seção transversal da amostra indicando a posição, largura e altura das descontinuidades existentes, em relação a espessura ou chanfro da solda, conforme apresentado na Figura A técnica ToFD Tipo particular de apresentação B-Scan (normalmente em tons de cinza) nos quais os sinais são obtidos a partir da difração do ultra-som nas descontinuidades, sendo detalhada no item 2.10 e mostrada na Figura 50. A Figura 16 mostra o esquema da formação da apresentação das imagens em relação a posição de visualização nos sistemas informatizados; cada sistema define quais são as apresentações importantes para garantir a confiabilidade da inspeção, no caso de ultra-som automatizado para dutos, a norma define estes requisitos. A apresentação dessa figura atende os requisitos das normas americanas, nas quais existem outras apresentações que atendem as normas européias (DUBÉ, 2004).

47 44 Figura 16 - Conjunto de vista para ultra-som automatizado (DUBÉ, 2004) A apresentação informatizada do registro da inspeção ultra-sônica na forma de imagem bi-dimensional, os sinais A-Scan digitalizados são representados sob a forma de padrões de cores ou tons de cinza que relacionam às amplitudes ao longo de um eixo com o tempo de trânsito do som, enquanto que o outro eixo é a distância ao longo do eixo da solda (ASTM E 1961, 1998) Visualizador do registro da varredura (Strip Chart) Forma de apresentação de dados ultra-sônicos dos sistemas de ultra-som automatizado, a qual mostra as apresentações A-Scan, B-Scan ou (ToFD), C-Scan, e a posição da descontinuidade ao longo da solda e localização na secção transversal, conforme mostra a Figura 17. O detalhamento da função de cada parte do visualizador está descrita no item 2.13 e na Figura 49.

48 45 Figura 17 - Registro da varredura do US-AUT para dutos (CAMPINHO, 2006) Tipos de varreduras na inspeção automatizada Existem dois tipos de varreduras (escaneamento): passo a passo (raster) e varredura linear (escaneamento linear). O primeiro sistema (Figura 18) é a varredura mais tradicional utilizada no ultra-som, agora com um sistema mecanizado que faz a aquisição de dados no percurso do deslocamento perpendicular ao cordão de solda e o segundo sistema mostrado na Figura 19, consiste no movimento do cabeçote paralelo a solda a ser inspecionada, propiciando assim o aumento da velocidade de aquisição de dados (GINZEL, 2000b). A varredura linear é o sistema mais utilizado na inspeção por ultra-som automatizado das juntas soldadas circunferencialmente, ocasionado pela sua grande velocidade de aquisição de dados em relação aos outros tipos de varredura manuais e mecanizadas.

49 46 Figura 18 - Varredura passo a passo em um sistema mecanizado (GINZEL, 2000b) Figura 19 - Varredura linear (GINZEL, 2000b)

50 Características dos cabeçotes de ultra-som Para aplicação do ultra-som automatizado é importante o conhecimento detalhado das características dos cabeçotes e das respectivas formações dos feixes de som que cada cabeçote deve atender em relação às características de uma respectiva inspeção, na qual existem variáveis que envolvem diretamente o desempenho e confiabilidade dos resultados apresentados pelo sistema de inspeção que envolve o tipo de material, a espessura, o tipo de junta e o processo de soldagem. Levando em consideração as características dos cabeçotes com transdutores circulares deve ser analisada de forma específica os requisitos que impacta a inspeção, desde a pressão sônica como campo próximo, incluindo também a divergência do feixe e as características do feixe sônico focalizado (GINZEL, 2001) Campo próximo Campo próximo é a pressão sônica produzida por transdutores circulares ou outra forma geométrica que apresenta variações ao longo do eixo de propagação (acústico) e também na direção perpendicular a essa. No caso de transdutores circulares, a relação entre diâmetro do cabeçote (D) e comprimento de onda (λ) fornece uma resposta para localização dos máximos e mínimos, bem como a divergência e o diâmetro do feixe. Para uma propagação livre do feixe (mesmo meio de propagação, sem interação com descontinuidades, sem reflexões), a distância em frente ao cabeçote é dividida em três regiões: Campo próximo (0 < z < N); Campo de transição (N < z < 3N) e Campo longínquo (z > 3N), sendo que o campo próximo é definido pela Equação 3. N 2 Dtransdutor f = (3) 4ν

51 48 A Figura 20 mostra o campo sônico no plano xz de um transdutor circular os campos em função do campo próximo ( N ) e a variação da pressão sônica no percurso sônico (DUBÉ, 2004). Figura 20 - Feixe sônico (xz) e pressão sônica em função do percurso (DUBÉ, 2004) Divergência do feixe O ângulo de divergência (γ ) do feixe no campo longínquo depende do diâmetro (D), freqüência do transdutor ( f ) e fator de correção de ondas (K), de forma geral, é apresentada pela Equação 4 e na Figura 21 aponta a relação da amplitude normalizada com o ângulo de divergência e, na parte inferior da figura, o diâmetro do feixe em função da distância e da queda db da amplitude para transdutores circulares.

52 49 Kλ γ = arc sen ( ) db D Transdutor (4) Figura 21 - Relação da amplitude normalizada com o ângulo de divergência e diâmetro do feixe em função da distância e queda de db (DUBÉ, 2004) A divergência do feixe deve ser definida em relação a queda da amplitude que pode ser de -6dB e -20dB de queda para transdutores na forma circular (KRAUTKRAMER; KRAUTKRAMER, 1990), conforme apresenta a Tabela 1. Tabela 1 - Divergência do feixe para cristais circulares (KRAUTKRAMER; KRAUTKRAMER, 1990) Forma do transdutor: Circular Queda da amplitude Divergência do Feixe -6 db γ -6dB = arc sen (0,51λ/D) -20 db γ -20dB = arc sen (0,87λ/D)

53 50 Na Figura 22, observa-se o semi-ângulo da abertura do feixe ( λ 2 ) em graus para queda de 6 db em ondas longitudinais no aço, evidenciando a relação do diâmetro do transdutor com a freqüência, mostrando de forma gráfica que o aumento da freqüência acarreta na redução da divergência, além de mostrar também que quando o diâmetro do transdutor aumenta a divergência diminui (DUBÉ, 2004). Figura 22 - Semi-ângulo de abertura do feixe para queda de 6 db no aço (DUBÉ, 2004) Feixes sônicos focalizados O ultra-som automatizado para dutos com a utilização de zona de discriminação para a inspeção da junta soldada necessita do uso de cabeçotes (transdutor e sapata) com feixe sônico focalizado e os que devem ter características de sensibilidade e resolução altas. Sendo assim, é importante que seja analisada as características de cada cabeçote (divergência, resolução lateral, ponto focal, focalização, comprimento da focalização) que pode ser utilizado levando em consideração a espessura, diâmetro, material e tipo de junta a ser soldada, conforme ilustrado na Figura 23.

54 51 Figura 23 - Cabeçote feixe focalizado (GINZEL; et al., 1993) Inicia-se o estudo das características desses cabeçotes pela divergência do feixe sônico no campo-longínquo (região Fraunhofer) e pela pressão sônica variável no campo-próximo (região Fresnel) que causam efeitos negativos na avaliação das descontinuidades e na resolução lateral. A resolução lateral depende da largura do feixe, este fato tem influência na discriminação de duas descontinuidades adjacentes. A Figura 24(a) mostra o movimento do cabeçote com feixe focalizado, na Figura 24(b) a apresentação do eco dinâmica das duas descontinuidades e na Figura 24(c) a vista em C-Scan com informações para identificar descontinuidades volumétricas, na mesma profundidade e mesmo ângulo de detecção separados por distância menor que 1 mm (DUBÉ, 2004). Figura 24 - Influência da resolução lateral na descontinuidade (DUBÉ, 2004) Quando os requisitos da norma do produto que está sendo inspecionado, demanda uma resolução lateral constante em toda a faixa de inspeção (percurso), a abertura do feixe ultra-sônico deve ser independente do caminho sônico percorrido

55 52 no trecho de interesse de inspeção, como no caso da inspeção de dutos atendendo os requisitos da ASTM E 1961 (1998). O recurso utilizado deve ser a focalização do feixe que pode ser obtida pelo uso de cristais curvos, espelhos acústicos especiais ou pela adição de lentes acústicas côncavo/convexas, como ilustra a Figura 25 ou mesmos os transdutores Phased Array, os quais possuem recursos para controlar o foco do feixe obtendo a focalização do feixe sônico. Utilizando esses recursos, a focalização do feixe ocorre normalmente na região do campo próximo onde a pressão sônica é concentrada, além disso, o feixe focalizado tem um diâmetro menor que o diâmetro do transdutor no ponto focal. Figura 25 - (a) lentes côncavas; (b) espelho côncavo na água; (c) com uma sapata e uma lente côncava para feixes em ângulo; lente convexa; (e) cristal côncavo; (f) lente cônica (DUBÉ, 2004) Tamanho do foco do feixe O tamanho do ponto focal é função da dimensão do transdutor. Considera-se neste caso que o transdutor é circular, porém considerações similares podem ser aplicadas em transdutores quadrados ou retangulares. Esse conceito também pode ser aplicado para técnica Phased Array, usando o mesmo princípio matemático do pulso-eco (GINZEL, 2006). O cálculo do tamanho do feixe (diâmetro e comprimento), tradicionalmente é definido pela dimensão externa do feixe e o comprimento do foco, utilizando como

56 53 referência a amplitude no ponto da queda dos 6 db no sinal pulso-eco, conforme apresenta a Figura 26 e deve ser calculado por equações específicas. Figura 26 - Cabeçote com feixe focalizado (OLYMPUS, 2006) Duas equações ajudam avaliar o tamanho do foco e sua posição. O diâmetro do feixe no ponto focal pode ser dimensionado pelas Equações 5 e 6, sendo que a primeira deve ser utilizada para cabeçote com lente cônica ou cristal côncavo e a segunda para cabeçote com transdutor plano (OLYMPUS, 2006). DB 6 db = 1, 02 Fν fd (5) DB 6 db = 0,2568 D S F (6) Onde: DB 6 db = diâmetro do feixe (na borda do feixe a 6 db) F = distância focal ou raio de curvatura ν = velocidade da onda no material D = diâmetro do transdutor S F = fator de focalização normalizado f = freqüência do transdutor Para transdutor com foco natural, também chamado de transdutor plano não focalizado, o valor de S F é 1 (um) (GINZEL, 2001), acarretando que o menor diâmetro do feixe ocorre no campo distante, com diâmetro de 25,7% do diâmetro do transdutor, não existindo condições de modificações na dimensão do campo próximo no material sem a mudança de alguma característica do cabeçote, como diâmetro ou

57 54 freqüência (GINZEL, 2006). Exceto para cabeçotes Phased Array que podem ser ajustados o campo próximo, utilizando somente mais elementos com a mesma freqüência, reduzindo a distância para onde ocorre a pressão máxima, isso é denominado focalização (GINZEL, 2006). O fator de focalização normalizado é dado pela Equação 7 que mostra a razão da distância focal ou raio de curvatura do transdutor pelo valor do campo próximo (N) (OLYMPUS, 2006). S F = F N (7) Zona focal O início e final da zona do ponto focal são localizados quando a amplitude axial do sinal da queda da amplitude de 6 db no ponto focal. O comprimento desta zona focal ( F ) deve ser calculado pelas Equações 8 e 9. Z 2 Z NS F F = [ 2 ( 1+0,55 S F )] (8) F = ( Z - Z ) (9) Z B E A Figura 27 mostra o gráfico do fator de focalização normalizado do início ( S B ) e término ( S ) da zona focal, dados importantes para o dimensionamento da zona E focal, dimensão importante na escolha dos cabeçotes para inspeção por ultra-som automatizado utilizando zona de discriminação da solda (OLYMPUS, 2006).

