ESTUDO DA VIABILIDADE DA UTILIZAÇÃO DO ENSAIO DE ULTRASSOM EM SUBSTITUIÇÃO AO ENSAIO RADIOGRÁFICO PARA DETECÇÃO DE DESCONTINUIDADES EM JUNTAS SOLDADAS COM ESPESSURAENTRE 5 E 10 MM Rafael Cândido de Melo, rcmelo10@hotmail.com 1 Daniel Souza, danielsouza@furg.br 2 Demostenes Ferreira Filho, demostenesferreira@ufg.br 3 1 Petrobras/ENG E&P/IEUEP-II/IEREPL/CMM3, Rodovia RS401, km28, nº 2301, Charqueadas/RS - CEP: 96745-000. 2 Universidade Federal do Rio Grande-FURG, Av. Itália, km 8, Campus Carreiros, Rio Grande/RS-CEP: 96203-900. 3 Universidade Federal de Goiás-UFG, Av. Universitária, nº 1488, Quadra 86, Bloco A, 3º Piso, Setor Leste Universitário, Goiânia/GO, CEP: 74605-010. Resumo: Para a construção de tanques para armazenamento de petróleo de acordo com os requisitos técnicos da norma API-650 - Welded Tanks for Oil Storage, o ensaio por ultrassom pode ser utilizado em substituição ao ensaio radiográfico apenas em juntas soldadas com espessura maior ou igual que 10 mm. Desta forma, neste trabalho é apresentado um estudo comparativo entre o ensaio radiográfico e o ensaio por ultrassom na inspeção de juntas soldadas, buscando avaliar a capacidade de detecção de descontinuidades de cada método. Para tanto, através do processo de soldagem por eletrodo revestido, foram fabricados 7 corpos de prova com espessuras entre 5 e 10 mm e 1 corpo de prova com espessura de 12 mm. Os corpos de prova foram radiografados utilizando a técnica de gamagrafia e posteriormente, os mesmos corpos de prova foram submetidos ao ensaio por ultrassom, através da técnica pulso-eco. Após a execução dos ensaios, concluiu-se que para o material em questão, ocorreram variações significativas no tocante a detecção de descontinuidades pelos métodos avaliados, verificando-se inclusive que no caso da inspeção por ultrassom, a experiência do inspetor é um fator determinante na interpretação das indicações exibidas na tela do aparelho. Observou-se que a divergência entre as descontinuidades detectadas pelos métodos de inspeção ocorre em todas as espessuras avaliadas, comprovando que a espessura do material não influencia na capacidade de detecção de descontinuidades pelos métodos utilizados. Para a faixa de espessura de chapas proposta neste trabalho, entre 5 e 10 mm, conclui-se não haver viabilidade na substituição da inspeção radiográfica pela inspeção por ultrassom e viceversa, uma vez que as técnicas revelam-se como complementares entre si. Palavras-chave: Inspeção em Juntas Soldadas, Ultrassom em Chapas, Tanques de Armazenamento. 1. INTRODUÇÃO A necessidade de fabricação de produtos que atendam aos requisitos do cliente e aos requisitos normativos requer o desenvolvimento de sistemas que assegurem a conformidade dos produtos. Os ensaios não destrutivos (END) são técnicas utilizadas na avaliação da qualidade de um produto, através da realização de inspeções que não alteram a forma nem a propriedade dos materiais a serem ensaiados. Aplicados na inspeção de matéria prima, no controle de processos de fabricação e na inspeção final, os ensaios não destrutivos são amplamente utilizados na indústria, principalmente para detecção de descontinuidades em juntas soldadas. Descontinuidades são interrupções na estrutura de um material caracterizadas pela falta de homogeneidade de propriedades físicas, mecânicas ou metalúrgicas de uma solda. De acordo com Silva Junior; Marques (2006), as principais descontinuidades em juntas soldadas são: Trincas, porosidades, inclusões de escória ou tungstênio, falta de penetração, falta de fusão e mordeduras. As trincas são descontinuidades produzidas por rupturas no metal como resultado de tensões produzidas durante a soldagem. De acordo com Andreucci (2010), na execução de um ensaio radiográfico, se a direção do plano que contém a trinca coincide com o feixe de radiação, sua imagem poderá não aparecer no filme. Os poros são formados devido ao aprisionamento de gases durante a solidificação da solda. As inclusões de escoria são originadas da adição indevida de escória durante a soldagem. Esta descontinuidade ocorre com maior frequência em soldas de passes múltiplos, principalmente quando a limpeza entre passes não é executada adequadamente. A falta de penetração e a falta de fusão são causadas por falta de energia suficiente para promover a fusão adequada da junta. Segundo Andreucci (2010), a falta de fusão só é bem caracterizada numa radiografia quando a direção do feixe coincide com o plano de defeito. A Tabela 1 ilustra os tipos de imperfeições mais comuns e quais os ensaios com maior capacidade de detectá-los, de acordo com o apêndice A da secção V do código ASME Boiler & Pressure Vessel Code.
