CONAEND&IEV2016-041 EMPREGO DA TÉCNICA DE CORRENTES PARASITAS PULSADAS NA ANÁLISE DE TUBOS CARBURIZADOS Mateus Crusoé Rocha Rebello 1 ; Caio Vitor da Silva Batista 2 ; Carla Beatriz Fagundes do Carmo 3 ; Ivan Costa da Silva 4 ; Claudia Teresa Teles Farias 5 Copyright 2016, ABENDI, PROMAI. Trabalho apresentado durante o XXXIV Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção. 19ª IEV Conferencia Internacional sobre Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipos Industriales. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es). SINOPSE Os fornos de pirólise são compostos por tubos de aço inoxidável HP, basicamente formados por Fe-Ni-Cr, possibilitando o trabalho em altas temperaturas. Contudo, nessas condições o material se torna propício a possíveis defeitos. Com a difusão do carbono, ocorre a formação de precipitados de carbetos de cromo que caracterizam o mecanismo de defeito da carburização sendo ativo em altas temperaturas. Esse dano altera tanto as propriedades mecânicas quanto as magnéticas do material. Com a necessidade de manter a funcionalidade do tubo sem prejudicar a produção, é necessária uma inspeção para que possa ser avaliada a sua integridade. Ensaios não destrutivos são realizados com o intuito de detectar essas falhas causadas pela carburização. Dentre os ensaios utilizados, a técnica de Correntes Parasitas Pulsadas (PEC) mostrou ser uma forma possível de medição, devido a mudança das propriedades magnéticas do material. Uma forma comumente de analisar os níveis de carburização em tubos HP é através da medição de espessura da camada carburizada. Neste trabalho, a técnica de correntes parasitas pulsadas foi utilizada para determinação do grau de carburização de seis corpos de prova. Os resultados obtidos foram comparados com os mapeamentos magnéticos e com medidas da espessura da camada carburizada obtidas por metalografia. 1 Graduando, Eng. Industrial Mecânica GPEND/LABIND/IFBA 2 Graduando, Engenharia Industrial Mecânica GPEND/LABIND/IFBA 3 Graduanda, Engenharia Industrial Elétrica GPEND/LABIND/IFBA 4 Prof Dr. em Eng. Metalúrgica e de Materiais GPEND/LABIND/IFBA 5 Prof a Dr a. em Eng. Metalúrgica e de Materiais GPEND/LABIND/IFBA
1. INTRODUÇÃO Os fornos de pirólise são equipamentos largamente utilizados na indústria petroquímica para a produção de hidrocarbonetos leves. As serpentinas destes fornos, constituídas por tubos de aço da classe HP, são submetidas a condições severas de operação, altas temperaturas e atmosfera propensa a carburização. No processo de carburização, em um primeiro momento, ocorre a ruptura da camada passiva de óxido devido ao gradiente do coeficiente de dilatação pelo aumento do teor de carbono. Desta forma, com o resfriamento, para a retirada do coque formado, ocorre a ruptura desta camada, favorecendo não só a penetração de carbono por difusão como, também, a transformação do óxido de cromo passivo em carbonetos de cromo nas regiões intergranulares (1), motivando o consequente empobrecimento deste elemento na matriz promovendo uma redução do limite de resistência a fluência, perda de ductilidade e soldabilidade (2). Os ensaios não destrutivos são incorporados nas indústrias com o intuito de aperfeiçoar a manutenção de equipamentos e evitar paradas na operação. Devido a uma necessidade de prevenir falhas nos tubos da serpentina, o desenvolvimento de técnicas que utilizam as propriedades de correntes parasitas se tornou uma opção viável para estudo, possibilitando a inspeção em diversos materiais (3). O ensaio de correntes parasitas pulsadas (do inglês, Pulsed Eddy Current - PEC) apresenta várias vantagens sobre a técnica de correntes parasitas convencional de frequência única, tais como: maior profundidade de penetração; riqueza de informação sobre os defeitos e robustez contra interferência (4). Este trabalho tem como objetivo analisar a carburização dos tubos HP através da técnica de correntes parasitas pulsadas e relacionar com as medições da espessura da camada carburizada, juntamente com um mapeamento magnético previamente feito nas amostras. Nos ensaios por PEC foi utilizada uma bobina diferencial, com o intuito de identificar os graus de carburização entre amostras de seis tubos retirados de operação. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Carburização A carburização é um mecanismo de defeito associado ao ambiente de trabalho e à difusão do carbono e sua precipitação em forma de carbetos, sendo particularmente ativo em altas temperaturas (5). As temperaturas em fornos de pirólise podem ser maiores do que 1100 C (6-8) causando um alto índice de carbono na região interna dos tubos. Esses fatores colaboram na intensificação da carburização, desde que o carbono é difundido na parede interna dos tubos. A família dos aços HP formam uma camada de proteção superficial de óxidos que serve como uma barreira contra a difusão do carbono para a matriz (5-8). Na ausência de uma proteção continua da camada de óxido, o carbono gerado das reações dos gases no processo reage com o cromo formando uma superfície de camada de carbetos (5,6,8).