58 55 Figura 27 - Fator de focalização normalizado ( S ) na queda de 6 db (OLYMPUS, 2006) F S F = Fator de focalização normalizado S B = Fator de focalização normalizado do início da zona focal S E = Fator de focalização normalizado do término da zona focal Na Figura 28 mostra os eixos x (caminho sônico) e y (amplitude) mostrando as características e os constituintes do feixe sônico focalizado (cabeçote focalizado). Figura 28 - Distância focal, ponto focal e comprimento focal (BS EN , 2001)

59 56 O feixe focalizado pode ser classificado como: forte focalização (0,1 < S F < 0,33), média focalização (0,33 < S F < 0,67) e fraca focalização (0,67 < S F < 1,0), sendo a maioria das aplicações industriais que trabalham com feixes focalizados usam o fator de focalização normalizado ( S ) menor que 0,6 (DUBÉ, 2004). A influência de S F na profundidade de campo de acordo com as fórmulas apresentadas anteriormente pode ser vista na Figura 29. F Figura 29 - Influência do fator de focalização ( S ) na zona focal (DUBÉ, 2004) F Para S < 0,6, o comprimento focal ( F L 6 db ) é calculada pela Equação 10 2 F L 6 = 7 db λ sendo F < N (10) DTransdutor A Figura 30 apresenta o relativo crescimento da amplitude de sinal para pequenos refletores ocasionado pela focalização do cabeçote. O ganho da

60 57 sensibilidade (db) para focos com formato cilíndrico pode ser estimado em ¾ do ganho para foco esférico (OLYMPUS, 2006). Figura 30 - Crescimento da sensibilidade do pulso-eco versus fator de focalização normalizado (OLYMPUS, 2006) Comparando os dois tipos de transdutores da Figura 31, o transdutor da Figura 31(a) apresenta feixe sônico de um transdutor plano (não focalizado) e o transdutor da Figura 31(b) apresenta um feixe de um transdutor com as mesmas dimensões, porém com arranjo para focalização do feixe em 15 mm. Essa diferença reduz a metade o comprimento do campo próximo em relação ao cabeçote com transdutor plano. Além disso, o diâmetro do ponto focal do transdutor plano é 3,2 mm a uma distância de 30 mm e o cabeçote focalizado com um diâmetro focal de 1,6 mm a uma distância de 15 mm. A otimização da escolha do cabeçote depende da configuração da junta a ser inspecionada, considerando a utilização da técnica de discriminação da solda e as características de cada cabeçote (GINZEL, 2006).

61 58 Figura 31 - Feixe dos transdutores plano (a) e focalizado (b) (GINZEL, 2006) A característica do feixe sônico está ligada diretamente ao tipo de cabeçote (transdutor, freqüência, feixe na sapata, campo próximo, diâmetro do foco). A Tabela 2 define alguns parâmetros necessários para otimização da escolha do cabeçote, além disso, existe a Figura 32 que mostra a simulação do feixe dos seis diferentes cabeçotes, apresentados na Tabela 2. Portanto, deve-se avaliar o ponto focal e o caminho do feixe sônico dentro dessas opções, devendo escolher o mais adequado para a inspeção por zona de discriminação, levando em consideração as características da junta (tipo e ângulo do chanfro, e espessura do metal base) a ser inspecionada (AUT SOLUTIONS, 2001). Cabeçote Tabela 2 - Dimensão do foco versus cabeçote (AUT SOLUTIONS, 2001) Transdutor plano e diâmetro (mm) Freqüência (MHz) Feixe na sapata (mm) Campo próximo no aço (mm) Diâmetro do foco (mm) 1 6,4 5 7,0 9,6 ~ 1,6 2 6,4 7,5 7,0 17,0 ~ 1,6 3 9,5 5 10,0 25,3 ~ 3,0 4 9,5 7,5 10,0 41,8 ~3,0 5 12,5 5 12,0 49,5 ~ 6,0 6 12,5 7,5 12,0 78,8 ~ 6,0

62 59 Figura 32 - Simulação do perfil do feixe sônico do cabeçote (AUT SOLUTIONS, 2001) Uma resolução lateral constante para uma grande faixa de caminho sônico pode ser alcançada apenas empregando sondas com diferentes fatores de focalização ( S ). Esse inconveniente pode ser superado pelo uso de cabeçotes F Phased Array (linear, anular, matriz), trabalhando com a profundidade dinâmica de campo (DUBÉ, 2004) Forma da onda e do espectro do transdutor A análise da forma da onda e do espectro é feito de acordo com as condições dos testes e definições da norma ASTM E 1065 (1999) ou da norma BS EN (2001) (definição da norma a ser utilizada depende da escolhida pelo projeto). As unidades típicas são MHz para a análise da freqüência, microsegundos para análise da forma da onda, e db para queda da amplitude de pico (ASTM E 1065,1999; BS EN , 2001). A Figura 33 mostra a duração da forma da onda do sinal RF (sinal de rádiofreqüência ou sinal não retificado) até o nível -20 db ou 10% do pico da amplitude.

63 60 Figura 33 - Pulso ultra-sônico típico (BS EN , 2001) Com relação ao espectro, a largura da banda (BW rel ) é fator importante na detectabilidade de descontinuidade pelo cabeçote. A Figura 34 mostra a freqüência de pico ( f P ), máximo valor de freqüência, freqüência baixa ( f L 6dB ) valor de freqüência na porção esquerda a partir da freqüência de pico, determinado pela linha horizontal de queda de 6 db, freqüência alta ( fu 6dB ) valor de freqüência na porção direita a partir da freqüência de pico, determinado pela linha horizontal de queda de - 6 db e freqüência central ( f C ) é calculada pela média aritmética, conforme Equação 11, ou geométrica das freqüências baixa e alta, conforme Equação 12 (OLYMPUS, 2006). f C = f f ) 2 (11) ( L 6dB + U 6dB f C = (12) 0,5 ( f L 6 db. fu 6dB ) A Equação 13 e a Figura 34 - Medida da largura da banda (OLYMPUS, 2006) mostram a sistemática de cálculo da largura da banda relativa ( BW relativa ), com base na faixa de variação da freqüência entre limites de freqüência baixo e alto na linha de queda de 6dB.

64 61 BW relativa [%] 100% ( f f f U 6dB L 6dB = (13) C ) Figura 34 - Medida da largura da banda (OLYMPUS, 2006) A Figura 35 apresenta um exemplo do perfil de um cabeçote Phased Array, na qual é definida a freqüência nominal, freqüência de pico, freqüência baixa, freqüência alta, a largura da banda relativa. Estas características que devem ser observadas na escolha dos cabeçotes na inspeção por ultra-som, principalmente por ultra-som automatizado (DUBÉ, 2004). Figura 35 - Cabeçote Phased Array 5 MHz f C = 5,2 MHz e BW rel = 54% (DUBÉ, 2004)

65 62 Para utilização do ultra-som automatizado, a escolha do cabeçote deve levar em consideração a classificação baseada na largura de banda (BW), é fator importante em relação ao objetivo da inspeção, quando se define um comprometimento da detectabilidade ou dimensionamento, ou ambos. A seguir, temse a classificação da largura da banda recomendada: - banda estreita (15-30%) melhor para detecção - banda média (31-75%) detecção e dimensionamento - banda larga (76-110%) melhor para dimensionamento A Figura 36 ilustra os gráficos das faixas de largura de banda, recomendados principalmente para materiais ferríticos (DUBÉ, 2004). A forma do pulso (duração) tem efeito direto na resolução axial (com ângulo de cabeçote e posição fixos). Resolução axial é a capacidade do ensaio em resolver (identificar) duas descontinuidades adjacentes separadas ao longo do feixe sônico por uma pequena diferença de caminho z. Para uma boa resolução axial, os refletores devem produzir ecos com amplitudes separadas por mais de 20 db (pico-vale). Figura 36 - Classificação dos cabeçotes baseada na largura da banda (DUBÉ, 2004)

66 Técnica do tempo de percurso da onda difratada A técnica do tempo de percurso da onda difratada, ToFD - Time Of Flight Diffraction [do ingl], foi primeiramente descrita por Maurice G. Silk em 1975 (SILK; LIDINGTON, 1975; LAMY, 1990). Até então, a detecção e o dimensionamento das descontinuidades em materiais por técnicas ultra-sônicas utilizavam somente a amplitude do eco obtido e a relacionava diretamente com a dimensão da descontinuidade. A possibilidade de se utilizar a diferença entre os tempos de percurso dos sinais ultra-sônicos que são difratados pelas pontas superiores e inferiores dos defeitos como referência para seu dimensionamento abriu um novo horizonte às inspeções ultra-sônicas. É uma técnica desenvolvida prioritariamente para dimensionar descontinuidades (DIJKSTRA; RAAD; BOUMA, 1998). Esta técnica é baseada na análise do tempo percorrido dos sinais difratadas nas extremidades das descontinuidades, do tempo que levam para percorrer do cabeçote que emite até o cabeçote que recebe. Esses sinais fazem o mapeamento das posições das extremidades das descontinuidades. As dificuldades encontradas na inspeção de materiais metálicos com o método radiográfico, como a detecção de trincas paralelas ao feixe de raios X, estão sendo superadas com a utilização dessa técnica (SILVA,I.C.,1999). Em geometria inadequada para o ensaio radiográfico pode ser utilizada, pois a técnica ToFD incide um feixe ultra-sônico inclinado em relação a superfície de inspeção no interior do material (CATUNDA, 2004). A técnica ToFD utiliza cabeçotes angulares gerando ondas longitudinais, em que são preferidas às transversais por serem as primeiras a alcançar as extremidades da descontinuidade e ao cabeçote receptor, já que sofrem menor atenuação (causada pelo material da peça inspecionada). Estes cabeçotes são altamente amortecidos com largura de banda maior que 90% e normalmente com freqüência maior que 6 MHz (DUBÉ, 2004). A divergência do feixe é suficiente para produção da onda lateral e a reflexão na parede oposta, desse modo, toda a espessura de parede é apresentada entre o sinal da onda lateral e da reflexão na parede oposta.

67 64 Utiliza em paralelo o recurso da informática para gravar continuamente os sinais produzidos ponto a ponto, garantido que seja identificada caso exista as descontinuidades, em tempo real e registradas em meio magnético, podendo ser revisto a qualquer momento. A Figura 37 mostra o feixe de ondas ultra-sônicas que os cabeçotes com transdutor circular (6 mm), freqüência 6 MHz, ângulo de incidência no poliestireno (2.350 mm/s) de 22 graus, ângulo de refração do aço (70,1 graus), caminho sônico na sapata, onda longitudinal (16 mm), característica de cabeçote utilizado pela técnica ToFD. É importante observar as características do cabeçote descrito acima, pois utiliza ondas longitudinais com ângulo de divergência maior que o da onda transversal, além disso, as ondas longitudinais geram feixe mais paralelo a superfície e maior divergência na peça a ser inspecionada, condições típicas necessárias para inspeção pela técnica ToFD. Figura 37 - Técnica ToFD - ondas longitudinais e as transversais do feixe sônico (S.I.) A origem da difração está na superposição das vibrações originadas em cada ponto de uma frente de onda. Cada frente de onda é um conjunto de fontes de vibração que se propagam para diante, e é da superposição das vibrações originadas em cada ponto dessa frente que se forma a frente de onda vizinha. Em condições normais, o processo se desenvolve de modo que a forma das frentes de onda é preservada durante a propagação. Assim, quando uma onda sônica encontra

68 65 em seu percurso uma descontinuidade, além da reflexão sofrida por uma parte da onda, a difração permite que a mesma contorne a descontinuidade, e continue se propagando. A Figura 38 mostra a imagem elástica-foto da incidência de um feixe sônico em um entalhe, o qual apresenta o comportamento do feixe com o aparecimento da difração na extremidade do entalhe (GINZEL, 2006). Figura 38 - Incidência de feixe sônico na extremidade do entalhe (GINZEL, 2006) Essa onda circular difratada na extremidade do entalhe na peça (descontinuidade), também é identificada pelo cabeçote com o uso da técnica pulso eco, podendo ser observado a propriedade de difração característica, analisando o sinal no mostrador A-Scan. Esse sinal, típico de difração, é muito fraco na faixa de 20 a 25 db, abaixo do que a reflexão do maior volume da onda refletida no entalhe (MOLES; LABBÉ, 2004). Com isso, pode-se dimensionar a altura da descontinuidade calculando a diferença entre o caminho sônico do eco do entalhe e eco da extremidade do entalhe, conforme ilustrado na Figura 39. Além disso, as técnicas pulso eco ou Phased Array oferecem exatidão similares a técnica ToFD (BABY; BALASUBRAMANIAN; PARDIKAR, 2002; JACQUES; MOREAU; GINZEL, 2003), porém a característica do sinal na tela e análise do Phased requer tempo, impossível de ser aplicado em ambiente de alta produção (GINZEL, 2006).