Tabela 1. Imperfeições versus tipo de ensaio não destrutivo (Adaptado da tabela A-110 do ASME BPVC sec. V, 2010) Tipos Imperfeições de Tipo de Ensaio Não Destrutivo Para detecção de Para detecção de descontinuidades superficiais descontinuidades sub superficiais Ensaio Líquido Partícula Eletroma Visual Penetrante s Magnéticas g-nético Para detecção de descontinuidades internas fia Radiogra m Ultrasso Crateras Trincas Reforço......... inadequado Inclusão de escória/ tungstênio...... Falta de fusão... Falta de penetração Desalinhamento......... Sobreposição... Porosidade... Concavidade......... Mordedura Onde: Todas ou a maioria das técnicas básicas irão detectar esta imperfeição na maioria dos casos; Uma ou mais das técnicas básicas irão detectar esta imperfeição sob certas condições; Técnicas, condições especiais e/ou pessoal qualificado são requeridos para detectar esta imperfeição. A técnica de inspeção por ultrassom figura como a principal alternativa para substituição da radiografia, uma vez que apresenta como principal benefício à inexistência de riscos radiológicos, o que permite a execução de atividades em paralelo, refletindo em melhor produtividade, custo, prazo e segurança. Tanques de armazenamento são equipamentos estáticos, sujeitos à pressão aproximadamente atmosférica, cilíndricos, dispostos verticalmente, de fabricação soldada, construídos com chapas de aço carbono e destinados, principalmente, ao armazenamento de petróleo e seus derivados. A construção de um tanque de armazenamento normalmente é regulamentada pela norma API 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage, do American Petroleum Institute, que é a norma citada como referência pela NBR 7821 Tanques Soldados para Armazenamento de Petróleo. De acordo com Barros (2011), atualmente os tanques de armazenamento são construídos numa ampla faixa de capacidades, desde 100 barris (16m³) até aproximadamente 700.000 barris (112.000m³). No entanto, construções especiais permitem a construção de tanques de armazenamento com capacidade superior a 1.000.000 de barris (160.000 m³). A Figura 1 apresenta um tanque de armazenamento de petróleo. Figura 1. Tanque de armazenamento de petróleo (BARROS, 2011) Para a construção de tanques para armazenamento de petróleo de acordo com os requisitos técnicos da norma API- 650 - Welded Tanks for Oil Storage, o ensaio por ultrassom pode ser utilizado em substituição ao ensaio radiográfico apenas em juntas soldadas com espessura maior ou igual que 10 mm. Por outro lado, a norma de projeto de tubulação industrial ASME B31.3 - Process Piping Code não possui limitação quanto a espessura mínima para utilização do ensaio por ultrassom.
