ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS
Silvério Ferreira da Silva Junior
Paulo Villani Marques
Belo Horizonte, Novembro de 2006
Capítulo 1
Introdução aos Ensaios Não Destrutivos
1. Conceitos Fundamentais
A arte de inspecionar sem destruir evoluiu, principalmente a partir da década de 50, de simples
curiosidade de laboratório até se tornar uma ferramenta indispensável de produção. Hoje os ensaios não
destrutivos são largamente utilizados na indústria moderna em todo o mundo para avaliação da
qualidade e detecção de variações na estrutura, pequenas falhas superficiais, presença de trincas e
outras interrupções físicas, medida de espessura de materiais e revestimentos e determinação de outras
características de materiais e produtos industriais.
Classicamente, são considerados ensaios não destrutivos aqueles que quando realizados em peças
acabadas ou semi-acabadas não interferem nem prejudicam seu uso futuro ou processamento posterior.
Eles são usados para determinação de algumas propriedades dos materiais e para a detecção de
possíveis descontinuidades em peças e produtos industriais.
Descontinuidades são interrupções na estrutura normal de um material, em nível macro ou microscópico,
passíveis de serem percebidas durante a realização de um END.
Uma característica marcante dos END é que eles raramente medem diretamente a propriedade de
interesse. O valor dessa propriedade geralmente é obtido a partir de sua correlação com uma outra
grandeza que é medida durante a realização do teste.
As diversas técnicas e métodos de inspeção não destrutiva serão vistos em detalhes nos capítulos a
seguir, mas antes é conveniente saber por que se usam estes ensaios.
2. Razões para uso dos ensaios não destrutivos (END)
As principais razões para uso dos END são:
• garantir a qualidade dos produtos e a reputação dos fabricantes;
• prevenir acidentes e a perda de vidas humanas e a paralisação de serviços básicos;
• aumentar os lucros dos fabricantes.
O comprador de um produto tem sempre a expectativa de que poderá usufruir deste por um longo
período, sem a ocorrência de defeitos ou necessidade de manutenção. O comprador de um automóvel
ou o usuário de um meio de transporte público espera poder usar os veículos sem atrasos ou falhas
devidas a defeitos mecânicos. Um industrial deseja que seus equipamentos funcionem melhor, mais
rápido, e, se possível, automaticamente, independentemente da sua complexidade. Em outras palavras,
a confiabilidade é indispensável.
Se a probabilidade de falha de um componente é de uma em mil, isto pode ser aceitável. Contudo, a
confiabilidade de um equipamento ou conjunto é dada pelo produto da confiabilidade de seus
componentes críticos. Assim, a confiabilidade (R) de um produto montado a partir de, por exemplo, 100
componentes críticos, será dada por:
100
R = 0,999 x 0,999 x 0,999 x ...... x 0,999 = 0,999
= 0,9048
A possibilidade de falha será dada então pela diferença (1 – 0,9048) = 0,0952, ou seja,
aproximadamente 0,1 ou uma em dez. Claro que o comprador de um produto ficará extremamente
insatisfeito se ele falhar uma a cada dez tentativas de uso. Portanto, a confiabilidade de um componente
precisa ser imensamente maior que a do produto montado final.
Por exemplo, o motor de um automóvel de 4 cilindros possui um virabrequim, conectado a quatro bielas,
quatro cabeças de pistão, oito válvulas, oito molas, anéis de segmento e centenas de outras partes, que
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são críticas para seu funcionamento e qualquer falha em uma dessas partes causará a parada do motor.
A incidência incrivelmente baixa de falhas em motores é devida à capacidade de projetistas e
engenheiros de fabricação e de qualidade de conceber, fabricar e montar conjuntos corretamente, de
acordo com normas de fabricação bem estabelecidas.
Em geral, a ocorrência de acidentes ou falhas causa incômodo e inconveniência, mas em certos casos,
são totalmente impensáveis ou inadmissíveis. A falha no sistema de direção de um ônibus ou trem de
ferro a 100 km por hora ou do trem de aterrisagem de um avião durante um pouso poderá resultar na
perda de dezenas ou centenas de vidas humanas. O vazamento de pequenas quantidades de material
radiativo de uma usina nuclear pode matar e/ou afetar a vida de milhares ou milhões de pessoas. Nestes
casos, não se pode contar apenas com a sorte para evitar tais ocorrências.
Mas se por um lado a garantia de qualidade e confiabilidade de produtos é uma importante razão para
uso dos END, igualmente importante é que isto gere lucro para os seus usuários. Isto pode ocorrer
implícita ou explícitamente. A garantia de satisfação do comprador é uma fonte implícita de lucro,
conseqüência direta da reputação do fabricante, que aumenta sua vantagem competitiva.
Os END também podem contribuir para o aumento dos lucros na medida em que, quando aplicados na
produção experimental de um lote de novos produtos, indicam aos projetistas necessidades de
mudanças no projeto, através, por exemplo, da análise experimental de tensões, resultando em produtos
mais leves, resistentes, confiáveis e de menor custo.
Durante a fabricação, o controle dos processos produtivos é fundamental para a manutenção da
qualidade e evitar que se produza sucata. Por exemplo, numa operação de tratamento térmico, todo o
procedimento deve ser estabelecido de modo a se obter determinadas características para o produto.
Assim, um END aplicado a algumas ou todas as peças pode determinar se a variabilidade da análise
química do material pode resultar em dureza inadequada ou geração de trincas. Um outro teste aplicado
às peças antes de entrarem para tratamento pode evitar que peças inadequadas sejam tratadas e
produzam sucata. Um terceiro teste aplicado depois da operação poderá indicar se a dureza desejada
está sendo atingida e indicar necessidade de mudanças na operação, economizando recursos para o
produtor.
A inspeção de lingotes antes do forjamento, por exemplo, pode detectar a presença de trincas ou
inclusões que resultariam em peças defeituosas, evitando a utilização de recursos produtivos em
material impróprio, reduzindo os custos de fabricação.
Finalmente, um produto não precisa ser necessariamente “perfeito”, mas deve apresentar um nível de
qualidade adequado para uma determinada finalidade. A manutenção do nível adequado de qualidade e
uniformidade da produção pode ser mais facilmente atingida com o uso dos END, aumentando os lucros
da empresa. A Figura 1 mostra a relação entre o custo de produção e o valor de venda de um produto
em função de sua “perfeição”.
Tolerância de
Tolerância
Custo (valor
monetário)
Tolerância do
Custo de
produção
Valor de
venda
Máximo valor
agregado
Nível de perfeição
Figura 1 – Relação entre os custos de produção e venda de produtos e seu nível de qualidade.
3
O custo de produção tende a se tornar mais alto à medida que as tolerâncias de fabricação diminuem,
aproximando-se da perfeição, tendendo ao infinito. O valor de venda vai desde zero, para um produto
imprestável, aumentando até um valor máximo, aceito pelo mercado, quando se aproxima da perfeição.
O nível de qualidade ótimo para o fabricante é o que permite o maior lucro, isto é, a máxima diferença
entre o valor de produção e o de venda.
3. Elementos Básicos dos Ensaios Não Destrutivos
Qualquer END envolve cinco elementos básicos:
• uma fonte que fornece e distribui de forma adequada um meio de inspeção ao objeto em teste;
• uma modificação do meio de inspeção ou sua distribuição no objeto ensaiado como resultado da
presença de descontinuidades ou de variações da propriedade de interesse;
• um detector sensível a essas modificações ou variação de distribuição do meio de inspeção;
• uma indicação ou registro das indicações do detector de forma útil para interpretação e,
finalmente
• um observador ou dispositivo capaz de interpretar as indicações ou registros em termos da
propriedade de interesse ou da presença e localização de descontinuidades.
O meio de inspeção geralmente é suprido por uma fonte externa, como uma fonte de raios-X ou uma
bobina de magnetização. Ele pode ser distribuído sobre inteiramente sobre o volume do objeto em teste
ou concentrado em uma região deste. Alguns meios podem penetrar no material a grandes
profundidades enquanto outros são escolhidos de forma a não penetrar profundamente, ficando limitados
a uma distância mínima abaixo da superfície.
Como não é possível introduzir de forma não destrutiva um detector no objeto sob teste, a modificação
ou variação de distribuição do meio de inspeção causada pela variação da propriedade medida ou pela
presença de descontinuidades deve ser externa a esse e conseqüentemente deve ser diferente em
peças homogêneas e não homogêneas.
O detector deve ser sensível às modificações do meio de teste, sem contudo ser muito influenciado por
outras fontes de modificações que não aquela de interesse ou, em outras palavras, deve apresentar
baixo ruído.
Se o sinal de saída do detector é muito baixo, algumas dificuldades quanto à calibração e estabilidade do
sistema podem ser encontradas quando é necessária grande amplificação. Por isso, algumas condições
de teste possíveis em laboratório não são adequadas para aplicação prática em campo.
Uma maneira de contornar estas dificuldades é usar valores comparativos ao invés de valores absolutos
ou medidas fundamentais. Assim, peças ou materiais padrão, cujas características ou propriedades são
bem conhecidas podem ser usadas para comparação com objetos ou materiais com propriedades ou
características desconhecidas. Contudo, esses padrões têm de ser escolhidos com bastante critério, de
forma a não introduzir novas variáveis no ensaio. Se o objeto em teste e o padrão são sujeitos
simultaneamente a idênticas condições de medição, efeitos causados pela instrumentação usada e pelas
condições ambientais são cancelados.
Por fim, as indicações ou registros produzidos num END devem ser tais que possam ser interpretados
em termos das propriedades de interesse ou da adequação ao uso do objeto ensaiado. Em alguns casos
isso pode ser feito automaticamente em função da amplitude ou valor do sinal de saída. Em outros, nos
quais este sinal pode sofrer variações por múltiplas causas, é necessário um inspetor experiente para
essa função.
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4. Tipos de END’s
Várias formas de energia e matéria podem ser usadas como meio de inspeção. Qualquer lei da natureza
pode ser usada como base para um END se meios práticos forem desenvolvidos para propiciar cada um
dos cinco elementos básicos dos END vistos anteriormente. De modo geral, os meios de inspeção
envolvem:
• movimento de matéria,
• transmissão de energia ou
• combinação de movimento de matéria e transmissão de energia.
Matéria nos estados sólido, líquido ou gasoso é usada em muitos testes, respectivamente como
revestimento frágil para indicação de deformações, indicação da presença de trincas superficiais ou
detecção de vazamentos em testes de estanqueidade.
Energia eletromagnética ou vibração mecânica, por exemplo, são usadas em testes para determinação
de propriedades dos materiais como condutividade elétrica ou permeabilidade magnética ou para a
detecção da presença de descontinuidades como trincas ou vazios.
As propriedades ou características típicas medidas em ensaios não destrutivos são:
• propriedades geométricas, tais como tamanho, forma, espessura e descontinuidades dos
materiais como trincas, porosidades e delaminação;
• propriedades mecânicas, como dureza, constantes elásticas e estados de tensão e deformação;
• propriedades estruturais e composição, como tamanho de grão, inclusões, segregação e teor de
elementos de liga;
• propriedades de absorção, reflexão e espalhamento, como reflexão e refração de raios-x e raiosγ, elétrons, e vibrações mecânicas sonoras ou ultrasônicas, freqüentemente relacionadas com
densidade, espessura, espaçamento atômico, tensões, tamanho de grão e temperatura;
• propriedades elétricas e magnéticas, como condutividade elétrica, permeabilidade magnética,
distribuição de correntes parasitas, energia armazenada, muitas vezes relacionadas com
composição química e teor de liga, estrutura cristalina, resultado de tratamentos térmicos,
dureza, tensões;
• propriedades térmicas, como condutividade e expansão térmicas.
Estas propriedades podem ser medidas de forma absoluta, diferencial ou relativa, tanto em regiões
localizadas ou de forma generalizada, usando diferentes meios de inspeção ou combinações destes.
5. Comparação com Ensaios Destrutivos
Ensaios destrutivos e não destrutivos não são concorrentes, mas complementares. Há duas maneiras
práticas de se provar a correlação entre propriedade de interesse e propriedade medida nos testes: a
primeira é acumular experiência em serviço, de forma adequada, com aquele material ou peça; a
segunda é usar ambos os tipos de ensaios, destrutivos e não destrutivos, cada um sendo usado para
verificar as suposições implícitas no outro método. Por exemplo, ensaio não destrutivo como a
radiografia industrial pode ser usado para comparar todas as peças de um lote de produção,
estabelecendo a similaridade entre todas as peças e algumas delas podem ser ensaiadas
destrutivamente e as outras colocadas em serviço. Alternativamente, ensaios destrutivos podem ser
usados para estabelecer a correlação entre a propriedade de interesse e a propriedade medida nos
END.
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Em relação aos ensaios destrutivos, os END apresentam vantagens e desvantagens:
Ensaios Destrutivos
Vantagens
END
Limitações
Os testes geralmente simulam uma ou mais
condições
de
serviço,
medindo
assim
diretamente a propriedade de interesse de
forma confiável.
Os testes envolvem medidas indiretas das
propriedades, sem significação direta com as
condições de serviço.
Os testes usualmente medem quantitativamente
cargas de falha, quantidade de distorção ou
dano ou tempo de vida sob determinadas
condições de operação; fornecendo valores
numéricos que podem ser usados diretamente
no projeto ou em especificações.
Os testes são geralmente qualitativos e
raramente quantitativos. Eles não medem
diretamente cargas de falha ou vida útil, mesmo
indiretamente. Eles podem contudo revelar
danos ou mecanismos de falha.
A correlação entre as medidas feitas no ensaio
e a propriedade de interesse é direta, de forma
que diferentes observadores, em geral,
concordam entre si quanto aos valores medidos
e sua significação em termos de condições de
uso.
Julgamento por pessoas capacitadas ou
experiência em serviço são geralmente
necessárias na interpretação dos resultados.
Quando a correlação essencial entre a
propriedade medida e a de interesse não está
claramente provada ou a experiência é limitada,
pode
haver
discrepâncias
quanto
à
interpretação dos resultados.
Ensaios Destrutivos
Limitações
END
Vantagens
Os ensaios não são realizados nas peças que
realmente vão ser usadas e a similaridade ou
correlação com as que serão usadas deve ser
provada por outros meios.
Os testes são feitos diretamente nas peças que
serão colocadas em serviço, não deixando
dúvidas quanto à sua representatividade
Os testes só podem ser feitos em parte do lote
de produção e podem ser pouco úteis quando a
propriedade medida pode variar de forma
imprevisível de uma peça para outra.
Os ensaios podem ser realizados em cada peça
produzida, se justificável economicamente e
assim elas podem ser usadas mesmo que
apresentem diferenças entre unidades ou lotes.
Os testes não podem, em geral, ser feitos em
peças finais mas apenas pedaços do material
processado de forma similar às peças que serão
colocadas em serviço.
Os testes podem ser feitos em toda a produção
ou em todas as regiões críticas, de forma que a
avaliação é feita nas peças como um todo.
Muitas seções podem ser examinadas
simultaneamente ou seqüencialmente.
Um único ensaio pode medir apenas uma ou
poucas propriedades críticas do material em
condições de serviço.
Muitos END são sensíveis a diferentes
propriedades ou regiões do material ou peça,
podendo ser aplicados seqüencialmente ou
simultaneamente,
sendo
possível
medir
diferentes propriedades correlacionadas com o
desempenho em serviço.
Geralmente ensaios destrutivos não são
aplicáveis a peças durante serviço. Este precisa
ser interrompido e as peças precisam ser
definitivamente removidas.
Freqüentemente os END podem ser aplicados a
peças durante o serviço, sem necessidade de
parada e desmontagem. Não há perda da peça
ou de suas condições de serviço.
6
Ensaios Destrutivos
Limitações
END
Vantagens
Efeitos cumulativos em um certo período de
tempo não podem ser medidos em uma única
peça. Se várias peças de um mesmo lote são
testadas com essa finalidade, é necessário
verificar se essas são similares inicialmente. Se
peças usadas são testadas após vários
períodos de tempo de uso é necessário provar
que cada uma delas foi submetida a condições
de serviço equivalentes antes de validar os
dados.
Os END permitem inspeções repetidas numa
mesma peça ao longo do tempo, permitindo
acompanhar a evolução do desgaste ou dano,
facilitando estabelecer a correlação destes com
as condições de serviço.
O custo de reposição pode ser muito alto se as
peças testadas tiverem alto custo de material ou
de fabricação, o que pode ser proibitivo.
Peças aceitáveis de alto custo não são perdidas
devido ao ensaio. A repetição de testes, quando
economicamente justificável, pode ser feita
durante a produção ou serviço.
Em geral a preparação de corpos de prova
envolve intensa usinagem ou outros meios, às
vezes de precisão, o que aumenta os custos ou
limita o número de corpos de prova a serem
ensaiados. Além disso, pode requerer muitas
horas de trabalho de pessoal altamente
qualificado.
Pouca ou nenhuma preparação é necessária
para muitos ensaios. Alguns equipamentos de
ensaio são portáteis. Muitos são capazes de
testar e qualificar as peças rapidamente e, em
algumas situações, de forma automática. Em
muitos casos, os custos dos END são baixos,
tanto por objeto testado quanto para toda a
produção, em comparação com os ensaios
destrutivos.
Os requisitos de tempo e mão de obra para
estes ensaios são altos, o que aumenta os
custos de produção se os ensaios são usados
como método primário de controle de qualidade
da produção.
Muitos END são rápidos e requerem menos
mão de obra que os testes destrutivos, sendo os
custos de inspeção de toda a produção, em
muitos casos, equivalente ao da inspeção
destrutiva de apenas uma parte dos lotes
produzidos.
6. Confiabilidade dos END
Como já dito anteriormente, um END raramente mede diretamente a propriedade de interesse, mas sim
propriedades a elas relacionadas. A confiabilidade dos END depende fortemente da correlação entre a
propriedade de interesse e a propriedade realmente medida. A validade desta correlação não pode ser
assumida sem uma prova convincente para cada situação específica. Esta correlação deve ser bem
conhecida para
• cada material específico,
• cada método de produção ou fabricação,
• cada método específico de teste e
• cada aplicação ou condição de serviço do objeto inspecionado.
Se qualquer um destes fatores é modificado, novas evidências da correlação entre propriedade medida e
de interesse devem ser buscadas.
Numa análise probabilística, existem quatro possíveis situações ao término de uma avaliação não
destrutiva:
1. a peça pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que pode,
2. a peça não pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que não pode,
3. a peça pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que não pode e
4. a peça não pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que pode.
As situações 1 e 2 são desejáveis e sua ocorrência resulta em sucesso da inspeção. A situação 3 implica
em prejuízo desnecessário e a situação 4 implica em alto risco de falha. Assim, o sucesso da inspeção
deve ser procurado e maximizado.
Em geral, as normas de inspeção impõem regras e critérios que devem ser rigorosamente seguidos para
se obter sucesso na inspeção, tendo como base o conhecimento acumulado ao longo do tempo e os
novos conhecimentos adquiridos sobre as correlações entre propriedade medida e propriedade de
interesse, considerando os diferentes fatores citados anteriormente.
7. Descontinuidades e Defeitos
Como se viu anteriormente, descontinuidades são interrupções na estrutura normal de um material, em
nível macro ou microscópico, passíveis de serem percebidas durante a realização de um END. Defeitos
são descontinuidades inaceitáveis em uma peça para uma determinada aplicação. Assim, todo defeito é
uma descontinuidade, mas nem toda descontinuidade é um defeito. Descontinuidades idênticas em
peças para aplicações diferentes podem ser consideradas defeitos num caso e em outros não. Em geral,
as normas técnicas definem que tipo e tamanho de descontinuidade é aceitável em uma peça para uma
determinada aplicação, ou em outras palavras, definem o que é um defeito neste caso.
A seguir, serão apresentados alguns tipos de descontinuidades comuns em diferentes tipos de
processamento de materiais.
7.1
Descontinuidades em laminados
Durante a laminação de produtos planos, os grãos dos materiais metálicos são quebrados e deformados
na direção de laminação. As inclusões e porosidades existentes também se deformam, sendo achatadas
e aumentando sua área em todas as direções, mas principalmente na direção de laminação, gerando o
que se chama de delaminação. No caso de barras e tubos, as inclusões se deformam e geram costuras
(“seams”) e estrias (“stringers”) e porosidades geram porosidade tubular (“pipes”). Estas
descontinuidades estão ilustradas na figura 2.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2 – Descontinuidades em laminados. (a) delaminação, (b) costuras, (c) estrias e
(d) porosidade tubular.
8
7.2
Descontinuidades em forjados
Durante o forjamento, o material metálico é deformado por martelamento ou prensagem em matrizes que
têm o formato desejado para a peça. Se as matrizes de forjamento estão desalinhadas, dobras são
geradas, como mostrado na figura 3.
Figura 3 – Geração de dobras durante o forjamento.
As dobras também podem ser causadas por fluxo incorreto de metal durante o forjamento, como mostra
a figura 4.
Fig.4 – Dobra causada por fluxo incorreto de metal durante o forjamento.
Se o material é forjado a uma temperatura incorreta, “burst” podem ser formados, tanto interna quanto
externamente,como mostra a figura 5.
Fig. 5 – “Burst” gerado durante o forjamento.
9
7.3
Descontinuidades em fundidos
Vários tipos de descontinuidades são formados tipicamente em peças fundidas. As gotas frias ocorrem
durante o vazamento do metal líquido no molde e as trincas (“hot tears”) e cavidades de contração como
mostra a figura 6.
Fig. 6 – Formação de gotas frias e problemas de contração.
Bolhas de gás podem ocorrer na superfície do fundido ou internamente (“blow holes”), e porosidades,
como mostra a figura 7.
Fig. 7 – Vazios e porosidades em fundidos.
7.4
Descontinuidades em soldas
As principais descontinuidades em soldas são as trincas na cratera final do cordão, trincas de restrição,
porosidades, inclusões de escória ou de tungstênio, falta de penetração, falta de fusão lateral e
mordeduras, mostradas na figura 8.
As trincas geradas na cratera do final de cordão podem ser longitudinais, transversas ou em múltiplas
direções, ditas em estrela.
As trincas de restrição são conseqüência das tensões de origem térmica geradas durante a soldagem e
da incapacidade do material se deformar para absorver estas tensões. Quanto maiores as restrições
externas à solda que impedem a peça soldada de se mover durante o processo, maior a probabilidade
de formação de trincas.
Porosidades são causadas por gases que não conseguiram escapar durante a solidificação da solda.
As inclusões de escória são, em geral, devidas à limpeza insuficiente entre passes ou à manipulação
incorreta do eletrodo durante a operação.
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Fig. 8 – Principais descontinuidades de soldas.
Inclusões de tungstênio podem ocorrer em soldas feitas pelo processo TIG quando o eletrodo toca a
peça ou correntes muito elevadas para o tipo e diâmetro do eletrodo empregado são usadas.
Falta de penetração e falta de fusão lateral são causadas por falta de energia suficiente para promover a
fusão adequada da junta. Isto pode ser conseqüência de velocidade de soldagem muito alta, corrente
muito baixa, manipulação incorreta do eletrodo, entre outras causas.
As mordeduras são causadas por velocidade de soldagem ou comprimento de arco excessivos.
11
Capítulo 2
A Inspeção Visual
1. INTRODUÇÃO
O ensaio visual é o primeiro método de ensaio que deve ser utilizado para avaliar peças ou componentes
que deverão ser submetidos a outros métodos de ensaios não destrutivos. Isso se deve ao fato de que a
maior parte dos métodos de ensaios não destrutivos requer, em maior ou menor grau, uma boa condição
da superfície, Com a realização do ensaio visual como primeiro método de ensaio, qualquer condição da
superfície da peça ou componente que possa vir a inviabilizar a realização de um determinado ensaio
posteriormente será detectada e corrigida, evitando perdas de tempo e recursos.
O ensaio visual também é utilizado em uma série de outras situações, como a inspeção de tubos em
condensadores de vapor e geradores de vapor na região próxima aos espelhos, em regiões de difícil
acesso em componentes em geral, como motores turbinas; para localização de partes perdidas em
centrais termoelétricas e nucleares, bem com em tubulações de diversos diâmetros, inacessíveis para o
ensaio visual direto, neste caso o exame sendo realizado com o auxílio de dispositivos automatizados
para transportar a instrumentação de captura de imagem até o local. Um dispositivo desse tipo pode ser
observado na figura 1.