69 66 Figura 39 - Identificação de sinal típico de difração no entalhe (JAQUES, MOREAU, GINZEL, 2003) Nas inspeções por ultra-som pela técnica pulso-eco, a maioria da energia transmitida é dissipada por absorção e difusão no material em inspeção ou é refletida por alguma descontinuidade. Mas, também há alguma energia que é irradiada pela descontinuidade e são nestes sinais difratados que o ToFD confia (BOYNARD; BARROS; QUINTINO, 2004). Portanto, melhor que monitorar a alta amplitude de resposta da energia refletida é utilizá-la para fazer avaliação comparativa da dimensão da descontinuidade comparada a dimensão do refletor equivalente. A técnica ToFD analisa o tempo que os sinais difratados de relativa amplitude baixa, nas extremidades da descontinuidade. Está é uma diferença marcante com relação ao ultra-som pela técnica pulso-eco, que leva em consideração a amplitude das reflexões proveniente da descontinuidade detectada (DIJKSTRA; RAAD; BOUMA, 1998; ERHARD; EWERT, 1999; BROWNE, 1997). É importante ressaltar que na técnica ToFD a amplitude do sinal não está relacionada à dimensão ou gravidade da descontinuidade, como ocorre com a técnica pulso-eco. O fato da técnica ToFD não depender da absorção da energia refletida implica também em não depender da amplitude dos sinais. Diferente da técnica de pulsoeco, que depende da amplitude, e conseqüentemente das condições ideais de superfície e do acoplamento (DIJKSTRA; RAAD; BOUMA, 1998; ERHARD; EWERT 1999; HECHT, 1997). O ToFD também difere da inspeção por ultra-som convencional pela vantagem de utilizar e interpretar somente ondas longitudinais e logo converte qualquer modo

70 67 de sinal propagado a menor velocidade, diminuindo a indefinição da imagem (DIJKSTRA; RAAD; BOUMA, 1998; ERHARD; EWERT, 1999) INSPEÇÃO PELA TÉCNICA ToFD A inspeção pela técnica ToFD utiliza dois cabeçotes trabalhando na forma emissor-receptor, um de frente para o outro, utilizando onda longitudinal e com varredura linear. Esta técnica baseia-se na medida precisa do tempo de chegada dos pequenos sinais difratados pelas pontas dos defeitos. As difrações são separadas no espaço, logo suas recepções são separadas no tempo em que esta diferença é usada para localizar e dimensionar descontinuidade (BOYNARD; BARROS; QUINTINO, 2004). A técnica ToFD utiliza quatro tipos de ondas sônicas para detectar e registrar os sinais difratados nas extremidades da descontinuidade com a finalidade de detecção e dimensionamento, ilustradas na Figura 40 e relacionadas a seguir Onda lateral Onda longitudinal que se propaga sub-superficial gerada a partir do amplo feixe sônico e tem o menor tempo de percurso. Esta onda não é verdadeiramente do tipo superficial já que a sua amplitude não decai exponencialmente com a distância entre cabeçotes Reflexão na parede oposta Onda longitudinal refletida na parede oposta da peça inspecionada.

71 Onda refletida Onda longitudinal refletida por um defeito laminar planar Onda difratada na extremidade Onda circular difratada pela extremidade da descontinuidade. São normalmente gerados os modos longitudinal e transversal de vibração. O modo longitudinal é tipicamente utilizado na técnica ToFD (DUBÉ, 2004), conforme mostra a Figura 40. Figura 40 - Princípio do ToFD e a fase do sinal para os quatro principais sinais (DUBÉ, 2004)

72 69 Assumindo que a descontinuidade está posicionada simetricamente com relação aos cabeçotes, as Equações 14, 15, 16 e a Figura 41 mostram os dados de como calcular a altura da descontinuidade ( h ) e o ligamento superior ( d ): T ONDA LATERAL PCS 2S = = (14) ν ν L L Onde: T ONDA LATERAL = tempo de percurso da onda lateral PCS = distância entre os cabeçotes ToFD (probe center spacing) S = semi-distância entre os cabeçotes ν L = velocidade da onda longitudinal T EXTREMIDADE SUPERIOR 2 2 0,5 2 ( S + d ) = (15) ν L Onde: T extrem.superior = tempo de percurso da onda difratada na extremidade superior da descontinuidade d = ligamento superior da descontinuidade T PAREDE OPOSTA 2 2 0,5 2 ( S + t ) = (16) ν L Onde: T parede oposta = tempo de percurso da onda refletida na parede oposta t = espessura da peça

73 70 Figura 41 - Técnica ToFD - medição da altura e ligamento da descontinuidade (DUBÉ, 2004) Uma alternativa para analisar o grande número de sinais complexos é a utilização de uma maneira simples de visualizar os dados. Cada sinal A-scan é substituído por uma linha com coloração em tons de cinza cuja tonalidade é associada com a amplitude-fase do sinal. Dessa forma, cada tela A-scan obtida a cada ponto por uma varredura paralela ao cordão de solda, e representa uma linha de imagem bidimensional do interior da solda, mostrando o perfil das descontinuidades. Essa imagem é conhecida como B-Scan. A reversão da fase dos sinais da extremidade superior e inferior do defeito consegue ser observada pelos tons de cinza. A técnica ToFD quando aplicada como único método de detecção e dimensionamento de descontinuidades, não é 100% confiável, por não detectar descontinuidade superficiais e sub-superficiais. Para total confiabilidade nos resultados da inspeção, é necessário que seja complementada por ultra-som utilizando cabeçotes pulso-eco convencional ou Phased Array. A técnica ToFD tem dificuldade de detectar descontinuidades próximas as superfícies superior e inferior, devido a zona-morta da onda lateral e do eco de fundo, onde estas zonas podem ser modificadas dependendo da escolha da freqüência, da largura do pulso de excitação, da distância entre as sondas, da espessura da peça e da velocidade de propagação (DUBÉ, 2004). A zona-morta depende da freqüência, largura do pulso de excitação, distância entre as sondas, espessura da peça e velocidade de propagação (DUBÉ, 2004). A Figura 42 mostra as regiões nas quais aparecem a zona morta do feixe sônico, e a

74 71 representação B-Scan com o gráfico feito em tons de cinza, acompanhado da apresentação tipo A-Scan. Figura 42 - Zonas-mortas do ToFD causadas pela ondas lateral e do eco de fundo (DUBÉ, 2004) Independentemente das limitações, o ensaio ToFD é uma técnica ultra-sônica que tem como vantagem a inspeção em uma varredura única, com grande exatidão para o dimensionamento das descontinuidades (comprimento, altura e profundidade), além da facilidade de interpretação dos resultados pelo uso das apresentações do sinal A-Scan e B-Scan em tempo real. Para aumentar a confiabilidade da detecção de descontinuidades, é recomendável a utilização da combinação das técnicas ToFD e pulso-eco convencional ou Phased Array (ASTM E 1961, 1998). A Figura 43 mostra as imagens ToFD B-scan para descontinuidades típicas, material utilizado como referência para os inspetores de ultra-som automatizado. A norma British Standard BS 7706 (1993) disponibiliza no seu conteúdo um guia para calibração e instalação de dados no equipamento para o uso de dois

75 72 cabeçotes (ToFD) para a localização e dimensionamento de descontinuidades. Incluindo em seu anexo D (informativo), apresenta descontinuidades típicas e seus respectivos mostradores ToFD. Exemplificado o conteúdo da norma, a mesma figura aponta mostra uma falta de fusão localizada no bisel, em uma junta de chanfro simples-v, não apresentando perturbação na onda lateral ou no eco de fundo, indicando a presença de uma descontinuidade interna. O sinal difratado na extremidade inferior é bem definido, porém o sinal difratado na extremidade superior encontra-se parcialmente misturado com o sinal da onda lateral (DUBÉ, 2004). Figura 43 - Imagem ToFD de descontinuidades típicas de solda (DUBÉ, 2004) A técnica ToFD é utilizada em sistema de ultra-som automatizado para inspeção de tubulações de dutos na área petróleo e gás, apresentando na detecção de descontinuidade, a amplitude de sinal que não está relacionada à dimensão ou gravidade da descontinuidade, complementando a inspeção com a técnica pulso-eco ou Phased Array que utiliza como referência a amplitude e o comprimento da descontinuidade, dado necessário para avaliação da junta soldada, conforme requisitos das principais normas de projeto de dutos (API 1104, 1999). É importante observar o uso da técnica ToFD de forma individual nos dutos inspecionados por ultra-som devido as espessuras estarem normalmente entre 6,0 mm a 30 mm, já que a detecção e dimensionamento de descontinuidades não é 100% confiável, por não detectar descontinuidade superficiais e sub-superficiais. Para obter uma maior confiabilidade nos resultados, é necessário que a inspeção seja executada com foco nas superfícies da peça (interna e externa) pela técnica pulso-eco ou Phased Array e complementada pela técnica ToFD. O que corrobora com a afirmação anterior, são as normas de projeto que estabelecem o critério de aceitação por meio da forma tradicional, o critério convencional, que

76 73 define o nível de aceitação em relação a curva de referência e comprimento máximo admitido (API 1104,1999) TÉCNICA PHASED ARRAY A técnica Phased Array utiliza um cabeçote composto por um mosaico de transdutores, que por meio de um software, são ativados de maneiras diversas, de modo a produzir um feixe sônico com as características desejadas. Os resultados obtidos com esta técnica otimiza as inspeções, aumentando a eficácia e produtividade, uma vez que é possível focalizar o feixe sônico ao longo do volume de solda sob inspeção em intervalos de 1 grau, conferindo à inspeção, além de maior exatidão e grande confiabilidade, conforme apresentado na Figura 44 (RICHTER; CAMPINHO; DUARTE, 2003). A técnica por ultra-som Phased Array é uma nova forma de gerar e receber ondas ultra-sônicas. Ao invés de utilizar um simples transdutor com um feixe sônico, o ultra-som Phased Array utiliza transdutores com múltiplos cristais pulsados em intervalos de tempo diferentes, para criar feixes sônicos com interferências construtivas e destrutivas, controlando a forma (feixe invertido, focado), os ângulos (- 85 a + 85 graus) e o movimento dos mesmos (varredura eletrônica lineares ou setorial). Desta forma, o ultra-som pela técnica Phased Array oferece vantagens técnicas significativas para inspeção de soldas, quando comparado ao ultra-som com cabeçotes convencionais, pois os ângulos e as áreas a serem inspecionadas podem ser controlados eletronicamente. A programação dos ângulos a serem utilizados, por exemplo, permite que os mesmos possam ser o mais perpendicular possível a uma descontinuidade (falta de fusão em soldas executada por processo automatizado), melhorando sua detectabilidade. A varredura linear eletrônica permite rápida cobertura das regiões de interesse em todo o volume da solda, superior ao ultra-som manual com cabeçote convencional, que se limita a um fixo de cada vez. A inspeção utilizando ângulos múltiplos de forma simultaneamente pode ser varredura eletrônica setorial ou azimutal. O foco eletrônico permite otimizar o formato e o tamanho do feixe sônico na região em que existe probabilidade de ocorrer descontinuidade, e detectá-la,

77 74 Está técnica também utiliza sistemas de ultra-som automatizado definindo zonas de discriminação para inspeção de juntas soldadas circunferenciais, reduzindo significativamente o número de cabeçotes em relação aos sistemas. A utilização do ultra-som Phased Array otimiza a detectabilidade das descontinuidades, aumentando assim a confiabilidade dos ensaios, minimizando o prazo de inspeção (GRANILLO; MOLES; MOREIRA, 2006). Figura 44 - Princípio da técnica Phased Array (DUBÉ, 2004) TÉCNICA TANDEM A técnica TANDEM é mais um recurso que pode ser utilizado na inspeção por ultra-som automatizado nas juntas soldadas em chanfros com ângulos de bisel de aproximadamente dois graus. O arranjo para a técnica TANDEM utiliza dois cabeçotes angulares, um atrás do outro, sendo um emissor e outro receptor, fixos a distância da solda e também fixa entre eles. Esse método é utilizado para detecção de descontinuidades perpendiculares à superfície da tubulação do duto, em certa zona de profundidade pré-estabelecida no procedimento de inspeção. Caso exista descontinuidade, o cabeçote receptor apresenta um sinal de reflexão. Essa técnica também pode ser utilizada com cabeçotes com características Phased Array, modificando assim o conceito da utilização de dois cabeçotes e sim um arranjo no qual um conjunto de elementos trabalha como emissor e outro como receptor, conforme mostrado na Figura 45 (GINZEL, 2006).

78 75 O caminho do ultra-som tem três segmentos distintos causados pelas duas reflexões do feixe ultra-sônico. A interpretação dos dados da amplitude do sinal e do tempo de percurso é baseada no conhecimento dessa geometria. Alguns fatores, como rugosidade da superfície de reflexão, reforço da solda e defeitos não perpendiculares à superfície de inspeção, afetam a habilidade dessa técnica em detectar e dimensionar as descontinuidades. Figura 45 - Técnica TANDEM utilizada para detecção de descontinuidades perpendiculares à superfície do duto (GINZEL, 2006) TÉCNICA DE ULTRA-SOM AUTOMATIZADO (US-AUT) O ensaio pela técnica de ultra-som automatizado em juntas circunferenciais inspecionam o volume total da solda e a zona termicamente afetada, nos dois lados da junta soldada, incluído a raiz, o enchimento e o acabamento (CAMPINHO, 2006). A técnica empregada divide a solda ao meio virtualmente durante a inspeção por US-AUT, separando a análise da inspeção antes e depois da junta soldada. Adicionalmente, trabalha baseada na discriminação de zonas na qual a solda é dividida em faixas de inspeções iguais (zonas) de aproximadamente 2 a 3 mm de altura, cada uma dessas faixas sendo avaliada por um par de cabeçotes ultrasônicos, conforme mostra a Figura 46. Os cabeçotes focalizados são utilizados para evitar sinais de interferências originadas de refletores com orientação diferente do eixo da solda evitando a sobreposição excessiva de sinais das zonas adjacentes (API 1104, 1999). O número de zonas verticais depende da espessura do material, tipo de junta e o procedimento de soldagem.