De acordo com a norma Petrobras N 76 - Materiais de Tubulação, a menor espessura de parede de tubos utilizada para transporte de hidrocarbonetos é de 5,5 mm. Visto não haver consenso em relação a espessura mínima recomendada para realização do ensaio por ultrassom, observando a limitação imposta pela norma de projeto de tanques API-650 e considerando que a norma de tubulação ASME B31.3 não possui restrições quanto a espessura do material, o objetivo principal deste trabalho é realizar uma análise comparativa entre os métodos de inspeção por radiografia e por ultrassom em soldas de chapas de aço carbono com espessura entre 5 e 10 mm, com a intenção avaliar a capacidade de detecção e dimensionamento de descontinuidades através dos métodos de inspeção apresentados, bem como verificar se a capacidade de detecção de falhas está relacionada com a espessura do material. 2. MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA 2.1. Materiais O material de base utilizado para fabricação dos corpos de prova é o aço carbono ASTM A-36, que é o material utilizado para a construção de tanques para armazenamento de petróleo. A Tabela 2 apresenta as propriedades mecânicas básicas do aço ASTM A-36. Tabela 2. Propriedades mecânicas do aço ASTM A 36 (BARROS, 2011) Limite de Escoamento Limite de Resistência Alongamento (%) (MPa) (MPa) 250 400 a 550 18 O metal de adição utilizado foi o eletrodo revestido marca Böhler, modelo FOX-7018, classificação AWS 7018 e diâmetro 1/8 (3 mm). 2.2. Equipamentos Para soldagem dos corpos de prova, foi utilizada uma fonte retificadora modelo BR-425, marca Merkle-Balmer, conforme Figura 2. Figura 2. Fonte utilizada para soldagem dos corpos de prova O irradiador utilizado para execução do ensaio foi o modelo Gammamat TI, da marca Sauerwein, semelhante ao ilustrado na Figura 3. A fonte utilizada foi o irídio 192 e o filme foi o modelo Structurix D4 da marca AGFA.
Figura 3. Irradiador utilizado para inspeção radiográfica (ANDREUCCI, 2010) Os aparelhos utilizados para efetuar a inspeção por ultrassom foram os modelos USM 25DAC, USN 52R e USN 52L da marca Krautkrämer, conforme ilustrado na Figura 4. Os cabeçotes utilizados foram os modelos MSEB-4H, MWB70-N4 e MWB60-N4, da marca Krautkrämer. Figura 4. Aparelho de ultrassom utilizado para inspeção dos corpos de prova 2.3. Metodologia Pelo processo de soldagem por eletrodo revestido, foram fabricados 12 corpos de prova com descontinuidades intencionais e de espessuras variadas, conforme ilustrado na Figura 5. Após analise visual, foram selecionados 8 corpos de prova para execução dos ensaios de ultrassom e radiografia, priorizando a escolha de peças com espessuras entre 5 e 10 mm. Definiu-se que um corpo de prova com espessura maior que 10 mm também seria submetido aos ensaios, para servir como padrão de referência. A Tabela 3 relaciona os corpos de prova ensaiados. Posteriormente, foram realizados os ensaios radiográficos e por ultrassom. Os resultados foram registrados em laudos de inspeção conforme critério de aceitação da norma de projeto aplicável, neste caso a norma API 650.
Figura 5. Dimensões dos corpos de prova Tabela 3. Relação de corpos de prova ensaiados CP Espessura CP Espessura CP Espessura (e) (e) (e) 01 6,35 mm 04 8,00 mm 07 9,50 mm 02 6,35 mm 05 8,00 mm 08 12,0 mm 03 6,35 mm 06 9,50 mm Para soldagem dos corpos de prova, foi utilizada corrente contínua de 100 A com polo positivo, de acordo com a instrução de execução e inspeção de soldagem utilizada na construção de tanques de armazenamento. Os mesmos parâmetros foram utilizados na soldagem de todos os corpos de prova. Para possibilitar o surgimento de descontinuidades nas juntas soldadas, na fabricação dos corpos de prova 01, 02 e 03, a limpeza entre os passes foi deficiente. Especificamente no corpo de prova 03, foi inserido um arame de aço inoxidável entre os passes da solda. Nos corpos de prova 04 e 05 foram utilizados eletrodos submetidos à umidade, bem como também foi inserido um arame de aço inoxidável entre os passes da solda. Para soldagem dos corpos de prova 07 e 12 as peças foram travadas na bancada. Por fim, no corpo de prova 09 a soldagem foi realizada conforme procedimentos aplicáveis e