APLICAÇÃO PRÁTICA DE ULTRA-SOM COMPUTADORIZADO NA INSPEÇÃO DE VASOS DE PRESSÃO, BASEADO NO "CODE CASE" 2235. Manfred Ronald Richter Consultor Técnico e Inspetor nível 2 e 3 pelo SNQC da ABENDE e nível 3 do PCN da Inglaterra. PETROBRAS/ENGENHARIA/SL/SEQUI (Contratado) e-mail : manfredrichter@uol.com.br Humberto Silva Campinho Consultor Técnico e inspetor nível 2 do SNQC da ABENDE. PETROBRAS/ENGENHARIA/SL/SEQUI e-mail : campinho@petrobras.com.br SINOPSE: O trabalho tem como objetivo apresentar as técnicas de ensaio de ultra-som computadorizado e mecanizado na Petrobrás, bem como apresentar os ótimos resultados práticos obtidos com este ensaio na substituição da radiografia, durante a construção de vasos de pressão, projetados segundo o ASME VIII Div.2. São ressaltados os pontos relevantes da substituição permitida e suportada pelo "Code Case" 2235 do ASME, bem como são discutidas as melhores técnicas de ensaio para atendimento do "Code Case". Palavras Chave: Ultra-som computadorizado, Inspeção Vaso de Pressão 1. HISTÓRICO. Historicamente a radiografia sempre foi o ensaio mandatório na inspeção de soldas durante a fabricação e reparo de vasos de pressão regidos pelo código ASME. Em fevereiro de 2000, em resposta à consulta feita ao ASME, o Comitê encarregado aprovou a revisão 2 do "Code Case" 2235, permitindo a substituição do ensaio radiográfico pelo ultra-sônico na inspeção de soldas de vasos de pressão com espessuras ½ desde que atendidos todos os requisitos nele enumerados. O referido "Code Case", atualmente se encontra na revisão 4 ( Code Case 2235-4). A Petrobras, por necessidade de atendimento de seus interesses, já vinha utilizando o ensaio ultra-sônico em substituição ao radiográfico, mas esta substituição tornava necessário o reenquadramento do equipamento em outras normas de projeto, para se ter o devido suporte técnico. Com o evento da aprovação do Code Case 2235-2, esta prática foi abandonada totalmente, passando-se a ser requerido o cumprimento integral dos requisitos do ASME, onde se destaca a obrigatoriedade do emprego de sistemas computadorizados, com armazenamento de 100% dados de inspeção. 2. OBJETIVO. Este trabalho visa apresentar as técnicas de ensaio de ultra-som computadorizado e mecanizado já utilizados na Petrobrás, bem como apresentar os ótimos resultados práticos obtidos com este ensaio na substituição da radiografia, durante a construção de vasos de pressão, projetados segundo o ASME VIII Div.2 e inspecionados de acordo com os requisitos do "Code Case" 2235-3. 3. TRABALHOS DESENVOLVIDOS. 3.1 Inspeção antes do "Code Case". Normalmente a norma de suporte utilizada foi a AD-Merblatter HP 5/3, que permite inclusive o uso do ensaio manual. Nos empreendimentos que antecederam a aprovação do Code Case do ASME, a Petrobras através do seu Serviço de Engenharia já vinha adotando como requisito contratual o emprego de sistemas de ultra-som que produzissem registro de toda a inspeção, o que preconizava o uso de sistemas computadorizados. A figura 1 ilustra exemplo de sistema empregado. Adicionalmente, em todas as substituições implementadas, como medida preventiva e de controle do ultra-som, sempre foi requerido que todos os cruzamentos de solda e mais um percentual mínimo de 10% das demais soldas fossem radiografadas. 02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003 Rio de Janeiro - RJ - Brasil