79 76 A faixa de espessura do material examinado encontra-se entre 6 a 25 mm e o diâmetro da tubulação a partir de 150 mm, podendo ser aplicada a outras espessuras e diâmetros se as técnicas provarem fornecer a discriminação de zonas requeridas (API 1104, 1999). Figura 46 - Esquema das zonas da solda e descontinuidades (API 1104, 1999) Na sistemática de discriminação de zonas, os cabeçotes devem ser selecionados observando o ângulo do feixe com características para otimizar a detectabilidade das descontinuidades na face do bisel da junta. O feixe do cabeçote tem a intenção de observar a área específica ao longo da linha de fusão, na qual para a maioria das aplicações é requerido o uso de cabeçotes focalizados, para evitar sinais de interferência originados de refletores com orientação diferente do eixo da solda e a sobreposição excessiva de sinais das zonas adjacentes. No caso específico da junta da figura 46 torna-se imprescindível a utilização dos cabeçotes pulso-eco (PE), além da utilização da técnica TANDEM com par de cabeçotes sendo um emissor (E) e outro receptor (R) para inspecionar a região em que o ângulo da junta é de aproximadamente 3 graus, esse arranjo pode ser observado na Figura 47.

80 77 Figura 47 - Esquema das posições dos cabeçotes focalizado na solda (ASTM E1961, 1998) A Figura 48 mostra a representação esquemática das zonas para o ultra-som automatizado e a otimização do percurso do feixe para três ângulos de chanfros comumente encontrados em soldas circunferencial de dutos (GINZEL, 2006), nas quais os esquemas apresentados usam uma linha para representar o centro do feixe do percurso sônico. É importante visualizar que os cabeçotes são movidos em torno da solda circunferencial do duto, acoplado à um sistema motorizado que se move fixado em uma cinta metálica com uma varredura linear. Existem dois principais aspectos que devem ser assegurados para fornecer sinais de uma zona para a próxima; o tamanho do foco e do controle do ângulo. Esse processo garante que todas as soldas circunferenciais indicadas para a inspeção por ultra-som automatizado devem ser examinadas em 100 % de sua circunferência, assegurando o volume total da solda ao longo da espessura incluindo a zona termicamente afetada em uma varredura circunferencial.

81 78 Figura 48 - Representação esquemática de três tipos de chanfros (GINZEL, 1999) O equipamento de US-AUT possui um número adequado de canais para assegurar a inspeção do volume total de solda ao longo da espessura em uma varredura circunferencial. O equipamento deve fornecer uma apresentação A-Scan para qualquer canal selecionado. Os diversos canais de ensaio permitem a total cobertura do volume da solda inspecionado e avaliado de acordo com as zonas de inspeção como mostrado na Figura 49. Cada canal de inspeção deve permitir as seguintes modalidades de ajuste: pulso-eco ou transmissão, posição e comprimento da janela de registro (gate) para um mínimo de dois canais. Os limites de registro devem ser selecionáveis entre 0 e 100 % da altura do total da tela tanto para a gravação simples da amplitude e do tempo do trânsito, como para a apresentação C-Scan ou apresentações do tipo mapeamento. Duas saídas de sinais por janelas de registro estão disponíveis, podendo ser analógicas ou digitais e representativas da amplitude e do tempo de trânsito do sinal. Estes sinais são disponibilizados para gravação em um sistema computadorizado de coleta de dados (FINDLAY; ENT, 2001). Cada canal de inspeção deve permitir as seguintes modalidades de ajuste: a) pulso eco ou transmissão;

82 79 b) posição e comprimento da porta de registro (gate) para um mínimo de dois canais; c) ganho. A mesma figura mostra a apresentação da imagem da inspeção por ultra-som automatizado, na qual se pode observar a vista da zona de discriminação da solda com o posicionamento dos cabeçotes e os mostradores ToFD, C-Scan, A-Scan para cada zona (raiz, Z1, Z2, Z3, Z4), além de um cabeçotes focado na superfície interna e um outro na externa com o objetivo de detectar descontinuidades transversais ao cordão de solda, existe também a região que identifica acoplamento e o registro de sinal a ser analisado (passa-não-passa). A amplitude do registro a ser analisado deve ser definida pela norma de projeto, no caso do API 1104 (1999) é a partir de 25% de amplitude. Figura 49 - Imagem do ultra-som automatizado (CAMPINHO; et al., 2006) SISTEMA DE REGISTRO DE RESULTADOS Um circuito eletrônico ou um dispositivo de medição da distância deve ser conectado ao sistema de coletas de dados computadorizado para determinar a posição circunferencial na solda em que normalmente, um codificador ótico é usado

83 80 para tal medida de distância. Esse posicionamento deve ter exatidão de ±10 mm. Os comprimentos programados de varredura devem ser suficientes para assegurar que todos os cabeçotes percorram o perímetro máximo da tubulação (consideradas as tolerâncias de fabricação). Para os equipamentos com codificadores guiados por uma trilha ou uma faixa de referência à solda, um fator de correção deve ser incorporado para assegurar que a distância circunferencial gravada no registro corresponda à posição exata da indicação na superfície exterior da tubulação. O sistema de registro deve indicar claramente a posição das descontinuidades considerada à posição inicial da varredura, com exatidão de ± 10 mm. Deve haver registro de cada cabeçote de inspeção para as descontinuidades detectadas, bem como a confirmação da existência de acoplamento acústico por cabeçote no monitor de apresentação de resultados. A apresentação do tipo C-Scan (pulso-eco) deve ser utilizada para detecção e identificação das descontinuidades volumétricas, acrescida da técnica ToFD para facilitar a caracterização, localização e o dimensionamento. O sistema de registro da técnica ToFD deve ser capaz de apresentar pelo menos 256 tons de cinza e de registrar completamente as formas de onda do tipo não-retificada (RF) para todos os pares de cabeçotes do ensaio ToFD, conforme ilustrado na Figura 50 (RICHTER; CAMPINHO; DUARTE, 2003).. Figura 50 - Registro da apresentação B-Scan e A-Scan (RF) da técnica ToFD (RICHTER; CAMPINHO; DUARTE, 2003)

84 81 O sistema automatizado de inspeção por ultra-som tem tipicamente os seguintes componentes (ASTM 1961, 1998), conforme apresentado na Figura 51: Dispositivo para portar e dar movimento aos cabeçotes posicionados em ambos os lados da solda; Sistema eletromecânico de movimentação do escaner; Aparelho de ultra-som computadorizado; Sistema de coleta ou digitalização de dados; Microcomputador; Monitor para apresentação dos resultados da inspeção; Impressora para imprimir os resultados da inspeção; Reservatório porta acoplante; Padrão de calibração e de referência. Figura 51 - Sistema automatizado de inspeção por ultra-som de solda de dutos (RICHTER, QUADRADO, 1998)

85 Acoplamento O acoplamento deve ser obtido usando um meio apropriado para esta finalidade. Um agente de molhabilidade ambientalmente seguro pode ser requerido para melhorar o acoplamento acústico. Nenhum resíduo deve permanecer na superfície da tubulação depois que o líquido evaporar, normalmente é utilizado água como acoplante. Este meio líquido pode ser recuperado e filtrado para reuso (ASTM 1961, 1998) Cabeçotes de ultra-som Cada cabeçote deve apresentar as seguintes identificações: nome do fabricante, número de série, tipo de cabeçote, ponto da saída do feixe, ângulo do feixe incidente ou ângulo de feixe refratado para relação de velocidades (material da cunha/aço), e freqüência/ tamanho do cristal (ASME V, 2005). O conjunto de cabeçotes da unidade de inspeção deve ser específico ao projeto da tubulação a ser inspecionada, em que os cabeçotes para técnica pulsoeco normalmente utilizados são os focalizados (MOLES; DUBÉ; GINZEL, 2000). A otimização da escolha do conjunto de cabeçotes deve garantir a inspeção do volume total da junta soldada (GROSS, et al.,2001) Blocos de referência Deve ser usado para estabelecer a sensibilidade do ensaio, qualificar o sistema de inspeção de campo e monitorar o desempenho do sistema ao longo do tempo. Os blocos de referência devem ser fabricados com o material da tubulação, diâmetro e espessura a ser inspecionado (sem descontinuidades naturais), conforme mostrado na Figura 52. As descontinuidades artificiais introduzidas devem atender

86 83 os detalhes do projeto da geometria da solda (tipo de junta e chanfro), e os refletores de referência devem estar localizados em áreas específicas. Figura 52 - Bloco de referência esquemático e foto do bloco em processo de calibração da sensibilidade (RICHTER; QUADRADO, 1998) PARECERES DO USO DO ULTRA-SOM E DA RADIOGRAFIA O autor Carvalho (2006) observou em sua tese que a probabilidade de detecção média para a classe falta de penetração (77%) é maior do que para a classe falta de fusão (63%), e isto pode ser explicado pelo fato de que o defeito FP se localizar na raiz da solda e, portanto possui dupla chance de detecção, uma vez que podem ser detectado em ambos os lados do cordão da solda durante o ensaio, enquanto que o defeito de FF é detectado apenas por um dos lados. Por outro lado, grandes defeitos apresentam grandes amplitudes e são facilmente detectados, independentemente da origem ser falta de fusão ou falta de penetração. No entanto, o sinal do defeito de FP por estar perto do eco de fundo e poderá ser confundido com este, enquanto que com o sinal da classe FF, por estar

87 84 mais afastado, dificilmente ocorrerá este problema. Portanto, isto explica o fato da probabilidade de detecção, para maiores comprimentos de defeitos, ser maior para a classe FF. Dijkstra; Raad; Bouma (1998) evidenciaram em seu trabalho que na inspeção de raiz de soldas com ultra-som automatizado existe uma dificuldade em diferenciar sinal proveniente da geometria do chanfro do sinal de um defeito. Quando o ultra-som automatizado é comparado com ultra-som manual, outros trabalhos como dos autores Dijkstra; Raad; Bouma (1998), Washer (2003), Hoppenbrowers (2000) têm evidenciado as vantagens do ensaio por ultra-som automatizado sobre o ultra-som manual, como por exemplo, o aumento da velocidade de inspeção, a alta probabilidade de detecção (POD) e conseqüente aumento da confiabilidade da inspeção, documentação do registro da inspeção, interpretação dos resultados por meio de imagens, possibilidade de processamento computadorizado como redes neurais artificiais (DITCHBURN; BURKE; SCALA, 1996; GUO-HUA, 2001; BETTAYEB; BENBARTAOUI; ROUAROUA, 2000), entre muitas outras. Alguns desses sistemas, inclusive, utilizam cabeçotes operando no modo pulso-eco e cabeçotes empregando a técnica ToFD em um mesmo dispositivo, para aumentar a eficiência da inspeção (MORENO, 2002; ERHARD; EWERT, 1999; STEPHENS, 2000). Uma vez definido o componente que será inspecionado é necessário um conhecimento prévio do tipo de descontinuidade que se espera encontrar para fazer a escolha mais adequada da técnica de inspeção a ser utilizada. O autor Carvalho (2006) cita em sua tese o ensaio por ultra-som é muito mais eficiente para detectar defeito de falta de fusão na lateral do chanfro do que o ensaio por radiografia e que todos esses elementos devem ser bem avaliados antes da inspeção para que a probabilidade de detecção seja a máxima possível. Apesar das várias modificações realizadas nos procedimentos de inspeção ao longo do tempo, dos bons programas para certificação de operadores e do rigor nos testes para qualificação de inspetores, medidas precisam ser tomadas para tentar eliminar erros, além de indicar que o principal vilão da inspeção por ultra-som manual ainda seja o inspetor, apesar de ser qualificado (CARVALHO, 2006). No entanto, apesar das vantagens do ensaio ultra-sônico automatizado sobre o ultra-som manual, como pôde ser comprovado por meio de vários artigos citados e também por meio deste trabalho, muitos autores têm constatado que na maioria das vezes o uso de ensaio automatizado não é economicamente viável. Por exemplo,

88 85 para pequenos comprimentos de soldas inspecionados, o que represente 70% dos casos práticos, a inspeção manual se torna muito mais econômica do que automatizada. Pode ser levado em consideração ainda que mesmo sistemas automatizados requeiram ajustes de operadores e interpretação humana. Portanto, simplesmente substituir a inspeção manual talvez não seja a solução, e sim dispor de meios que melhorem o desempenho do inspetor, aumentando a confiabilidade na inspeção manual (ALEXIEV; MIHOVSKI, 2000). O trabalho de Verkooijem (1998) mostra que a probabilidade de detecção para defeitos do tipo falta de fusão, falta de penetração, inclusão e porosidade, têm alcançado 52,3% para o ensaio de ultra-som manual, 83,6% para o pulso-eco automatizado e 82,4% para a técnica do tempo de percurso da onda difratada (ToFD Time of Flight Difraction). O ensaio ultra-sônico por pulso-eco e por ToFD automatizado possui uma alta detecção de defeitos (100%) tanto para a classe de defeito de falta de penetração quanto para a classe de falta de fusão. Enquanto o ensaio por ultra-som manual alcançou 77% para a classe de falta de penetração e 63% para a classe de falta de fusão. Reforçando o conceito descrito anteriormente, a norma Canadian Standards Association CSA Z662, 2003 descreve o seguinte: Na seleção da técnica de ensaio não-destrutivo, a empresa deve considerar a natureza das descontinuidades que podem resultar do processo de soldagem usado, a capacidade da técnica de inspeção para detectar cada descontinuidade e a exatidão da indicação, interpretação e a possibilidade de avaliação com cada técnica de inspeção de END. A empresa deve permitir que soldas sejam rejeitadas apesar das descontinuidades estarem dentro do critério de aceitação, ou quando essa descontinuidade, na opinião da empresa, bem com a profundidade, localização, a altura, ou a orientação da descontinuidade podem comprometer significativamente a integridade estrutural da junta soldada. O trabalho de Ginzel; Bôer; Hoff (1997), afirma que: Está comprovado que o ensaio por ultra-som pode detectar todas as descontinuidades localizadas pelo ensaio radiográfico. Uma notável exceção na lista de descontinuidades considerada detectável pelo ultra-som tem sido a porosidade.