boas práticas de engenharia. Os corpos de prova foram inspecionados por inspetores qualificados através da técnica de gamagrafia, conforme normas Petrobras N-1595, ASME BPVC sec. V e procedimento executivo END-002. A técnica de exposição utilizada foi a de parede simples, uma vez que é a mais adequada para realização de ensaios neste tipo de junta soldada com distância fonte-peça de 700 mm. Após a etapa anterior, os corpos de prova foram ultrassionados por inspetores qualificados conforme normas Petrobras N-1594, ASME BPVC sec. V e procedimento executivo END-OL.US-02. A técnica utilizada foi a de pulsoeco e os cabeçotes, do tipo angular. A escolha desta configuração se deu devido ao fato de ser a mais recomendada para a inspeção de juntas soldadas. Os mesmos processos foram adotados na inspeção de todos os corpos de prova Por último, os laudos emitidos pelo ensaio radiográfico e pelo ensaio por ultrassom foram analisados e comparados, buscando identificar as regiões onde cada método detectou descontinuidades. 3. RESULTADOS Realizou-se uma análise comparativa entre os resultados da inspeção radiográfica e por ultrassom. A Figura 6 apresenta o cordão de solda e logo abaixo a representação dos resultados da radiografia e do ultrassom para cada uma das condições analisadas, apresentadas na Tabela 3. Comparando-se o resultado dos ensaios radiográfico e por ultrassom no corpo de prova 01 (Figura 6 (a)) de espessura 6,35 mm, nota-se que foi detectada pelo inspetor de ultrassom a presença de duas descontinuidades com extensão aproximada de 15 mm cada, classificadas pelo inspetor como mordedura e falta de fusão respectivamente. Observa-se que a primeira descontinuidade também foi detectada pela radiografia como mordedura, porém com extensão de 30 mm. Em contrapartida, outra descontinuidade com extensão aproximada de 20 mm foi detectada pela radiografia em outro ponto do corpo de prova, caracterizada pelo inspetor como uma falta de fusão. Realizando-se a mesma análise em uma repetição do corpo de prova com 6,35 mm de espessura, corpos de prova 02 (Figura 6 (b)) e 03 (Figura 6 (c)), no corpo de prova 02 foi detectada pelo inspetor de ultrassom a presença de duas descontinuidades com extensão aproximada de 15 mm cada. Em contrapartida, duas descontinuidades de aproximadamente 20 mm cada, foram detectadas pela radiografia em pontos diferentes do corpo de prova, caracterizadas pelo inspetor como porosidade em ambos os casos. Para o corpo de prova 03 nota-se que foi detectada pelo inspetor de ultrassom a presença de duas descontinuidades com extensão aproximada de 30 mm e 20 mm, situadas respectivamente a 4,2 e 3,5 mm de profundidade, classificadas pelo inspetor como porosidade e inclusão de escória,
sendo esta última detectada também pela radiografia, porém com extensão de 40 mm. Em contrapartida, três outras descontinuidades de tamanhos diversos foram detectadas pela radiografia em pontos diferentes do corpo de prova, caracterizadas pelo inspetor como porosidade na primeira descontinuidade e inclusão de escória nas outras duas. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Figura 6. Cordão de solda e representação dos resultados da radiografia e do ultrassom de: (a) CP 01, (b) CP 02, (c) CP 03, (d) CP 04, (e) CP 05, (f) CP 06, (g) CP 07, (h) CP 08. (h) Duas análises foram realizadas com corpos de prova de 8,00 mm de espessura os corpos de prova 04 (Figura 6 (d)) e 05 (Figura 6 (e)), verificou-se para o corpo de prova 04 que apesar de haver indicações na tela do aparelho de ultrassom, nenhuma delas foi considerada como defeito pelo inspetor. Em contrapartida neste mesmo corpo de prova a radiografia detectou três descontinuidades caracterizadas pelo inspetor como porosidade e falta de fusão, que somadas totalizam 110 mm de extensão. Par o corpo de prova 05 foi detectada pelo inspetor de ultrassom a presença de duas descontinuidades com extensão aproximada de 20 mm cada, situadas respectivamente a 5,8 e 7 mm de profundidade. Em contrapartida, duas descontinuidades de aproximadamente 15 mm cada foram detectadas pela radiografia em pontos diferentes do corpo de prova, caracterizadas pelo inspetor como inclusão de escória e porosidade.