Os níveis de carburização são caracterizados pela quantidade de carbetos de cromo formados pelo processo e pela sua distribuição pela espessura da parede do tubo. A carburização também põe em risco o comportamento mecânico do material, reduzindo sua resistência mecânica e ductilidade, assim como, reduz sua soldabilidade severamente (5,6,8). 2.2 Correntes Parasitas Pulsadas (PEC) O ensaio por correntes parasitas pulsadas tem sua origem na descoberta da indução eletromagnética de Faraday. Anos depois, o cientista Hughes descobriu que quando uma bobina eletrizada entra em contato com metais de diferente condutividade e permeabilidade, tem suas propriedades alteradas (9). Quando uma corrente alternada passa através de uma bobina, é gerado um campo magnético primário, ao aproximar a bobina de um material condutor, esse campo primário penetra no material, induzindo as correntes parasitas no mesmo, essas correntes geram um campo magnético secundário, que possui a mesma direção do campo primário, porém com sentido oposto (10). A sonda utilizada para o ensaio PEC consiste de uma bobina com um arranjo diferencial para indução das correntes parasitas nos corpos de prova, enquanto o campo magnético é identificado por dois sensores GMR (Giant Magnetoresistance) instalados no interior da bobina.o sensor de referência foi instalado na parte superior da bobina e o sensor de medida na inferior. O sinal da diferença entre os dois sensores foi utilizado para a análise do grau de carburização dos tubos. 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 - Corpos de Prova e Determinação da Densidade Magnética Os corpos de prova (CPs) foram 6 segmentos de tubos em aço HP40 de forno de pirolise, todos de uma mesma região, os dados referentes aos CPs são mostrado na Tabela 1. Tabela 1- Dimensões das amostras TUBO ESPESSURA COMPRIMENTO DIÂMETRO INTERNO 1-D 7,2 175 46,7 2-E 7,35 173 48,15 3-F 5,65/7,15 166 52,5/46,35 4-C 6,85 292 47,45 5-A 6,95 290 48 6-B 7,15 288 47,6
A determinação da densidade magnética em toda a extensão de cada corpo de prova, utilizando um gaussímetro com sensor Hall do tipo SS495A, foi necessária para o conhecimento do grau de carburização ao longo dos CPs. Para tal, foi utilizada uma malha com pontos distanciados em 5 mm, os corpos de prova são mostrados na Figura 1. Após aquisição dos sinais nos pontos da malha produzida nos corpos de prova, foi feito o processamento digital dos sinais utilizando o software MATLAB R e plotado um gráfico com o mapeamento magnético das amostras. Figura 1. Corpos de prova Uma vez conhecida a densidade magnética ao longo dos tubos, foram retirados anéis de espessuras variadas e de regiões aleatórias em cada tubo. Após o corte, esses anéis passaram por lixas de granulação, polimento mecânico e ataque químico por imersão em água régia (5), a fim de se visualizar a região carburizada. Em seguida, em um mesmo anel, foram feitas 8 medições da espessura carburizada (em um intervalo de 45 de uma medida para a outra), como mostrado na Figura 2.