89 86 Na inspeção ultra-sônica, além da sua eficiência relacionada à inspeção de soldas, pode detectar descontinuidades inerentes ao processo MAG, como por exemplo, falta de fusão, que é muito difícil de se detectar por meio de inspeção radiográfica devido a sua orientação e morfologia (RICHTER, QUADRADO, 1998). A Figura 53 é um gráfico de comparação dos resultados de detecção de cinco diferentes soldas de um vaso de pressão, utilizando inspeção com ultra-som manual, radiografia convencional e ultra-som automatizado. A probabilidade de detecção (% POD) encontrada foi inferior na técnica de ultra-som manual, média para técnica de radiografia convencional e superior na técnica de ultra-som automatizado (GINZEL, 2006). Figura 53 - Comparação da probabilidade de detecção dos ensaios de ultra-som manual, radiografia e ultra-som automatizado (GINZEL, 2006)

90 87 3. PROPOSIÇÃO No Brasil e no exterior a construção e montagem de gasodutos e oleodutos para indústria de petróleo e gás utilizam materiais que seguem a norma API (American Petroleum Institute) e o processo de soldagem circunferencial de campo utilizado freqüentemente é SMAW (Shielded Metal Arc Weld). As inspeções destas juntas devem ser executadas atendendo os requisitos da norma API 1104 (Welding of Pipelines and Related Facilities), conforme critério de aceitação conservativo na qual a avaliação da descontinuidade é baseada na amplitude, em seu comprimento e sua morfologia. Este trabalho tem como objetivo elaborar um estudo qualitativo e quantitativo para mostrar a detectabilidade e eficiência dos processos de ensaio de ultra-som automatizado (US-AUT) e a radiografia convencional aplicado na inspeção de soldas circunferenciais de dutos. O processo de soldagem utilizado na montagem do duto que está sendo usado como amostra para esta dissertação é o comercialmente denominado Surface Test Transfer - STT, que se apresenta como alternativa à substituição dos processos convencionais de soldagem manual do eletrodo revestido. Com isso, este estudo do processo de inspeção por ultra-som automatizado proporcionará a comunidade técnica e científica o conhecimento tecnológico para atuar na melhoria da qualidade do processo de soldagem, reduzindo assim os índices de reparos e retrabalhos.

91 88 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. PLANEJAMENTO DA INSPEÇÃO NA CONSTRUÇÃO E MONTAGEM Na construção e montagem de gasoduto ou de oleoduto existe a etapa de inspeção por ensaio não destrutivo que engloba o ensaio visual, radiográfico e por ultra-som. A Figura 54 - Etapa de construção e montagem de duto, ilustra uma vista panorâmica da construção e montagem de um duto a qual mostra a fase de montagem, etapa que os tubos encontram-se soldados em tramo, preparado para ser lançado na vala e soldado com outro tramo. Figura 54 - Etapa de construção e montagem de duto Para entendimento da execução do planejamento experimental, foi elaborado um fluxograma definindo as principais etapas realizadas nesse trabalho, conforme mostrado na Figura 55.

92 Figura 55 - Fluxograma das etapas do trabalho 89

93 MATERIAIS No desenvolvimento do presente trabalho, foram utilizadas 44 juntas soldadas circunferenciais da obra de construção e montagem de gasoduto da Malha Sudeste da Petrobras, no qual foram usados tubos na espessura de 0,625 (15,9 mm) conforme a especificação API 5L na edição de 2004 no grau X70 com psi de limite de escoamento, acrescido do requisito suplementar PSL 2. O processo de soldagem utilizado na construção e montagem do duto foi o comercialmente denominado STT, pela empresa LINCOLN ELETRIC COMPANY. A Figura 56 mostra o tipo e as dimensões da junta utilizada na fabricação da solda circunferencial. Figura 56 - Tipo e dimensões da junta

94 EQUIPAMENTOS Radiografia com fonte de raios gama A execução das radiografias na fase de montagem do duto foi realizada com um aparelho de raios gama (Crawler), ilustrado na Figura 57, conforme descrito pelas características a seguir: Marca: Gammamat Modelo: Crawler (M10) Tipo de Fonte: Isótopo (Irídio 192 ) Tamanho da Fonte: 2,75 x 2,75 mm (dimensão efetiva 3,89 mm) Filme: Classe 2 Agfa Roll Pack D7 Figura 57 - Ensaio Radiográfico exposição panorâmica Crawler Radiografia com fonte de raios X A execução das radiografias na fase experimental executada em laboratório da junta 11 foi realizada com o aparelho de raios X, descrito suas características a seguir: Marca: YXLON International X-Ray GmbH

95 92 Modelo: MG 325 Potencial constante Ampola: Y. TU 320-D03 Foco: 5.5 mm Tipo de Fonte: raios X Tensão nominal da ampola: 320 kv Tamanho da Fonte: diâmetro de 3 mm Filme: Classe 1 Kodak M Ultra-som automatizado A execução da inspeção foi realizada com o Rotoscan da empresa RTD Group, um sistema de inspeção por ultra-som automatizado para inspecionar juntas soldadas, utilizando a técnica pulso eco, acrescentado de uma imagem de mapeamento (C-Scan) e a técnica do tempo de percurso da onda difratada (ToFD). O equipamento Rotoscan possui 32 canais que podem ser utilizados simultaneamente para assegurar a inspeção do volume total de solda ao longo da espessura em uma varredura circunferencial. O equipamento fornece uma apresentação A-Scan para qualquer canal selecionado. Os diversos canais do equipamento permitem a total cobertura do volume da solda inspecionado e avaliado de acordo com as zonas de inspeção definidas no procedimento identificado como UT da empresa RTD, conforme mostrado na Figura 58. Figura 58 - Zonas de discriminação

96 PESSOAL QUALIFICADO Os inspetores utilizados na inspeção dos ensaios não-destrutivos, nas modalidades de ensaio visual de solda, de ultra-som e radiografia, são certificados por organismo de certificação independente que atendem os requisitos da norma ISO (2003) e que operam em conformidade com as normas ISO 9712 (2005) no território nacional o SNQC-END (Sistema Nacional de Qualificação Certificação de Pessoal em END) para atender a esses requisitos. No caso do ensaio por ultra-som automatizado, além da certificação pelo organismo de certificação, foi necessário que a empresa prestadora do serviço de inspeção emitisse um certificado de treinamento do profissional no equipamento específico a ser utilizado, com aprovação do nível 3 da empresa, disponibilizando também as evidências do treinamento, avaliação e o período de experiência na atividade de inspeção sob a supervisão do nível 3, como também certificado pelo SNQC - END PROCEDIMENTOS DE ENSAIO NÃO-DESTRUTIVO As inspeções de ensaio visual, radiográfico e ultra-som automatizado foram realizados com procedimento elaborado e qualificado por profissional certificado nível 3 na modalidade da atividade a ser inspecionada. No caso do procedimento de ultra-som automatizado o API (1999), inclui requisito de validação do procedimento, estabelecendo o número de corpos-de-prova, descontinuidades que devem ser introduzidas e os ensaios não-destrutivos a serem realizados para comparação dos resultados.

97 Procedimento de ensaio visual O procedimento utilizado no ensaio visual foi elaborado pela empresa Brasitest, para inspecionar a junta a ser soldada e após a soldagem, atendendo os requisitos da norma API 1104 (1999) Procedimento de ensaio radiográfico O procedimento utilizado pela empresa Brasitest, foi elaborado segundo os requisitos da norma API 1104 (1999), para a inspeção por radiografia com equipamento radiográfico do tipo Crawler, utilizando fonte de Irídio 192 (raios gama) incorporado a um carrinho, para se movimentar no interior do duto de grande comprimento com o objetivo de obter radiografias panorâmicas das juntas soldadas circunferenciais do duto. Para execução da radiografia, foi aplicada a técnica de exposição panorâmica, PSVS (parede simples vista simples), com um único filme em tira,o qual envolve o perímetro externo do duto. O equipamento foi colocado internamente ao duto, estando a fonte de irradiação posicionada no centro da circunferência, eqüidistante da parede do duto, do filme e posicionado na direção da junta a ser inspecionada, conforme ilustrado na Figura 59. Com este posicionamento, com uma única exposição da fonte, o filme disposto a 360º é igualmente irradiado. O equipamento Crawler percorre toda sua extensão, parando nos pontos em que a fonte deve ser exposta para a execução da radiografia, sendo que o controle remoto do equipamento é feito pelo lado externo do duto.

98 95 Figura 59 - Técnica de exposição de parede simples vista simples, com a fonte no centro do tubo (ANDREUCCI, 2006) A Figura 60 mostra a técnica de exposição de parede simples vista simples (PS VS), com a fonte deslocada do centro do tubo, situação que foi aplicada em laboratório na inspeção radiográfica com o equipamento de raios X na junta 11 extraídas do duto, em que neste caso foram realizadas várias exposições até completar a inspeção no perímetro total do tubo. Figura 60 - Técnica de exposição de parede simples vista simples, com a fonte deslocada do centro do tubo (ANDREUCCI, 2006) Procedimento de ensaio por ultra-som Foi elaborado o procedimento (RDT, 2005) de ultra-som automatizado para inspeção de soldas em juntas circunferenciais de dutos pelo inspetor nível 3 da empresa RTD, atendendo os requisitos do API 1104 (1999) e da norma ASTM E 1961 (1998). Para a validação do procedimento, as seguintes etapas foram executadas e acompanhadas pela Petrobras, após essas etapas os resultados foram consolidados e documentados pelo inspetor nível 3:

99 96 - Dois corpos-de-prova foram fabricados contendo defeitos e imperfeições aceitáveis preparados a partir de tubos do mesmo material utilizado na construção no qual foi aplicado procedimento de soldagem aceitáveis e soldadores qualificados, Figura 61; - Os ensaios radiográficos nas juntas preparadas, foram realizados por inspetor de ensaio radiográfico níveis 1 e 2 e os resultados documentados; - As diferenças nos resultados de detecção foram documentadas (diferenças entre detectabilidade, resolução entre radiografia e ultra-som). A qualificação do procedimento de US-AUT na inspeção das soldas foi baseada na capacidade de detecção, na localização circunferencial, comprimento, determinação da profundidade em relação à superfície, localização axial, imperfeições/defeitos nos corpos-de-prova. Adicionalmente, o procedimento inclui o critério de aceitação da solda de acordo com norma API 1104 (1999). Figura 61 - Corpo-de-prova para validação do procedimento de US-AUT

100 INSPEÇÕES POR ENSAIO VISUAL A inspeção visual iniciou-se pela etapa de preparação dos chanfros sendo inspecionados após serem preparados conforme os requisitos estabelecidos na especificação de soldagem, quanto à verificação dimensional do chanfro e visualização de possíveis descontinuidades na região a ser soldada. Após a conclusão da soldagem, existiu outra interferência do inspetor para a inspeção visual da solda acabada, para assegurar a conformidade com o procedimento de soldagem e o critério de aceitação estabelecido no API 1104 (1999). A inspeção também foi realizada, na região adjacente da junta soldada, com o objetivo de que o tubo fique livre de incrustações, sujeiras, respingos de solda sem o revestimento de proteção do duto em pelo menos 100 mm de cada lado da solda. Na etapa de inspeção da junta a ser soldada, foi traçada uma linha de referência, marcada paralelamente a borda do tubo a uma distância de 50 mm da face do bisel no lado em que deve ser instalada a cinta guia do ultra-som automatizado, para referência do posicionamento da cinta, conforme mostrado na Figura 62. Figura 62 - Esquema da traçagem da linha referência (SCI ARCTEST, 2006) O ponto de origem da inspeção foi marcado sobre a geratriz superior do tubo como ponto (0 US a ), e adotado o sentido horário para a inspeção, devendo ser mantida a direção do fluxo do gasoduto. Todas as soldas foram inspecionadas visualmente após a soldagem e avaliadas quanto ao estado da superfície considerando o critério de aceitação para verificação dimensional e visual, conforme mostrado no Apêndice B.