Comparando-se o resultado dos ensaios radiográfico e por ultrassom nos corpos de prova 06 (Figura 6 (f)) e 07 (Figura 6 (g)) de espessura 9,50 mm, nota-se que, para o corpo de prova 06 foi detectada pelo inspetor de ultrassom a presença de duas descontinuidades com extensão aproximada de 20 mm cada, caracterizadas pelo inspetor como uma falta de fusão e uma inclusão de escória. Em contrapartida, no ensaio radiográfico o corpo de prova foi reprovado devido à detecção de porosidade em toda a extensão da junta. Para o corpo de prova 07 em ambos os ensaios não foram detectadas descontinuidades, sendo o corpo de prova considerado aprovado pelos dois inspetores, o que indica a capacidade de equivalência dos ensaios em aprovar regiões isentas de descontinuidades. Comparando-se o resultado dos ensaios radiográfico e por ultrassom no corpo de prova 08 06 (Figura 6 (h)) de espessura 12,00 mm, nota-se que foi detectado pelo inspetor de ultrassom a presença de duas descontinuidades de extensão aproximada de 40 mm e 20 mm, situadas a 6,7 mm e 8,0 mm de profundidade respectivamente, caracterizadas pelo inspetor como porosidade e falta de fusão. Em contrapartida, no ensaio radiográfico o corpo de prova foi reprovado devido à detecção de porosidades em toda a extensão da junta. O comprimento total inspecionado pelos dois métodos foi de 2400 mm, sendo do total de descontinuidades encontradas, 930 mm foram detectadas pelo ensaio radiográfico e 250 mm pelo ensaio por ultrassom. Verifica-se também que a região de coincidência, ou seja, onde as descontinuidades foram detectadas por ambos os métodos de inspeção totaliza 125 mm. A Tabela 4 resume as informações sobre a extensão das descontinuidades detectadas pelos métodos de inspeção, independente do tipo de defeito. Tabela 4. Extensão das descontinuidades detectadas Corpo de Prova Espessura (mm) Descontinuidades (mm) Radiografia Ultrassom Coincidência 01 6,35 50 30 10 02 6,35 40 30 0 03 6,35 100 50 15 04 8,00 110 0 0 05 8,00 30 40 0 06 9,50 300 40 40 07 9,50 0 0 0 08 12,0 300 60 60 Analisando-se os resultados da radiografia, destaca-se a propensão deste método para detecção de porosidades em todas as faixas de espessura, o que se mostrou uma dificuldade para o método de inspeção por ultrassom, confirmando as informações citadas na Tabela 1. O ensaio por ultrassom tem a seu favor a capacidade de definição exata da localização e profundidade das descontinuidades quando detectadas, porém nota-se que no ensaio por ultrassom existe maior dependência da experiência do inspetor na interpretação e classificação das indicações do aparelho, o que pôde ser comprovado na inspeção dos corpos de prova 02 e 04. Observa-se que apesar de forçar defeitos na soldagem dos corpos de prova 03, 04 e 05 até mesmo de forma grosseira, pouco disso se refletiu em descontinuidades. Nos corpos de prova 06 e 08, os quais foram travados na bancada, constatou-se a ocorrência de um leve empenamento e a detecção de porosidade em toda a extensão da junta soldada de ambos os corpos de prova pelo ensaio radiográfico A Tabela 5 apresenta uma relação entre os métodos de ensaios e o tipo de descontinuidade detectada.