FIGURA 1 EXEMPLO DE SISTEMA COMPUTADORIZADO UTILIZADO. 3.2 Inspeção após aprovação do "Code Case" 2235-3". 3.2.1 O "Code Case" 2235. Com a redução de espessura permitida na revisão 2 do "Code Case", para ½, a amostragem por radiografia praticada anteriormente foi abolida, e em contrapartida a Petrobras passou a exigir o rígido cumprimento dos requisitos do "Code Case". Anexo se encontra uma tradução livre e resumida do "Code Case" para referência. 3.2.2 Técnicas recomendadas para a aplicação do "Code Case" 2235-4. Pelos requisitos exigidos, a aplicação do "Code Case" preconiza que para aplicação eficiente, tanto em termos de qualidade, quanto de produtividade, o uso de sistemas computadorizados e mecanizados para o ensaio de ultra-som. Dentre as técnicas consagradas disponíveis, pode-se enumerar a de Pulso-Eco, TANDEM e a do Time of Flight Diffraction (ToFD). Embora as técnicas acima venham a produzir resultados adequados para a aplicação do "Code Case", não pode-se deixar de citar a possibilidade de aplicação de técnicas mais evoluídas, como por exemplo a do Phased Array que embora ainda seja de custo elevado, já se encontra disponível no mercado mundial. 3.2.2.1 A técnica de Pulso-Eco (ver figura 2), é uma técnica consagrada e já bastante difundida e aplicada para detecção de descontinuidades, que entretanto, para aplicação dos critérios recomendados pelo "Code Case", que são baseados nas dimensões (área) das descontinuidades, apresenta desvantagens quanto à precisão dos resultados, quer por limitações e imprecisões inerentes das técnicas utilizadas, quer pela imperícia induzida pelos inspetores utilizados.
FIGURA 2 Exemplo de técnica Pulso-Eco 3.2.2.2 - A técnica TANDEM (ver figura 3), a exemplo do pulso-eco, também é uma técnica já consagrada e apresenta ótima sensibilidade para detecção de descontinuidades. É recomendada principalmente para aplicação em soldas de grandes espessuras e em juntas com ângulo de chanfro muito fechados, do tipo narrow gap, onde as descontinuidades apresentam orientação desfavorável ao feixe angular na técnica de pulso-eco. Entretanto para o dimensionamento de descontinuidades apresenta limitações inerentes que exigem a uso de outras técnicas para este fim. FIGURA 3 Exemplo de técnica TANDEM. 3.2.2.3 A técnica do ToFD (ver figura 4), por trabalhar referenciada no nível de difração, proporciona alta sensibilidade ao ensaio, e embora seja uma técnica desenvolvida há muitos anos, teve sua aplicabilidade incrementada nos últimos 10 anos, principalmente pela computadorização dos sistemas de inspeção e maior aplicação de programas de integridade estrutural / mecânica da fratura. Os programas de mecânica da fratura, ao invés de refletividade da descontinuidade, requerem informação da sua altura na direção da espessura, tornando a precisão de dimensionamento, fator primordial para o melhor aproveitamento desta ferramenta. Comparativamente às outras técnicas de dimensionamento de altura de descontinuidades, nenhuma tem demonstrado o grau de precisão apresentado pelo Time of Flight Diffraction, que para descontinuidades internas é da ordem de 0,5 mm e para descontinuidades superficiais na ordem de 1 mm. FIGURA 4 - Princípio da técnica ToFD.