101 INSPEÇÕES POR ENSAIO RADIOGRÁFICO A inspeção foi realizada com equipamento de ensaio radiográfico Crawler, atendo os requisitos estabelecidos no procedimento da empresa Brasitest, emitindo parecer com base no critério de aceitação do API 1104 (1999) nos relatórios de registros de resultados (modelo anexo ao procedimento) pelo inspetor de radiografia nível 2. Todos os pareceres foram reavaliados por três inspetores e os resultados foram consolidados. Os principais itens de avaliação que foram verificados na etapa de consolidação dos relatórios de registro de resultados encontram-se abaixo: Verificação da densidade A densidade na região de interesse deve estar compreendida na faixa de 2,0 a 3,5H-D, conforme estabelecido na norma Petrobras N-1595 (2004). Verificação dos Indicadores de qualidade de imagem (IQI) Foram empregados para exposição panorâmica a quantidade de 4 IQIs de arame, segundo a norma ASTM E-747 (2004), igualmente espaçados a 90º. A sensibilidade radiográfica foi verificada pelo uso correto do IQI, os quais devem apresentar no filme radiográfico uma imagem perfeitamente definida, incluído seus números, letra de identificação e o arame essencial bem visível. A imagem do arame essencial deve aparecer claramente sobre a solda e a zona termicamente afetada. Considerando o diâmetro do tubo de Ø 28 e espessura 0,625 (15,9 mm), para técnica PSVS e exposição panorâmica o diâmetro do arame essencial (IQI) SET B 0,016 (ASTM E-747, 2004), sendo o equivalente 6 ISO (BS EN 462-1, 1994). Os pareceres de aceitação e rejeição foram avaliados segundo o critério de aceitação do API 1104 (1999) e consolidados conforme mostra o Apêndice A.

102 INSPEÇÕES POR ENSAIO POR ULTRA-SOM AUTOMATIZADO A inspeção foi realizada com equipamento Rotoscan, atendendo os requisitos estabelecidos no procedimento (RDT, 2005) da empresa RDT, relatando os itens importantes que afetam diretamente os resultados, requisitos que fazem parte do procedimento da empresa de inspeção e as normas API 1104 (1999) e ASTM E 1961 (1998), conforme mostrado no Apêndice C. O parecer foi emitido com base no critério de aceitação do API 1104 (1999), nos relatórios de registros de resultados (modelo anexo ao procedimento), pelo inspetor de ultra-som nível 2, habilitado a operar e dar parecer utilizando o equipamento de ultra-som automatizado Tipos de Cabeçotes e refletores por zona de inspeção O procedimento de inspeção define os cabeçotes e os refletores (entalhe e furo de fundo plano - FBH) que foram utilizados para calibração do sistema. Esses dois parâmetros são considerados variáveis essenciais, confirmando a necessidade da verificação no momento da inspeção. A Tabela 3 mostra os cabeçotes e refletores por zona de discriminação utilizados na inspeção das juntas soldadas usadas para pesquisa desse trabalho Bloco de referência O bloco de referência foi fabricado com o mesmo material do tubo utilizado na construção e montagem do gasoduto, conforme mostrado na Figura 63. Em cada bloco é registrado de forma indelével a identificação do material, fabricante, número do tubo, diâmetro e espessura. O bloco de referência foi calibrado dimensionalmente, incluindo os furos e entalhes, com emissão de certificado por organismo acreditado e validado pelo profissional nível 3 de ensaio não-destrutivo.

103 100 Os refletores para as zonas de fusão têm furos de Ø 3 mm de fundo plano e entalhes para a zona próxima da superfície interna e externa do tubo, conforme mostrado no Apêndice D. ZONA Tabela 3 - Cabeçotes e refletores por zona de discriminação. REFLETOR (mm) CABEÇOTE (MHz) ANG. TÉCNICA REFLETOR CALIBRAÇÃO (mm) ZONA 1 Furo Ø 3 FBH 4 60º Pulso Eco Entalhe 15-1, º Pulso Eco Entalhe º ToFD 15-1,58 2 ZONA 2 Ø 3 FBH 4 60º Pulso Eco Ø 3 FBH ZONA 3 Ø 3 FBH 4 60º Pulso Eco Ø 3 FBH ZONA 4 Ø 3 FBH 4 60º Pulso Eco Ø 3 FBH ZONA 5 Furo Ø 3 FBH 4 60º Pulso Eco Entalhe 15-1, º Pulso Eco Entalhe º ToFD 15-1,58 2 Entalhe transversal: Cobertura x65º Pulso Eco Raiz x65º Pulso Eco Figura 63 - Bloco de Referência

104 Disposição dos cabeçotes no escaner A localização e os tipos de cabeçotes utilizados no ensaio foram verificados em relação ao estabelecido no procedimento antes da execução da inspeção. A Figura 64 mostra de forma esquemática o arranjo dos cabeçotes em relação a linha de centro da junta soldada. Figura 64 - Arranjo dos cabeçotes em relação a linha de centro da solda A Figura 65 mostra a distância do cabeçote em relação a linha de centro da solda, além de que cada cabeçote tem como objetivo inspecionar uma determinada zona da solda, exceto os cabeçotes da técnica ToFD que inspecionam o volume total da solda.

105 102 Figura 65 - Posicionamento dos cabeçotes por zona de discriminação Sensibilidade de calibração Para a regulagem da sensibilidade de calibração de cada cabeçote foi posicionado de frente para o respectivo refletor definido para aquele cabeçote específico. Deslocando o mesmo até que se encontrou a máxima resposta, ajustando a amplitude (ganho) para obter um sinal de 80% da altura da tela A-Scan, fixando cada cabeçote na posição correta do arco do escaner, na amplitude de 80% da tela. Os cabeçotes que inspecionam o volume interno da solda, foram calibrados nos furos de fundo plano (Ø 3mm), enquanto os cabeçotes que estão direcionados para a raiz e reforço da solda foram calibrados nos entalhes internos e externos (APÊNDICE D).

106 103 Para os cabeçotes que utilizam a técnica pulso-eco foram estabelecidos níveis de registro de avaliação de 25% da amplitude da tela a A-Scan. No caso da representação C-Scan o sistema aquisitou os sinais com uma amplitude, que foi acrescida de 4 a 6 db acima da amplitude correspondente a 80% da altura da tela calibrada nos furos de fundo plano e entalhes para cada cabeçote. Este procedimento foi adotado para estabelecer amplitudes maiores para a detecção de descontinuidades consideradas volumétricas (poro e porosidades), sendo avaliadas na representação C-Scan. A sensibilidade do conjunto de cabeçotes utilizados pela técnica ToFD foi ajustada maximizando o sinal no furo localizado a 1 3 da espessura do bloco de referência, com um campo de visualização da técnica ToFD ajustado para incluir o eco da onda lateral com amplitude a 40% da tela do A-Scan não retificada (RF) e o eco da reflexão do eco de fundo Regulagem dos parâmetros de inspeção O equipamento de ultra-som automatizado Rotoscan possui 32 canais de inspeção e cada canal permite as seguintes modalidades de ajuste: pulso-eco ou transmissão, posição e comprimento da porta de registro (gate) para um mínimo de dois canais. Os limites de registro são selecionáveis entre 0 e 100 % da altura total da tela tanto para a gravação simples da amplitude e do tempo de percurso, bem como para a apresentação C-Scan. Duas saídas de sinais por porta de registro estão disponíveis, representativas da amplitude e do tempo de percurso do sinal. As portas (gates) devem ser colocadas à 5 mm antes da zona de fusão e com um comprimento suficiente que cubra ao menos 1 mm além da linha central da solda, sendo que comprimento do percurso do tempo dos canais de raiz deve ser maior que a porta da amplitude para registrar a penetração na raiz, conforme ilustrado na Figura 66. Assim os registros dos sinais devem ser compreendidos entre 0% e 100% de altura do eco da tela. Estes sinais são disponibilizados para gravação em um sistema computadorizado de coleta de dados.

107 104 Figura 66 - Definição da amplitude e do tempo de percurso Sistema de inspeção por ultra-som automatizado O sistema de inspeção é composto de componentes que formam o sistema de ultra-som automatizado, conforme apresentado a seguir: - Escaner de varredura um arco que possibilita a sustentação dos cabeçotes em ambos os lados da solda de maneira que uma vez fixados de forma simétrica permitem a inspeção dos dois lados da solda em uma só volta em torno do tubo. O arco está preparado para alojar 10 pares de cabeçotes, fixados em braços, sendo que cada braço deve ser direcionado para inspecionar uma zona específica da solda. - Codificador de posição controla o movimento do escaner sobre a tubulação para identificar as distâncias percorridas pelo cabeçote e a posição dos sinais captados. - Cordão umbilical faz a união dos cabeçotes ao equipamento eletrônico por meio de uma única mangueira de 20 m, com comprimento suficiente para assegurar o movimento do conjunto do escaner, trabalhando a uma distância razoável da cabine, na qual se encontra o inspetor e os equipamentos eletrônicos. - Equipamentos eletrônicos formado do equipamento de ultra-som, a unidade de alimentação (corrente contínua e controlador do motor), computador que se

108 105 encarrega de receber e armazenar os sinais durante a inspeção, o monitor e outros elementos (bomba d água, regulador de vazão, etc.). - Programa informatizado (software) o sistema permite que sejam definidos até 32 canais do equipamento. Cada um deles pode ser programado independente de forma para que se estabeleçam distintos parâmetros, como: ganho, tempo de atraso na cunha, programação das portas gates, distância de deslocamento, etc. Para monitorar o acoplamento dos cabeçotes é utilizado canais diferentes do programa, com o objetivo de captar os sinais das zonas da solda e a transmissãorecepção entre os cabeçotes situados simetricamente em relação à linha de centro da solda. A Figura 67 mostra o sistema de inspeção automatizado composto do ultrasom, escaner com os cabeçotes, monitor, cinta e o bloco de calibração. Figura 67 - Sistema de inspeção automatizado Sistema de Registro de resultado Todos os resultados foram reavaliados utilizando o visualizador do sistema de ultra-som automatizado. Os arquivos das 44 juntas foram disponibilizados, além dos arquivos das calibrações realizadas a cada 10 juntas inspecionadas, onde essa

109 106 informação é fundamental para verificação dos sinais dos refletores em relação as descontinuidades detectadas. A Figura 68 ilustra a imagem do visualizador no monitor do computador, que apresenta os recursos para a avaliação da junta inspecionada, que atende os requisitos da norma ASTM E (1998), tais como: - Amplitude; - Imagem C-scan; - Setor de indicação do passa-não-passa; - Verificação do acoplamento; - Imagem ToFD; - Tela com sinal A-Scan; - Informação da posição circunferencial; - Informação específica sobre o projeto; - Tempo e data da inspeção; - Marcação da indicação; - Marcação da geometria; - Cabeçotes. Figura 68 - Mostrador da inspeção realizada pela empresa RTD (CAMPINHO, 2006)

110 PROCESSOS DE CONSOLIDAÇÃO DOS PARECERES Todos os resultados do ensaio radiográfico e do ensaio por ultra-som automatizado foram analisados em relação as dimensões, tipo de descontinuidade e consolidados em quadro conforme apresentado no Apêndice A CARACTERIZAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES ENCONTRADAS Com o objetivo de verificação das características, dimensões de comprimento e altura das descontinuidades da junta 11, foram utilizadas os recursos do ensaio radiográfico com raios X e do ensaio destrutivo (tração) Amostra para ensaio de tração e macrografia Após a execução do ensaio radiográfico por raios X, a solda circunferencial (Figura 69) foi cortada em vários segmentos para preparação de corpos-de-prova de tração e macrografia, para caracterização das descontinuidades. Figura 69 - Junta soldada do duto em construção

111 108 A Figura 70 mostra, simultaneamente, a imagem radiográfica obtida com filmes ASTM classe 1 utilizando o equipamento de raios X de 320 kv da região escolhida e a imagem do ultra-som automatizado para a escolha do seccionamento. Figura 70 - Negatoscópio, ultra-som automatizado e os corpos-de-prova Escolhida a região da solda, foram retiradas e preparadas as amostras, de forma a induzir o rompimento no local das descontinuidades na máquina de tração, conforme ilustrado na Figura 71. Este procedimento foi efetuado para facilitar o estudo da fratura da amostra e a comparação detectada na radiografia e no ultrasom. Figura 71 - Amostra para o ensaio de tração

112 Ensaio de tração O ensaio de tração foi realizado com o objetivo de evidenciar as descontinuidades detectadas pelos ensaios de ultra-som e radiográfico. Os corposde-prova foram preparados com redução da seção resistente, direcionando e preservando a morfologia da descontinuidade durante o ensaio de tração, conforme mostrado na Figura 72. Figura 72 - Ensaio de tração do corpo-de-prova com descontinuidade

113 RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capítulo são apresentados os resultados da inspeção por ultra-som automatizado (US-AUT) e o ensaio radiográfico (ER) para análise que envolve um total de 44 juntas soldadas e 73 descontinuidades, conforme dados reais apresentados no Apêndice A. A análise destes resultados tem como base a norma API 1104 (1999), que define os procedimentos usados nos dois processos de inspeção. Além dos requisitos do critério de aceitação que estabelecem que uma descontinuidade é detectada na solda, deve ser considerada defeito, acarretando a retirada sua retirada por meio de reparo. Caso o inspetor identifique uma descontinuidade como trinca (defeito), a junta deve ser reparada independente da sua dimensão e revisto o processo de montagem/soldagem pesquisando as causas que acarretaram o desvio, tomando ações corretivas para que não exista reincidência. Após esta etapa, o processo de soldagem é iniciado com novas condições de construção e montagem do duto RESULTADOS DA INSPEÇÃO POR JUNTA SOLDADA A análise por junta soldada tem grande importância no processo de inspeção e, existe um índice de reparo que monitora o controle do processo de soldagem e do soldador. Este índice demonstra a qualidade das soldas inspecionadas como também impacta diretamente nos custos da obra, além de ter impacto contratual de prazo e financeiro, principalmente, no caso de contratos que tem cláusula de bônus caso o índice de reparo esteja abaixo de 3% como valor estabelecido. É importante ressaltar que no início da soldagem das 50 primeiras juntas circunferenciais de um duto ou quando houver mudança no procedimento de soldagem, devem ser inspecionadas por radiografia e ultra-som automatizado para avaliação do processo de soldagem (Petrobras N-464, 2004). A Figura 73 mostra um resumo da inspeção por ultra-som automatizado e do ensaio radiográfico nas 44 juntas inspecionadas, com objetivo de exemplificar o índice de aprovação e rejeição por junta soldada.