Tabela 5. Comparação das descontinuidades detectadas Corpo de Prova Espessura (mm) Descontinuidades Onde: ES - Inclusão de escória FF - Falta de fusão FP - Falta de penetração MI - Mordedura PO - Porosidade TR - Trinca NI - Descontinuidade não identificada Radiografia Ultrassom 001 6,35 MI, FF MI, FF 002 6,35 PO NI 003 6,35 PO, ES PO, ES 004 8,00 PO - 005 8,00 ES, PO NI 007 9,50 PO FF, ES 009 9,50 - - 012 12,0 PO PO, FF 4. CONCLUSÕES Após a execução dos ensaios, para o estudo em questão, nota-se que ocorreram variações significativas na capacidade de detecção de descontinuidades pelos métodos utilizados em todas as espessuras avaliadas, comprovando que a espessura do material não influencia na capacidade de detecção de descontinuidades e que tais divergências refletem as particularidades de cada ensaio. Para a faixa de espessura de chapas proposta neste trabalho, entre 5 e 10 mm, conclui-se não haver viabilidade na substituição da inspeção radiográfica pela inspeção por ultrassom, uma vez que as técnicas revelaram-se como complementares entre si. Observa-se que o resultado das inspeções contrapõe a norma API 650, que determina a utilização apenas do ensaio radiográfico na inspeção de juntas soldadas com espessuras abaixo de 9,5 mm. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Petrobrás e à FURG pelo incentivo para a realização deste trabalho e à UFG e à FAPEG pelo auxílio financeiro para a participação e apresentação deste trabalho no 8º COBEF. 6. REFERÊNCIAS ANDREUCCI, R. Radiologia Industrial. Apostila, São Paulo, 2010. API 650, Welded Steel Tanks for Oil Storage, 11ª ed., 2007. ASME B31.3 - Process Piping Code ASME BPVC sec. V, Boiler & Pressure Vessel Code - Nondestructuve Examination, 2011. BARROS, S.M. Tanques e Armazenamento. Apostila, Rio de Janeiro: 2011. NBR 7821 Tanques Soldados para Armazenamento de Petróleo. Petrobras N 76 - Materiais de Tubulação SILVA JUNIOR, S. F.; MARQUES, P. V. Ensaios Não Destrutivos. Apostila, Belo Horizonte: 2006. Disponível em: <http://www.demec.ufmg.br/site/cursos/arquivos/168pdf>. Acesso em: 24 mar. 2012.
7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. FEASIBILITY STUDY OF THE USE OF ULTRASOUND EXAMINATION IN LIEU OF RADIOGRAPHY FOR THE DETECTION OF DISCONTINUITIES IN WELDED JOINTS WITH THICKNESS BETWEEN 5 AND 10 MM. Rafael Cândido de Melo, rcmelo10@hotmail.com 1 Daniel Souza, danielsouza@furg.br 2 Demostenes Ferreira Filho, demostenesferreira@ufg.br 3 1 Petrobras/ENG E&P/IEUEP-II/IEREPL/CMM3, Rodovia RS401, km28, nº 2301, Charqueadas/RS - CEP: 96745-000. 2 Universidade Federal do Rio Grande-FURG, Av. Itália, km 8, Campus Carreiros, Rio Grande/RS-CEP: 96203-900. 3 Universidade Federal de Goiás-UFG, Av. Universitária, nº 1488, Quadra 86, Bloco A, 3º Piso, Setor Leste Universitário, Goiânia/GO, CEP: 74605-010. Abstract: For the construction of tanks for oil storage according to the technical requirements of the standard API-650 - Welded Oil Storage Tanks, the ultrasound test may be used in lieu of Radiography where the thickness is greater than or equal to 10 mm. This work presents a comparative study between radiographic testing and ultrasonic testing of welded joints inspection, aiming to evaluate the ability to detect discontinuities of each method. To this end, through the process of welding sheathed electrode were made seven specimens with thicknesses between 5 and 10 mm, and one specimen with a thickness of 12 mm. The specimens were radiographed using the technique of gammagraphy and later, the same specimens were subjected to testing by ultrasound through the pulse-echo technique. After the tests, it was concluded that for the material in question, there are significant variations regarding the detection of discontinuities by the methods evaluated, verifying that even in the case of ultrasound inspection, the inspector's experience is a important factor in interpretation of the information displayed on the handset screen. It was observed that the divergence between the discontinuities detected by the methods of inspection occurs at all thicknesses evaluated, proving that the material thickness does not influence the ability to detect discontinuities by the methods used. For the thickness range proposed, between 5 and 10 mm, it is concluded there is no viability in replacement of radiographic inspection by ultrasonic test and vice versa, since the techniques revealed as complementary. Keywords: Inspection of Welded Joints, Ultrasound in Plates, Storage Tanks.