Fig. 1 - Inspeção visual de tubulação com auxílio de dispositivo automatizado.
O ensaio visual deve ser realizado de acordo com um procedimento escrito. Este procedimento deverá
descrever qual o processo utilizado para demonstrar a sua adequação. De uma maneira geral, uma linha
com 0,8 mm de diâmetro ou uma imperfeição artificial localizada na superfície a ser examinada ou em
uma superfície similar à mesma pode ser considerados como um método adequado para a
demonstração do procedimento. O dispositivo utilizado para a simulação deve ser posicionado no local
de mais difícil avaliação dentro da região a ser examinada para validar o procedimento.
2. Equipamentos
O equipamento utilizado nas técnicas de ensaio visual direto, remoto ou translúcido deve ser capaz de
atender às condições especificadas no procedimento para a execução do ensaio, como condições de
visualização, aumento, identificação, realização de medições e/ou gravação de informações de acordo
com os requerimentos da seção específica da norma ou código de fabricação.
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3. Aplicações
O ensaio visual é utilizado geralmente para determinar a condição da superfície de um componente, o
alinhamento de superfícies deste componente que se encontram, a forma ou evidências de vazamento.
Adicionalmente, o ensaio visual é utilizado para determinar a condição da região sub-superficial em
materiais compostos translúcidos.
3.1 Exame Visual Direto
O ensaio visual direto pode ser realizado quando o acesso é suficiente para que o examinador posicione
os olhos a até 600 mm da superfície a ser examinada e a um ângulo não menor do que 30º. Podem ser
utilizados espelhos para aumentar o ângulo de visão e instrumentos auxiliares como lentes de aumento
ou outros dispositivos, para melhorar a condição da inspeção. Um instrumento para esta aplicação pode
ser observado na figura 2. A intensidade mínima de luz na superfície examinada deve ser de 1000 lux e
as condições de realização do exame, como a fonte de luz utilizada, técnica utilizada e intensidade de
luz medida, devem ser registrados e guardados. Para juntas soldadas existem ainda alguns gabaritos
que são utilizados para facilitar a avaliação das características geométricas dos cordões de solda,
conforme pode ser observado na figura 3.
Fig. 2 - Microscópio portátil.
Fig. 3 - Gabaritos para avaliação das características geométricas de cordões de solda..
13
3.2 Exame Visual Remoto
Nos casos em que não for possível a realização do exame visual direto, o ensaio visual é realizado de
maneira remota. Para a sua execução podem ser utilizados dispositivos como espelhos, telescópios,
boroscópios, fibras óticas, câmeras ou outros instrumentos adequados. Os sistemas utilizados devem
apresentar uma resolução pelo menos equivalente à obtida através do ensaio visual direto. Alguns
destes instrumentos podem ser observados na figura 4.
Fig. 4 - Boroscópio e fibroscópio para a realização do ensaio visual.
Estão disponíveis no mercado, também, aparelhos de videoscopia, em que a transmissão de imagem é
feita através de um CCD. Um esquema destes equipamentos pode ser observado na figura 5.
Fig. 5 - Endoscópio para a realização do ensaio visual.
3.3 Avaliação
As avaliações devem ser realizadas de acordo com os padrões de aceitação especificados no código de
fabricação ou norma de referência. Deve-se elaborar uma lista de verificação para o planejamento do
ensaio visual e para verificar que as observações requeridas foram realizadas. Esta lista de verificação
deverá conter os requisitos mínimos de exame, não indicando ou limitando a quantidade máxima de
requisitos que devem ser avaliados.
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Capítulo 3
O Ensaio Radiográfico
1
INTRODUÇÃO
O ensaio radiográfico baseia-se na absorção diferenciada da radiação pela matéria. Consiste,
basicamente, em fazer passar um feixe de radiação X, radiação γ ou nêutrons através do objeto em
estudo e registrar as características da radiação emergente do objeto utilizando um meio adequado,
como um filme radiográfico, uma tela fluorescente ou dispositivos eletrônicos de detecção da imagem
radiográfica.
Dependendo das características do objeto em exame, como a sua geometria e o tipo de
descontinuidades apresentadas pelo mesmo, o feixe de radiação sofrerá uma maior ou menor absorção,
sensibilizando em maior ou menor grau o meio utilizado para o registro da imagem radiográfica.
O arranjo básico utilizado para a realização do ensaio radiográfico pode ser observado na figura 1,
referente à radiografia de uma peça com diferentes espessuras e com dois tipos de descontinuidades
comuns de serem encontradas em uma inspeção radiográfica. Na figura também é apresentada a
radiografia obtida, com a aparência radiográfica das diversas regiões da peça.
Fonte de
Radiação
Poro
Cassete
contendo o filme
radiográfico
Inclusão de
material pouco
absorvedor
Peça
Fig. 1 – Arranjo básico utilizado para a realização do ensaio radiográfico.
A porção do feixe de radiação que atravessa as regiões da peça com maior espessura sofre uma maior
absorção, o contrário ocorrendo com as regiões com menor espessura. Na imagem radiográfica,
portanto, as regiões mais espessas da peça apresentarão uma tonalidade mais clara do que as regiões
menos espessas. A porção do feixe de radiação que atravessa a região onde se localiza o poro também
sofrerá uma menor absorção. Consequentemente a imagem radiográfica resultante apresentará uma
tonalidade escura. O mesmo ocorre com a inclusão de um material pouco absorvedor, como por
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exemplo, uma escória. Caso a inclusão seja de um material mais absorvedor do que o material base, a
imagem radiográfica correspondente apresentará uma tonalidade tanto mais clara quanto maior for a
absorção da radiação. Um exemplo é o de uma inclusão de tungstênio em uma junta soldada de aço
inoxidável. Na figura 2 é apresentada a imagem radiográfica obtida para a peça da figura1, indicando o
aspecto das regiões de maior e menor espessura, bem como o aspecto radiográfico do poro e da
inclusão.
Aparência de
um poro na
radiografia
Aparência de uma
inclusão na
radiografia
Região menos
espessa da peça
Região mais
espessa da peça
Radiografia
Fig. 2 – Imagem radiográfica da peça apresentada na Figura 1.1.1.
Apesar de ser baseado em princípios simples, o ensaio radiográfico deve ser realizado de acordo com
metodologias que assegurem uma sensibilidade adequada para a detecção das descontinuidades de
interesse, bem como o estabelecimento de uma fácil correlação entre a localização de uma determinada
descontinuidade na radiografia e a sua respectiva localização na peça examinada, de forma a facilitar a
realização dos reparos, quando necessários ou possíveis.
O ensaio radiográfico pode ser aplicado, a princípio, a qualquer tipo de material. A única limitação é a
capacidade de absorção apresentada por alguns materiais, como o chumbo e o urânio, utilizados como
blindagens, que pode inviabilizar a realização deste tipo de ensaio.
2
PRINCÍPIOS FÍSICOS DO ENSAIO RADIOGRÁFICO
2.1
Natureza da Radiação Penetrante
2.1.1 O espectro eletromagnético
Os raios-X e a radiação gama são radiações eletromagnéticas, como a luz visível, as microondas, as
ondas de rádio. Elas não possuem carga ou massa, não são influenciadas por campos elétricos e
magnéticos e se propagam em linha reta. Sua posição no espectro eletromagnético pode ser observada
na figura 3.
Comprimento de Onda da Radiação (nm)
Radio
10-9
105
104
103
Infravermelho
10-8
10-7
102
Visível
106
10-6
101
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
Raios-X
Ultravioleta
10-5
10-4
Raios Cósmicos
Gama
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
Energia dos Fótons (MeV)
Fig. 3 – Espectro eletromagnético.
16
2.1.2
Características das radiações X e gama
Os raios-X e a radiação gama podem ser caracterizados por sua freqüência, comprimento de onda e
velocidade. Devido ao seu pequeno comprimento de onda, eles possuem energia suficiente para
penetrar a matéria, sendo o grau de penetração dependente do tipo de matéria e da energia da radiação
X ou gama. Os raios-X e a radiação gama apresentam as seguintes características:
2.2
Deslocam-se em linha reta, à velocidade da luz;
Não são detectados pelos sentidos humanos;
Suas trajetórias não são afetadas pela presença de campos elétricos e magnéticos;
Eles podem ser difratados de forma semelhante à luz;
A sua capacidade de penetrar a matéria depende de sua energia e das características de
absorção do material através do qual se deslocam;
Tem a capacidade de ionizar a matéria e podem danificar ou destruir células vivas.
Raios-X
Raios-X são gerados quando elétrons acelerados interagem com o campo elétrico de núcleos de um
material de número atômico elevado ou com a eletrosfera, com a conseqüente alteração de sua direção
e redução em sua energia cinética, sendo a diferença de energia entre o início e o término da interação
emitida sob a forma de ondas eletromagnéticas denominadas de raios-X de frenamento e raios-X
característicos.
A energia dos raios-X de frenamento depende da energia dos elétrons incidentes no material. Sendo o
processo de interação dependente da energia, intensidade e trajetória do elétron incidente, a energia da
radiação X produzida pode variar de zero até um valor máximo, definido pela energia cinética do elétron
antes da interação, dando origem a um espectro contínuo de energia. Os raios-X característicos gerados
se sobrepõem ao espectro dos raios-X contínuos. A forma final do espectro da radiação gerada pode ser
observada na figura 4.
Fig. 4 – Espectro típico de emissão de raios-X contínuos e característicos.
3
Equipamentos de Raios-X
Os raios-X são produzidos a partir da interação de elétrons acelerados com a matéria. Portanto, para
que haja a produção de raios-X é necessário:
17
a) Uma fonte de elétrons
b) Um meio para acelerar os elétrons
c) Um alvo de um material adequado para receber o feixe de elétrons
Os raios-X são normalmente produzidos em um dispositivo denominado ampola de raios-X. Uma ampola
de raios-X consiste, basicamente, de um recipiente normalmente de vidro, contendo dois eletrodos em
seu interior, um positivo e outro negativo, denominados anodo e catodo, respectivamente. O interior
deste recipiente é mantido sob vácuo. O catodo consiste de um filamento de tungstênio, circundado por
uma cúpula de focalização, que atua como uma lente eletrostática e controla a forma do feixe de elétrons
emitido pelo filamento, fazendo com que ele atinja o anodo em uma pequena região denominada região
focal. O anodo é construído de um metal com uma alta condutividade térmica, normalmente o cobre, no
qual está inserido o alvo metálico, que receberá o impacto do feixe de elétrons. A face do alvo metálico
não é paralela ao filamento, apresentando um ângulo com relação ao mesmo. O conjunto anodo/catodo
pode ser observado na figura 5.
Fig. 5 – Conjunto anodo/catodo de um equipamento de raios-X típico.
O filamento atua como uma fonte de elétrons, o primeiro requisito para a geração de raios-X. Uma
corrente elétrica circulando pelo mesmo provoca o seu aquecimento e, quanto maior o seu aquecimento
maior a sua capacidade de emitir elétrons (emissão termiônica).
A aceleração dos elétrons em direção ao anodo do tubo, onde se encontra o alvo metálico, é obtida pela
aplicação de uma diferença de potencial entre o anodo e o catodo. Quanto maior a diferença de
potencial aplicada, maior a energia cinética adquirida pelos elétrons, maior a energia dos raios-X
gerados e, consequentemente, maior o seu poder de penetração. Assim o segundo requisito para a
geração de raios-X é atendido.
A corrente que se estabelece entre o anodo e o catodo é denominada corrente do tubo. Ela é controlada,
principalmente, pelo aquecimento do filamento. Quanto maior o aquecimento do filamento maior a
quantidade de elétrons disponíveis para serem acelerados em direção ao anodo.
A maior parte da energia dos elétrons é transformada em calor na região focal, no alvo, razão da alta
condutividade térmica necessária aos materiais do anodo. O material do alvo, por sua vez, deve
apresentar características especiais, como um alto ponto de fusão e um elevado número atômico. O
material mais utilizado como alvo é o tungstênio. Ele apresenta um elevado número atômico, o que
aumenta a quantidade de raios-X gerados durante a interação feixe de elétrons/material e um elevado
ponto de fusão, o que possibilita suportar o aquecimento gerado durante as interações na região focal
sem que ocorra a fusão. Desta forma, o terceiro requisito para a geração de raios-X é atendido.
Os tubos de raios-X podem ser direcionais ou panorâmicos. Anodos com formatos especiais são
projetados para a obtenção de feixes panorâmicos. Um anodo típico para gerar este tipo de feixe possui
18
a forma de um cone, de maneira que, quando o feixe de elétrons o atinge, são gerados raios-X em um
ângulo de 360°ao redor do alvo. Este tipo de equipamento pode ser utilizado para a radiografia
panorâmica de soldas circunferenciais em tubos e componentes cilíndricos. Um equipamento de raios-X
típico pode ser observado na figura 6.
Fig. 6 – Equipamento de raios-X típico, constituído de ampola, unidade de controle e dois
transformadores de alta tensão.
Outros dispositivos utilizados como fontes de raios-X são os aceleradores lineares, os Betatrons e
geradores Van de Graff. Equipamentos de raios-X com potencial constante, com tensão máxima de 450
kV, possibilitam a inspeção de peças de aço de até 110 mm de espessura.
4
Fontes de Radiação Gama
Fontes radioativas utilizadas em radiografia industrial são produzidas em reatores nucleares. Os
materiais utilizados como matéria prima para a obtenção destas fontes são introduzidos em reatores
nucleares, onde são submetidos a um alto fluxo de nêutrons, Quando os núcleos dos átomos destes
materiais capturam um nêutron, estes átomos se tornam instáveis, tendendo a recuperar a sua
instabilidade pela emissão de partículas e de energia sob a forma de radiação gama. A radiação gama
emitida por estes átomos é utilizada para a obtenção de radiografias. Na Tabela 1.2.1 podem ser
observados alguns os principais materiais utilizados como fontes radioativas em radiografia industrial e
suas características principais.
Tabela 1 – Principais radioisótopos utilizados em radiografia industrial.
Meia-Vida
Energia da Radiação γ
Faixa de Espessuras para Aço (mm)
Césio 137
30,1 anos
0,66 MeV
25 a 87
Cobalto 60
5,27 anos
1,33 e 1,17 MeV
65 a 225
Irídio 192
74,3 dias
0,310 – 0,470 – 0,600 keV
19 a 65
Itérbio 169
32 dias
49 a 308 keV
2,5 a 15
Selênio 75
120 dias
279,5 keV
5 a 40
Túlio 160
129 dias
84 e 52 keV
Até 13
Elemento
19
4.1 Atividade de uma Fonte Radioativa
A atividade A de uma fonte radioativa é a taxa de mudança dos átomos instáveis da fonte em um
determinado instante, seja:
A=
dN
, onde:
dt
A é a atividade da fonte,
N é o número de átomos que ainda não decaiu, ou seja, de átomos radiativos, e
t é o tempo.
A atividade de uma fonte, no Sistema Internacional, é medida em unidades de transformação por
segundo, denominada Becquerel (Bq), sendo 1 Bq = 1/s, ou seja, uma desintegração por segundo.
A unidade anterior utilizada para representar a atividade é o Curie (Ci). Esta unidade ainda é encontrada
em equipamentos antigos e é definida por;
10
1 Ci = 3,7 . 10
10
desintegrações por segundo = 3,7 . 10 Bq
4.2 Constante de Decaimento
Em uma amostra de material radioativo, a constante de decaimento (λ) expressa a probabilidade de
decaimento por átomo por segundo, sendo uma característica de cada material.
4.3 Cálculo da Atividade
A atividade A de um determinado material radioativo, em um determinado instante, pode ser determinada
através da equação:
A = A0e − λt , onde
A0 – é a atividade inicial do material
A – é a atividade em um determinado instante t
λ – é a constante de decaimento
t – tempo de decaimento
O cálculo da atividade no instante de uso da fonte é importante para se determinar o tempo de exposição
que deverá ser utilizado para se radiografar uma determinada peça. Para uma mesma fonte radioativa e
um determinado objeto, quanto menor a atividade da fonte maior o tempo de exposição necessário para
a obtenção da radiografia. Uma curva de decaimento típica pode ser observada na figura 7.
20
100
90
Irídio 192
Atividade remanescente (%)
80
-λ t
A = A0.e
70
60
50
40
30
20
10
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
Tempo decorrido (dias)
Fig. 7 – Curva de decaimento para o Irídio 192.
4.4 Meia-vida de um material radioativo
Corresponde ao intervalo de tempo contado a partir de um certo instante, necessário para que metade
dos átomos radioativos decaiam. A relação entre a meia-vida e a constante de decaimento é dada por:
T1/2 = 0,693/λ, onde
T1/2 – é a meia-vida do elemento e
λ - é a constante de desintegração.
4.5 Irradiadores
Para serem utilizadas com segurança nos trabalhos de radiografia industrial, as fontes radioativas são
armazenadas em equipamentos chamados irradiadores. Os irradiadores possuem uma blindagem,
normalmente de chumbo ou de urânio exaurido, envolta por uma carcaça de um material resistente a
impactos. Quando não estão sendo utilizadas, as fontes permanecem armazenadas nos irradiadores.
Como cada tipo de fonte, dependendo do material (como cobalto 60 ou irídio 192, por exemplo), emite
radiação gama com diferentes energias, eles são projetados para armazenar com segurança um
determinado tipo de fonte, com uma determinada atividade. Assim, existem irradiadores apropriados
para armazenar fontes de cobalto 60, outros para armazenar fontes de Irídio 192 e assim por diante, não
devendo o irradiador destinado a um certo tipo de fonte (radioisótopo e atividade) ser utilizado para
armazenar outros tipos de fonte.
Para que a exposição seja feita de forma segura, as fontes radioativas são encapsuladas em recipientes
cilíndricos de aço inoxidável. Na figura 8 pode ser observada uma fonte selada de Irídio 192 antes de ser
encapsulada. São mostrados dois discos de Irídio 192, o recipiente cilíndrico no interior do qual os discos
de material radioativo serão encapsulados e a mola que mantém estes discos fixos no interior do
mesmo.
Fig. 8 – Fonte selada de Irídio 192 antes de ser encapsulada.
21
Este recipiente é então acoplado à extremidade de um cabo de aço que tem, em sua outra extremidade,
um engate para possibilitar a retirada e introdução da fonte no irradiador para a execução de
radiografias. O conjunto montado pode ser observado isoladamente na figura 9 e montado no irradiador
na figura 10. Para a realização da radiografia, a fonte é retirada do irradiador, como pode ser observado
na figura 11.
Fig. 9 – Fonte selada montada.
Fig. 10 – Corte de um irradiador mostrando o tubo em S e a fonte encapsulada montada.
Suporte
Fonte Selada
Cabo de
Controle
Cabo de
de
Cabo
Controle
Controle
Irradiador
Dispositivo
de Trava
Blindagem
Saída da
Fonte
Tubos Guia
Fig. 11 – Irradiador em posição para a realização de uma radiografia.
22
5
Formação da Imagem Radiográfica
A geometria utilizada para a realização do ensaio radiográfico é de extrema importância para a obtenção
de bons resultados no ensaio radiográfico. Dependendo da posição e das dimensões da fonte de
radiação utilizada, da distância entre a fonte de radiação e objeto radiografado e entre o objeto e o filme,
podem ser obtidas imagens radiográficas com grandes diferenças, com conseqüência direta na
sensibilidade radiográfica.
Os princípios geométricos que regem a formação da imagem radiográfica são semelhantes aos da
formação de sombras com a luz comum, podendo ocorrer efeitos como a ampliação e distorção da
imagem e formação de penumbra geométrica. Considerando-se uma fonte de radiação puntiforme,
alguns dos fatores que afetam a imagem radiográfica formada é a distância entre a fonte de radiação e o
objeto radiografado e entre o objeto radiografado e o filme, como pode ser observado na figura 12 e
figura 13, respectivamente.
Fonte
Fonte
Fonte
Objeto
Objeto
Objeto
Fig. 12 – Efeito da variação da distância entre a fonte e o objeto.
Fonte
Fonte
Fonte
Objeto
Objeto
Objeto
Fig. 13 – Efeito da variação da distância entre o objeto e o filme.
23
Caso o plano do filme não seja perpendicular ao feixe de radiação incidente, pode ocorrer ainda o efeito
de distorção da imagem formada.
5.1 Penumbra Geométrica
A penumbra geométrica consiste na perda de definição da imagem radiográfica devido aos fatores
geométricos presentes no ensaio, tanto relativos ao equipamento quanto à geometria de exposição. Ela
é provocada, basicamente, pelo fato da fonte de radiação não ser puntiforme, ou seja, a radiação se
origina de uma área e não de um ponto. O efeito da penumbra geométrica na imagem radiográfica pode
ser observado na figura 14.
Fig. 14 – Penumbra geométrica.
Como pode ser observado pela análise da figura 14, o valor da penumbra geométrica é função das
dimensões da fonte (F), da distância fonte-objeto (DFO) e da espessura do objeto (e), relacionados da
seguinte forma:
Pg =
F .e
DFO
ou
DFO =
F .e
Pg
Ou ainda
DFF = DFO + e =
F .e
F (e + 1)
+e =
, onde
Pg
Pg
DFF = distância fonte-filme
DFO = distância fonte-objeto
e = espessura do objeto
F = tamanho efetivo do foco emissor de radiação
Pg = penumbra geométrica
24
A distância fonte-filme (DFF) mínima utilizada para o ensaio radiográfico deve ser tal que limite a
penumbra geométrica a valores que não prejudiquem a avaliação da radiografia. O Código ASME
(Seção V, Artigo 2) define os valores máximos permissíveis para a penumbra geométrica, em função da
espessura do objeto radiografado, conforme indicado na Tabela 2.
Tabela 2 – Valores máximos para a penumbra geométrica em função da espessura do objeto
radiografado.
Espessura do Objeto (mm)
Valor Máximo da Penumbra Geométrica (mm)
Abaixo de 50
0,51
De 50 até 75
0,76
De 75 até 100
1,02
Maior que 100
1,78
5.2 Lei do Inverso do Quadrado da Distância
A intensidade da radiação emitida por uma fonte de pontual diminui, à medida que aumenta a distância
da fonte emissora, de acordo com a lei do inverso do quadrado da distância. Como pode ser observado
na figura 15, a uma distância (d) da fonte emissora, a radiação emitida pela mesma, colimada através de
um diafragma, atinge uma determinada área no plano1. A uma distância duas vezes maior (2d), a
mesma quantidade de radiação atinge uma área quatro vezes maior, no plano 2, ou seja, com a
duplicação da distância a intensidade se tornou quatro vezes menor.
Fig. 15 – Representação da Lei do Inverso do Quadrado da Distância.
25
Chamando-se a distância d na figura 15 de d1 e a distância 2d de d2, a Lei do Inverso do Quadrado da
Distância pode ser escrita como:
I1 d 22
=
, onde
I 2 d12
I1 – é intensidade da radiação no plano 1, a uma distância d1 da fonte emissora
I2 – é intensidade da radiação no plano 2, a uma distância d2 da fonte emissora
d1 – é distância da fonte emissora ao plano 1
d2 – é distância da fonte emissora ao plano 2.
Em radiografia industrial, a exposição radiográfica é definida como o produto da corrente do tubo pelo
tempo de exposição (quando se utilizam equipamentos de raios-X) ou como o produto da atividade da
fonte pelo tempo de exposição (quando se utilizam fontes de radiação gama), ou seja:
E r = i .t , onde
Er = exposição radiográfica
i = corrente no tubo em mA - miliamperes
t = tempo de exposição em minutos ou segundos
ou
E r = A.t , onde
Er = exposição radiográfica
A = atividade da fonte radioativa em GBq
t = tempo de exposição em horas
A intensidade de radiação que atinge o objeto durante a realização de uma radiografia é proporcional ao
valor da exposição radiográfica utilizada. Uma radiografia executada com uma determinada distância
fonte filme apresentará uma determinada densidade ótica. Caso a distância fonte-filme seja duplicada, a
intensidade de radiação que atinge o filme será quatro vezes menor do que na condição anterior. Para
que a radiografia obtida apresente o mesmo valor de densidade ótica da radiografia original, o valor da
exposição radiográfica deverá ser quatro vezes maior, ou seja, a corrente do tubo ou o tempo de
exposição deverão ser quatro vezes maior (quando se utilizam equipamentos de raios-X ) ou o tempo de
exposição deverá ser quatro vezes maior (quando se utilizam fontes de radiação gama).