Figura 2. Indicação das regiões onde foram realizadas as medições da espessura carburizada em cada anel. 3.2- Bobina Na aplicação da técnica de PEC, foi utilizada uma sonda com uma bobina e parâmetros visualizados na Tabela 2. Diâmetro Interno(mm) Diâmetro Externo(mm) Comprimento(mm) Numero de voltas Diâmetro do Fio(mm) 33 17 20 500 0.25 Tabela 2- Parâmetros da bobina Dentro da bobina foram instalados dois sensores GMR (Giant Magnetoresistance) AAH0022 em posições simétricas de forma que produzam respostas mais precisas, como mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Configuração da Sonda O sensor posicionado no topo da bobina serve como referência, pois nessa região a influência das correntes parasitas é menor. O sensor na parte inferior da bobina e mais próximo do material sob teste, detectará a porção do campo magnético mais afetado pelas correntes parasitas. Um pequeno imã foi colocado próximo aos sensores para polarização. 3.3- Arranjo Experimental Um arranjo experimental simplificado para a técnica de PEC foi adotado e consiste das seguintes partes: Sonda diferencial, fonte Hayonik FTE-1203, gerador de pulso Tektronix AFG3022B, osciloscópio Tektronix TDS2024C e computador, Figura 4. A sonda desenvolvida consiste de uma bobina com dois sensores GMR no seu interior, sendo um o sensor de referência e o outro o sensor de medida, os parâmetros estão demonstrados na Tabela 2. O campo magnético criado pela bobina induzirá correntes parasitas,que por sua vez criarão um campo secundário. O sensor GMR é o elemento responsável pela leitura dos sinais gerados por estes campos. Um osciloscópio fez a aquisição da saída do sensor que é tipicamente um sinal de voltagem da ordem de alguns mv (11). Figura 4. Configuração dos materiais utilizados 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Densidade Magnética Na Figura 5 são mostrados os valores de densidade magnética obtidos pelo gaussímetro, referentes a cada ponto da malha em cada corpo de prova.
Figura 5- Medidas magnéticas obtidas pelo gaussímetro; (a)tubo 1D; (b)tubo 2E; (c)tubo 3F; (d)tubo 6B; (e)tubo 4C; (f) Tubo 5A; As medidas foram obtidas em milivolts (mv) e demonstram a variação das regiões que são mais ferromagnéticas. Pelas imagens da Figura 5, quanto mais ferromagnético é a região do material, mais a cor se aproxima do vermelho escuro e quanto mais paramagnético, mais a cor se aproxima do azul escuro. Vale relembrar que o ferromagnetismo está diretamente relacionado com a carburização (8). Desta forma, pode-se perceber que os tubos 1D e 6B estão apresentando um grau de carburização baixo e são semelhantes se comparados entre si, Os tubos 2E e 4C apresentam uma carburização intermediária, enquanto o tubo 5A apresenta um elevado grau de carburização em todo o seu perímetro. Os tubos possuem uma variação de carburização no redor do seu perímetro, devido a maneira com que eles foram expostos a alta temperatura. Pode-se perceber que a carburização atinge mais um lado do tubo. A amostra 3F mostra isso com mais clareza, onde uma lateral apresenta alto grau de carburização e a outra lateral uma carburização mediana.
4.2 Análise Macrográfica e Determinação da Espessura Carburizada Após o corte, polimento e ataque químico foi possível a visualização da região carburizada, como visto na Figura 6. Figura 6. Macrografia realizada no anel com a visualização espessura carburização. Através das medições das espessuras carburizadas dos anéis retirados de cada amostra respectiva, foi possível caracterizar cada tubo, como mostrado na Tabela 3. TUBO ESPESSURA DE PAREDE ESPESSURA CARBURIZADA (média) PORCENTAGEM CARBURIZADA 1-D 7,2mm Não Carburizado 6-B 7,15mm Não Carburizado 2-E 7,35mm 2,15mm 29,25% 3-F 5,65mm 7,15mm 3,3mm 46,2% - 60% 4-C 6,75mm 6,85mm 1,94mm 28,32% - 28,75% 5-A 6,95mm 2,49mm 35,82%
Tabela 3. Especificações dos corpos de prova Os resultados mostrados na Tabela 3 nos permitiram colocar as amostras em uma ordem crescente da espessura de parede carburizada. Onde os tubos 6-B e 1-D não apresentaram carburização. O tubo 3-F indicou uma porcentagem média de 53%, maior entre todas as amostras, da região carburizada. Figura 7. Sinais obtidos pela sonda de PEC A Figura 7 mostra os sinais obtidos pela sonda PEC, foi tomado o tubo 1-D, não carburizado, como referência para análise. Pode-se observar que a amplitude do pico aumentou com a carburização. Os resultado obtidos por PEC estão de acordo com os do gaussímetro (Figura 6) e com as espessuras de carburização (Tabela 3), como os tubos podem não possuir uma carburização uniforme no seu perímetro, se faz necessário analisar alguns sinais no entorno do tubo, a fim de garantir a validade da análise, pois já vimos que é possível um lado estar extremamente carburizado enquanto o outro estar razoável. Os três métodos de análise convergiram para um resultado semelhante, mostrando a viabilidade da determinação da carburização através da técnica de PEC. Também foi possível comparar a Tabela 3 com os resultados obtidos pela sonda, usando o métodos das correntes parasitas pulsadas (PEC) e o mapeamento magnéticos. Ao se fazer a comparação entre todos os resultados encontrados, foi notado uma linha de coerência, no que diz respeito a caracterização do grau de carburização de cada um.
