3ª Conferência Nacional em Ensaios Não Destrutivos 15 e 16 de Dezembro 2014, Amadora, Portugal Conceção, Simulação e Validação Experimental de Sondas de Correntes Induzidas para Ensaios Não Destrutivos de Geometrias Tubulares Miguel MACHADO Telmo G. SANTOS 1 R. M. MIRANDA Nuno PEDROSA Luís ROSADO Moisés PIEDADE 1 UNIDEMI, Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829 516 Caparica, Portugal. E mail address: telmo.santos@fct.unl.pt. Introdução Os END por CI são uma das principais técnicas para a inspeção de tubagens. Dificuldades na deteção de micro defeitos com orientação tangencial. Exigência crescente do ponto de vista da fiabilidade dos sistemas de inspeção. Inspeção por CI a um permutador de calor 2 1
Introdução ITER International Thermonuclear Experimental Reactor 3 Introdução Defeitos #1 #2 #3 Comp. 2 mm Esp. 200 μm Prof. 500 μm #3 Comp. 4 mm Esp. 200 μm Prof. 500 μm #2 #1 Comp. 8 mm Esp. 200 μm Prof. 500 μm Material: Variante 316LN (JK2LB) Especificidades: σ = 2,5% IACS; μ r 1; Micro defeitos; Defeitos com qualquer orientação. 4 2
Introdução Objetivos Desenvolver e validar experimentalmente sondas de Correntes Induzidas para a deteção de micro defeitos em componentes de geometria tubular; Reduzir o atual limiar de detetabilidade dos defeitos, nomeadamente com orientação transversal, e assim aumentar a fiabilidade de inspeção. Objetivos secundários: Descrever e caracterizar os fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas através de simulações numéricas; Criação de meios para a realização dos END nomeadamente um dispositivo de posicionamento e movimentação automatizado das sondas. 5 Estado da arte Sonda convencional Tubo Correntes induzidas com orientação tangencial Def. Tangencial Def. Axial Enrolamentos paralelos e concêntricos com o tubo Exemplo sonda comercial Pequenas bobinas em configuração matricial Elevado custo >10k 6 3
Requisitos das sondas de correntes induzidas Requisitos funcionais das sondas a desenvolver Elevada sensibilidade com boa relação sinal/ruído; Capacidade de deteção de defeitos com qualquer orientação; Possibilidade de localização do defeito segundo as coordenadas axiais e tangenciais; Solução construtiva económica.?? 7 Sondas de CI Originais Sonda com excitação axial e leitura em bobinas espirais trapezoidais planas (1/4) Bobinas sensíveis Filamentos de excitação Def. Tangencial Def. Axial Sensível a defeitos tangenciais; Permite cobrir todo o perímetro do tubo; Permite conhecer a posição circunferencial do defeito; Modo reflexão absoluto ou diferencial; Permite obter um sinal do tipo diferencial (ideal para defeitos pontuais). 8 4
Sondas de CI Originais Sonda com excitação tangencial com leitura em bobinas espirais trapezoidais (2/4) Bobinas sensíveis Def. Tangencial Def. Axial Filamento de excitação 9 Sondas de CI Originais Sonda de reflexão com excitação helicoidal e leitura em bobinas espirais trapezoidais (3/4) Bobinas sensíveis Def. Tangencial Def. Axial Filamento de excitação 10 5
Sondas de CI Originais Sonda modo absoluto com bobinas espirais trapezoidais planas (4/4) Def. Tangencial Def. Axial 11 Simulação Numérica Filamento de excitação Bobinas sensíveis Superfície do material Defeito Densidade de correntes induzidas. Filamento de excitação Bobinas sensíveis Representação da correntes induzidas pelo defeito vista de cima. Material Representação da densidade de correntes induzidas. 12 6
Simulação Numérica Sonda de reflexão com excitação helicoidal e leitura em bobinas espirais trapezoidais P1 P2 P3 Coil 1 Coil 2 f = 500 khz ao defeito menor tangencial nas diferentes posições. Representação das correntes induzidas vista de cima. 13 Equipamento para Inspeção 14 7
Validação experimental Sonda com excitação axial com leitura em bobinas espirais trapezoidais planas 1 Ensaio a 500 khz na posição 1. 3 defeitos detetados claramente Ótima relação sinal ruido Resolução espacial Ensaio a 500 khz ao defeito menor na posição 1. 15 Validação experimental Sonda com excitação tangencial com leitura em bobinas espirais trapezoidais Ensaio a 500 khz na posição 1. Ensaio a 500 khz ao defeito menor na posição 1. 3 defeitos detetados claramente Boa relação sinal ruido (variações de sinal devido a heterogeneidades do material) Boa proporcionalidade sinal defeito Ensaio a 500 khz ao defeito menor em diferentes posições. 16 8
Validação experimental Sonda modo absoluto com bobinas espirais trapezoidais planas Ensaio a 500 khz ao defeito menor na posição 1. Identificação dos 3 defeitos Pior relação sinal ruído Ensaio a 500 khz na posição 1. 17 Validação experimental Sonda de reflexão com excitação helicoidal e leitura em bobinas espirais trapezoidais Ensaio a 500 khz com defeito a passar pela posição 1 3 defeitos detetados claramente Ensaio a 500 khz ao defeito menor na posição 1. Excelente relação sinal ruido 18 9
Resumo sondas replicadas Sonda comercial Sonda convencional Sonda três enrolamentos reflexão diferencial Modo absoluto com bobinas espirais circular planas 19 Resumo sondas originais Excitação axial leitura em bobinas espirais trapezoidais Excitação tangencial leitura em bobinas espirais trapezoidais Modo absoluto com bobinas espirais trapezoidais planas Excitação helicoidal leitura em bobinas espirais trapezoidais 20 10
Conclusões O equipamento para inspeção desenvolvido constitui uma mais valia, pode ser aproveitado futuramente, e demonstrou grande utilidade. As sondas inovadoras desenvolvidas, especialmente as que funcionam em modo de reflexão, apresentam uma elevada fiabilidade de inspeção. O defeito menor, do tubo do ITER foi detetado claramente com uma relação sinal/ruído excelente, ao contrário dos resultados obtidos com a sonda comercial. Os resultados obtidos nos ensaios experimentais foram coerentes com as simulações efetuadas, provando assim a sua utilidade e importância pois permitiram avaliar e prever os efeitos dos diferentes parâmetros e caracterizar os fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas. No âmbito deste trabalho foi estabelecido um importante conhecimento processual em END por CI de geometrias tubulares. 21 Agradecimentos Um agradecimento à Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT MEC), pelo suporte financeiro concedido no âmbito do projeto INSPECT (PTDC/EEI PRO/3219/2012). TS e RM agradecem a PEst OE/EME/UI0667/2014. Ao INESC, Aalto University e à GLEXYZ pelo apoio nas simulações. 22 11