Este fato deve ser considerado quando se aumentar ou diminuir, por um motivo qualquer, a distância
fonte-filme para a realização de uma determinada radiografia, de forma a não resultar em tempos
excessivos de exposição.
6
Diagramas de Exposição
Os diagramas de exposição possibilitam a determinação dos parâmetros de teste mais adequados para
a execução da radiografia de uma determinada peça, de um determinado material. Eles são construídos
para um determinado material, para um determinado tipo de filme, para um determinado conjunto de
telas intensificadoras, para condições de processamento padronizadas, para uma distância fonte-filme
fixa e para uma determinada densidade ótica. Embora sejam fornecidos quando se adquire um
equipamento de raios-X, normalmente o laboratório radiográfico deve elaborar os diagramas para cada
26
um dos equipamentos de raios-X com os quais trabalha. Um diagrama de exposição típico para
equipamentos de raios-X pode ser observado na figura 16.
Para que o diagrama contendo as curvas de exposição possa ser utilizado com eficiência, as condições
de exposição para a realização de uma radiografia devem ser as mesmas utilizadas para a elaboração
das curvas, sendo possível, entretanto, corrigir o valor das exposições para diferentes tipos de filmes ou
diferentes distâncias fonte-filme.
100 kV
120 kV
140 kV
100
180 kV
160 kV
200 kV
Exposição (mA.min)
220 kV
240 kV
10
260 kV
1
5
10
15
20
25
30
35
40
Espessura da Peça (mm)
Fig. 16 – Diagrama típico contendo curvas de exposição para um equipamento de raios-X para tensões
entre 100 kV e 260 kV e as seguintes condições: aço, filme Classe 2, tela dianteira de chumbo com
0,125 mm de espessura, tela traseira de chumbo com 0,250 mm de espessura, revelação 5 minutos a
20°C, distância fonte-filme de 700 mm, densidade ótica igual a 2,0.
De posse do diagrama, a radiografia de uma peça de aço com 25 mm de espessura, utilizando-se um
filme classe 2, telas dianteiras e traseiras com espessuras de 0,125 e 0, 250 mm respectivamente, uma
distância fonte-filme de 700 mm, utilizando-se uma tensão de 180 kV, deverá ser feita com uma
exposição radiográfica de 50 mA.min, para que a radiografia obtida tenha uma densidade ótica igual a
2,0. Isto significa que, se utilizarmos uma corrente do tubo igual a 5 mA, o tempo de exposição
necessário será de 10 minutos. Caso a corrente seja de 10 mA, o tempo de exposição necessário será
de 5 minutos.
7
O Filme Radiográfico
Os filmes de raios-X consistem de uma base de poliéster, revestida em ambos os lados por um substrato
sobre o qual é depositada uma camada de emulsão, composta principalmente de cristais de haletos de
prata, como o brometo de prata ou o cloreto de prata. O substrato tem como finalidade assegurar a
27
aderência da emulsão à base de poliéster. Sobre a emulsão é depositada uma camada de gelatina
endurecida, que tem como finalidade proteger a mesma. Ao todo, portanto, o filme radiográfico é
formado por sete camadas, como pode ser observado na figura 17.
Fig. 17 – Constituição de um filme radiográfico.
Na maior parte dos filmes radiográficos, a emulsão é depositada em ambos os lados da base, dobrando,
portanto, a quantidade de haletos de prata que pode ser sensibilizada, tendo como conseqüência um
aumento da velocidade do filme. Estas camadas são finas o bastante para serem processadas em um
tempo razoável. Em alguns filmes especiais, a emulsão é depositada em apenas um lado da base, o que
torna o filme mais lento, aumentando, entretanto, a definição da imagem radiográfica.
Quando a radiação X, gama ou a luz atingem a emulsão, as regiões do filme que recebem uma
quantidade suficiente de radiação sofrem uma mudança. Alguns íons de Br são liberados e capturados
+
por íons de Ag , Esta mudança é tão pequena que não é perceptível sem um processamento posterior
do filme e é chamada de imagem latente. Os grãos expostos tornam-se mais sensíveis ao processo de
redução quando em contato com uma solução química chamada revelador e a reação que ocorre
durante o processo de revelação resulta na formação de prata metálica, de coloração preta. Esta prata,
em suspensão na gelatina em ambos os lados da base, dá origem à imagem radiográfica. A quantidade
de partículas de prata metálica produzida é maior nas regiões da emulsão que receberam maiores
quantidades de radiação e menor naquelas que receberam uma quantidade menor. A distribuição da
prata metálica no filme, em maior ou menor quantidade, dá origem à imagem radiográfica.
7.1 Processamento
O processamento do filme radiográfico compreende um conjunto de operações em que o filme é
colocado em contato com uma série de substâncias químicas. O processamento envolve as seguintes
etapas:
Revelação - é o tratamento pelo qual a imagem latente é convertida em uma imagem visível, pela
redução seletiva dos cristais de haleto de prata da emulsão em prata metálica. O tempo de revelação
deve ser cuidadosamente controlado, de forma permitir a conversão dos cristais expostos em prata
metálica enquanto mantém os cristais não expostos como haletos de prata. O tempo de revelação é
função da temperatura do revelador e, normalmente, são fornecidos pelos fabricantes de filmes e
soluções de processamento tabelas que indicam o tempo de exposição adequado para uma determinada
faixa de temperaturas.
Banho de parada - o banho de parada tem como objetivo interromper a ação do revelador, retirando o
mesmo da superfície do filme. Pode ser utilizada a água comum, corrente, devendo todo o excesso de
revelador ser retirado antes de o filme ser colocado no banho fixador.
Fixação - é o tratamento pelo qual os cristais de haleto de prata não expostos são removidos do filme. O
fixador remove os cristais de haleto de prata, não reagindo com a prata metálica formada.
28
Lavagem final - a lavagem final tem como objetivo eliminar resíduos das soluções de processamento da
superfície do filme, de forma a evitar a sua degradação e possibilitar o seu posterior arquivamento pelo
tempo necessário.
Secagem - realizada em secadoras apropriadas e executada de forma a não produzir manchas que
possam prejudicar a análise posterior.
Após estas operações, a radiografia é guardada em um envelope apropriado e está pronta para ser
analisada.
O processamento pode ser realizado manualmente ou em processadora automática. Em qualquer uma
das situações, o processo deve ser realizado sob condições controladas e padronizadas.
7.2 Densidade ótica
Durante a avaliação de uma radiografia em um negatoscópio, pode-se observar que as imagens
presentes na mesma são formadas por regiões com diferentes graus de escurecimento, resultantes da
moior ou menor sensibilização do filme durante a exposição. O grau de escurecimento apresentado pela
radiografia é denominado densidade ótica ou densidade fotográfica, definida por:
D = log
Ii
, sendo
It
D = densidade ótica da radiografia em uma determinada região
Ii = intensidade de luz incidente na radiografia
It = intensidade de luz transmitida pela radiografia.
A densidade ótica de uma radiografia ou de um filme fotográfico exposto e processado é determinada
utilizando-se um equipamento denominado densitômetro. Ele possui uma fonte emissora de luz e um
sensor fotoelétrico. Quando a radiografia é posicionada entre a fonte emissora de luz e o sensor, a
densidade ótica da mesma pode ser determinada pelo equipamento.
Como exemplo, um valor de densidade ótica em uma determinada região de uma radiografia, igual a 1,
significa que naquela região, somente 10% da luz incidente foi transmitida. Para uma densidade ótica
igual a 2 este valor cai para 1%. Em geral, os negatoscópios disponíveis para a avaliação de radiografias
industriais possibilitam a avaliação de radiografias com densidades óticas até 4.
7.3 Curvas Características
Os diferentes tipos de filmes radiográficos comportam-se de forma diferente quando expostos e
processados nas mesmas condições. Para caracterizar o comportamento de um determinado filme, são
elaboradas curvas que associam a exposição à qual um determinado filme foi submetido e a densidade
ótica correspondente. Estas curvas são chamadas curvas características. A forma típica de uma curva
característica pode ser observada na figura 18. Em geral, no eixo horizontal são apresentados os valores
das exposições relativas e no eixo vertical os valores das densidades óticas correspondentes, para um
filme em particular ou para um conjunto de diferentes filmes.
As curvas apresentadas na figura18 se referem a dois filmes hipotéticos A e B. No eixo horizontal estão
representados os valores referentes ao logaritmo das exposições relativas e no eixo vertical os valores
das densidades óticas correspondentes. As curvas características possibilitam o cálculo da exposição
necessária para produzir uma radiografia com uma determinada densidade ótica para um filme
específico. Podem também ser utilizadas para o cálculo da exposição necessária para produzir
radiografias com a mesma densidade ótica em filmes diferentes.
29
Filme A
4,0
Filme B
3,5
Densidade Ótica
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
log exposição relativa
Fig. 18 – Curvas características de dois filmes hipotéticos A e B.
As curvas características são fornecidas preparadas pelos fabricantes de filmes. Dois exemplos de sua
utilização são apresentados a seguir.
a) Uma radiografia de uma peça de aço, realizada, com 150 Kv, 5 mA e 1 minuto utilizando-se o Filme
A, apresentou uma densidade ótica, na região de interesse, igual a 1,5. Deve-se elevar este valor
para 2,0. Qual deve ser o novo valor da exposição para se obter o novo valor de densidade?
Utilizando-se como referência a FIG. 3.6, curva referente ao filme A, verifica-se que para um
valor de densidade ótica igual a 1,5 o logaritmo da exposição relativa é igual a 2. Para uma
densidade ótica igual a 2,0 o logaritmo da exposição relativa é igual a 2,12, ou seja:
Filme A
Para D = 1,5 → log da exposição relativa = 2
Para D = 2,0 → log da exposição relativa = 2,12
A diferença entre os logaritmos das exposições relativas, é igual a:
∆ log Er = (2,12 - 2) = 0,12
ou seja
Er = 10
0,12
∴
Er = 1,3
30
Isto significa que a relação entre as duas exposições, para as densidades óticas iguais a 2 e 1,5, é igual
a 1,3. Dessa forma, para que a densidade ótica da radiografia possa ser elevada de 1,5 para 2 é
necessário que o valor da exposição inicial seja 1,3 vezes maior, ou seja, igual a 6,5 mA.min.
b) Uma radiografia de uma peça de aço, realizada, com 150 Kv, 1 mA e 6,5 minutos utilizando-se o
Filme A, apresentou uma densidade ótica, na região de interesse, igual a 2,0. Deve-se realizar a
radiografia da mesma peça utilizando-se o filme B, devendo-se obter o mesmo valor de densidade
ótica. Qual deve ser o novo valor da exposição?
Utilizando-se como referência a FIG. 3.6, curva referente ao filme A, verifica-se que para um
valor de densidade ótica igual a 2, o logaritmo da exposição relativa é igual a 2,12. Para o filme
B e um valor de densidade ótica igual a 2, o logaritmo da exposição relativa é igual a 2,67, ou
seja:
Filme A - para D = 2,0 → log da exposição relativa = 2,12
Filme B - para D = 2,0 → log da exposição relativa = 2,67
A diferença entre os logaritmos das exposições relativas, é igual a:
∆ log Er = (2,67 - 2,12) = 0,55
ou seja
Er = 10
0,55
∴
Er = 3,5
Isto significa que a relação entre as duas exposições, para as densidades óticas iguais a 2 em ambos os
filmes, é igual a 3,5, Dessa forma, para que a densidade ótica da radiografia possa ser mantida ao se
mudar do filme A para o filme B, é necessário que o valor da exposição inicial seja 3,5 vezes maior, ou
seja, aproximadamente 23 mA.min.
8
Indicadores da Qualidade da Imagem
Os Indicadores da Qualidade da Imagem (IQI) ou penetrâmetros são dispositivos utilizados para a
avaliação da qualidade da imagem radiográfica. Eles são fabricados a partir de materiais idênticos ou
radiograficamente similares aos materiais a serem radiografados e são posicionados, em geral, sobre a
peça em exame, voltados para a fonte de radiação, sendo sua imagem formada na radiografia, junto com
a imagem da peça. Existem indicadores com diferentes configurações geométricas, dependendo de sua
origem. Entretanto, o objetivo da sua utilização é o mesmo: possibilitar a avaliação da qualidade da
imagem radiográfica obtida e, consequentemente, da sensibilidade do ensaio para a detecção de
descontinuidades. Dentre os indicadores mais utilizados podem-se citar os indicadores ASTM (tipo placa
ou tipo fio) e os indicadores DIN (tipo fio), apresentados a seguir.
8.1 Indicadores da Qualidade da Imagem ASTM
8.1.1
Indicador ASTM Tipo Placa
Estes indicadores consistem de uma lâmina de um material radiograficamente similar ao material a ser
radiografado, com uma espessura definida T, contendo três furos. Os furos possuem diâmetros iguais a
1T, 2T e 4T e são identificados como furos 1T, 2T e 4T, respectivamente. Em cada um destes
indicadores existe uma identificação, feita com letras de chumbo, que indica a sua espessura em
milésimos de polegada. O grupo de materiais ao qual pertence o IQI, ou seja, para o qual ele pode ser
utilizado, é indicado através de entalhes existentes no corpo do IQI, sendo previstos indicadores para
oito grupos de materiais. Um IQI tipo placa, para aço carbono e aço inoxidável, com uma espessura T de
vinte milésimos de polegada, pode ser observado na figura 19.
31
Furo 4T
Furo 1T
Furo 2T
Número do IQI – espessura T
em milésimos de polegada
Fig. 19 – Indicador da Qualidade da Imagem ASTM tipo placa.
Para a avaliação da qualidade da imagem são estabelecidos diferentes níveis de qualidade da imagem.
Estes níveis são designados por dois números. O primeiro indica a espessura percentual do IQI com
relação à espessura do material radiografado e o segundo o diâmetro do fio que deverá ser observado
na radiografia. Os níveis típicos da qualidade da imagem podem ser observados na Tabela 3.
Tabela 3 – Níveis típicos da qualidade da imagem ASTM.
Níveis de Qualidade da Imagem
Espessura do IQI
Furo perceptível na radiografia
Níveis de Qualidade de Imagem Padrões
2 – 1T
1T
2% da espessura do objeto
2 – 2T
2 – 4T
2T
4T
Níveis de Qualidade de Imagem Especiais
1 – 1T
1 – 2T
4 – 2T
1% da espessura do objeto
4% da espessura do objeto
1T
2T
2T
Como exemplo, quando um nível de qualidade 2 – 2T é especificado para o ensaio, isto significa que o
furo com diâmetro 2T, em um IQI com espessura equivalente a 2% da espessura do objeto examinado,
deve ser perceptível na radiografia.
Para a realização da radiografia de juntas soldadas, este tipo de IQI deve ser posicionado sobre a peça,
ao lado do cordão de solda, não devendo ser posicionado sobre o cordão. Neste caso, a espessura total
do material radiografado corresponde à espessura nominal da peça mais a sobre espessura do cordão
de solda de ambos os lados. Para que o IQI possa ser utilizado para a avaliação da sensibilidade
radiográfica, ele deverá ser posicionado sobre um calço de material radiograficamente similar ao metal
base, com espessura igual à sobre espessura do cordão de solda de ambos os lados.
8.1.2
Indicador ASTM Tipo Fio
Consiste de um conjunto de fios com diferentes diâmetros, de um material radiograficamente similar ao
material a ser radiografado, inseridos em um invólucro de plástico transparente. Os fios deste tipo de IQI
são numerados de 1 a 21, em ordem crescente de seus diâmetros. Eles são montados em grupos de 6,
formando 4 conjuntos distintos, denominados A, B, C e D, respectivamente. Os conjuntos A, B, C e D
compreendem os fios de número 1 a 6; 6 a 11; 11 a 16 e 16 a 21, respectivamente. Como no caso do IQI
32
tipo placa, existem indicadores para oito grupos de materiais, indicados pelos números 1 a 3 e 01 a 05.
Um IQI tipo fio, para aço carbono e aço inoxidável, pode ser observado na figura 20. Nele pode-se
observar o número de identificação da classe de materiais a que o IQI se aplica (1), a norma (ASTM), o
conjunto de fios (A). O número 6 representa o último fio do conjunto.
Fig. 20 – Indicador da Qualidade da Imagem ASTM tipo fio.
8.1.3
Seleção
A seleção dos Indicadores da Qualidade da Imagem ASTM deve ser feita em função da posição do IQI
em relação a fonte de radiação e da espessura de material radiografada. Deve-se utilizar como
referência a Tabela 4.
Tabela 4 – Seleção de indicadores da Qualidade da Imagem tipo placa e tipo fio.
Indicador da Qualidade da Imagem ASTM
Espessura Nominal de uma Parede do Material
Polegadas
Milímetros
Lado da Fonte
Lado do Filme
Tipo
Tipo
Placa
Fio
Placa
Fio
Até 0,25 inclusive
Até 6,4 inclusive
12
5
10
4
Acima de 0,25 até 0,375
Acima de 6,4 até 9,5
15
6
12
5
Acima de 0,375 até 0,50
Acima de 9,5 até 12,7
17
7
15
6
Acima de 0,50 até 0,75
Acima de 12,7 até 19,0
20
8
17
7
Acima de 0,75 até 1,00
Acima de 19,0 até 25,4
25
9
20
8
Acima de 1,00 até 1,50
Acima de 25,4 até 38,1
30
10
25
9
Acima de 1,50 até 2,00
Acima de 38,1 até 50,8
35
11
30
10
Acima de 2,00até 2,50
Acima de 50,8 até 63,5
40
12
35
11
Acima de 2,50 até 4,00
Acima de 63,5 até 101,6
50
13
40
12
Acima de 4,00 até 6,00
Acima de 101,6 até 152,4
60
14
50
13
33
Tabela 4 – Seleção de indicadores da Qualidade da Imagem tipo placa e tipo fio (continuação).
Indicador da Qualidade da Imagem ASTM
Espessura Nominal de uma Parede do Material
Polegadas
Lado da Fonte
Lado do Filme
Tipo
Tipo
Milímetros
Placa
Fio
Placa
Fio
Acima de 6,00 até 8,00
Acima de 152,4 até 203,2
80
16
60
14
Acima de 8,00 até 10,00
Acima de 203,2 até 254,0
100
17
80
16
Acima de 10,00 até 12,00
Acima de 254,0 até 304,8
120
18
100
17
Acima de 12,00 até 16,00
Acima de 304,8 até 406,4
160
20
120
18
Acima de 16,00 até 20,00
Acima de 406,4 até 508,0
200
21
160
20
8.2 Indicadores da Qualidade da Imagem DIN
Os indicadores da qualidade da imagem DIN consistem de um conjunto de fios com diferentes
diâmetros, de um material radiograficamente similar ao material a ser radiografado, inseridos em um
invólucro de plástico transparente. Os fios deste tipo de IQI são numerados de 1 a 16, em ordem
decrescente de seus diâmetros. Eles são montados em grupos de 7, formando 3 conjuntos distintos. O
primeiro conjunto compreende os fios de 1 a 7, o segundo os fios de 6 a 12 e o terceiro os fios de 10 a
16, identificados pela designação 1 ISO 7, 6 ISO 12 e 10 ISO 16, respectivamente. Como no caso dos
indicadores ASTM, existem indicadores para diferentes tipos de materiais. Um IQI DIN, para aço carbono
e aço inoxidável, pode ser observado na figura 21. Nele pode-se observar a identificação da norma de
referência (DIN), o número 62 (indicativo do ano em que este tipo de IQI passou a ser utilizado) e o
símbolo FE, indicando o grupo de materiais para o qual o IQI pode ser utilizado. Na parte inferior, a
designação 10 ISO 16 indica que o conjunto compreende os fios de números 10 a 16.
Fig. 21 – Indicador da Qualidade da Imagem DIN.
34
8.2.1
Seleção
A seleção dos Indicadores da Qualidade da Imagem DIN deve ser feita de acordo com a Tabela 5, em
função da espessura do material a ser radiografada e da sensibilidade do ensaio.
Tabela 5 – Seleção de indicadores da Qualidade da Imagem DIN.
Índice da Qualidade da Imagem (BZ)
Categoria de Qualidade da Imagem
I
Espessura do Material
em Exame (mm)
II
Índice da Qualidade
da Imagem (BZ)
Espessura do Material
em Exame (mm)
Índice da Qualidade
da Imagem (BZ)
Até 6, inclusive
16
Até 6, inclusive
14
Acima de 6 até 8
15
Acima de 6 até 8
13
Acima de 8 até 10
14
Acima de 8 até 10
12
Acima de 10 até 16
13
Acima de 10 até 16
11
Acima de 16 até 25
12
Acima de 16 até 25
10
Acima de 25 até 32
11
Acima de 25 até 32
9
Acima de 32 até 40
10
Acima de 32 até 40
8
Acima de 40 até 50
9
Acima de 40 até 60
7
Acima de 50 até 80
8
Acima de 60 até 80
6
Acima de 80 até 150
7
Acima de 80 até 150
5
Acima de 150 até 200
6
Acima de 150 até 170
4
Acima de 170 até 180
3
Acima de 180 até 190
2
Acima de 190 até 200
1
9
Técnicas Radiográficas
9.1
Técnicas de Redução do Espalhamento
Quando um feixe de radiação passa por um determinado objeto, parte dessa radiação é absorvida, parte
sofre um espalhamento e parte continua a sua trajetória sem alteração de direção. A radiação
espalhada, devido aos seus maiores comprimentos de onda, é menos penetrante que a radiação
primária. Ela produz uma redução no contraste das imagens registradas no filme, diminuindo a qualidade
da imagem radiográfica, devendo, portanto, ser reduzida.
Após passar pelo material e pelo cassete onde se encontra armazenado o filme, o feixe de radiação
continua sua trajetória. Qualquer objeto no caminho do feixe, como outros objetos, paredes, piso, pode
promover o espalhamento da radiação, que pode, inclusive, retornar ao filme, atingindo a parte traseira
do cassete. Esta radiação é denominada radiação retro-espalhada e produz uma redução apreciável na
imagem radiográfica original.
35
Assim, a radiação espalhada pode atingir o filme radiográfico de duas formas. A partir do objeto sendo
radiografado e a partir de objetos próximos ao filme. A redução da radiação espalhada pode ser obtida
de diversas formas, como indicado a seguir.
a) A utilização de máscaras de chumbo acompanhando os contornos da peça - impede que a
radiação espalhada atinja a parte superior do cassete.
b) A utilização de diafragmas ou colimadores para restringir a abertura do feixe de radiação à área
de interesse na peça.
c) A utilização de filtros entre a fonte de radiação e o objeto radiografado, que reduz a quantidade
de radiação com maiores comprimentos de onda (menor energia), mais suscetíveis de sofrerem
espalhamento.
d) A utilização de telas de chumbo na parte traseira do cassete, que blindam a radiação retroespalhada, impedindo que a mesma atinja o filme.
9.2 Técnicas de Exposição
O ensaio radiográfico deve ser planejado de forma a permitir a obtenção de uma imagem radiográfica de
qualidade adequada, que possibilite uma rápida associação entre a posição de uma descontinuidade
detectada na radiografia e a posição da mesma no objeto em exame e que assegure o exame total das
áreas de interesse. A seguir são apresentadas algumas técnicas de exposição normalmente utilizadas
para a execução do ensaio radiográfico em soldas de tubulações (Código ASME, Seção V, Artigo 2) e
peças em geral.
9.2.1
Técnica Radiográfica de Parede Simples – Vista Simples
A técnica radiográfica de parede simples vista simples consiste em se posicionar a fonte de tal forma que
o feixe de radiação atravesse apenas uma parede do material sob exame (parede simples) e somente a
imagem da região de interesse junto ao filme seja avaliada (vista simples). Sempre que possível, esta
deve ser a técnica utilizada para a realização do ensaio. Algumas variações na aplicação desta técnica
podem ser observadas nas figuras 22 e 23, para tubos soldados e figura 24, esta última para
componentes planos. Uma situação especial, que possibilita a realização da radiografia de toda a região
de interesse pode ser observada na figura 25, onde a distância fonte-filme é igual ao raio do componente
e na figura 26, onde um conjunto de peças é posicionado eqüidistante da fonte de radiação e a
radiografia de todas as peças é realizada ao mesmo tempo.