Além a alta sensibilidade comparada a outras técnicas e métodos de ensaio (ver figura 5), uma de suas grandes vantagens é o fato de se poder, através dos próprios registros gerados pelo ensaio, perceber rapidamente eventuais erros operacionais induzidos por imperícias de inspetores. FIGURA 5 Comparação da Probabilidade de Detecção (POD) entre técnicas para diferentes alturas de descontinuidades ( Fonte AEA QT News Article). A técnica ToFD fora desenvolvida inicialmente para o dimensionamento de descontinuidades conhecidas, mas como já citado anteriormente, o evento da computadorização dos sistemas de inspeção permitindo a aquisição e registro de 100% dos dados, que proprociona maior reprodutibilidade e repetibilidade ao ensaio, fez com que esta técnica também passasse a ser empregada nas inspeções com a finalidade de detecção de descontinuidades. Entretanto, assim como em outras técnicas, como técnica de detecção apresenta limitações inerentes, que tornam necessário a complementação do ensaio pela aplicação simultânea ou posterior com feixes angulares trabalhando em o pulso-eco. Como limitação, pode-se indicar a falta de resolução em uma faixa de aproximadamente 3 mm, próxima à superfície de varredura, (região da onda lateral), bem como uma faixa de aproximadamente 1 mm na superfície oposta. Os valores destas faixas podem ser maiores, quanto maior for o desalinhamento na junta soldada, ou ainda, quanto maior for a diferença de espessura em juntas com transição de espessuras, comuns em soldas de calota x casco de vasos. Deve-se ressaltar, que a falta de resolução próxima impacta de forma mais importante no dimensionamento da altura do que na detectabilidade, e que esta limitação ainda pode ser minimizada efetuando-se varredura adicional pela superfície oposta. 3.2.2.4 A técnica Phased Array, utiliza um cabeçote composto por um mosaico de transdutores, que através de um software, são ativados de maneiras diversas, de modo a produzir um feixe sônico com as características desejadas. Os resultados que podem ser obtidos com esta técnica podem ser fantásticos, 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 precisão, grande confiabilidade. O emprego desta tecnologia por ser ainda bastante cara, não vem sendo muito utilizada no mercado mundial, e na Petrobras já fora utilizada para monitoramento de descontinuidades, com resultados melhores e mais precisos do que o ToFD. FIGURA 6 Princípio da técnica Phased Array. 3.2.3 Resultados práticos - exemplos de aquisição e registros. 3.2.3.1 Um exemplo de registro de sistema operando somente em Pulso-eco se encontra na figura 6 e fora aplicado anteriormente ao uso do "Code Case" 2235:
FIGURA 6 Exemplo de registro de sistema operando somente em pulso-eco, software na base DOS. Junta soldada em esfera aprovada. 3.2.3.2 Nas figuras 7, 8 e 9 estão apresentados alguns registros e fotos exemplificando uma das aplicações realizadas na construção de esferas com aplicação dos requisitos do "Code Case". No caso exemplificado a seguir, foi empregado um sistema operando as técnicas ToFD e pulso-eco simultaneamente. Para detecção de descontinuidades longitudinais foram utilizados 2 pares de cabeçotes ToFD (60º e 70º) e dois pares de cabeçotes pulso-eco ( 45º e 60º para cobrir as regiões próximas das superfícies). Para detecção de descontinuidades transversais foram utilizados 2 pares de cabeçotes ToFD de 60º. É importante relatar ainda, que a inspeção fora realizada com somente uma varredura do conjunto de cabeçotes, o que representou uma substancial economia de tempo.
FIGURA 7 Exemplo de inspeção de ultra-som em esfera pela técnicas pulso-eco e ToFD. FIGURA 8 Foto exemplificando o scanner manual utilizado com as técnicas TOFD e pulso-eco conjugadas.
FIGURA 9 Croqui exemplificando a disposição e função dos vários cabeçotes para a inspeção da solda. (a) Registro de canais de 45º (superfície de varredura), 60º (superfície oposta) e ToFD 60º (maior volume da solda). Os registros dos canais de descontinuidade transversal não aparecem nesta tela. (b) Detalhe de dimensionamento pela técnica ToFD, para aplicação do critério do "Code Case". FIGURA 10 - Exemplo de registro gerado por sistema conjugando ToFD e pulso-eco. 3.2.3.3 Nas figuras 11 e 12 estão algumas fotos e registros exemplificando uma das aplicações realizadas na fabricação de vaso de pressão com aplicação dos requisitos do "Code Case". Neste caso específico, foram utilizadas as técnicas pulso-eco, TANDEM e ToFD.