Os resultados obtidos com o gaussímetro (Figura 6) estão em acordo com os dados obtidos da espessura carburizada mostrados na Tabela 3. 5. CONCLUSÃO Neste trabalho amostras de tubos de liga HP40 retirados de operação foram analisados por metalografia, medidas magnéticas e pela técnica de PEC. Os resultados obtidos com o gaussímetro mostraram que a carburização não estava uniformemente distribuída ao redor do perímetro dos tubos. Algumas regiões estavam mais carburizadas do que outras na mesma amostra, o que foi corroborado pela metalografia. Os sinais de PEC mostraram-se capazes de diferenciar o grau de carburização dos tubos, pela amplitude do pico. Todavia, é necessário ampliar o número de medidas afim de comparar as variações da amplitude do sinal de PEC com a espessura da camada carburizada. Agradecimentos A FAPESB pelo auxílio na forma de bolsas e financiamento. Ao IFBA pela disponibilidade dos materiais utilizados ao longo do mesmo e ao prof. Paulo Moura (IFBA- campus Simões Filho) pelo apoio a esta pesquisa. REFERÊNCIAS (1)Biehl L.V., Estudo da Carburização de Tubos de Ligas de Fe-Cr-Ni Aplicadas em Fornos de Pirólise, Porto Alegre,2002. (2) Silva I.C., Avaliação da Carburização em Aços HP por Ensaio Magnético Não- Destrutivo, Rio de Janeiro,2006. (3) Barboza K.R.A., Avaliação da Técnica de Inspeção por Correntes Parasitas em Tubos de Permutador de Calor, Porto Alegre, 2009. (4) Shu L., Song, H., Wei, Z., Peng, Y., Study of pulse eddy current probes detecting cracks extending in all directions. Sensors and Actuators A, vol. 141, no1,13 9, 2008. (5) Silveira TF. M Sc Thesis. COPPE/ UFRJ, Rio de Janeiro (2002). (6) Grabke HJ, Wolf I. Materials Science and Engineering 87 (1987). (7) Wang Y, Chen W. Surface & Coatings Technology 183 (2004). (8) Silva I.C., da Silva R.S., Rebello J.M.A., Bruno A.C., Silveira T.F., Characterization of carburization of HP steels by non destructive magnetic testing, NDT&E International 39 (2006). (9)NDT, Introduction to Eddy Current Testing. NDT Resource Center. Acesso em 23 de março 2016, disponível em: http://www.ndt-ed.org
(10)Lima, A.H.M, Detecção de Falhas em Revestimentos Anticorrosivos Através da Técnica de Correntes Parasitas, Rio de Janeiro,2014. (11) Silva I.C, Santos Y.T.B, Batista L.S, Farias C.T.T, Estudo da corrosão em aço carbono usando a técnica de correntes parasitas pulsadas, Congresso Nacional de Ensaios não Destrutivos(São Paulo), 2014, extraido de: https://www.researchgate.net/publication/268809108_conaendiev2014_- 094_ESTUDO_DA_CORROSAO_EM_ACO_CARBONO_USANDO_A_TECNICA_DE_C ORRENTES_PARASITAS_PULSADAS.