Fig. 22 – Técnica radiográfica de parede simples - vista simples com o filme posicionado no interior do
componente cilíndrico e a fonte posicionada externamente .
36
Fig. 23 – Técnica radiográfica de parede simples - vista simples com a fonte posicionada no interior do
componente cilíndrico e o filme posicionado externamente, sendo a distância fonte-filme maior que o raio
do componente.
Fig. 24 – Técnica radiográfica de parede simples - vista simples para componentes planos.
Fig. 25 – Técnica radiográfica de parede simples - vista simples com exposição panorâmica: a fonte
posicionada no interior do componente cilíndrico e os filmes posicionados externamente, sendo a
distância fonte-filme igual ao raio do componente.
37
Fig. 26 – Técnica radiográfica de parede simples - vista simples com exposição panorâmica: a fonte
posicionada no interior do componente cilíndrico e os filmes posicionados externamente, sendo a
distância fonte-filme igual ao raio do componente.
9.2.2
Técnica Radiográfica de Parede Dupla – Vista Simples
A técnica radiográfica de parede simples vista simples consiste em se posicionar a fonte de tal forma que
o feixe de radiação atravesse duas paredes do material sob exame (parede dupla) e somente a imagem
da região de interesse junto ao filme seja avaliada (vista simples). Esta técnica é utilizada quando não
existe acesso ao interior do componente, conforme pode ser observado nas figuras 27 e 28. Para os dois
arranjos mostrados nas figuras devem ser feitas pelo menos três radiografias defasadas de 120° para
cobertura completa da região de interesse.
Fig. 27 – Técnica radiográfica de parede dupla - vista simples com a fonte de radiação e o filme
posicionados externamente ao componente.
Fig. 28 – Técnica radiográfica de parede dupla - vista simples com a fonte de radiação e o filme
posicionados externamente ao componente.
38
9.2.3
Técnica Radiográfica de Parede Dupla – Vista Dupla
A técnica radiográfica de parede simples vista simples consiste em se posicionar a fonte de tal forma que
o feixe de radiação atravesse duas paredes do material sob exame (parede dupla) e somente a imagem
da região de interesse junto ao filme seja avaliada (vista simples). Esta técnica é utilizada quando não
existe acesso ao interior do componente, conforme pode ser observado nas figuras 29 e 30. Esta técnica
pode ser aplicada para o exame de soldas em tubos com diâmetro externo iguais ou menores do que 89
mm. Para o arranjo mostrado na figura 29, devem ser feitas pelo menos duas radiografias defasadas de
90° para cobertura completa da região de interesse. Para o arranjo mostrado figura 30, devem ser feitas
pelo menos três radiografias defasadas de 60° ou 120° para cobertura completa da região de interesse.
Fig. 29 – Técnica radiográfica de parede dupla - vista simples com a fonte de radiação e o filme
posicionados externamente ao componente. São necessárias pelo menos 2 radiografias defasadas de
90° para garantir a cobertura completa da região de interesse.
Fig. 30 – Técnica radiográfica de parede dupla - vista simples com a fonte de radiação e o filme
posicionados externamente ao componente. São necessárias pelo menos 3 radiografias defasadas de
60° ou 120° para garantir a cobertura completa da região de interesse.
39
10 Avaliação de Radiografias
A avaliação das radiografias deve ser realizada em um local próprio, com um baixo nível de iluminação
ambiente, sendo a iluminação projetada de forma a não ocorrer reflexões na superfície da radiografia
examinada. Níveis abaixo de 2 fc são normalmente recomendados para a iluminação ambiente. O
exame das radiografias é realizado com o auxílio de negatoscópios que possibilitam o exame de
radiografias com valores elevados de densidade ótica. Antes de se iniciar a avaliação propriamente dita,
deve-se, baseado no procedimento de ensaio, verificar se a radiografia foi realizada com a técnica
adequada (filme adequado, se os valores de densidade ótica da região de interesse estão dentro dos
limites especificados, se foi identificada corretamente, se foi utilizado o indicador da qualidade de
imagem adequado e se o nível de sensibilidade necessário foi atingido). Deve ainda ser verificada a
superfície da radiografia para a detecção de possíveis artefatos que possam prejudicar a sua avaliação.
Após estas verificações iniciais, pode-se proceder ao exame da radiografia propriamente dito, de forma a
verificar se o tipo, quantidade e dimensões das descontinuidades presentes comprometem ou não o
objeto avaliado, de acordo com a norma ou código de referência utilizado para a avaliação. Podem ser
utilizadas lentes de aumento ou lupas como instrumentos auxiliares de avaliação.
Para uma avaliação correta das possíveis descontinuidades em um determinado componente é
necessário o conhecimento das suas características geométricas e de seu processo de fabricação. O
conhecimento de sua espessura, acabamento superficial, do processo de soldagem, projeto da junta,
dos tratamentos térmicos a que foi submetido e de sua estrutura são de grande importância durante a
avaliação.
Durante o exame radiográfico de juntas soldadas, as seguintes descontinuidades podem ser detectadas:
porosidade agrupada, isolada ou vermicular, inclusões de tungstênio ou de escória, falta de fusão ou de
penetração, trincas, mordeduras, dentre outras.
40
Capítulo 4
O Ensaio Ultrasônico
1. INTRODUÇÃO
O método de ensaio por ultra-som consiste na introdução de um feixe sonoro de alta freqüência no
material ou componente de interesse, com o objetivo de se detectar, localizar e dimensionar
descontinuidades internas ou superficiais porventura existentes no mesmo. A informação obtida é
utilizada para a verificação da conformidade do componente com as especificações de fabricação ou, no
caso de componentes em operação, para fornecer subsídios para avaliações utilizando técnicas de
mecânica da fratura. Durante o seu percurso, o feixe sonoro pode sofrer reflexões em interfaces
existentes no material. Descontinuidades como poros, trincas, inclusões diversas, dupla laminação, falta
de fusão, falta de penetração atuam como interfaces, o mesmo ocorrendo com as paredes ou com a
superfície do material.
2. ONDAS
2.1 PROPAGAÇÃO
O som é a propagação de energia mecânica através de sólidos, líquidos ou gases. A facilidade com que
o som se propaga nestes meios depende de algumas características do material, como a sua densidade
e o seu módulo de elasticidade, bem como da freqüência da onda sonora. O ouvido humano consegue
perceber ondas sonoras nas freqüências entre, aproximadamente, 20 Hz e 20.000 Hz, sendo esta a faixa
de freqüências para o som audível. Ondas sonoras com freqüências abaixo de 20 Hz são designadas
como infra-som e, acima de 20.000 Hz, como ultra-som. As ondas sonoras seguem muitas das regras
físicas da ótica, podendo ser refratadas, refletidas e difratadas.
Nos gases, as ondas sonoras se propagam pela compressão e rarefação das moléculas na direção de
propagação. Nos sólidos, a estrutura pode suportar vibrações em outras direções, sendo possível o
aparecimento de diferentes tipos de onda. O som pode propagar-se através de um material através de
dois tipos fundamentais de ondas: as ondas longitudinais e transversais.
2.2 MODOS DE PROPAGAÇÀO
2.2.1
Longitudinais
As ondas longitudinais são também conhecidas como ondas de compressão. Durante a sua propagação
no material são produzidas regiões de compressão e de rarefação, conforme pode ser observado na
figura 1. Sua característica básica é que as partículas do material oscilam na mesma direção de
propagação da onda, fazendo com que as ondas longitudinais apresentem as maiores velocidades de
propagação em um determinado meio.
Direção de
oscilação das
partículas do
meio
Direção de
propagação
da onda
Fig.1 – Ondas longitudinais.
41
2.2.2
Transversais
As ondas transversais são também conhecidas como ondas de cisalhamento. Sua característica básica
é que as partículas do material oscilam na direção perpendicular à direção de propagação da onda. Elas
não se propagam nos líquidos ou gases e sua velocidade de propagação Seu padrão característico
pode ser observado na figura 2.
Direção de
oscilação das
partículas do
meio
Direção de
propagação
da onda
Fig.2 – Ondas transversais.
2.2.3
Rayleigh
As ondas de Rayleigh são ondas transversais que tangenciam a superfície do material, ocorrendo no
segundo ângulo crítico. Sua penetração no material é de cerca de um comprimento de onda e sua
velocidade em torno de 90% da velocidade de uma onda transversal.
2.2.4
Creeping
As ondas creeping são ondas longitudinais que tangenciam a superfície do material, ocorrendo no
segundo ângulo crítico. Elas são utilizadas para a detecção de descontinuidades superficiais e
subsuperficiais.
2.2.5
Lamb
As ondas Lamb são também denominadas ondas de chapa, ocorrendo em chapas com espessura de
cerca de um comprimento de onda, sendo utilizadas para a inspeção de chapas finas.
2.3 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO
A velocidade de propagação do som é constante para um determinado material e modo de propagação e
se relaciona com o comprimento de onda e a freqüência da onda por:
v = λ. f
l
onde
v - velocidade de propagação da onda sonora (m/s)
λ - comprimento de onda (m)
F - freqüência da onda sonora (Hz)
Como a velocidade de propagação é constante, uma alteração na freqüência produzirá uma alteração no
comprimento de onda, mantendo o produto λ.f constante. Em termos de detecção de descontinuidades,
42
uma regra geral é que descontinuidades com dimensões maiores do que meio comprimento de onda
podem ser detectadas.
As propriedades do material que influenciam a velocidade de propagação das ondas sonoras são sua
massa específica, seu módulo de elasticidade e seu módulo de cisalhamento. As velocidades de
propagação das ondas sonoras podem ser determinadas por:
VL =
E (1 − µ )
ρ (1 + µ )(1 − 2 µ )
e
VT =
E
2 ρ (1 + µ )
ou
VT =
G
ρ
,
onde
VL - velocidade da onda longitudinal (m/s)
VT - velocidade da onda transversal (m/s)
2
E - módulo de elasticidade do material (kg/ms )
µ - coeficiente de Poisson
2
G - módulo de cisalhamento do material (kg/ms )
3
ρ - massa específica (kg/m )
2.3.1
ATENUAÇÃO
A intensidade do feixe sonoro diminui à medida que o mesmo se propaga através do material, de forma
que a intensidade do feixe que retorna ao transdutor é bem menor que a intensidade do feixe original.
Esta diminuição é devido às perdas por transmissão, aos efeitos de interferência e de dispersão do feixe
que ocorrem no material.
2.3.2
IMPEDÂNCIA ACÚSTICA
A impedância acústica de um material é definida como o produto de sua massa específica pela
velocidade de propagação do som, ou seja:
Z = ρ .v ,
onde
2
Z - impedância acústica (kg/m s)
3
ρ - massa específica (kg/m )
v - velocidade da onda longitudinal (m/s)
Quando uma onda sonora que se propaga em um determinado material atinge um outro material (por
exemplo, o ultra-som se propagando no aço atinge uma inclusão de escória), parte da energia sonora
continua a sua trajetória e parte é refletida na interface entre os dois materiais. A quantidade de energia
sonora que será refletida e transmitida na interface dos dois materiais é função das impedâncias
acústicas dos dois materiais. Caso as impedâncias acústicas sejam similares, não haverá reflexão.
Quanto maior a diferença entre elas maior será a reflexão. Um exemplo do que acontece na interface de
dois materiais pode ser observado na figura 3.
43
Feixe
refletido
Meio 1
Z1
Feixe
incidente
Meio 2
Z2
Feixe
transmitido
Fig. 3 – Comportamento do feixe sonoro na interface entre dois materiais: parte do feixe prossegue em
sua trajetória e parte do feixe é refletido, devido às diferentes impedâncias acústicas dos meios.
Para uma incidência normal na interface dos dois materiais, a quantidade de energia refletida é dada por:
R=
Pr Z 2 − Z1
=
Pi
Z 2 + Z1
A quantidade de energia transmitida é dada por:
T=
Pt
2Z 2
=
,
Pi Z 2 + Z1
onde:
R - coeficiente de reflexão
T - coeficiente de transmissão
Pi - pressão sônica do feixe incidente
Pr - pressão sônica do feixe refletido
Pt - pressão sônica do feixe transmitido
Z1 - impedância acústica do meio 1
Z2 - impedância acústica do meio 2
2.3.3
REFRAÇÃO
Quando uma onda ultra-sônica incide na interface de dois materiais formando um ângulo oblíquo e as
velocidades de propagação do ultra-som nos dois materiais são diferentes, ocorrem dois efeitos: a
conversão de modo e a refração (mudança no modo e na direção de propagação da onda). As
mudanças de modo e direção possíveis de ocorrer podem ser observadas na figura 4.
44
Transversal
VT1
Longitudinal
VL1
Longitudinal
VL1
θ1
θ2
θ3
Meio 1
Meio 2
θ5
θ4
Longitudinal
VL2
Transversal
VT2
Fig. 4 – Conversões de modo, reflexão e refração de uma onda longitudinal incidindo obliquamente em
uma interface.
O comportamento das ondas ultra-sônicas na interface é descrito pela Lei de Snell, conforme;
senθ 1 senθ 2 senθ 3 senθ 4 senθ 5
=
=
=
=
,
V L1
VT 1
V L2
VT 2
V L1
onde:
VL1 - velocidade da onda longitudinal no meio 1
VL2 - velocidade da onda longitudinal no meio 2
VT1 - velocidade da onda transversal no meio 1
VT2 - velocidade da onda transversal no meio 2
Na figura 4 vê-se que, dependendo do ângulo de incidência da onda longitudinal com a normal pode
haver dois tipos de onda no segundo meio. À medida que o ângulo de incidência aumenta, a onda
longitudinal refratada aproxima-se cada vez mais da interface, até que, para um determinado ângulo de
incidência, a onda longitudinal refratada fará um ângulo de 90° com a normal. Neste momento somente a
onda transversal refratada estará presente. Este ângulo de incidência é denominado primeiro ângulo
crítico. Aumentando-se o ângulo de incidência além do primeiro ângulo crítico, em um determinado
momento a onda transversal refratada fará, por sua vez, um ângulo de 90° com a normal. Este novo
valor do ângulo de incidência para o qual a onda transversal refratada é paralela à interface incidência é
denominado segundo ângulo crítico. A duas situações podem ser observadas na figura 5 (a) e (b).
45
Longitudinal
Longitudinal
VL1
θ1
VL1
θ1
Meio 1
Meio 1
Meio 2
Longitudinal
θ5
Meio 2
Transversal
θ5
θ4
Transversal
VT2
(a)
(b)
Fig. 5 – Primeiro ângulo crítico θ1 (a) e segundo ângulo crítico θ2 (b).
3. Equipamentos
3.1.1
Cabeçotes
As ondas ultra-sônicas podem ser geradas de diversas maneiras, como através do efeito piezo-elétrico,
de processos eletrostáticos ou de excitação térmica, sendo mais comum a utilização de transdutores
piezoelétricos.
O efeito piezoelétrico é uma característica apresentada por alguns materiais que, quando deformados
mecanicamente, produzem cargas elétricas e, quando submetidos a uma diferença de potencial, se
deformam mecanicamente (efeito piezoelétrico inverso). Quando uma diferença de potencial é aplicada
ao elemento piezoelétrico ele altera sua dimensões, gerando vibrações mecânicas.
No ensaio por ultra-som as ondas sonoras são introduzidas no material sob teste através de um
dispositivo denominado cabeçote. O cabeçote incorpora um elemento piezoelétrico que converte sinais
elétricos em vibrações mecânicas (modo transmissão) e vibrações mecânicas em sinais elétricos (modo
de recepção). O cabeçote é posicionado na superfície da peça sob teste e deslocado sobre a mesma, de
modo a possibilitar a varredura do interior da peça pelo feixe sonoro na região de interesse. Um
cabeçote típico pode ser observado no desenho esquemático da figura 6, com alguns de seus detalhes
construtivos.
Carcaça
Conector e cabo
Elemento Piezoelétrico
Material amortecedor
Placa protetora
Eletrodos
Fig. 6 – Cabeçote de ultra-som típico.
Na base do cabeçote existe uma placa de proteção para impedir o contato direto do elemento
piezoelétrico com a superfície do material, o que provocaria o desgaste prematuro do mesmo. A cima da
placa encontra-se o elemento piezoelétrico. As duas faces do elemento são recobertas com um material
condutor, de forma a possibilitar a aplicação da diferença de potencial responsável por sua deformação e
conseqüente geração de ondas ultra-sônicas. A espessura do elemento piezoelétrico é função da
freqüência do cabeçote. Junto ao elemento piezoelétrico se encontra o bloco amortecedor, responsável
46
pelo amortecimento das vibrações do elemento piezoelétrico. Este conjunto encontra-se montado em
uma carcaça e é conectado ao equipamento de ultra-som por meio de conectores e cabos especiais.
3.1.2
Tipos de Cabeçotes
a) Cabeçote normal
O cabeçote normal possibilita a introdução das ondas sonoras perpendicularmente à superfície da peça
em exame. Nesta situação, somente ondas longitudinais são introduzidas no material. Um único
elemento piezoelétrico funciona como emissor e receptor e é montado de forma a permanecer paralelo à
superfície do material a ser examinado, conforme pode ser observado na figura 7.
Carcaça
Conector
Bloco
Amortecedor
Emissor/Receptor
Placa
Protetora
Fig. 7 – Cabeçote normal típico.
b) Cabeçote angular
O cabeçote angular possibilita a introdução do feixe sonoro com um determinado ângulo no material.
São geradas ondas longitudinais no cabeçote. Ao penetrarem no material, essas ondas sofrem uma
conversão de modo e refração, transformando-se em ondas transversais. Para o aço são usuais
cabeçotes angulares com ângulos de 45°, 60° e 70°. Este ângulo corresponde ao ângulo do feixe ultrasonico refratado e não o ângulo de incidência. Como no caso dos cabeçotes normais, um único elemento
piezoelétrico funciona como emissor e receptor. O elemento piezoelétrico é montado inclinado, conforme
pode ser observado na figura 8.
Blocos Amortecedores
Carcaça
Conector
Sapata
Emissor/Receptor
Fig. 8 – Cabeçote angular típico.
c) Cabeçotes duplo-cristal
Este tipo de cabeçote é adequado para a detecção de descontinuidades próximas à superfície, uma
limitação apresentada pelos transdutores normais e angulares convencionais. Este tipo de cabeçote é
constituído por dois elementos piezelétricos que atuam de forma independente, um como emissor e um
como receptor, conforme pode ser observado na figura 9. São também conhecidos como cabeçotes SE
e utilizados para a medição de pequenas espessuras, limitação apresentada pelos outros tipos de
cabeçotes.
47
Carcaça
Barreira
Acústica
Emissor
Blocos
Amortecedores
Receptor
Sapata de
Atraso
Fig. 9 – Cabeçote duplo-cristal típico.
4. Comportamento do feixe sonoro
O feixe sonoro gerado por um cabeçote de ultra-som não de origina de um único ponto no elemento
piezoelétrico e sim de toda a sua superfície. Desta forma, a intensidade sonora ao longo do feixe é
afetada pelas interferências construtivas e destrutivas que ocorrem durante a emissão. Estas
interferências resultam em flutuações na intensidade sonora nas proximidades da fonte emissora, em
uma região denominada campo próximo. Nesta região é extremamente difícil a avaliação de
descontinuidades, limitação dos cabeçotes angulares e normais apresentados.
Na região após o campo próximo, denominada campo longínquo, o feixe sonoro adquire um
comportamento mais uniforme, O comportamento do feixe sonoro nas duas regiões pode ser observado
na figura 10. Na área imediatamente após a distância N (região final do campo próximo), o feixe sonoro
apresenta a pressão sonora máxima. Descontinuidades presentes exatamente neste local, no material,
serão mais facilmente detectadas durante uma inspeção.
Fig.10 – Comportamento do feixe sonoro no campo próximo e no campo longínquo.
Para um cabeçote com um elemento piezoelétrico circular, o comprimento do campo próximo é dado por:
N=
Def 2 . f
4.v
48
Para um cabeçote com um elemento piezoelétrico quadrado ou retangular, o comprimento do campo
próximo é dado por:
N = 1,3
M ef 2 . f
v
,
onde:
N - comprimento do campo próximo
v - velocidade do som no material
f - freqüência do cabeçote
Def - diâmetro efetivo do elemento piezoelétrico circular = 0,97.diâmetro nominal
Mef - metade do comprimento efetivo do lado maior - elemento piezoelétrico retangular =
0,97.comprimento real
Na saída do cabeçote, o diâmetro do feixe sônico corresponde, aproximadamente, ao diâmetro do
elemento piezoelétrico. Este diâmetro diminui até o final do campo próximo, a uma distância N do
cabeçote. Após esta região, o diâmetro do feixe passa a aumentar com o aumento do ângulo de
divergência do feixe. A partir de uma distância equivalente a três vezes o campo próximo (3N), o ângulo
de divergência se torna constante. O perfil do feixe sônico pode ser observado na figura 11.
Campo Próximo
Campo Longínquo
γγ
Fig. 11 – Perfil do feixe sônico.
A divergência do feixe no campo longínquo pode ser determinada por:
γ = 1,22
v
f .Def
onde:
γ - ângulo de divergência do feixe
v - velocidade do som no material
f - freqüência do cabeçote
Def - diâmetro efetivo do cabeçote
Pode-se observar que o espalhamento do feixe é determinado pela freqüência e pelo diâmetro do
cabeçote. À medida que a freqüência do cabeçote diminui e o seu diâmetro aumenta, o espalhamento do
feixe aumenta. Quando a freqüência do cabeçote aumenta e o seu diâmetro diminui, o espalhamento do
feixe diminui.
Para que o feixe sonoro produzido no cabeçote penetre na peça sob teste é necessário a utilização de
material chamado acoplante, colocado entre o cabeçote e a peça. Quando o cabeçote é posicionado
sobre a peça, uma camada de ar permanece entre os dois. Devido às diferenças entre as imped6ancias
acústicas do par material da superfície do cabeçote/ar e do par material da peça/ar, a quantidade de
energia sonora introduzida na peça pelo cabeçote é muito pequena. Da mesma forma, a quantidade de
energia sonora refletida no interior do material que será percebida pelo cabeçote será muita pequena,
49
inviabilizando o teste. Um acoplante colocado entre o cabeçote e a peça desloca a camada de ar
existente entre os dois, aumentando sensivelmente a transferência de energia sonora entre o transdutor
e a peça e entre a peça e o transdutor, durante o ensaio. Como acoplantes podem ser utilizados óleos,
graxas, silicone líquido e água. Um cuidado que deve ser tomado é que o acoplante utilizado durante o
ensaio deve ser o mesmo utilizado na calibração do sistema de ensaio.
5. Equipamento de Ensaio
O diagrama de blocos básico de um equipamento de ultra-som pode ser observado na figura 12, onde se
destacam a fonte de energia para alimentação de todos os circuitos do equipamento, um temporizador,
um circuito gerador de pulsos, um circuito receptor/amplificador, um circuito de varredura e uma tela para
apresentação dos sinais.
PLACA DE DEFLEXÃO
HORIZONTAL
PLACA DE DEFLEXÃO
VERTICAL
AMPLIFICADOR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VARREDURA
GERADOR
DE PULSOS
CABEÇOTE
TEMPORIZADOR
PEÇA
PARA CADA CIRCUITO
FONTE DE
ENERGIA
Fig. 12 – Diagrama de blocos de um equipamento de ultra-som.