(a) Inspeção com ToFD (b) Inspeção com pulso-eco. FIGURA 11 Exemplo de inspeção em vaso de pressão com técnicas pulso-eco, TANDEM e ToFD.
FIGURA 12 Exemplo de registro com pulso-eco e TANDEM em vaso de pressão. 3.2.4 Radiografia x Ultra-som. Comparativamente à radiografia, os benefícios da aplicação do ultra-som em termos de prazo de inspeção e detectabilidade já são bastante conhecidos. Em uma das aplicações efetuadas na construção de esfera, 2 mobilizações da equipe de ultra-som computadorizado, totalizando aproximadamente uma semana de serviço, foram suficientes para se concluir a aquisição dos dados, ressalvando-se que o controle do processo de soldagem neste caso fora efetuado com ultra-som manual. O tempo para avaliação dos resultados e emissão dos resultados é semelhante ao tempo necessário para aquisição, em virtude do tipo de critério de aceitação imposto pelo "Code Case", (considera a interação entre descontinuidades), e da cuidadosa análise de sinais necessária. Em termos de custo, pode-se afirmar que atualmente o custo total é semelhante ao da inspeção radiográfica. Entretanto a relação custo/benefício considerando a repetibilidade de reprodutibilidade do ensaio ultra-som computadorizado, valor da obra, tempos envolvidos, radioproteção e etc. apresentam um saldo bastante positivo para o ultra-som computadorizado. Para serviços menores, por exemplo, monitoramento de descontinuidades, pela natureza eventual da inspeção, o custo diário excede bastante (cerca de 5 vezes) ao de uma equipe radiográfica, mas que são facilmente justificados pelas vantagens do ponto de vista de dimensionamento. 4. RECOMENDAÇÕES / COMENTÁRIOS. 4.1 - Para a inspeção computadorizada e mecanizada, e principalmente quando empregando cabeçotes de pulso-eco, é necessário promover um leve esmerilhamento (alisamento) dos filetes dos reforços de solda, externo e interno, para minimizar as reflexões de geometria que interferem na avaliação de resultados. Pelo fato dos sistemas mecanizados serem rígidos e muitas vezes operados remotamente, não é possível avaliações instantâneas como na inspeção manual, para identificar se o refletor é ou não proveniente de uma condição geométrica de filetes do acabamento. O não lixamento exigiria muitas avaliações e registros complementares. 4.2 Nos cruzamentos, o reforço de solda deve ser totalmente removido para permitir a passagem dos cabeçotes durante a varredura. 4.3 No caso de vasos novos e/ou soldas novas, principalmente para aplicação da técnica ToFD, a soldagem deve ser acompanhada por inspetor de solda e a limpeza entre passes deve ser mais rigorosa que para inspeção radiográfica. Pela alta sensibilidade da técnica ToFD, pequenas inclusões de escória ou porosidades em planos e profundidades diferentes serão registradas e dimensionadas como uma só indicação, pelo fato da visão do registro ser em B scan, e poderão ser