114 111 Figura 73 - Inspeção por ultra-som automatizado e radiografia por junta soldada Nos resultados obtidos da inspeção por junta soldada nas técnicas com ultrasom automatizado e radiografia, observa-se uma concordância de 79% (56% aceitáveis e 23% rejeitados) e também detecção de 14% com parecer não satisfatório por ultra-som automatizado e 7% com parecer não satisfatório por ensaio radiográfico. As diferenças entre os dois processos de inspeção foram avaliadas com base nos requisitos estabelecidos na norma Petrobras N-464 (2004) para que seja considerado o processo sob controle, e com isso, possa ser definida técnica de inspeção utilizada no duto. É importante citar que esse trabalho foi executado em descontinuidades naturais de soldas circunferenciais de um gasoduto em processo de construção, sendo que em os estudos relacionados a este tema, normalmente são realizados em corpos-de-prova fabricados, inserindo descontinuidades artificiais, reduzindo assim a situação real encontrada em campo. Com objetivo de reduzir a subjetividade do fator humano, a análise dos resultados do ensaio por ultra-som automatizado e o ensaio radiográfico, foram validados e discutidos por profissionais certificados e com grande experiência nas técnicas envolvidas. Todos os pareceres foram revistos por três inspetores e os resultados foram consolidados de forma que houvesse um consenso entre eles, para que o parecer final tenha um resultado com maior confiabilidade.

115 112 Vários trabalhos (STEPHENS, 2000; DYMKIN; KONSHINA, 2000; FUCSOK, 1998), incluindo a tese de doutorado de Carvalho (2006), mostram que o fator humano continua sendo uma das causas da não detecção de algumas descontinuidades, mesmo quando realizadas por inspetores experientes, bem treinados e certificados. Os trabalhos defendem que a solução para remover a influência do fator humano, e assim melhorar a capacidade de detecção e a confiabilidade no ensaio, é por meio da automação da inspeção. Para o ensaio ultrasônico, por exemplo, a probabilidade de detecção de um sistema automatizado é muito maior do que o ultra-som manual (CARVALHO, 2006). De acordo com Moré (2004), estão descritos 59 atributos que podem influenciar no desempenho do inspetor de ultra-som, podendo variar desde características ambientais como iluminação e temperatura, até fatores psicológicos como o estado emocional do inspetor INSPEÇÃO POR DESCONTINUIDADES DETECTADAS Os dados obtidos dos relatórios dos ensaios de ultra-som automatizado e o ensaio radiográfico foram organizados por descontinuidades que obtiveram pareceres aceitáveis (A), rejeitados (R) e não detectados (N), para facilitar a análise dos dados. Os resultados dos pareceres foram apresentados por meio de tabelas de forma quantitativa das descontinuidades detectadas. As tabelas foram analisadas de forma horizontal tendo como referência o ultra-som e por último a análise vertical tendo como referência o ensaio radiográfico. A Tabela 4 mostra as quantidades totais dos resultados das inspeções de ultrasom automatizado e do ensaio radiográfico convencional nas juntas circunferenciais soldadas em tubulações de um gasoduto. Os resultados refletem a aplicação do critério de aceitação da norma API 1104 (1999) para ensaios não-destrutivos pelos métodos de ultra-som automatizado e o ensaio radiográfico.

116 113 Tabela 4 - Resultado da inspeção US - AUT & ER US - AUT X ER (Totais) US ER A R N TOTAL A R N TOTAL Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado A Tabela 5 apresenta as inspeções realizadas pelo ensaio de ultra-som automatizado e radiografia convencional contendo 65,7% (49,3+16,4+0) de concordância com uma população total de 73 descontinuidades detectadas, demonstrando uma razoável concordância entre os métodos. Tabela 5 - Análises Totais - US-AUT x ER US -AUT X ER (Análises Totais) ER (%) A R N TOTAL A 49,3 2,7 4,1 56,2 US R 12,3 16,4 4,1 32,9 (%) N 2,7 8,2 0,0 11,0 TOTAL 64,4 27,4 8,2 100 Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado A Tabela 6 mostra a análise horizontal de uma amostragem com 100% de descontinuidades aceitáveis na inspeção por ultra-som automatizado, em que se verifica que 87,8% também foram aceitáveis pelo ensaio radiográfico.

117 114 Tabela 6 - Análise Horizontal - US-AUT x ER US -AUT X ER ER (%) (Análises Horizontais) A R N US (%) TOTAL A 87,8 4,9 7,3 100 R 37,5 50,0 12,5 100 N 25,0 75,0 0,0 100 TOTAL 64,4 27,4 8,2 100 Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado A Tabela 7 mostra a análise vertical de uma amostragem com 100% de descontinuidades aprovadas na inspeção por radiografia em que se verifica que 76,6% também foram aceitáveis pelo ensaio de ultra-som automatizado. Tabela 7 - Análise Vertical - US-AUT x ER US X ER ER (%) (Análise TOTAL Vertical) A R N A 76,6 10,0 50,0 56,2 US R 19,1 60,0 50,0 32,9 (%) N 4,3 30,,0 0,0 11,0 TOTAL Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado Na Tabela 6 e na Tabela 7, pode-se verificar uma equivalência de 87,8% das descontinuidades aprovadas pelo ultra-som automatizado, sendo que 76,6% das descontinuidades também foram aprovadas pelo ensaio radiográfico. Os dados das Tabelas 4, 5, 6 e 7 foram consolidados de forma gráfica, conforme histograma apresentado na Figura 74, na qual pode ser observado o comportamento dos ensaios por US - AUT e ER na detecção e na avaliação das descontinuidades, apresentando um cruzamento de dados, pelo qual pode-se observar que 36 juntas foram consideradas aceitáveis por ambas técnicas (AA) e 12 juntas rejeitadas (RR).

118 115 Figura 74 - Tendência de aceitação, rejeição e descontinuidades não encontradas das juntas 5.3. RESULTADOS DA INSPEÇÃO REFERENTE A DIMENSÃO DA DESCONTINUIDADES As descontinuidades detectadas foram dimensionadas pelos dois ensaios para atender os requisitos estabelecidos na norma API (1999). Com base nos resultados da inspeção, foram elaborados gráficos com o objetivo de analisar a detectabilidade de cada ensaio, considerando as dimensões encontradas. No caso dos histogramas, os grupos foram divididos usando como referência as dimensões do critério de aceitação. A Figura 75 e a Figura 76 mostram predominância de detecção de descontinuidades até o intervalo de (9; 25] da variação dos comprimentos das descontinuidades do ensaio radiográfico de 62,5% (16,1 + 46,4) e do ensaio do ultra-som automatizado de 45,1% ( 2,0 + 43,1).

119 116 Figura 75 - Descontinuidades detectadas pelo ensaio radiográfico Figura 76 - Descontinuidades detectadas pelo ensaio de ultra-som automatizado A Figura 77 apresenta o histograma que demonstra o número e o comprimento das descontinuidades para os ensaios por ultra-som automatizado e radiográfico, em que pode-se observar que para as descontinuidades nos intervalos de até 25 mm de comprimento, o ensaio radiográfico apresenta um maior número de descontinuidades que o ensaio por ultra-som automatizado. Para descontinuidades com comprimento superiores a 25 mm, em somatório, o ultra-som apresenta um número maior de descontinuidades. Isso, provavelmente, porque a radiografia

120 117 detecta individualmente descontinuidades próximas e o ultra-som automatizado considera como uma única descontinuidade. Em alguns casos, existem ligações entre as descontinuidades individuais que a radiografia não registra e o ultra-som evidencia a ligação como uma única descontinuidade. Morgan (2002) mostra que na sua pesquisa de descontinuidades detectadas foi observado que US-AUT registra mais descontinuidades acima de 10 mm, enquanto o ensaio radiográfico registra maior número de descontinuidade com dimensão menor. Figura 77 - Comprimento detectadas pelos ensaios de ultra-som automatizado e radiográfico A Tabela 8 mostra a média, desvio padrão e o teste de Student para os ensaios de ultra-som automatizado e radiográfico.

121 118 Tabela 8 - Resultados do testes de Student. Teste t de Student US ER Média 30, ,9048 Desvio Padrão 22,202 18,5562 (t)= 2, (p)= 0, A diferença observada entre os dois métodos é estatisticamente significante, concluindo-se que o ensaio radiográfico localiza descontinuidades de tamanhos inferiores ao ultra-som automatizado. Para descontinuidades com dimensões superiores, os dois métodos são equivalentes. A Tabela 9 mostra o resumo estatístico para as técnicas de ultra-som automatizado e o ensaio radiográfico. Tabela 9 - Resumo da estatística descritiva do ultra-som e radiografia. ESTATÍSTICA DESCRITIVA US ER Tamanho da amostra Mínimo 8 4 Máximo Amplitude Total Mediana Média Aritmética 30,60 25,90 Desvio Padrão 22,20 18,56 Coeficiente de Variação 72,57% 71,63% A Figura 78 identifica parâmetros importantes em função da média, em que o ultra-som detecta descontinuidades superiores ao ensaio radiográfico. Em função do desvio padrão, verifica-se que o ensaio por ultra-som provoca maior variabilidade que o ensaio radiográfico. Em função da amplitude, observa-se que o ensaio radiográfico detecta valores inferiores ao ensaio por ultra-som.

122 119 Figura 78 - Variabilidade dos dados de ultra-som e radiografia A Figura 79 mostra os tipos de descontinuidades encontradas nos dois ensaios, contribuindo para a análise da maior detectabilidade. Verificando a quantidade e o tipo de descontinuidades detectadas, observa-se que as descontinuidades lineares (falta de fusão e falta de penetração) obtiveram melhor detectabilidade pelo ultra-som do que pela radiografia e que as descontinuidades volumétricas (porosidade e inclusão de escória) obtiveram melhor detectabilidade pelo ensaio radiográfico. É importante ressaltar que o ensaio por ultra-som automatizado, de forma geral, identifica a inclusão de escória, falta de fusão e falta de penetração como defeitos planares, porque o critério de aceitação da norma API 1104 (1999) diferencia somente três categorias: trincas, descontinuidades planares e volumétricas. No caso do ensaio radiográfico existe maior facilidade na identificação do tipo de descontinuidades, devido as características da técnica radiográfica, que identifica com maior facilidade as imperfeições volumétricas do que as descontinuidades planares. Quando utilizado o ensaio radiográfico na inspeção do duto como critério de aceitação, atendendo os requisitos do API 1104 (1999), diferencia a identificação do tipo de descontinuidade, no caso específico da falta de fusão ou penetração e inclusão de escória, localizadas no volume da solda, deve ser diferenciada no tipo de descontinuidades. Essa diferenciação permite considerar descontinuidade aceitável identificada como inclusão de escória até 50 mm e quando identificada como falta de fusão com dimensão máxima até 25 mm.

123 120 Figura 79 - Quantidade e tipo de descontinuidades detectadas por ultra-som automatizado e radiografia Na Figura 80 observa-se uma correlação de 0,75, considerada boa (OLIVEIRA, 1995), entre o ensaio por ultra-som automatizado e o ensaio radiográfico demonstrando a equivalência entre os dois métodos. Figura 80 - Correlação do ensaio radiográfico e ultra-som automatizado.