O temporizador é o responsável pelo acionamento do gerador de pulsos, o qual excita o elemento
piezoelétrico do cabeçote. Ao mesmo tempo, ele aciona o circuito de varredura do equipamento,
conectado às placas de deflexão verticais. Este circuito é o responsável pela medição do tempo, gerando
uma linha horizontal na base da tela de apresentação dos sinais. Ao ser excitado por um pulso elétrico o
elemento piezoelétrico vibra, convertendo a energia elétrica em energia acústica, através do chamado
efeito piezoelétrico inverso. O pulso sonoro gerado é então transmitido para a peça, através do acoplante
colocado entre o cabeçote e a superfície da mesma, propagando-se através do material. Quando o feixe
sonoro encontra uma superfície refletora em sua trajetória (no caso da figura, a descontinuidade e a
superfície da peça oposta ao cabeçote) ele retorna ao cabeçote, atingindo o elemento piezoelétrico,
provocando a sua vibração. Através do efeito piezoelétrico a energia sonora é convertida em energia
elétrica. A voltagem induzida é amplificada pelo circuito de amplificação conectado às placas de deflexão
50
verticais e o sinal correspondente é apresentado na tela, em uma determinada posição, que indica o
tempo decorrido entre a emissão e a recepção do sinal. Na figura 12 pode-se observar o retorno do sinal
devido à descontinuidade no material e do sinal referente à superfície da peça oposta àquela onde está
posicionado o cabeçote. Pode-se notar que como a descontinuidade está mais próxima do cabeçote do
que a superfície da peça oposta ao mesmo, as ondas sonoras refletidas por ela retornaram ao cabeçote
antes daquelas referentes à superfície de fundo. Através de padrões de calibração com dimensões
padronizadas pode-se transformar a escala de tempo apresentada na tela do aparelho em uma escala
de distâncias.
No método de ensaio pulso-eco, os sinais referentes às ondas sonoras que retornam ao cabeçote
podem ser apresentadas de diferentes maneiras, denominadas tipo A, B, C e P. O mais usual são os
mostradores do tipo A, que basicamente correspondem a uma representação da amplitude dos sinais
referentes aos pulsos sonoros que retornam ao cabeçote em função do tempo decorrido. Este tipo de
representação é muito utilizado nos procedimentos para a detecção e avaliação de descontinuidades,
medição de espessuras. Os sinais podem ser apresentados no modo de radiofreqüência (RF) e de
vídeo. Uma representação deste tipo pode ser observada na figura13.
(a)
(b)
Fig. 13 – Mostrador tipo A no modo de vídeo (a) e RF (b).
Um mostrador tipo B apresenta a seção transversal da peça, sendo possível a determinação da
profundidade a que a descontinuidade se encontra na seção transversal da peça e sua dimensões
lineares. Uma limitação é a possibilidade do mascaramento de indicações por grandes refletores
posicionados próximo à superfície. Uma imagem típica da seção de uma peça apresentada por um
mostrador tipo B pode ser observada na figura 14.
Fig.14 – Imagem típica de um mostrador tipo B.
51
Um mostrador tipo C apresenta os resultados em uma vista em planta da peça, indicando a posição e as
dimensões das descontinuidades presentes, não apresentando, entretanto, informações sobre a sua
profundidade.
6. CALIBRAÇÃO
Para que as descontinuidades relevantes em uma determinada peça possam ser detectadas e
localizadas de forma adequada é necessário que se proceda à calibração do sistema de ensaio por ultrasom, envolvendo a calibração da escala horizontal e da sensibilidade do sistema.
A escala horizontal, que pode ser observada na tela do aparelho na figura 12, é uma escala de tempo.
As posições nas quais os sinais referentes a descontinuidades ou refletores presentes na peça
aparecem na escala horizontal na verdade estão associadas com a localização dos mesmos na peça.
Para que esta associação seja possível é necessária a realização de uma calibração prévia. Esta
calibração é feita com o auxílio de blocos padrões, com dimensões conhecidas e características que
possam influenciar na propagação do feixe sonoro controladas.
Alguns dos blocos mais utilizados são os blocos V1 (DIN 54120) e V2 (54122), que podem ser
observados com suas dimensões básicas nas figuras 15 e 16 respectivamente.
Fig. 15 – Bloco de calibração V1 (DIN 54120).
Fig. 16 – Bloco de calibração V2 (DIN 54122).
A calibração da escala horizontal consiste basicamente em se posicionar o cabeçote de ultra-som no
bloco de calibração de forma que a reflexão do feixe sonoro ocorra a partir de um refletor com posição
conhecida. Um exemplo da calibração da escala horizontal utilizando-se o bloco de calibração V1 e
cabeçote angular pode ser observado na figura 17. O cabeçote se encontra posicionado no centro do
52
raio de 100 mm existente no bloco. Ajustando-se a posição do sinal referente a essa reflexão na escala
horizontal, a escala que anteriormente era uma escala de tempo passa a ser uma escala de distâncias.
Neste caso específico o sinal referente à primeira reflexão foi posicionado na quarta divisão da escala
horizontal e a segunda reflexão na oitava divisão. Assim, na escala horizontal, as quatro primeiras
divisões equivalem a uma dist6ancia de 100 mm na peça, as quatro seguintes também, tendo então sido
criada uma escala de 250 mm no total. O comprimento definido para a escala é função do comprimento
que o feixe sônico deverá percorrer no interior do material.
Fig. 17 – Calibração da escala horizontal utilizando cabeçote angular e um bloco V1.
Para um cabeçote normal, a calibração da escala pode ser feita utilizando-se a lateral do bloco V1 como
referência ou da forma indicada na figura 18, onde também foi criada uma escala de 250 mm.
Fig 18 – Calibração da escala horizontal utilizando cabeçote normal um bloco V1.
A calibração da sensibilidade do sistema de ensaio implica no ajuste do ganho do sistema de ensaio de
forma a assegurar que as descontinuidades consideradas relevantes pela norma ou código de trabalho
(ASTM, API, ASME) utilizado como referência para a realização do ensaio possam ser detectadas.
A calibração do sistema de ensaio quanto à sensibilidade pode ser executada utilizando-se blocos de
referência com refletores artificiais, como furos e entalhes. Algumas das técnicas empregadas são a
técnica do eco de fundo, a técnica do furo de fundo plano e a técnica do furo transversal.
A técnica do eco de fundo, normalmente utilizada para cabeçotes normais, utiliza como referência o eco
de fundo gerado na superfície da peça oposta àquela em que o cabeçote está posicionado. O ganho do
equipamento é ajustado de forma que o primeiro eco de fundo, por exemplo, tenha uma amplitude
equivalente a 80% da altura da tela. A grande vantagem é que a calibração é feita na própria peça. Um
exemplo pode ser observado na figura 18.
Na técnica do furo de fundo plano, o fundo do furo funciona como refletor de referência, simulando uma
descontinuidade com a forma de um disco. É normalmente utilizado no exame de peças fundidas e
forjadas. Neste caso a calibração da sensibilidade é feita utilizando-se um conjunto de blocos com furos
de mesmo diâmetro e comprimento, variando-se somente a altura de cada bloco, como indicado na
53
figura 19. O ajuste da sensibilidade é feito posicionando-se o cabeçote, em cada bloco, na superfície
oposta à do furo e verificando em qual bloco o sinal referente ao fundo do furo apresenta a maior
amplitude. Selecionado o bloco, o ganho do equipamento deve ser ajustado de forma que o sinal
referente ao furo atinja 80% da altura da tela. Este ponto deve ser marcado em uma máscara colocada
sobre a tela do equipamento, quando o mesmo não apresenta recursos próprios para isso. A seguir o
cabeçote deve ser posicionado nos outros blocos, a amplitude máxima dos sinais referentes a cada um
dos furos deve ser marcada, como feito com o primeiro bloco e os pontos marcados devem ser unidos
dando origem a uma curva que será utilizada como referência para a realização do ensaio (curva
primária). Isto faz com que o mesmo refletor de referência seja detectado a diferentes distâncias do
cabeçote. Além disso devem ser posteriormente verificadas as perdas por transferência, devido às
diferenças do bloco para a peça a ser examinada.
Fig. 19 – Conjunto de blocos de calibração com furos de fundo plano, apresentando furos com um
mesmo comprimento e diâmetro em uma das extremidades e alturas diferentes.
Na técnica do furo transversal, os furos nos blocos de referência são usinados com o seu eixo paralelo
às superfícies onde o cabeçote será posicionado. Durante a calibração o eixo do feixe sônico
permanecerá perpendicular ao eixo longitudinal do furo, de forma a maximizar o sinal referente à parede
lateral do mesmo. A curva de referência é obtida de forma similar ao procedimento anterior, somente o
refletor de referência é que passa a ser a lateral do furo. A seguir são traçadas as curvas com 50% e
20% da amplitude da curva de referência primária. Um bloco típico utilizado neste tipo de calibração é
mostrado na figura 20.
E (mínimo 40 mm)
2
4
5
3
6
1
E/4
E/2
E
1 1/2 E (mínimo 40 mm)
Fig.20 – ‘Bloco de referência para utilização na técnica de calibração do furo transversal. A lateral do furo
é o refletor de referência.
54
O cabeçote é posicionado em diferentes locais do bloco, de forma a detectar o mesmo refletor a
distâncias diferentes. A curva de referência obtida tem um aspecto similar ao que pode ser observado na
figura 21.
Curva primária
Curva 50%
Curva 20%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fig. 21 – Aspecto das curvas obtidas durante a calibração de um sistema de ensaio por ultra-som
utilizando o bloco de referência da figura 20.
7. TÉCNICAS DE ENSAIO
O ensaio por ultra-som pode ser feito por contato direto entre o cabeçote e a peça, onde o acoplante é
colocado na interface cabeçote/peça ou por imersão, onde a coluna de água entre o cabeçote e a peça
além de funcionar como acoplante faz com que o campo próximo do cabeçote permaneça fora da peça.
Algumas das técnicas utilizadas para a inspeção de materiais são descritas a seguir.
7.1 Pulso-Eco
Nesta técnica o cabeçote emite as ondas ultra-sônicas em intervalos regulares, que são introduzidas no
material e se propagam pelo mesmo até encontrar uma superfície refletora. Quando isso ocorre, as
ondas são refletidas e retornam ao cabeçote, que converte a energia mecânica em pulsos elétricos que
são processados e apresentados na tela do aparelho. Neste método normalmente é utilizado apenas um
cabeçote, que atua como emissor e receptor das ondas sonoras. Na figura 22 pode-se observar o
princípio do método.
55
Cabeçote
Peça
Feixe
refletido
Eco referente à
descontinuidade
Feixe
emitido
Eco de
fundo
Descontinuidade
Fig. 22 – Técnica Pulso-eco.
7.2 Transparência
Nesta técnica são utilizados dois cabeçotes, um atuando como emissor e o outro como receptor,
posicionados em superfícies opostas da peça. Quando não existem descontinuidades no interior da peça
que atuem como refletores, o cabeçote receptor recebe uma determinada quantidade da energia sonora
emitida pelo cabeçote emissor. Caso haja alguma descontinuidade no caminho do feixe sonoro, parte ou
mesmo roda a energia sonora é refletida, diminuindo a quantidade de energia que chega ao receptor.
Figuras 23 e 24 o princípio do método da transparência é apresentado.
Cabeçote emissor
Peça
Feixe
emitido
Cabeçote receptor
Fig. 23 – Técnica da Transparência - sem a presença de descontinuidades.
Cabeçote emissor
Peça
Feixe
refletido
Feixe
emitido
Descontinuidade
Cabeçote receptor
Fig. 24 – Técnica da Transparência - com a presença de descontinuidades: redução da energia recebida
pelo cabeçote receptor.
56
7.3 Tandem
Nesta técnica são utilizados dois cabeçotes, como pode ser observado na figura 25 O som emitido pelo
cabeçote emissor é detectado pelo cabeçote receptor caso haja uma descontinuidade em uma
determinada região da peça. É utilizada quando se quer examinar uma região a uma dada profundidade
onde a ocorrência de descontinuidades deve ser pesquisada. Em função dessa profundidade determinase o espaçamento entre os cabeçotes para o exame da região de interesse. No exemplo da figura 23 os
cabeçotes são mantidos a uma mesma distância do cordão de solda e são deslocados paralelamente ao
eixo longitudinal do mesmo, de forma a possibilitar o exame da região de interesse em toda a sua
extensão.
Fig. 25 – Técnica Tandem.
8. LOCALIZAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE DESCONTINUIDADES
Para determinar a que distância da superfície (profundidade) uma descontinuidade se encontra, quando
o exame da peça está sendo realizado utilizando-se um cabeçote normal, basta fazer a leitura da
posição da descontinuidade na tela do aparelho. No caso de transdutores angulares, usados no examme
de juntas soldadas, entretanto, esta leitura não é suficiente. Neste caso deve-se determinar a distância a
que a descontinuidade se encontra da superfície e em que local da peça ela se encontra. Isto pode ser
feito a partir da leitura do percurso do feixe sônico, na tela do aparelho e do conhecimento do perfil da
junta soldada. O processo utilizado pode ser observado na figura 26
a1
a
Ps
β
2
β
Ps
d1
e
d
1
Fig. 26 – Localização de descontinuidades com cabeçote angular a partir do ângulo do cabeçote,
espessura da peça e do percurso sônico.
Para o cabeçote n° 1, onde a descontinuidade se encontra após a primeira reflexão na superfície oposta
ao cabeçote, as distâncias a e d podem ser determinadas através de:
a = Ps senβ
d = 2e − Ps cos β , onde:
e - espessura da peça
d - distância da superfície à descontinuidade
Ps - percurso do feixe sônico no material, lido diretamente na tela do equipamento de ultra-som, indicado
na figura 26 pela linha tracejada
β - ângulo do cabeçote com a normal
57
Para o cabeçote n° 2, onde a descontinuidade se encontra antes de ocorrer a primeira reflexão na
superfície oposta ao cabeçote, as distâncias a1 e d1 podem ser determinadas através de:
a1 = Ps senβ
d 1 = Ps cos β
Ao se encontrar uma descontinuidade no material, o passo seguinte é a determinação de suas
dimensões. Com relação ao dimensionamento, será apresentada uma das técnicas utilizadas,
denominada técnica da queda dos 6 dB. Ela consiste em se posicionar o cabeçote sobre a
descontinuidade e procurar a posição em que a reflexão do feixe sonoro pela mesma produza o sinal
com maior amplitude na tela. Neste momento ajusta-se o controle de ganho do aparelho de ultra-som
para que o sinal fique a 100% da altura da tela. A seguir o cabeçote deve ser deslocado ao longo da
descontinuidade até que a amplitude do sinal caia para 50% da altura da tela, o equivalente a uma
queda de 6 dB. Este procedimento deve ser feito em várias direções sobre a descontinuidade, de forma
a se determinar os seus limites. O processo utilizado pode ser observado na figura 27. Na posição 1 o
cabeçote está totalmente sobre a descontinuidade e a reflexão obtida é máxima. Nas posições 2 e 3
apenas a metade do feixe sônico está sobre a descontinuidade.
2
Posição 2
1
3
Posição 1
Posição 3
100%
50%
50%
Fig. 27 – Técnica de dimensionamento da queda dos 6 dB.
58
Capítulo 5
O Ensaio por Correntes Parasitas
1. INTRODUÇÃO
O método de ensaio por correntes parasitas consiste, basicamente, na indução de correntes elétricas em
materiais eletricamente condutores e na monitoração da interação entre as correntes induzidas e o
material. As correntes são induzidas através de uma bobina alimentada por uma fonte de corrente
alternada. As correntes induzidas no material são denominadas correntes parasitas e são afetadas por
variações que ocorrem na condutividade elétrica, permeabilidade magnética e na geometria do material.
Essa dependência faz com que este método de ensaio seja capaz de avaliar uma série de
características de materiais condutores, como sua composição química, tamanho de grão, fases, dureza
superficial, tensões e descontinuidades estruturais como trincas, perdas de espessura, inclusões.
A principal aplicação deste método de ensaio atualmente é na inspeção de tubos de materiais não
ferromagnéticos instalados em componentes de troca térmica, como condensadores e geradores de
vapor, dentre outros. São também utilizados para a detecção de trincas superficiais, separação de
materiais, medição de camadas de materiais isolantes depositados em bases de materiais condutores,
como camadas de tinta, por exemplo, medição de espessura, determinação da profundidade de
endurecimento em tratamentos térmicos. É um dos métodos de ensaio mais versáteis e com
possibilidades de desenvolvimento atualmente. Os equipamentos podem ser adquiridos com diversas
configurações, para atender a necessidades específicas.
As principais vantagens deste método de ensaio são:
- É sensível a presença de pequenas trincas e outras descontinuidades;
- Pode detectar descontinuidades superficiais e sub-superficiais;
- Grande parte dos equipamentos são portáteis;
- Possui uma gama de aplicações extensa;
- Não necessita de preparações excessivas das peças para ensaio ;
- As sondas utilizadas não necessitam ter contato direto com a peça em exame;
- Pode ser utilizado para a inspeção de peças de geometria complexa.
As principais limitações apresentadas por este método de ensaio são:
- Só pode ser aplicado a materiais eletricamente condutores;
- A superfície a ser examinada deve ser acessível para a sonda de teste;
- O treinamento dos operadores é mais rigoroso que para outros métodos de teste;
- O número de padrões necessário para a realização do ensaio;
- A profundidade de penetração deste método de ensaio é limitada às regiões próximas à superfície;
- O acabamento superficial pode interferir nos resultados do ensaio;
- Necessidade de gabaritos para o exame de geometrias complexas.
2. PRINCÍPIOS BÁSICOS
As correntes parasitas são induzidas no material sob teste através de uma bobina alimentada por uma
corrente alternada, a uma determinada freqüência. A corrente que passa pela bobina cria um campo
magnético variável, denominado campo magnético primário. Quando um campo magnético variável
intercepta um material condutor elétrico, correntes elétricas são induzidas neste condutor, de acordo com
as leis de Faraday e Ohm. São essas as correntes parasitas. Elas circulam no material em sentido
contrário ao da corrente da bobina e geram o seu próprio campo magnético, que por sua vez também se
opõe ao campo da bobina. Este campo é chamado de campo secundário. O campo resultante da
interação entre o campo primário e o campo secundário tem um valor menor do que o do campo original
59
da bobina, resultando em uma mudança na impedância da mesma. Dessa forma, monitorando-se as
variações de impedância na bobina, as variações nas propriedades elétricas e magnéticas do material
bem como suas características geométricas podem ser medidas. As correntes parasitas formam
trajetórias circulares, circulando em planos perpendiculares ao fluxo magnético. Normalmente circulam
em trajetórias paralelas ao enrolamento da bobina e à superfície da peça e são limitadas à região
afetada pelo campo magnético de indução. O princípio básico da geração de correntes parasitas pode
ser observado na figura 1
Bobina de ensaio
Corrente elétrica de
alimentação
Campo magnético
primário
Correntes
induzidas ou
parasitas
Campo magnético
secundário
Amostra de material
condutor
Fig. 1 – Princípios do método de ensaios por correntes parasitas.
Durante o ensaio de um dado material, enquanto estiver sobre uma região homogênea do material, a
impedância total da bobina permanecerá inalterada. Entretanto, caso a bobina atravesse uma região do
material com características diferentes, como uma região com uma inclusão ou variação na composição
química ou mesmo com uma trinca, por exemplo, as correntes parasitas serão alteradas, provocando
alterações no campo secundário e, conseqüentemente no campo resultante. Esta alteração produzirá,
por sua vez, uma variação na imped6anciaa da sonda. Este efeito pode ser observado na figura 2.
60
Sinal da
bobina
Sinal da
bobina
modificado
HP + HS
HP + HS
Campo
primário
Campo
secundário
HP
Campo
primário
HS
Correntes
Parasitas
µ1 , σ1
Campo
secundário
modificado
HP
HS
Correntes
Parasitas
modificadas
Material sob teste
µ2 , σ2
Fig. 2 – Variação da impedância da sonda durante o ensaio.
A profundidade de penetração das correntes parasitas em um determinado material depende da
condutividade elétrica e da permeabilidade magnética do material e da freqüência de teste. A
profundidade padrão de penetração das correntes parasitas no material é dada por:
δ = 50 ρ fµ r , sendo
ρ - resistividade elétrica do material - µΩ.cm
F - freqüência de teste - hertz
µr - a permeabilidade magnética relativa do material - adimensional
Esta equação estabelece que a uma profundidade padrão de penetração, a densidade das correntes
parasitas decresce a 37% da densidade das correntes parasitas na superfície. Na maior parte dos
ensaios por correntes parasitas, principalmente aqueles utilizando sondas superficiais. Esta densidade
de corrente é menor do que a calculada pela equação acima.
Além do decréscimo da densidade com a profundidade, as correntes parasitas também sofrem uma
defasagem com relação às correntes que circulam na superfície. O atraso de fase depende das mesmas
propriedades que afetam a densidade das correntes, sendo dada por:
β=
x
δ
=
x
50 ρ fµ r
, onde
x - a distância abaixo da superfície - mm
β - a defasagem em radianos
O atraso na fase é o parâmetro que torna possível determinar a profundidade de uma descontinuidade.
Também permite a diferenciação de um sinal referente a uma descontinuidade e uma indicação falsa.
61
3. Instrumentação
3.1 Sondas
As sondas utilizadas no ensaio possuem uma larga variedade de tamanhos e formas. Uma das maiores
vantagens do ensaio por correntes parasitas é que as sondas podem ser projetadas para uma larga
variedade de aplicações. As sondas por correntes parasitas são classificadas pela sua configuração e
modo de operação. De acordo com a sua configuração elas são classificadas como internas,,
envolventes ou superficiais. As sondas internas são utilizadas, por exemplo, para a inspeção de tubos
instalados em componentes de troca térmica, onde o único acesso para a realização da inspeção é pela
extremidade dos tubos. As sondas envolventes são mais utilizadas nas inspeções de fabricação de
tubos, onde podem ser montadas na própria linha de produção. Os tubos a serem avaliados passam
pelo interior da sonda para serem avaliados. As sondas superficiais são utilizadas para aplicações como
detecção de trincas, separação de materiais, medição da espessura de camadas. Quanto à
configuração, os principais tipos de sonda são classificados como diferenciais e absolutas.
3.1.1
Sondas absolutas
Geralmente são constituídas por apenas uma bobina de teste, que é utilizada para gerar as correntes
parasitas e detectar as mudanças no campo produzido pelas mesmas. Elas são utilizadas para a
medição de condutividade (separação de materiais), medidas de espessura de camadas isolantes sobre
base condutora (camada de tinta) e medidas de espessura.
3.1.2
Sondas diferenciais
As sondas diferenciais têm duas bobinas ativas, normalmente ligadas diferencialmente. Quando as duas
bobinas estão em uma região homogênea do material, não há um sinal diferencial gerado pelas bobinas.
Entretanto, quando uma das bobinas se aproxima de uma descontinuidade e a outra coninua sobre uma
região homogênea, um sinal diferencial é produzido. Elas tem como característica uma alta sensibilidade
a descontinuidades localizadas e uma baixa sensibilidade a descontinuidades com variações graduais.
3.1.3
Sondas superficiais
São normalmente projetadas para serem manuseadas e utilizadas em contato constante com a
superfície do material examinado. O tamanho e a forma da bobina são determinados em função da
aplicação. De maneira geral a bobina é construída com o seu eixo longitudinal perpendicular à superfície
de teste. É eficiente para detectar descontinuidades orientadas perpendicularmente à superfície de teste.
Descontinuidades do tipo dupla laminação não são detectadas por este tipo de sonda.
3.1.4
Sondas internas
São utilizadas para a inspeção de instalados em trocadores de calor, onde o ‘único acesso ao interior
dos tubos através de sua extremidade, conforme indicado na figura 3. As sondas têm o aspecto
mostrado na figura 4.
62
Fig.3 – Trocador de calor com detalhe dos tubos instalados .
Fig.4 – Sonda interna para a realização do ensaio.
3.1.5
Sondas envolventes
Neste tipo de sonda, indicado para o exame de tubos pós-fabricação, o material a ser examinado passa
pelo interior da mesma. São também muito usadas para a inspeção de barras.
3.2 Circuito de ponte
No ensaio por correntes parasitas é necessário que a impedância da bobina de detecção seja
determinada. A maior parte das aplicações requer que somente sejam determinadas as diferenças que
ocorrem na impedância, o que pode ser feito com um alto grau de sensibilidade com a utilização de uma
ponte AC. A maior parte dos equipamentos de correntes parasitas utiliza uma ponte AC para detectar as
pequenas variações de impedância que ocorrem entre bobinas ou entre uma bobina simples e uma
impedância de referência. Um circuito de ponte AC típico pode ser observado na figura 5.