indicadas alturas significativamente maiores, resultando eventualmente em reparo desnecessário, a menos que se proceda a uma avaliação complementar. 4.3 É importante adotar, além da consolidação dos resultados da inspeção por inspetor nível 3 requerida pelo "Code Case" item (j), a supervisão em campo dos trabalhos, também por inspetor de END nível 3, para garantir a estrita aplicação do procedimento, evitando-se principalmente retrabalhos desnecessários por erros operacionais. Deve-se lembrar que algumas vezes os vasos são tratados termicamente, e a identificação tardia de problemas operacionais pode resultar na perda do tratamento efetuado. 4.4 A Petrobras, pelo seu histórico, não aceita inspetores nível 2 qualificados de acordo com a norma ASNT SNT-TC-1 A, por se tratar de uma sistemática de autocertificação pelas empresas que dela fazem uso. A Petrobras tem aceito somente pessoal qualificado de acordo com o SNQC - ABENDE ou outra entidade que opere de acordo com a EN-45013 ou ISO 17024, atendendo também os requisitos estabelecidos na EN-473 e/ou ISO 9712. Adicionalmente, requer comprovação de treinamento no sistema a ser utilizado na inspeção, e qualificação formal no sistema a ser utilizado pela empresa prestadora do serviço. 4.5 É recomendado à fiscalização dos serviços, promover avaliações dos resultados / laudos paralelamente aos trabalhos. 5. CONCLUSÃO. 5.1 Os sistemas computadorizados e mecanizados disponíveis no mercado mundial apresentam configurações básicas que podem atender aos requisitos do code case. Deve-se ressaltar que estes sistemas já vem sendo utilizados no exterior na inspeção de vasos de pressão, há mais de 6 anos. 5.2 - Já há disponível no mercado nacional sistemas computadorizados e mecanizados que apresentam desempenho satisfatório para aplicação do "Code Case" 2335 e nas aplicações efetuadas na Petrobras atenderam plenamente. Referências: 1. Betti F.,Zappavigna G., Pedrinzani C., Nardoni G., Nardoni F. - Accuracy Capability of ToFD Technique in Ultrasonic Examination of Welds 15º WCNDT. 2. EN-583-6, Nondestructive Testing Ultrasonic Examination Part 6 Time of Flight diffraction technique as a method for detection and sizing. 3. CASE 2235- Cases of ASME Boiler and Pressure Vessel Code. 4. A Erhard, U Ewert The ToFD Method-Between Radiography and Ultrasonic in Weld Testing NDT.net-September 1999,vol.4 N.º9. 5. Noël Dubé -R/D Tech Québec, Canada, Michael Moles - R/D Tech Toronto, Canada, Malcolm 6. Russell - MR Consulting, Nottingham, UK, Ed Ginzel - Materials Research Institute, Waterloo, Canada - Mechanized Inspection of Girth Welds using Ultrasonic Phased Arrays 15 th. WCNDT. 7. Paul A. Meyer, J.W. Anderson, Krautkramer Branson - Lewistown, PA USA - Ultrasonic Testing Using Phased Arrays 15 th. WCNDT. 8. Moles M., Cancre F., Ward R., Lamarre A., R/D Tech Industrial Inspections Using Ultrasonic Phased Arrays 1999 ASNT Fall Conference. Title PRACTICAL APPLICATION OF THE ULTRASONIC COMPUTERIZED TO THE PRESSURE VESSEL INSPECTION BASED AT THE ASME CODE CASE 2235. Abstract: This paper intend to present the application of UT computerized and mechanized techniques in the Petrobras Company, as well as the good results obtained as a substitute of radiography, during the construction of pressure vessels designed according to the ASME Code, Sec. VIII, Div. 2. The paper emphasize the relevant points to the allowed substitution by the ASME Code Case 2235, and discuss about the best techniques to the fulfillment of the Code Case. Key words: Computerized Ultrasonic Inspection, NDT Pressure Vessel Inspection Os autores são os únicos responsáveis pelo material divulgado neste trabalho.