124 ANÁLISE DAS DESCONTINUIDADES COM PARECERES DIVERGENTES Existem pareceres divergentes emitidos sobre os resultados apresentados nas inspeções pelo US-AUT e ER. A Tabela 10 mostra detalhadamente esses conflitos de pareceres. Uma análise detalhada é feita com o objetivo de correlacionar as causas com os aspectos práticos das inspeções e as limitações de cada técnica. Existem 25 descontinuidades que tiveram resultados divergentes, mostrando que em alguns casos o ultra-som automatizado e o ensaio radiográfico reprovam ou não detectam, necessitando a análise dos motivos das divergências na detecção das descontinuidades. O estudo prático do projeto do Health & Safety Executive (HSE) preparado por Babcock (2005) mostra também que quando o ensaio de ultra-som pela técnica pulso-eco é empregado, algumas descontinuidades, tais como: inclusão de escória e porosidade são de difícil detecção e, portanto podem não ser relatadas. O trabalho de Babcock (2005) cita que a técnica de inspeção por ultra-som é capaz de detectar todas as descontinuidades consideradas críticas, como: trincas e falta de fusão, existentes na amostra da pesquisa. Enquanto que ensaio radiográfico em várias ocasiões não relata essas descontinuidades. Babcock (2005) também afirma que a confiabilidade da inspeção pode ser aumentada com a aplicação do ultra-som automatizado. A Tabela 11 e a Tabela 12 confirmam os comentários de Babcock (2005) quando mostram que existem 6 descontinuidades do tipo falta de fusão (FF) que não foram detectas pelo ensaio radiográfico, entretanto, existem 6 poros que não foram detectados pelo ultra-som automatizado.

125 122 Tabela 10 - Comparação dos pareceres divergentes ULTRA-SOM AUTOMATIZADO ENSAIO RADIOGRÁFICO N Junta N Desc. Tipo Posição Compr. (mm) Parecer Tipo Posição Compr. (mm) Parecer 03 1 FF A N N PO R 03 3 FF R N FF 0 66 R N N FF/IE R FF R - - N N FF R FF A N FP R FF/IE A FF R FF A FP 0 36 R IE 0 26 A FF R IE 0 17 A N PO R N PO R FF R FF/IE A N PO R N PO A FP R A FP R IE A FF/IE A N IE 0 14 A IE 0 20 R N PO A FF R FF A FF/IE A IE R FF R IE A Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado

126 123 Tabela 11 - Descontinuidades não detectada pela radiografia e detectadas pelo US N Comprimento US AUT N Junta Tipo - US Descontinuidade (mm) Parecer: 03 1 FF 18 A 03 3 FF 38 R FF 66 R FF 42 R FF 12 A FF/IE 10 A Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado Tabela 12 - Descontinuidades não detectada pelo ultra-som e detectada pela radiografia N N Junta Descontinuidade Tipo -ER Comprimento (mm) Parecer PO 15 R FF/IE 65 R FF 38 R PO 15 R PO 18 R PO 12 R PO 9 A PO 9 A Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado A Tabela 13 mostra sete descontinuidades do tipo falta de fusão detectada pelo ensaio radiográfico, com dimensão subestimada em comparação ao ultra-som automatizado. Tais fatos podem ser justificados pela maior facilidade do ensaio radiográfico em identificar as descontinuidades como inclusão de escória, ao contrário do US-AUT que tem maior facilidade de detectar descontinuidades planares.

127 124 A classificação do tipo de descontinuidade definida no critério de aceitação no ensaio radiográfico como inclusão de escória (IE), acarreta indicativo parecer satisfatório, pois o critério de aceitação permite que a junta soldada tenha descontinuidade até 50 mm. As faltas de penetração identificadas pelo ultra-som foram consideradas como inclusão de escória pelo ensaio radiográfico, com isso, mais uma vez o critério de aceitação do API 1104 (1999) para radiografia admite valor maior para inclusão de escória provocando desvio de pareceres (aceitação da descontinuidade pelo ER e rejeição pelo US-AUT). Tabela 13 - Descontinuidades US-AUT Rejeitada x ER Aceitável ULTRA-SOM AUTOMATIZADO. ENSAIO RADIOGRÁFICO N Junta N Desc. Tipo Comprimento Parecer Tipo Comprimento Parecer FP 46 R FF/IE 20 A FF 26 R FF 23 A FP 36 R IE 26 A FF 30 R IE 17 A FF 30 R FF/IE 40 A FP 30 R - - A FP 32 R IE 17 A FF 36 R FF 23 A FF 36 R IE 12 A Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado Interessante foi o parecer dos inspetores de radiografia que reprovaram as juntas 59 e 73 da Tabela 14, quando o critério de aceitação aprova inclusão de escória menor que 50 mm, porém foi observado pelos inspetores uma largura excessiva na descontinuidade acarretando a reprovação. Fato que não pode ser observado pelo ultra-som automatizado.

128 125 Tabela 14 - Descontinuidades US-AUT Aceitável x ER - Rejeitada ULTRA-SOM AUTOMATIZADO ENSAIO RADIOGRÁFICO N Junta N Desc. Tipo Posição Compr. (mm) Parecer Tipo Posição Compr. (mm) Parecer IE 0 14 A IE 0 20 R FF/IE A IE R Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado Na Figura 81, observa-se a descontinuidade número 6 da junta J4 detectada pelo ultra-som automatizado e pela radiografia, os dois ensaios emitiram pareceres satisfatórios (aceitáveis). A imagem da inspeção por ultra-som automatizado, evidência que a descontinuidade possui altura significativa, mostrada em vermelho, sendo recomendável que a junta seja reparada para retirada desta descontinuidade. O sistema automatizado disponibiliza recursos para o dimensionamento da altura da descontinuidade, fato que contribui significativamente para a confiabilidade da qualidade da junta soldada. Consta no Apêndice A da norma API-1104 (1999) parâmetros para a definição de critérios alternativos, os quais definem os limites permitidos do comprimento e altura da descontinuidade máxima admissível. Figura 81 Descontinuidade 6 da junta 4 US-AUT identifica a existência da altura A Figura 82 mostra a descontinuidade número 2 da junta 3, que foi detectada pela radiografia e considerada não aceitável demonstrando que as descontinuidades volumétricas são detectadas pelo ultra-som com baixa refletividade que neste caso foi considerada aceitável.

129 126 Figura 82 - Descontinuidade 2 da junta 3 detectada pela radiografia A radiografia e ultra-som automatizado são os ensaios mais comuns utilizados para inspecionar o volume das soldas. Estes ensaios têm vantagens e desvantagens quanto à detecção, identificação e ao dimensionamento das descontinuidades. A radiografia é particularmente adequada para identificar descontinuidades volumétricas, tais como: trincas, cavidades, inclusão de escória e falta de penetração. Quando analisados os defeitos detectados pelo ER e não detectados pelo US-AUT pode-se observar que são defeitos com características volumétricas (PO ou IE), e que essa ocorrência está descrita em outros trabalhos comparativos sobre o uso do ultra-som no lugar do ensaio radiográfico (BABCOCK, 2005). O ultra-som tem maior capacidade de detecção e dimensionamento de descontinuidade planares, tais como: trinca, falta de fusão e falta de penetração. Estes tipos de descontinuidades são críticas para a confiabilidade das juntas soldadas (BABCOCK, 2005). A Tabela 15 mostra as sete descontinuidades detectadas pelo ultra-som automatizado e pela radiografia convencional na junta 11. Tabela 15 - Relação das descontinuidades detectadas na junta 11 ULTRA-SOM AUTOMATIZADO ENSAIO RADIOGRÁFICO N Junta N Desc. Tipo Posição Compr. (mm) Parecer Tipo Posição Compr. (mm) Parecer FF R _ N IE A IE A _ N FF R FF A _ N FF R FF R FF A FF A FF/IE R FF/IE R Legenda: A Aceitável; R Rejeitado; N Não detectado

130 127 A seguir, são apresentadas principais evidências das descontinuidades da junta 11 inspecionadas pela radiografia convencional e ultra-som automatizado, com objetivo de fundamentar a discussão dos resultados obtidos. A Figura 83 mostra a identificação da descontinuidade 21 da junta 11 localizada na raiz da solda, podendo ser observado no A-Scan da técnica ToFD e no C-Scan. Figura 83 - Descontinuidade 21 da junta 11 na raiz da solda A Figura 84 mostra a foto da macrografia da descontinuidade 21 da junta 11 que confirma a existência da descontinuidade planar na raiz da solda. Figura 84 - Fotomacrografia da Descontinuidade 21 da Junta 11 não detectadas pelo ER

131 128 A Figura 85 mostra a digitalização do filme radiográfico, executado pelo ensaio radiográfico, utilizando fonte de raio gama, fonte está que é utilizada na inspeção de campo, em que se observa a inexistência de falta de fusão de 42 mm, conforme detectado pelo ultra-som. Figura 85 - Radiografia (raios gama) da descontinuidade 21 da junta 11 não detectou descontinuidade A Figura 86 mostra a digitalização do filme radiográfico executado pelo ensaio radiográfico utilizando equipamento de raios X em que se observa a existência de uma falta de fusão de 20 mm, que mesmo se fossem utilizados os raios X no campo a descontinuidade seria aceitável por ser uma descontinuidade aberta para superfície menor que 25 mm. Figura 86 - Radiografia (raios X) da descontinuidade 21 da junta 11 - dimensão de 20 mm A Figura 87 mostra a identificação da descontinuidade 22 da junta 11 localizada internamente na solda.

132 129 Figura 87 - US-AUT descontinuidade 22 da junta 11 dimensão de 16 mm Aceitável A Figura 88 mostra a digitalização do filme radiográfico executada por raios X, em que se observa a descontinuidade 22 da junta 11 localizada internamente na solda. Figura 88 - Radiografia descontinuidade 22 da junta 11 - dimensão aceitável de 16 mm A Figura 89 mostra a fotomacrografia da descontinuidade 22 da junta 11 localizada internamente na solda.

133 130 Figura 89 - Fotomacrografia da descontinuidade 22 da Junta 11 A Figura 90 mostra a fratura da descontinuidade 22 da junta 11 localizada internamente na solda. Figura 90 - Fratura da descontinuidade 22 da Junta 11 A Figura 91 mostra a identificação da descontinuidade 23 da junta 11 localizada na superfície interna do duto (falta de fusão na raiz), com baixa refletividade sendo considerada aceitável.

134 131 Figura 91 -US-AUT da descontinuidade 23 da junta 11 dimensão de 38 mm não relatado A Figura 91 mostra o desalinhamento na superfície interno do duto de 1,2 mm, que é confirmado pela Figura 92 detectado pelo ultra-som automatizado. Figura 92 - Descontinuidade 23 da Junta 11 com desalinhamento de 1,2 mm A Figura 93 mostra, de forma evidente, o desalinhamento na superfície interna do duto e a falta de fusão na raiz da solda, aceitável pelo ultra-som automatizado e rejeitado pela radiografia.

135 132 Figura 93 - Descontinuidade 23 da Junta 11 com desalinhamento e falta de fusão A Figura 94 mostra a imagem da inspeção por US-AUT que detectou a descontinuidade 24 da junta 11 localizada na superfície interna do duto (falta de fusão na raiz), com baixa refletividade sendo considerada aceitável. Figura 94 - US - AUT da descontinuidade 24 da Junta 11 com dimensão do comprimento de 12 mm É interessante observar a imagem da inspeção por US-AUT na Figura 95, que mostra a caracterização da descontinuidade 27 da junta 11 que pode ser vista iniciando na zona da raiz (root), se prolongando até a zona dois (Z2), com altura de aproximadamente 9 mm e comprimento de 50 mm.

136 133 Figura 95 - US-AUT - Descontinuidade 27 da Junta11, comprimento igual a 50 mm Além da indicação do defeito por meio da zona de discriminação, a Figura 96 mostra a imagem da técnica ToFD, na qual se observa a queda do eco de fundo no A-Scan na posição superior da figura e o B-Scan do ToFD aponta a descontinuidade no centro da imagem, entre a onda lateral e superfície interna, caracterizando também, que o defeito tem altura considerável. Figura 96 - US AUT descontinuidade 27 Junta 11, comprimento 50 mm e altura de 9 mm A Figura 97 mostra a digitalização do filme radiográfico no qual se observa a descontinuidade número 27 da junta 11 localizada internamente na solda, indicando a existência de inclusão de escória na parte superior e uma falta de fusão na parte inferior da imagem do filme radiográfico.

137 134 Figura 97 Descontinuidade 27 da radiografia da junta 11 comprimento de 34 mm A Figura 98 e a Figura 99 mostram o perfil das duas superfícies da fratura da descontinuidade 27 da junta 11, com 34 mm de comprimento, localizada internamente na solda, porém com a identificação da inclusão de escória na parte superior e a caracterização da falta de fusão iniciando na raiz que ultrapassa a metade da espessura do duto. Figura 98 - Junta11 descontinuidade 27 - Seção longitudinal da solda 34 mm de comprimento Figura 99 - Junta11 descontinuidade 27 - Seção longitudinal da solda falta de fusão