63
R
R
AC
V
R
R
Amostra de
Referência
Material
Terra
Terra
Fig. 5 – Circuito de ponte utilizado no ensaio por correntes parasitas.
No circuito da figura 5, o braço esquerdo inferior corresponde ao enrolamento da bobina de teste,
enquanto que o braço inferior direito corresponde ao enrolamento de uma bobina posicionada junto a
uma amostra de referência. Qualquer variação no material junto `a sonda de teste provocará um
desbalanceamento da ponte, que ser’a detectado pelo voltímetro V.
4. Padrões de Referência
No ensaio por correntes parasitas, os padrões de referência têm uma importância expressiva para a
calibração do sistema de ensaio. O uso de padrões com características adequadas resultará em uma
calibração adequada, produzindo resultados confiáveis para o ensaio. Para cada aplicação especifica
devem estar disponíveis ou serem fabricados padrões que reproduzam da maneira mais fiel possível o
tipo de descontinuidade ou de variação que se deseja detectar ou medir no material em exame.
Padrões comuns no ensaio por correntes parasitas são:
- Padrões de condutividade
- Padrões de perda de espessura
- Padrões de trincas
- Padrões de espessura de revestimento isolante
- Padrões para verificação de profundidade de endurecimento
- Padrões de descontinuidades localizadas e distribuídas em produtos tubulares.
5. Aplicações
5.1 Detecção de trincas superficiais
Para o ensaio de um determinado material ou componente para a detecção de trincas superficiais é
necessário utilizar um padrão que contenha descontinuidades similares a trincas para a calibração do
sistema de ensaio. Um padrão desse tipo pode ser observado na figura 6.
64
Fig. 6 – Padrão utilizado para calibração do sistema de ensaio para a detecção de trincas.
Ao ser deslocada sobre o padrão de calibração, as variações de impedância da sonda serão
apresentadas na tela do equipamento conforme indicado na figura 7. Devido `as limitações na
penetração das correntes parasitas no material, a partir de determinada profundidade, o sistema não
conseguirá detectar um aumento na profundidade das trincas.
Fig. 7 – Padrão utilizado para calibração do sistema de ensaio para a detecção de trincas.
5.2 Inspeção de tubos em trocadores de calor
Para a inspeção de tubos em trocadores de calor utilizam-se sondas internas como a que pode ser
observada na figura 4. Para a calibração do sistema de ensaio, um dos padrões utilizados pode ser
observado na figura 8. É um padrão adotado pelo Código ASME, contendo furos de fundo plano com
diferentes diâmetros e profundidades. As descontinuidades básicas existentes neste padrão são:
- Um furo passante com diâmetro igual a 1,3 mm para tubos com diâmetro externo igual ou menor do
que 19 mm e com diâmetro igual a 1,7 mm para tubos com diâmetro externo maior do que 19 mm.
- Um furo de fundo plano, com profundidade equivalente a 80% da sua espessura de parede e diâmetro
de 2 mm;
- Um furo de fundo plano, com profundidade equivalente a 60% da sua espessura de parede e diâmetro
de 2,8 mm;
- Um furo de fundo plano, com profundidade equivalente a 40% da sua espessura de parede e diâmetro
de 5 mm;
- Quatro furos de fundo plano, com profundidade equivalente a 20% da sua espessura de parede e
diâmetro de 5 mm;
65
- Um rasgo circunferencial, com largura de 1,5 mm e profundidade igual a 10% da espessura de parede
do tubo, usinado em sua superfície interna;
Fig. 8 – Padrão utilizado para calibração do sistema de ensaio de tubos instalados em componentes de
troca térmica.
A usinagem destas descontinuidades artificiais é feita em uma máquina de eletro-erosão, conforme
mostrado na figura 9, de forma a não produzir deformações mecânicas no padrão.
Fig. 9 – Máquina de eletro-erosão para fabricação de padrões para correntes parasitas.
Na calibração, os sinais referentes aos furos presentes no padrão são registrados, senso obtido um
conjunto de sinais conforme pode ser observado na figura 10. São mostrados os sinais referentes as
descontinuidades com 100%, 80%, 60%, 40% e 20% de perda de parede.
66
80%
100%
60%
40%
20%
Fig. 10 – Sinais referentes ao padrão de calibração ASME para calibração do sistema de ensaio para a
inspeção de tubos.
Perda percentual de espessura
Após os sinais serem registrados, os ângulos que cada um deles faz com a horizontal são medidos e é
traçada uma curva associando a perda de espessura com o ângulo do sinal obtido no ensaio. Esta curva
tem o aspecto indicado na figura 11.
Angulo de fase (º)
Fig. 11 – Relação entre a espessura da parede e o ângulo medido do sinal.
67
Capítulo 6
O Ensaio por Líquidos Penetrantes
1. INTRODUÇÃO
O método de ensaio por líquidos penetrantes é utilizado para revelar descontinuidades superficiais em
materiais em geral. Um método similar foi muito utilizado pela indústria ferroviária em seus primórdios.
Este método consistia em na diluição com querosene de um óleo pesado normalmente disponível em
oficinas de manutenção ferroviária, que era em seguida depositado em grandes tanques onde eram
colocados os componentes a serem examinados, como por exemplo, rodas. Após um determinado
tempo de imersão, os componentes eram retirados dos tanques, limpos e a sua superfície recoberta com
uma camada fina de pó de giz em suspensão em álcool, de maneira que, com a evaporação do álcool,
se formava uma fina camada de pó branco na superfície. O componente então era vibrado de modo a
facilitar a saída do óleo de trincas superficiais porventura existentes, manchando localmente a cobertura
branca.
No início da década de 40 iniciou-se a utilização do penetrante visível, contendo um corante
normalmente vermelho. Este tipo de penetrante é utilizado até os dias de hoje. Com o desenvolvimento
da indústria aeroespacial o ensaio por líquidos penetrantes apresentou um desenvolvimento expressivo,
devido à necessidade de se examinar materiais não ferromagnéticos.
2. PRINCÍPIOS BÁSICOS
O método de ensaio por líquidos penetrantes consiste na aplicação de um líquido, com características
especiais, sobre a superfície da peça ou componente de interesse, de forma que, após um determinado
tempo, este líquido penetre em descontinuidades presentes no material e que sejam abertas à
superfície. Após um determinado tempo, o excesso de líquido é removido e um material chamado
revelador é aplicado sobre a superfície. Este material age de forma a retirar o líquido que penetrou na
descontinuidade, formando uma imagem da mesma na superfície da peça, que será avaliada de acordo
com a norma utilizada para a fabricação da peça ou componente.
2.1 ETAPAS DE REALIZAÇÃO DO ENSAIO
2.1.1
Preparação da superfície a ser examinada
Para que os resultados do ensaio sejam representativos, ou seja, para que as descontinuidades
superficiais existentes no material sejam detectadas, é necessário que a superfície examinada e as
regiões adjacentes à mesma estejam livres de graxas, óleos, sujeira, tintas ou qualquer outro material
que possa obstruir as descontinuidades, impedindo a penetração do líquido, conforme pode ser
observado na figura 1. A limpeza pode ser feita com detergentes, solventes orgânicos, soluções
decapantes e removedores de tintas. A preparação da superfície por esmerilhamento, usinagem, jato de
areia ou outros métodos pode ser necessária quando irregularidades da superfície possam mascarar as
indicações. Entretanto este tipo de preparação pode comprometer a eficiência do método.
Fig. 1 – Limpeza da superfície a ser examinada.
68
2.1.2
Secagem
Após a limpeza é necessário que a superfície do material seja seca, de forma que resíduos líquidos que
possam obstruir descontinuidades existentes impedindo a entrada do penetrante. Quando se utilizam
solventes para a limpeza é necessário que se aguarde um determinado tempo para que o mesmo
evapore das descontinuidades, de forma a não comprometer os resultados do ensaio. A secagem pode
ser realizada com em fornos, utilizando-se lâmpadas infravermelhas, jato de ar quente ou simplesmente
a exposição ao ambiente por um determinado tempo.
2.1.3
Aplicação do Penetrante
Após a secagem, estando a peça dentro da faixa de temperaturas especificada para o ensaio, o líquido
penetrante é aplicado na superfície da peça, de forma que toda a área de interesse seja coberta. Ele
pode ser aplicado na forma de spray, com pincéis ou a peça pode também ser imersa em um tanque
contendo o líquido penetrante. O líquido penetra na descontinuidade por ação da capilaridade, conforme
pode ser observado na figura 2 e é necessário um tempo mínimo para que a penetração ocorra. A faixa
de temperaturas normalmente recomendada para a realização do ensaio é de 10ºC a 52ºC.
Fig. 2 – Aplicação do líquido penetrante.
2.1.4
Remoção do excesso de penetrante.
Findo o tempo de penetração o penetrante deve ser removido da superfície em exame, como indicado
na figura 3. A remoção deve ser feita utilizando-se produtos que variam em função do tipo de penetrante
utilizado e é uma das etapas críticas do ensaio. Uma limpeza mal executada provoca uma redução no
contraste penetrante/fundo branco do revelador, mascaramento de descontinuidades relevantes e
surgimento de indicações falsas.
Fig 3 – Remoção do excesso de líquido penetrante da superfície.
2.1.5
Aplicação do Revelador
Consiste na aplicação de um filme fino e uniforme de um material revelador sobre a superfície da peça,
na área de interesse, como mostra a figura 4. Normalmente é utilizado um pó extremamente fino, de cor
branca, de forma a possibilitar um contraste elevado entre uma indicação e o fundo. O revelador absorve
o penetrante das descontinuidades, evidenciando a presença das mesmas, sendo necessário um
determinado tempo para que a absorção ocorra.
69
Fig. 4 – Aplicação do revelador.
2.1.6
Avaliação das indicações produzidas
Após o tempo de penetração inicia-se a etapa de avaliação das descontinuidades encontradas, conforme
indicado na figura 5. A avaliação deve ser realizada em um ambiente que proporcione os níveis de
iluminação previstos pela norma de execução do ensaio, tanto para o penetrante visível quanto para
penetrantes fluorescentes. A interpretação das indicações das descontinuidades encontradas deve ser
feita de acordo com uma norma de referência ou de fabricação do componente ou de acordo com a
especificação do cliente. Após esta etapa deve ser elaborado um Relatório Técnico de acordo com os
requerimentos do Procedimento de Ensaio.
Fig. 5 – Avaliação das descontinuidades.
2.1.7
Limpeza Final
Após a avaliação a superfície examinada deve ser limpa, de forma a não afetar o uso posterior da peça
ou qualquer operação que venha a ser realizada na mesma, conforme indicado na figura 6.
Fig. 6 – Limpeza final.
Como referência são indicados na Tabela 1 os tempos de penetração e de revelação recomendados em
função do material examinado, processo de fabricação tipo de descontinuidade esperado, de acordo com
o Código ASME, SEÇÃO V, ARTIGO 24, SE-165.
70
Tabela 1 – Tempos de penetração e revelação para materiais diversos.
Material
Forma
Tipo de
Descontinuidade
Tempos (minutos)
Penetrante
Revelador
Gotas frias
Porosidade
Falta de fusão
Trincas
5
10
Extrudados
Forjados
Laminados
Dobras e trincas
10
10
Plásticos
Todas
Trincas
5
10
Vidros
Todas
Trincas
5
10
Cerâmicas
Todas
Porosidade
5
10
Alumínio
Magnésio
Aço
Latão
Bronze
Titânio
Fundidos
Soldas
2.2 VANTAGENS LIMITAÇÕES E APLICAÇÕES
O método de ensaios por Líquidos Penetrantes pode ser aplicado a componentes de qualquer forma e
tamanho e, desde que seja possível executar uma limpeza adequada da superfície examinada, pode ser
aplicado a uma grande diversidade de materiais. É um ensaio relativamente simples, barato e de fácil
interpretação, fazendo com que o tempo necessário para o treinamento de pessoal para a sua aplicação
seja relativamente menor do que para os demais END. Outras grandes vantagens que apresenta é a
possibilidade de realização de inspeções de equipamentos em serviço e em peças de geometria
complexa.
Como limitações à utilização, o ensaio por líquidos penetrantes só detecta descontinuidades abertas à
superfície, não pode ser utilizado em superfícies porosas ou absorventes, as técnicas convencionais
devem ser aplicadas em uma faixa de temperaturas definida, em geral entre 10ºC e 52ºC e apresenta
restrições ao uso quando houver a possibilidade de contaminação com os resíduos deixados pelo teste.
A necessidade de uma limpeza cuidadosa e de acesso direto do operador ao local a ser examinado
também se apresentam como limitações.
2.3 CARACTERÍSTICAS DOS PRODUTOS
2.3.1
Penetrantes
Os penetrantes são classificados de acordo com a visibilidade e o processo pelo qual são removidos da
superfície do objeto examinado. Quanto ao tipo, eles podem ser visíveis sob iluminação comum (Tipo II)
ou do tipo fluorescente (Tipo I), que só podem ser vistos com luz ultravioleta. Quanto ao processo de
remoção podem ser removíveis por água (A), podem ser pós-emulsificáveis (B/D) ou removíveis por
solvente (C). Esta classificação pode ser observada na Tabela 2.
Tabela 2. – Classificação de Líquidos Penetrantes.
Tipos
Removível por Água
Pós-Emulsificável
Removível por Solvente
Tipo I
Fluorescente
A
B - Hidrofílico
D - Lipofílico
C
Tipo II
Visível sob luz normal
A
C
71
Os líquidos penetrantes são elaborados de forma a apresentar algumas características que os tornam
adequados para a sua aplicação como:
- Espalhar-se com facilidade na superfície sob exame
- Penetrar com facilidade em descontinuidades por ação da capilaridade
- Permanecer na descontinuidade, mas ser facilmente removido da superfície em exame durante a etapa
de limpeza.
- Permanecer fluido nas etapas de remoção do excesso de penetrante e revelação, de modo que possa
ser absorvido pelo revelador e retornar à superfície.
- Ser facilmente visível ou, no caso do penetrante fluorescente, brilhar com intensidade suficiente para
possibilitar a fácil detecção de descontinuidades.
- Não oferecer riscos para o operador, não provocar danos ao material examinado, não reagir com a
embalagem.
- Ser estável, apresentar uma baixa toxicidade e ter um custo baixo.
Os penetrantes também são elaborados de forma a apresentar diferentes níveis de sensibilidade.
Quanto maior o nível, menor o tamanho da descontinuidade que o sistema pode detectar. Entretanto,
maior será a quantidade de indicações não relevantes. Os cinco níveis de sensibilidade são:
- Nível ½ - Sensibilidade ultra-baixa
- Nível 1 - Baixa sensibilidade
- Nível 2 - Média sensibilidade
- Nível 3 - Alta sensibilidade
- Nível 4 - Sensibilidade ultra-alta
As inspeções podem ser realizadas utilizando-se penetrantes visíveis sob luz comum ou ultravioleta. Os
penetrantes fluorescentes são mais sensíveis porque o olho humano é mais sensível a uma indicação
brilhante em um fundo escuro.
Os penetrantes visíveis sob iluminação normal possuem um corante vermelho, que proporciona um alto
contraste com o fundo branco formado pelo revelador. Os penetrantes fluorescentes possuem corantes
que fluorescem quando expostos à luz ultravioleta.
Os penetrantes removíveis por solvente são normalmente fornecidos em aerossol e utilizados para a
inspeção de regiões pequenas.
Os penetrantes removíveis por água são os mais fáceis de serem utilizados e de menor custo para a
inspeção de grandes áreas.
Os penetrantes pós-emulsificáveis são elaborados para serem insolúveis em água e não podem ser
removidos da superfície do material somente com a utilização de água. Tornam-se removíveis por água
somente após uma reação química com um agente emulsificador. Ele é utilizado quando a lavagem para
remoção do excesso de penetrante pode retirar o mesmo do interior das descontinuidades porventura
existentes na peça. Após a aplicação é necessário um tempo de espera para que a reação de
emulsificação ocorra. Este tempo é determinado experimentalmente e é crítico na realização do ensaio.
Tempos excessivos farão com que o a reação de emulsificação se estenda ao penetrante presente no
interior de descontinuidades, fazendo com que o mesmo seja removido, resultando em sua não
detecção.
Os agentes utilizados como emulsificadores podem ser lipofílicos ou hidrofílicos. Os emulsificadores
lipofílicos são líquidos miscíveis em óleo usados para emulsificar o excesso de penetrante da superfície
examinada. Eles podem ter uma ação lenta ou rápida, dependendo de sua composição química,
viscosidade e da rugosidade superficial da peça em exame. Os emulsificadores hidrofílicos são líquidos
miscíveis em água usados para emulsificar o excesso de penetrante da superfície examinada. Eles são
fornecidos como concentrados para serem diluídos com água e aplicados.
O processo utilizado para a remoção do excesso de penetrante da superfície deve ser tal que não haja a
remoção de penetrante do interior de descontinuidades. O processo difere em função do método (A, B, C
ou D).
72
Para penetrantes removíveis por solvente, o excesso deve ser removido, inicialmente, com um pano
seco que não desprenda fiapos. Após a remoção de todo o excesso, o processo deve ser repetido com
um pano, agora, levemente umedecido com solvente, para o término da operação. O solvente não pode,
em nenhuma situação, ser aplicado diretamente à superfície, sob pena de retirar liquido penetrante do
interior de descontinuidade. Para penetrantes removíveis a água, o excesso pode ser removido por
imersão, manualmente ou por borrifo de água na superfície. Neste caso a pressão da água não deverá
exceder 280 kPa. Em todas as situações a temperatura da água deverá estar entre 10ºC e 38ºC.
2.3.2
Revelador
A função do revelador é a de absorver o penetrante do interior das descontinuidades existentes, de
maneira que ele atinja a superfície, evidenciando a presença das mesmas. Os materiais utilizados como
reveladores são disponíveis em diferentes formas:
- Pós secos - geralmente considerado o menos sensível, de custo mais acessível e fácil de aplicar. São
utilizados como fornecidos e aplicados logo após a secagem da superfície. É comum e efetiva a
aplicação do revelador em pó em câmara fechada, onde se cria uma nuvem” de revelador.
- Suspensão aquosa de pós - consistem de partículas insolúveis de revelador suspensas em água. O
banho deve ser mantido sob agitação para evitar a decantação.
- Solução aquosa - consiste de um grupo de produtos químicos que são dissolvidos na água e formam
uma camada de revelador sobre a peça, quando a água evapora. A melhor maneira de aplicá-lo é por
spray.
- Suspensão do pó revelador em solvente - o material revelador é mantido suspenso em um solvente
volátil, senso aplicado normalmente por spray.
Da mesma forma que com os líquidos penetrantes, quando os exames forem realizados em aços
inoxidáveis austeníticos, ligas a base de níquel e em titânio, os teores de cloro, flúor e enxofre devem
estar dentro do especificado pela norma utilizada como referência para a inspeção.
Os materiais reveladores são elaborados de forma a apresentar algumas características que os tornam
adequados para a sua aplicação como:
- Espalhar-se pela superfície examinada de forma uniforme;
- Absorver o penetrante do interior da descontinuidade de maneira eficiente;
- Formar um fundo na superfície da peça em exame, que proporcione um contraste adequado com o
líquido penetrante retirado da descontinuidade;
- Atuar como uma base para que o líquido penetrante se espalhe após ser retirado da descontinuidade;
- Deve ser facilmente removível da superfície após a realização do ensaio;
- Não deve oferecer riscos para o operador, provocar danos ao material examinado, ou reagir com a
embalagem.
- Ser estável, apresentar uma baixa toxicidade e ter um custo baixo.
3. AVALIAÇÃO
3.1 Instrumentos e condição de avaliação
Para exames realizados com penetrantes fluorescentes, a avaliação deve ser realizada em uma sala ou
local escuro, no qual a intensidade de luz ambiente não deve ser superior a 20 Lx. A intensidade da luz
2
ultravioleta utilizada deve ser no mínimo de 1000 µW/cm com comprimento de onda entre 320 e 380
nm. As medições devem ser feitas na superfície examinada, com medidores de luz branca e ultravioleta
calibrados. Para exames realizados com penetrante visível sob luz comum, o nível de iluminação
ambiente não deve ser inferior a 1000 Lx.
73
3.1.1
Registro
A avaliação deve-se iniciar após o tempo de penetração previsto. As indicações devem ser avaliadas e
registradas de acordo com a norma de fabricação do componente e procedimento de ensaio.
3.1.2
Avaliação
O Código ASME, Seção VIII, Divisão I, Apêndice 8 apresenta algumas definições e critérios para
avaliação de indicações produzidas no ensaio por Líquidos Penetrantes. É considerado que, apesar de o
tamanho de uma indicação poder ser maior do que a descontinuidade que a produziu, este tamanho é
que é a base para a aceitação ou rejeição. Somente indicações cuja maior dimensão seja maior do que
1,5 mm devem ser consideradas indicações relevantes. São definidas ainda indicações lineares como
aquelas cujo comprimento é maior do que três vezes a largura e indicações arredondadas aquelas cujo
comprimento é menor do que três vezes a largura. Baseado nisto, os critérios de aceitação para
indicações, adotados pelo ASME, são:
- Todas as superfícies a serem examinadas devem estar livres de:
- Indicações relevantes lineares;
- Indicações relevantes arredondadas maiores do que 5 mm;
- Quatro ou mais indicações arredondadas em uma linha separadas por 1,5 mm ou menos, de borda a
borda.
Estes padrões de aceitação devem ser aplicados a menos que outros mais restritivos sejam
especificados para materiais ou aplicações referentes à Seção VIII.
4. SEGURANÇA
Durante os ensaios é necessário manter uma boa ventilação no ambiente, de forma a evitar problemas
como náuseas e dores de cabeça e ainda evitar o contato direto com os materiais utilizados no ensaio de
forma a evitar irritações na pele.
74
Capítulo 7
O Ensaio por Partículas Magnéticas
1. INTRODUÇÃO
O método de ensaio por partículas magnéticas é utilizado para a detecção de descontinuidades
superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnéticos. É um método rápido e relativamente fácil de
ser aplicado. A detecção de descontinuidades é feita por meio de campos magnéticos aplicados ao
material e o uso de pequenas partículas de materiais magnéticos, que se acumulam nas regiões da
superfície do material onde ocorre uma fuga de fluxo magnético ocasionada pela presença de uma
descontinuidade.
Este método de ensaio pode ser utilizado uma grande variedade de produtos, como forjados, fundidos e
juntas soldadas, sendo utilizado nos mais diversos setores industriais como o automotivo,petroquímica,
energia, dentre outras. Uma aplicação de importância é a inspeção de tubulações e partes de estruturas
offshore submersas. Inicialmente foi muito utilizado pela indústria ferroviária para a detecção de defeitos
em rodas e eixos, como substituto do método de óleo e pó de giz. Atualmente é utilizado tanto nas
inspeções de fabricação quanto nas inspeções em serviço, como um método superficial extremamente
eficiente para a detecção de descontinuidades superficiais e sub-superficiais. Esta última característica
confere a este método de ensaio uma vantagem apreciável sobre o ensaio por líquido penetrante, no
qual somente descontinuidades abertas à superfície podem ser detectadas.
2. PRINCÍPIOS BÁSICOS
Quando um campo magnético é aplicado a um material ferromagnético as linhas de campo penetram no
material e, caso haja algum obstáculo à sua passagem, elas tendem a contornar este obstáculo. Se este
obstáculo estiver próximo à superfície, as linhas de campo tenderão a contorná-lo e, dessa forma, sair à
superfície, ocorrendo a fuga de fluxo. Caso sejam jogadas partículas magnéticas nesta região, elas
tenderão a se acumular na região de ocorrência da fuga de fluxo, formando uma indicação no local da
descontinuidade. O ensaio pode ser realizado por via seca, na qual as partículas são aplicadas na
superfície da peça durante a magnetização da mesma ou por via úmida, na qual as partículas são
mantidas em suspensão líquida e aspergidas na superfície da peça, aonde também irão se acumular nas
regiões de ocorrência de fuga de fluxo. Na figura 1 pode ser observado um exemplo do ensaio.
Fig.1 – Princípios do ensaio por partículas magnéticas.