ANEXO I Tradução livre e resumida do "Code Case" 2235-4 (* Nota do autor: a tradução a seguir é parcial e no caso de aplicação deste "Code Case", o texto original deverá ser utilizado) CODE CASE 2235-4. Pergunta: Sob que condições e limitações o exame por ultra-som pode ser usado em substituição à radiografia, quando a radiografia é requerida de acordo com a Seção I, para. PW-11; Seção VIII Div. 1, para. UW11(a); e Seção VIII, Div. 2, tabela AF-241.1? Resposta: É de opinião do Comitê que todas as soldas em materiais de espessuras de ½ ou maiores em vasos de pressão e caldeiras, podem ser examinadas usando método de ultra-som em substituição ao método de radiografia, desde que todos os seguintes requisitos sejam cumpridos: a) Todo volume de solda deve ser inspecionado (+ 1 ou 2 para cada lado em função de t ) b) O exame deve ser realizado usando sistema com aquisição de dados automático computadorizado. c) Plano detalhado de varredura (padronização e repetibilidade). d) Aquisição de dados sem nenhum tipo de processamento (A scan completo, sem aplicação de gates, filtros e threshold ). e) Inspeção conforme ASME V art. 4. - Deve ser utilizado um procedimento escrito, - Procedimento deve ser demonstrado (validado) em um bloco de qualificação com pelo menos uma descontinuidade planar superficial e uma sub-superficial. f) Utilizar pessoal qualificado conforme ASNT SNT-TC-1A ou CP-189. Somente pessoal nível 2 e 3 devem analisar os dados ou interpretar os resultados. g) Documentação da qualificação do pessoal da contratada deve ser mantida pelo empregador. h) Adicionalmente, o pessoal que adquire e analisa os dados de UT devem ser treinados usando o equipamento indicado em b) e devem participar do teste de demonstração de e). i) Avaliação e o critério de aceitação devem ser conforme o seguinte: (1) Critério de Registro. Refletores com resposta maior do que 20% do nível de referência devem ser investigados. Qualquer refletor considerado como descontinuidade deve ser registrado, independente de sua amplitude. Alternativamente para métodos ou técnicas que não usem registro de amplitude, descontinuidades dimensionadas e maiores do que 40% dos valores obtidos nas tabelas 1, 2 ou 3 devem ser investigadas. A amplitude máxima, localização, e extensão destes refletores devem ser registradas. (2) Geometria. Indicações de origem geométrica ou metalúrgica devem ser classificadas com se segue: (a) Indicações decorrentes de condição geométrica superficial (tais como reforço externo, raiz, etc) ou variações da estrutura metalúrgica do material (tais como interface de clad) podem ser classificadas como indicações de geometria e: (1) não necessitam ser caracterizadas ou dimensionadas; (2) não necessitam comparação com as tabela 1, 2 ou 3; (3) a amplitude máxima e localização da indicação devem ser registradas. (b) Os seguintes passos devem ser realizados para classificar uma indicação como geométrica: (1) Interpretar a área contendo o refletor, de acordo com o procedimento de exame; (2) Plotar e verificar as coordenadas do refletor, fornecendo a seção transversal mostrando a posição do refletor ; (3) Rever desenhos de fabricação e preparação de soldagem. (c) Alternativamente, outros métodos ou técnicas de END podem ser aplicadas para classificar uma indicação como geometria ( e.g. outros feixes angulares, radiografia, retirada de perfil das junta OD e/ou ID). (3) Dimensionamento de descontinuidades. Descontinuidades devem ser dimensionadas de acordo com um procedimento qualificado através da demonstração em refletores similares em profundidades similares no material. As dimensões da descontinuidade devem ser determinadas pelo retângulo que contenha completamente a área da descontinuidade.
(4) Avaliação das descontinuidades. A avaliação de descontinuidades deve ser realizada pela aplicação do critério das tabelas 1, 2 ou 3 e pelos seguintes requisitos adicionais: (a) Descontinuidades superficiais; (ver code case ) (b) Descontinuidades múltiplas; (ver code case ) (c) Descontinuidades internas; (ver code case ) j) O pacote final dos dados adquiridos deve ser revisto por um inspetor nível 3. A revisão deve incluir: (1) Os arquivos de dados do ultra-som (2) As interpretações dos dados (3) As avaliações/caracterizações realizadas por outros inspetores nível 2 ou 3. k) A placa de identificação deve indicar que a inspeção das soldas requeridas pelo ASME Seção I ou Seção VIII Div. 1 ou Div. 2, foram inspecionadas pelo ensaio de ultra-som. l) Este nº de Code Case deve constar nos Relatórios do fabricante, e a extensão do exame de ultra-som deve ser indicado.