Descontinuidades superficiais ou ainda aquelas próximas à superfície podem ser detectadas, como
exemplificado na figura 2.
75
A partir de uma determinada profundidade, a distorção nas linhas do campo não será suficiente para
produzir fuga de fluxo na superfície, e, neste caso, não haverá nenhuma indicação local formada pelas
partículas magnéticas. Esta é uma limitação apresentada por este método de teste: a profundidade de
detecção de descontinuidades.
(a)
(b)
Fig. 2 – Fuga de fluxo produzida por descontinuidade superficial (a) e sub-superficial (b).
Um outro fator importante neste método de ensaio é a orientação das descontinuidades. No exemplo da
figura 2 (b), a descontinuidade se encontra posicionada perpendicularmente às linhas do campo
magnético, provocando uma distorção nas mesmas que faz com que elas aflorem à superfície,
provocando a fuga de fluxo. Cãs esta descontinuidade estivesse posicionada paralelamente às linhas de
campo, a distorção produzida seria bem menor e a sua detecção seria bem mais difícil, dependendo de
suas dimensões, não seria detectada. O mesmo ocorre para descontinuidades situadas na superfície da
peça. Descontinuidades cujo eixo maior se encontra em uma posição perpendicular às linhas de campo
são mais facilmente detectadas. Por essa razão, normalmente o campo magnético utilizado para o
exame de uma determinada região da peça é aplicado em duas direções ortogonais para um exame
completo desta região.
2.1 PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
As partículas utilizadas na inspeção por partículas magnéticas devem ter características especiais para
proporcionar resultados satisfatórios no ensaio. Elas são produzidas a partir materiais com alta
permeabilidade magnética e baixa retentividade. A alta retentividade faz com que a s partículas sejam
facilmente atraídas por pequenas fugas de fluxo produzidas por descontinuidades. A baixa retentividade
faz com que as partículas não se aglomerem umas às outras ou na superfície do material. As partículas
apresentam colorações diferentes, selecionadas em função do fundo (superfície da peça) sobre o qual
serão aspergidas. Para fundos escuros são utilizadas partículas de cores mais claras e para fundos mais
claros, partículas de cores mais escuras, isto para garantir um bom contraste entre a superfície do
material e a indicação formada pelas partículas.
As partículas são disponíveis para serem utilizadas via seca ou em solução úmida e devem ser atóxicas,
livres de sujeiras, graxas, resíduos de tinta ou outro material que possa comprometer o seu uso.
2.1.1 Partículas magnéticas secas
As partículas magnéticas secas são fornecidas normalmente nas cores amarela, vermelha, cinza, branca
e preta, dentre outras, devendo ser selecionadas de forma a possibilitar um bom contraste com a
superfície examinada. A granulação dessas partículas varia entre 50 µm e 150 µm. A sua reutilização
não é recomendada, pois, além de contaminantes, parte das partículas de menor tamanho da mistura
são perdidas durante o recolhimento das partículas usadas, o que contribui para uma diminuição na
sensibilidade do ensaio. Alguns tipos de partículas secas podem ser utilizadas a temperaturas de até
315ºC.
A técnica de partículas magnéticas via seca geralmente é superior à técnica via úmida para detecção de
descontinuidades próximas à superfície em componentes de grandes dimensões, quando se utilizam
equipamentos portáteis para magnetização local. As partículas via seca também são mais fáceis de ser
removidas após o ensaio. Como desvantagens cita-se a menor velocidade de execução do ensaio e a ,
menor probabilidade de detecção de descontinuidades superficiais finas quando comparada com a
76
técnica via úmida, a dificuldade de ser adaptada para uso em industrias automotivas e a dificuldade de
se realizar inspeções na posição sobre-cabeça. São aplicadas à superfície da peça por meio de
aplicadores manuais ou de bombas aspersoras.
2.1.2 Partículas magnéticas para via úmida
As partículas magnéticas para via úmida são disponíveis para serem utilizadas nos ensaios realizados
com luz branca ou ultravioleta. O tamanho das partículas varia de 3 µm a 10 µm. Elas são preparadas
para serem utilizadas como suspensão em destilado leve de petróleo ou água, a uma dada
concentração, sendo aplicadas à superfície a ser examinada por aspersão, spray ou gotejamento São
disponíveis como concentrados de partículas secas ou em forma de pasta para diluição posterior. Devido
ao seu tamanho menor, são normalmente utilizadas para a detecção de descontinuidades menores do
que o método via seca. Partículas que fluorescem emitindo luz com tonalidade verde amarelada são as
mais comuns, devido à maior sensibilidade do olho humano para essa coloração. No ensaio realizado
por via úmida, as partículas possuem uma mobilidade maior do que no ensaio por via seca.
A preparação das partículas é uma das etapas críticas do ensaio e a concentração das partículas na
suspensão é determinada utilizando-se como referência a Norma ASTM E-709. É utilizado um tubo
decantador padronizado, no qual são colocadas 100 ml da suspensão. Após 30 minutos de repouso
verifica-se a quantidade de partículas decantadas na base do decantador e compara-se este valor com
os das normas ou especificações utilizadas.
2.2 EQUIPAMENTOS
2.2.1
Yokes
É um dos equipamentos mais utilizados no ensaio por partículas magnéticas. Ele consiste basicamente
em um núcleo de um material ferromagnético em forma de U, fixo ou articulado, na base do qual é
construído um enrolamento, no qual circula uma corrente elétrica que pode ser alternada ou contínua,
gerando, consequentemente, um campo magnético alternado ou contínuo. Este equipamento gera
campos magnéticos de valores elevados na região entre os pólos e sua portabilidade lhe confere uma
grande aplicabilidade. Para a realização do ensaio os terminais do núcleo são pressionados contra a
superfície do material em exame, fazendo com que as linhas de campo magnético penetrem no material.
Um Yoke típico pode ser observado na figura 3, onde o interior do mesmo é mostrado.
Enrolamento
ou bobina
Extremidades
articuladas
Núcleo em
forma de U
Extremidades
articuladas
Fig. 3 – Yoke para ensaio por partículas magnéticas.
A intensidade do campo magnético gerado é função do número de espiras e da corrente elétrica que
circula pelo enrolamento ou bobina. Os modelos com extremidades articuladas possibilitam o exame de
superfícies curvas, como indicado na figura 4.
77
Os Yokes apresentam como principais vantagens o fato de serem pequenos e portáteis, podem
funcionar através de baterias em áreas onde não existe distribuição de energia elétrica e podem ser
manuseados em espaços reduzidos. Entretanto, para trabalhos contínuos normalmente apresentam u
sobreaquecimento.
Fig 4 – Ensaio de uma peça utilizando um Yoke.
2.2.2
Eletrodos
Um conjunto típico de eletrodos pode ser observado na figura 5. Para o seu uso, eles são pressionados
contra a superfície da peça, de forma a permitir a passagem de uma corrente elétrica para a peça. Nas
regiões de penetração da corrente são criados campos magnéticos circulares que são utilizados para a
realização da inspeção. Normalmente são de cobre com um isolamento para proteção do operados.
Apresentam o inconveniente da ocorrência de arcos elétricos na superfície do material examinado
quando o contato com a mesma é inadequado.
Fig. 5 – Conjunto típico de eletrodos utilizado para o ensaio por partículas magnéticas.
2.2.3
Equipamentos Estacionários
São projetados para serem utilizados em laboratórios ou em linha de produção, com características
especiais para atender a cada necessidade. Normalmente são equipamentos constituídos por uma
bancada horizontal, projetados para trabalhar via úmida. Possuem dispositivos que possibilitam a
magnetização longitudinal ou circular da peça. O banho no qual as partículas se encontram em
suspensão é mantido em um tanque e, durante a realização do ensaio, é bombeado e direcionado para a
superfície da peça, retornando novamente ao reservatório. Grande parte destes equipamentos possuem
a opção de utilização de corrente alternada, retificada de meia onda e retificada de onda completa e
algumas delas um sistema para desmagnetização da peça após o ensaio. Um equipamento típico pode
ser observado na figura 6.
78
Fig. 6 – Equipamento estacionário para ensaio por partículas magnéticas.
2.2.4
Medidores de campo magnético
São utilizados para medir a intensidade do campo magnético na superfície da peça em exame. Os
medidores possuem uma sonda Hall e medem a intensidade do campo magnético tangencial à superfície
da peça quando o campo magnético é aplicado à mesma. Ainda podem ser utilizados para a medição do
campo magnético residual no material após a realização do ensaio. Estes equipamentos devem ser
periodicamente calibrados. As sondas Hall utilizadas podem axiais ou transversais, devendo ser
posicionadas de tal forma que as linhas de campo atravessem o sensor Hall perpendicularmente.
2.2.5
Lâmpada ultravioleta
A luz ultravioleta apresenta comprimentos de onda entre 100 e 400 nm no espectro eletromagnético. De
acordo com o seu comprimento de onda, elas são separadas em três classes denominadas A, B e C,
com as características apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação de Lâmpadas Ultravioleta.
Classe
Comprimentos de Onda (nm)
UV -A
320 a 400
UV - B
280 a 320
UV - C
100 a 280
A luz ultravioleta utilizada nos ensaios deve apresentar comprimentos de onda entre 330 nm e 390 nm,
com predominância de comprimentos de onda de 365 nm. Sua intensidade medida na superfície da peça
2
não deve ser menor do que 1000 µW/cm . A intensidade e o comprimento de onda devem ser verificados
pelo menos uma vez por semana e sempre que o bulbo for trocado. Os refletores e filtros devem ser
limpos e ter a sua integridade verificada diariamente.
2.2.6
Medidor de luz ultravioleta
Utilizado para verificar a intensidade de luz ultravioleta na superfície da peça antes da realização do
ensaio.
79
2.2.7
Medidor de luz branca
Utilizado para verificar a intensidade de luz branca na superfície da peça antes da realização do ensaio.
2.2.8
Indicadores de campo magnético
São utilizados para verificar se o campo magnético aplicado à peça possui intensidade suficiente para a
realização do ensaio com a sensibilidade necessária. Na figura 7 pode-se observar três tipos de
indicadores. Eles possuem entalhes ou são construídos de forma a simular a presença de uma
descontinuidade, provocando, sob a ação de um campo magnético, fugas de fluxo em sua superfície.
Eles são posicionados na superfície da peça e, com a aspersão das partículas magnéticas na superfície
da mesma, aparecerão indicações na superfície dos indicadores. Caso estas indicações não sejam bem
definidas, a técnica utilizada para a realização do ensaio deve ser alterada.
Fig. 7 – Equipamento estacionário para ensaio por partículas magnéticas.
2.2.9
Anel Ketos
Utilizado para avaliar e comparar o desempenho e a sensibilidade de ensaios realizados por via seca e
via úmida, com partículas fluorescentes ou não, quando se usa a técnica de magnetização do condutor
central. Ele pode ser observado na figura 8.
Fig. 8 – Anel Ketos.
3. TIPOS DE CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO
São quatro os tipos básicos de corrente de magnetização utilizados para a magnetização da peça em
exame: corrente alternada, corrente alternada retificada de meia onda, corrente alternada retificada de
onda completa e corrente contínua. Cada uma delas é descrita a seguir.
3.1
Corrente alternada
É utilizada quando se espera detectar descontinuidades abertas à superfície, como trincas de fadiga. O
campo magnético gerado se restringe às regiões superficiais do material, devido ao efeito de pele. A
corrente alternada retificada de meia onda e corrente alternada retificada de onda completa produzem
80
campos magnéticos com uma penetração maior e devem ser utilizadas quando se espera a ocorrência
de descontinuidades próximas à superfície. As partículas possuem uma boa mobilidade.
3.2
Corrente alternada retificada de meia onda
Normalmente é utilizada em conjunto com partículas via seca e com magnetização localizada (com
eletrodos ou Yokes) para examinar regiões sub-superficiais para a detecção de descontinuidades em
juntas soldadas e peças fundidas. A corrente utilizada é monofásica.
3.3
Corrente alternada retificada de onda completa
A corrente pode ser monofásica ou trifásica. A corrente trifásica apresenta a vantagem de menor
amperagem na linha e a corrente monofásica a vantagem de equipamentos de menor custo. A corrente
alternada retificada de onda completa é normalmente utilizada quando o método de inspeção é o de
magnetização residual. Devido à baixa mobilidade das partículas com este tipo de corrente, deve-se
assegurar um tempo suficiente de magnetização para formação das indicações.
3.4
Corrente contínua
Produzida por baterias, é mais restrita ao exame de peças específicas e técnica do campo residual.
4. TÉCNICAS DE MAGNETIZAÇÃO
4.1 Técnica do Yoke
O Yoke é posicionado na superfície da peça, dando origem a um campo magnético longitudinal. Os
Yokes com pernas articuladas são mais indicados para uso geral, pois o ajuste das pernas possibilita o
seu posicionamento de diversas maneiras, principalmente para o exame em superfícies irregulares ou
em ângulo. A maior parte dos Yokes é alimentada por corrente alternada, corrente alternada retificada de
meia onda ou de onda completa. Um dos métodos utilizados para verificar a capacidade do Yoke de
produzir campos magnéticos adequados à realização do exame é o levantamento de uma barra
padronizada. Quando alimentado com corrente alternada e com as pernas posicionadas com o maior
afastamento a ser utilizado no ensaio, ele deve ser capaz de levantar uma barra com pelo menos 4,5 kg.
Caso seja alimentado por corrente contínua, o peso da barra deverá ser de pelo menos 18 kg (ASME ,
Seção V, Artigo 7).
4.2 Técnica do Eletrodo
Os eletrodos são pressionados contra a superfície da peça e a corrente de magnetização é então
acionada. São utilizadas corrente contínua ou retificada. A corrente deve ser de 4 A a 5 A por milímetro
de espaçamento entre os eletrodos para seções com espessura de 19 mm ou mais. Para seções com
espessura menor do que 19 mm, a corrente utilizada deve ser de 3,6 A a 4,4 A por milímetro de
espaçamento dos eletrodos. O espaçamento entre os eletrodos não deve exceder 200 mm.
Espaçamentos menores podem ser utilizados para contornar limitações geométricas para a execução do
ensaio ou para aumentar a sua sensibilidade. Entretanto espaçamentos menores do que 75 mm não são
recomendáveis (ASME , Seção V, Artigo 7). Um problema apresentado por esta técnica é a ocorrência
de faíscas
Tanto para a técnica do Yoke como para a técnica dos eletrodos, a magnetização da peça deve ser feita
em duas direções ortogonais, de modo a possibilitar o exame de toda a região de interesse. Deve-se
prever uma sobreposição do ensaio entre duas regiões distintas, de forma a não haver perda de
informações. O procedimento adotado para uma junta soldada está indicado na figura 9. O Yoke ou os
eletrodos são colocados inicialmente na posição P1, em seguida na posição P2. A seguir são colocados
na posição P3 e logo após P4, com uma sobreposição de áreas inspecionadas. O processo continua até
o exame completo da junta.
81
P1
P3
P2
P5
P4
P7
P2
P4
P1
P6
P3
P8
P6
P5
P8
P7
Fig. 9 – Posições para a magnetização de uma junta soldada para o ensaio por partículas magnéticas
com Yoke ou eletrodos.
4.3 Técnica de contato direto
Nesta técnica, a magnetização é realizada através da passagem de uma corrente elétrica pela peça
examinada, que produz um campo magnético circular, perpendicular à direção da corrente. Para ensaios
realizados de acordo com o Código ASME, pode ser utilizada corrente contínua ou corrente alternada
retificada de meia onda ou de onda completa. O valor da corrente deve estar entre 12 A e 31 A por
milímetro de diâmetro externo para o exame de peças arredondadas. Para peças de outros formatos, o
valor tomado como referência para o cálculo da corrente deve ser a diagonal maior do plano da peça
perpendicular à passagem da corrente. Caso estes níveis de corrente não sejam obtidos, deve-se utilizar
a corrente máxima possível e demonstrar a adequação do campo a máxima corrente disponível,
utilizando-se indicadores de campo magnético ou um medidor de campo magnético. Um exemplo da
técnica pode ser observado na figura 10. Serão detectadas preferencialmente, descontinuidades cujo
maior eixo esteja orientado paralelamente ao eixo longitudinal da peça, ou seja, descontinuidades cuja
maior dimensão é perpendicular às linhas de campo magnético.
Fig. 10 – Técnica de contato direto.
4.4 Técnica da magnetização longitudinal ou técnica da bobina
A técnica da magnetização longitudinal consiste em se passar uma corrente elétrica através de uma
bobina que envolve a peça sob exame. Com a passagem da corrente é gerado um campo magnético
longitudinal, paralelo ao eixo da bobina. Com esta técnica serão detectadas preferencialmente,
descontinuidades cujo maior eixo esteja orientado perpendicularmente ao eixo longitudinal da peça, ou
82
seja, descontinuidades cuja maior dimensão é perpendicular às linhas de campo magnético. A peça deve
ser colocada próximo ao lado da bobina durante o exame. Um exemplo de aplicação da técnica pode ser
observado na figura 11.
Fig. 11 – Técnica da bobina.
Nesta técnica, a magnetização pode ser feita utilizando-se corrente contínua ou retificada. O campo
magnético gerado na bobina será função da corrente da bobina e do seu número de espiras. De acordo
com o Código ASME, Seção V, Artigo 7, o valor do campo magnético necessário para o ensaio deve ser
determinado a partir do comprimento e do diâmetro da peça a ser examinada. Para peças com a razão
C/D igual ou maior do que 4, a corrente de magnetização deve ser determinada por:
IE =
35.000
, sendo,
(C D ) + 2
I = corrente que passa pela bobina - A
E = número de espiras da bobina
IE - produto do número de espiras da bobina pela corrente que circula na mesma - amperes- espira
C - comprimento da peça
D - diâmetro da peça
Para peças com a razão C/D igual ou maior do que 2 e menor do que 4, a corrente de magnetização
deve ser determinada por:
IE =
45.000
(C D )
Para peças com a razão C/D menor do que 2 a técnica da bobina não pode ser utilizada. Para todas as
situações descritas, o comprimento C da região examinada não deverá exceder 450 mm.
A partir do valor encontrado para a razão C/D, a corrente de magnetização I pode ser determinada por:
I=
AE
E
83
4.5 Técnica do condutor central
A técnica do condutor central é utilizada para examinar a superfície interna de peças de forma cilíndrica
ou em forma de anel. Nesta técnica, um cabo condutor de energia é posicionado no centro da peça a ser
examinada. Com a passagem de corrente pelo mesmo é criado um campo magnético circular na
superfície interna da peça, e serão detectadas preferencialmente, descontinuidades cujo maior eixo
esteja orientado paralelamente ao eixo longitudinal da peça, ou seja, descontinuidades cuja maior
dimensão é perpendicular às linhas de campo magnético.
Ao se utilizar esta técnica para o exame de peças cilíndricas de grandes diâmetros, o cabo condutor
deve ser colocado próximo à superfície interna da peça e a superfície da mesma deverá ser examinada
por seções. A adequação do campo para a realização do ensaio deve ser verificada utilizando-se
indicadores de campo magnético ou medidores de campo magnético, de forma a determinar a extensão
de cada uma das seções da peça a ser examinada. Os valores de corrente devem ser os mesmos
estabelecidos para a técnica de contato direto, considerando-se a utilização de apenas um condutor
central. Aumentando-se o número de condutores centrais, a corrente necessária diminuirá
proporcionalmente. Um exemplo de aplicação da técnica é apresentado na figura 12.
Fig. 12 – Técnica de contato direto.
5. EXECUÇÃO DO ENSAIO
5.1 Preparação da superfície
Antes do início do ensaio, a superfície da peça deve ser examinada e a área de interesse e as áreas
adjacentes devem estar secas e livres de sujeira, graxa, óleo, escória ou qualquer material estranho que
possa prejudicar a realização ou a interpretação dos resultados. A limpeza pode ser realizada com o uso
de detergentes, solventes orgânicos, removedores de tintas, vapor, jato de areia ou esmerilhamento.
Alguns efeitos que a presença de impurezas na superfície podem causar são a contaminação do banho
em que as partículas são mantidas em suspensão no ensaio por via úmida e a diminuição da mobilidade
das partículas na superfície durante a aplicação do campo. Caso a superfície seja recoberta com uma
camada de material não ferromagnético, deve-se demonstrar que as descontinuidades porventura
existentes na peça poderão ser detectadas mesmo com a presença da camada.
5.2 Técnica de ensaio
A seleção da técnica a ser utilizada no ensaio é baseada na norma de referência para a fabricação e
inspeção da peça ou componente, das suas características geométricas e construtivas, de seu
acabamento superficial, do tipo e dimensões das descontinuidades que podem ocorrer durante a sua
fabricação ou uso. O ensaio deve ser planejado de forma a possibilitar uma cobertura completa das
áreas de interesse na peça ou componente, como apresentado na FIG. 5.5.1, para uma junta soldada.
84
Para o exame de componentes em equipamentos estacionários, normalmente se utilizam campos
magnéticos transversais e longitudinais para um exame completo da peça, O tipo de corrente utilizado
está associado com a penetração do campo magnético na peça e com a mobilidade das partículas.
Campos gerados por corrente alternada penetram menos no material testado. entretanto o uso de
corrente alternada aumenta a mobilidade das partículas magnéticas, facilitando a detecção de
descontinuidades. Já a utilização de corrente contínua possibilita a geração de campos com maior poder
de penetração no material, embora a mobilidade das partículas seja reduzida. A aplicação das partículas
deve ser feita de tal maneira que toda a região de interesse seja examinada.
Após a realização do ensaio a peça deverá ser desmagnetizada, de forma a evitar problemas durante o
seu uso ou manuseio posterior. Depois de desmagnetizada, devem ser utilizados medidores de campo
magnético residual para verificar a eficiência do processo de magnetização.
5.3 AVALIAÇÃO
5.3.1
Instrumentos e condição de avaliação
Para exames realizados com partículas magnéticas fluorescentes, a avaliação deve ser realizada em
uma sala ou local escuro, no qual a intensidade de luz ambiente não deve ser superior a 20 Lx. A
2
intensidade da luz ultravioleta utilizada deve ser no mínimo de 1000 µW/cm com comprimento de onda
entre 320 e 380 nm. As medições devem ser feitas na superfície examinada, com medidores de luz
branca e ultravioleta calibrados. Para exames realizados com partículas magnéticas sob luz comum, o
nível de iluminação na superfície da peça não deve ser inferior a 1000 Lx.
5.3.2
Registro
A avaliação deve-se iniciar após o tempo de penetração previsto. As indicações devem ser avaliadas e
registradas de acordo com a norma de fabricação do componente e procedimento de ensaio.
5.3.3
Avaliação
O Código ASME, Seção VIII, Divisão I, Apêndice 6 apresenta algumas definições e critérios para
avaliação de indicações produzidas no ensaio por partículas magnéticas. É considerado que, apesar de
o tamanho de uma indicação poder ser maior do que a descontinuidade que a produziu, este tamanho é
que é a base para a aceitação ou rejeição. Somente indicações cuja maior dimensão seja maior do que
1,5 mm devem ser consideradas indicações relevantes. São definidas ainda indicações lineares como
aquelas cujo comprimento é maior do que três vezes a largura e indicações arredondadas aquelas cujo
comprimento é menor do que três vezes a largura. Baseado nisto, os critérios de aceitação para
indicações, adotados pelo ASME, são:
Todas as superfícies a serem examinadas devem estar livres de:
- Indicações relevantes lineares;
- Indicações relevantes arredondadas maiores do que 5 mm;
- Quatro ou mais indicações arredondadas em uma linha separadas por 1,5 mm ou menos, de borda a
borda.
6. SEGURANÇA
Os principais riscos para os profissionais envolvidos com o exame por partículas magnéticas são o
choque elétrico, inalação de partículas durante a sua aplicação, a exposição à luz ultravioleta e o
manuseio das partículas e concentrados, devendo os mesmos utilizarem material de proteção adequado
e seguirem as instruções dos fabricantes quanto à preparação e manuseio dos materiais utilizados neste
método de ensaio.
85
Capítulo 8
O Ensaio Magnetoelástico
O ensaio magnetoelástico, um método de ensaio de materiais ferromagnéticos relativamente recente, é
utilizado, principalmente, para a caracterização de materiais. Seus princípios envolvem a
magnetostrição, a dinâmica dos domínios magnéticos no material durante o processo de magnetização e
o efeito Barkhausen. Tem como potenciais aplicações a determinação de tensões residuais e aplicadas e
o estudo de características da microestrutura de materiais ferromagnéticos.
1. O Efeito Barkhausen
O processo de magnetização de um material ferromagnético é representado pela sua curva de histerese
magnética. Em escala microscópica, as variações que ocorrem na magnetização são devidas às
modificações que ocorrem na estrutura de domínios magnéticos existente no material. Com o aumento
do valor do campo magnético aplicado ao material, a estrutura de domínios se altera, com a ocorrência
dos processos de movimento das paredes dos domínios e de rotação do vetor magnetização dos
domínios.
A mobilidade das paredes dos domínios está relacionada com a energia magnetostática total, que varia
com o tamanho, a forma e a microestrutura do material, sendo fortemente influenciada pela estrutura de
defeitos como cavidades, inclusões, partículas de segunda fase, discordâncias, defeitos pontuais,
contornos de grãos e pela presença de tensões. Estas heterogeneidades atuam como barreiras à
movimentação das paredes, produzindo um decréscimo em sua velocidade. Confrontado com um defeito
(barreira), o movimento das paredes é impedido de forma repentina, continuando somente após o campo
magnético externo aplicado ao material ter atingido um valor que possibilite a ultrapassagem daquela
barreira.
Desta forma, durante o processo de magnetização, o movimento das paredes dos domínios através do
material não ocorre de forma suave e sim aos saltos, de uma barreira de energia à outra, à medida que o
valor do campo magnético aplicado aumenta. O movimento descontínuo das paredes dos domínios
provoca mudanças descontínuas no fluxo magnético durante a magnetização. A curva de magnetização
do material, que a princípio aparenta expressar uma variação suave da densidade de fluxo magnético
com o campo magnético aplicado, observada em escala microscópica, apresenta o comportamento
indicado na figura 1.
Fig. 1 – Variações na densidade de fluxo no processo de magnetização.
Na região ampliada da curva, cada linha vertical nos degraus representa o movimento discreto de um
conjunto de paredes de domínios de uma barreira de energia para outra, com o conseqüente aumento
86
na densidade de fluxo magnético no material. Cada linha horizontal representa o acréscimo necessário
ao valor do campo magnético aplicado, antes que o próximo movimento das paredes ocorra.
O movimento repentino de uma parede de domínio produz um evento Barkhausen elementar. A soma de
todos os eventos Barkhausen durante a magnetização produz o ruído magnético Barkhausen. O ruído
pode ser detectado através de uma bobina posicionada na superfície do material, pois as variações
bruscas na densidade de fluxo no material induzem impulsos elétricos na mesma, que podem ser
processados e analisados.
Este efeito foi observado inicialmente em 1919, pelo físico alemão H. Barkhausen. No experimento, uma
amostra de ferro foi envolvida por uma bobina que, por sua vez, foi conectada a um amplificador e a um
alto-falante. Com a variação do campo magnético aplicado ao sistema, uma série de ruídos foram
ouvidos através do alto-falante. A origem dos ruídos foi associada a pequenos pulsos de voltagem
induzidos na bobina, causados por pequenas mudanças na densidade de fluxo provocadas pelas
mudanças descontínuas na magnetização M no material.
A forma característica do ruído magnético Barkhausen gerado durante o processo de magnetização de
uma amostra de aço ASTM A 36 é apresentada na figura 2. Estão representados a tensão de excitação
(forma de onda senoidal) aplicada à sonda magnetoelástica para excitar o material e o ruído magnético
Barkhausen gerado, em função do tempo.
Durante um ciclo de magnetização, são gerados dois blocos do ruído, correspondentes ao valor positivo
e negativo do campo magnético de excitação. O ruído gerado é processado e os parâmetros de
interesse selecionados em função da característica do material que se deseja avaliar. A tensão de
excitação e o ruído magnético Barkhausen estão apresentados em escalas diferentes, apenas para
facilitar a visualização do aspecto do ruído.
Ruído
magnético
Barkhausen
Tensão de
Excitação
Ruído
magnético
Barkhausen
Fig. 2 – Ruído magnético Barkhausen característico em uma amostra de aço ASTM A 36.
2. Efeito das Tensões
A estrutura de domínios existente em um material ferromagnético, além de ser afetada pela aplicação de
um campo magnético ao material, também é afetada pelo estado de tensões presente no mesmo,
através do efeito magnetoelástico. As tensões mecânicas influenciam a distribuição dos domínios e o
movimento das fronteiras através da interação magnetoelástica. A tensão produz um campo magnético
efetivo Hσ expresso por:
Hσ = 3 λS σ 2 µ0 MS , sendo,
λS = a magnetostrição quando o material está na magnetização de saturação
σ = a tensão aplicada
µ0 = a permeabilidade magnética do vácuo
MS = a magnetização de saturação
87
As tensões elásticas afetam as emissões do ruído Barkhausen devido ao efeito da deformação elástica,
que faz com que a configuração dos domínios mude para um arranjo energeticamente mais favorável,
devido à minimização da energia magnetoelástica quando a magnetização dos domínios se alinha com
relação ao eixo de deformação principal da rede.
Em materiais com constante de magnetostrição (λ) positiva, a aplicação ou a presença de uma tensão
de tração provoca o alinhamento dos domínios no material ao longo dos eixos cristalográficos mais
próximos ao eixo de aplicação da tensão, o mesmo ocorrendo quando um campo magnético é aplicado
ao material. Quando um campo magnético é aplicado ao longo de um eixo onde atue uma tensão de
tração, a amplitude do ruído magnético Barkhausen gerado aumenta até atingir o limite elástico do
material. Quando o mesmo campo é aplicado em uma direção perpendicular ao eixo de aplicação de
tração, o efeito é contrário, ou seja, a amplitude do ruído magnético gerado diminui. Caso a tensão
aplicada seja de compressão, o comportamento é o inverso ao descrito para tração. Esta é a base para a
detecção de tensões elásticas pela análise do ruído magnético Barkhausen.
A amplitude do ruído magnético Barkhausen depende do número de eventos Barkhausen, seu valor e
sua duração. Tensões de tração podem aumentar o número de paredes de domínio de 180° em
movimento, reorientando domínios ou modificando as barreiras de energia que dificultam a sua
movimentação. Tensões de compressão, ao contrário, contribuem para o decréscimo do número de
paredes de domínios de 180°. A interação entre a estrutura dos domínios e as tensões em um material
está indicada esquematicamente na figura 3.
TRAÇÃO
CAMPO MAGNÉTICO
COMPRESSÃO
TRAÇÃO + CAMPO MAGNÉTICO
ALTO SINAL MAGNETOELÁSTICO
COMPRESSÃO + CAMPO MAGNÉTICO
BAIXO SINAL MAGNETOELÁSTICO
Fig. 3 – Comportamento dos domínios sob diferentes condições de carregamento e campo
magnético.
A aplicação de um esforço de tração no material favorece o crescimento dos domínios orientados na
mesma direção do esforço e a diminuição dos domínios com outras orientações. A aplicação de um
campo magnético no material favorece o crescimento dos domínios orientados na mesma direção e
sentido da aplicação do campo, com a conseqüente diminuição dos domínios com outras orientações.
Com a aplicação de esforços de compressão, os domínios orientados perpendicularmente à direção de
aplicação do esforço sofrem uma expansão e aqueles, com outras orientações, sofrem uma diminuição.
Se as tensões e o campo magnético aplicados ao material geram o mesmo tipo de mudança na
88
configuração dos domínios, seu efeito cumulativo produz níveis elevados do ruído magnético
Barkhausen, ou seja, um alto sinal magnetoelástico. Se a tensão e o campo aplicados geram efeitos
conflitantes no movimento das paredes, o nível do ruído magnético Barkhausen é reduzido, resultando
em um baixo sinal magnetoelástico.
Da mesma forma que para a microestrutura e propriedades mecânicas, a análise do ruído magnético
Barkhausen pode ser utilizada para a determinação de tensões aplicadas e residuais em materiais
ferromagnéticos, após uma calibração adequada. Na etapa de calibração deve-se procurar reproduzir,
dentro do possível, o estado de tensões presente no material a ser avaliado (uniaxial ou biaxial), sendo a
calibração do sistema de ensaio o processo mais importante para possibilitar a correta determinação das
tensões atuantes no componente de interesse.
3. Análise do Ruído Magnético Barkhausen
O ruído magnético Barkhausen pode ser analisado de várias maneiras. Alguns dos métodos são a
análise da distribuição de amplitude do ruído para a determinação do seu valor médio, a detecção da
envoltória do ruído para determinação do seu valor máximo e seu espectro de freqüências. Entretanto, o
valor RMS do ruído magnético Barkhausen tem sido utilizado por grande parte dos pesquisadores para
estudos da microestrutura e do estado de tensões em materiais ferromagnéticos e será utilizado na
realização deste trabalho. Para os objetivos deste trabalho, a influência da microestrutura nos resultados
do ensaio deve ser avaliada e minimizada, de forma a possibilitar a determinação de tensões de forma
confiável e reprodutível.
4. Sistema de Ensaio para a Medição do Ruído Magnético Barkhausen
O sistema básico de ensaios utilizado para a investigação de materiais ferromagnéticos pela análise do
ruído magnético Barkhausen (RMB) é formado por uma unidade de magnetização, um sistema de
aquisição e processamento de dados e um sensor eletromagnético, para a detecção do ruído magnético
Barkhausen gerado.
A unidade de magnetização é composta por um gerador de funções, que gera uma forma de onda
triangular ou senoidal e um amplificador bipolar, que amplifica o sinal do gerador e alimenta um eletroímã
em forma de U, responsável pela geração do campo magnético para excitação do material. A forma do
sinal de excitação exerce uma grande influência na natureza do RMB emitido pelo material, sendo os
sinais com a forma de onda senoidal os mais adequados para a realização de medidas para a
caracterização do material. A detecção do ruído magnético Barkhausen é feita por um sensor
eletromagnético, que consiste de uma bobina superficial geralmente com núcleo ferromagnético.
Um sistema de amplificação e filtragem do ruído detectado e um sistema de aquisição de dados para
permitir o processamento dos sinais adquiridos complementa o conjunto. Em geral, o eletroímã
responsável pela excitação do material e a bobina responsável pela detecção do ruído magnético
Barkhausen são montados em um único conjunto, denominado neste trabalho de sonda
magnetoelástica. Uma sonda magnetoelástica típica pode ser observada na figura 4.
89
Bobina de Detecção
Extremidades do Núcleo Ferromagnético
Fig. 4 – Sonda magnetoelástica biaxial típica.
A freqüência do sinal de excitação representa a freqüência com que o campo magnético de excitação é
aplicado ao material. A freqüência de excitação apresenta dois aspectos importantes na medição do
ruído magnético Barkhausen: a profundidade de penetração (profundidade do material afetada pelo
campo magnético de excitação) e a velocidade com que as medições podem ser realizadas (velocidade
de varredura).
A profundidade de penetração varia em função da freqüência do campo de excitação. Altas freqüências
de excitação restringem as medidas às regiões superficiais do material sendo, portanto, adequadas para
a medição de suas propriedades próximas à superfície. Baixas freqüências resultam em uma maior
penetração do campo magnético, possibilitando a realização de medições em profundidades maiores.
Os campos magnéticos decaem exponencialmente com a profundidade no material. A profundidade de
penetração (δ), considerada para definir a penetração do campo magnético é dada por:
δ = 1 π FExc σ El µ0 µ r
FExc
σ El
µ0
µr
, onde
a freqüência do campo em Hertz
-1
-1
a condutividade elétrica do material em Ω m
-7
-1
a permeabilidade magnética no vácuo, igual a 4 π . 10 H . m
a permeabilidade magnética relativa do material
A profundidade de penetração (δ) representa a profundidade em que a intensidade das correntes
parasitas induzidas no material é igual a 1/e de seu valor na superfície, ou seja, aproximadamente 37%.
O ruído magnético Barkhausen é atenuado pelas correntes parasitas no material. Desta forma, a
profundidade de detecção do ruído magnético Barkhausen é limitada a uma certa profundidade a partir
da superfície. Embora não seja possível determinar esta profundidade com precisão, a expressão geral
para a determinação da profundidade de penetração do campo magnético δ é utilizada para este fim.
A bobina sensora responsável pela detecção do ruído magnético Barkhausen consiste de um
enrolamento construído com fios de cobre, podendo ou não conter um núcleo de ferrita. A geometria da
bobina sensora normalmente é cilíndrica. São disponíveis bobinas sensoras superficiais ou envolventes,
sendo as características dos sinais detectados dependentes da configuração do sensor. Quando o
material é excitado pela unidade de magnetização, a bobina sensora posicionada em sua superfície
detecta as variações que ocorrem no fluxo magnético, a partir das voltagens (V) induzidas devido à
movimentação descontínua das fronteiras dos domínios, dadas pela lei de Faraday como:
90
V = - N dφ / dt, onde,
N
φ
t
o número de espiras da bobina
o fluxo magnético
o tempo
O ruído magnético Barkhausen abrange uma ampla faixa de freqüências, de cerca de 100 Hz a alguns
MHz. Os sinais detectados pela bobina sensora são filtrados e amplificados utilizando-se ganhos de até
100 dB. A avaliação do ruído magnético Barkhausen emitido pelo material é realizada utilizando-se filtros
com determinadas freqüências, denominadas freqüências de análise, variando normalmente na faixa de
500 Hz a 1 MHz. A utilização de altas freqüências de análise favorece a avaliação dos sinais
provenientes de regiões próximas à superfície e a utilização de baixas freqüências de análise favorece a
avaliação de sinais provenientes de regiões mais profundas.
A seleção das freqüências de análise depende da característica do material que se deseja avaliar. Na
avaliação de componentes submetidos a tratamentos superficiais de endurecimento, para a
determinação da espessura ou profundidade da camada endurecida, a utilização de altas freqüências de
análise possibilita a realização de avaliações quantitativas da espessura de camadas superficiais finas
enquanto que a utilização de freqüências de análise mais baixas favorecem a avaliação de camadas
superficiais mais espessas.
91
Capítulo 9
Extensometria
1. Medição das Deformações com Extensometria Convencional
A extensiometria pode ser definida como o conjunto de técnicas utilizadas para a medição de
deformações sofridas por componentes e estruturas através da utilização de dispositivos denominados
extensômetros elétricos. É o método mais utilizado na atualidade para a medição de deformações em
componentes estruturais
Para a medição das deformações, os extensômetros são fixados na superfície da estrutura que deve ser
monitorada. Quando a estrutura se deforma, sob a ação de carregamentos externos ou de
carregamentos de trabalho, estas deformações são transmitidas ao extensômetro. Pela monitoração da
deformação sofrida pelo extensômetro, pode-se determinar a deformação sofrida pelo componente e,
consequentemente, as tensões atuantes.
1.1 Tipos de Extensômetros Convencionais
Os extensômetros elétricos podem ser resistivos, capacitivos, indutivos ou semicondutores, sendo de
uso mais generalizado os extensômetros resistivos tipo lâmina, que consistem de uma resistência
elétrica depositada sobre uma base flexível. São disponíveis extensômetros contendo um elemento
sensor (unidirecionais); dois elementos sensores (rosetas de dois elementos) ou três elementos
sensores (roseta de três elementos). A configuração destes extensômetros pode ser observada na figura
1.
(a)
(b)
(c)
Fig. 1 – Extensômetro unidirecional (a), roseta de dois elementos (b) e de três elementos (c).
1.2 Seleção
A seleção de um extensômetro é feita considerando-se o tipo de material a ser avaliado, a precisão e a
estabilidade necessárias, o valor esperado para as deformações nos materiais estudados, o tipo de
carregamento aplicado e o tipo de informação desejada, o espaço disponível para instalação do
extensômetro na superfície do material, o tempo de duração dos ensaios, a facilidade e a simplicidade
de instalação e as condições ambientais (atmosfera, temperatura de utilização).
1.3 Preparação da Superfície
Para que as deformações sofridas pelo componente sejam integralmente transmitidas ao extensômetro,
a superfície sobre a qual ele é fixado deve ser preparada de forma a apresentar um acabamento
superficial adequado (rugosidade superficial), especificado pelo fabricante do extensômetro, a ausência
de contaminantes como gorduras, óleos, graxas, poeira e a ausência de resíduos de oxidação.
Após a preparação, o extensômetro é fixado à superfície com o auxílio de um adesivo, selecionado de
acordo com as características do extensômetro e das condições de teste. Adesivos normalmente
92
utilizados são à base de Poliéster, Cianoacrilato, Epoxy, Polivinil Butiral e Fenol. Após a aplicação do
adesivo é necessário um tempo de espera antes que a instalação seja utilizada, para que ocorra a cura
do adesivo. O tempo de espera é função do tipo de adesivo utilizado. As etapas seguintes consistem na
proteção do extensômetro e das regiões vizinhas com um recobrimento especial, de forma a proteger o
extensômetro de danos externos e a superfície da peça de oxidação superficial e a ligação dos terminais
do extensômetro à instrumentação de medida.
1.4 Medição das deformações
As deformações sofridas pelo material são determinadas a partir das deformações sofridas pelo
extensômetro. Isto é possível pela monitoração das variações que ocorrem na resistência do elemento
sensor do extensômetro durante a deformação. A resistência elétrica inicial Rin do elemento sensor do
extensômetro, que apresenta um comprimento inicial l, é definida como:
Rin = ρ
Rin
ρ
ls
As
ls
, sendo,
As
a resistência elétrica inicial do elemento sensor em Ω
a resistividade elétrica do material do elemento sensor em Ω . m
o comprimento útil do elemento sensor do extensômetro em m
2
a área da seção transversal do elemento sensor do extensômetro em m
Com a deformação do componente e a conseqüente deformação do extensômetro, o comprimento inicial
do elemento sensor l sofre uma variação ∆l e, consequentemente, a sua resistência elétrica inicial Rin
sofre uma variação ∆R. A sensibilidade k do extensômetro é definida como:
k=
∆R Rin
∆L L
A razão ∆l/l é denominada deformação unitária, sendo então definida como:
∆L
=ε
L
Desta forma, a deformação ε sofrida pelo extensômetro e, consequentemente, pelo material pode ser
determinada por:
ε=
k
ε
1 ∆R
*
, onde,
k Rin
a sensibilidade do extensômetro
a deformação unitária
A variação da resistência do elemento sensor com a deformação apresenta um comportamento linear,
sendo uma medida da deformação média do componente na região situada sob o extensômetro. O valor
da sensibilidade k do extensômetro é dependente do material utilizado como elemento sensor,
apresentando valores aproximados de 2,05 para Constantan, 2,1 para Karma, 2,2 para Nichrome V e 4
para ligas Platina-Tungstênio.
A resistência inicial e a sensibilidade do elemento sensor do extensômetro são fatores conhecidos,
fornecidos pelos fabricantes junto com a documentação de cada extensômetro. Pela monitoração da
93
variação da resistência pode-se determinar a deformação sofrida pelo extensômetro e, portanto, pelo
componente ou estrutura monitorada.
O método mais utilizado para se medir as variações de resistência que ocorrem no extensômetro é o
método da ponte de Wheatstone, onde o extensômetro faz parte de um ou mais braços da ponte. Na
ausência de deformação a ponte se encontra em equilíbrio. Com a deformação e a conseqüente
variação da resistência do extensômetro, a ponte sofre um desbalanceamento que é proporcional à
deformação. Outro método é a medida direta das variações da resistência do extensômetro, que
apresenta a vantagem de eliminar os efeitos de variação da temperatura e do comprimento dos cabos,
que interferem com as medições ao se usar um circuito de Ponte de Wheatstone.
Nas situações em que o estado de tensões presente é o estado uniaxial de tensões, como o existente
em barras submetidas a esforços de tração e compressão simples, a tensão máxima de tração ou
compressão ocorre na direção do carregamento aplicado. O valor da tensão em uma determinada
direção pode ser obtido a partir de:
1
2
σ (ϕ ) = σ max (1 + cos 2ϕ )
sendo,
σ(ϕ) o valor da tensão na direção de interesse
σ(max) o valor da tensão máxima atuante
ϕ
o ângulo formado entre a direção de carregamento e a direção de interesse
Para o estado uniaxial de tensões, dentro da região elástica do material, as tensões podem ser
determinadas através das deformações utilizando-se a Lei de Hooke, expressa por:
σ = ε * E , onde:
σ
ε
E
o valor da tensão normal atuante no componente
o valor da deformação mecânica
o módulo de elasticidade do material
Nas situações em que o estado de tensões presente é o estado biaxial de tensões, as tensões atuantes
podem ser determinadas a partir da Lei de Hooke por:
σx =
E
(ε x + υε y )
1−υ2
e
σy =
σx
σy
εx
εy
υ
E
E
(ε y + υε x ) , sendo:
1−υ2
a tensão na direção x (MPa)
a tensão na direção y (MPa)
a deformação na direção x
a deformação na direção y
o coeficiente de Poisson do material
o módulo de elasticidade do material (MPa)
Para uma roseta com três elementos, defasados de 0°, 45° e 90° entre si, o valor e a direção das
tensões principais atuantes podem ser determinados a partir de:
94
σ max, min =
1
E  ε1 + ε 3
±

2  1− µ 1+ µ
(ε 1 − ε 3 )2 + [2ε 2 − (ε 1 + ε 3 )]2 

e
1
2
ϕ p = tan −1
2ε 2 − (ε 1 + ε 3 )
, sendo,
ε1 − ε 3
σmax - a tensão principal máxima (MPa)
σmin - a tensão principal mínima (MPa)
ε1 - a deformação na direção 1
ε2 - a deformação na direção 2
ε3 - a deformação na direção 3
ϕp - o ângulo que uma das tensões principais forma com o extensômetro n° 1 da roseta, de acordo com o
critério abaixo:
Se
ε1 > ε 3 ⇒ ϕ p
é de
σ max
Se
ε1 < ε 3 ⇒ ϕ p
é de
σ min
Se
ε1 = ε 3
e
ε 2 < ε 1 ⇒ ϕ p = −45o
é de
Se
ε1 = ε 3
e
ε 2 > ε 1 ⇒ ϕ p = +45o
é
σ max
σ max
2. Determinação de Tensões Residuais pelo Método do Furo Central
O método do furo central, para a medição das tensões residuais atuantes em um material, componente
ou estrutura, é um método padronizado pela ASTM. Ele consiste na introdução de um furo na superfície
do material examinado e na monitoração do alívio local das tensões que ocorre no material devido à
introdução do furo.
O processo utilizado para a usinagem do furo na região de interesse não deve modificar o padrão de
tensões residuais presentes no material, ou seja, não deve introduzir um padrão de tensões residuais
adicional. Vários processos tem sido avaliados tais como o de jato de partículas abrasivas e a fresagem
com altas rotações utilizando-se turbinas a ar, dentre outros, havendo limitações na utilização de cada
um deles.
As tensões são calculadas a partir da medida das deformações que ocorrem no material devido à
introdução do furo, medidas através de uma roseta de três elementos. A roseta é constituída por três
extensômetros elétricos montados sobre uma base especial. No centro da roseta existe um pequeno
anel com indicadores, utilizados para tornar mais fácil a centralização do sistema de furação. Dispostos
ao redor do anel central se encontram três extensômetros, orientados na direção radial e eqüidistantes
do centro da roseta, dois deles defasados de 90º entre si e o terceiro alinhado com a bissetriz dos outros
dois, de forma a facilitar o cálculo das tensões residuais a partir das deformações lidas em cada
extensômetro. Uma roseta para medição de tensões residuais do tipo EA-06-060RE-120, fabricada pela
MM pode ser observada na figura 2.
Após a escolha da região de interesse para a determinação das tensões residuais, a superfície do
material deve ser preparada para permitir a fixação adequada da roseta, de maneira a assegurar a
obtenção de medidas confiáveis. O processo de preparação segue os mesmos passos utilizados para a
instalação de extensômetros convencionais, ou seja, o condicionamento mecânico e químico da
superfície do material sobre o qual a roseta será fixada, seguindo-se do posicionamento, da colagem da
roseta e de um tempo de espera para a cura do adesivo. A seguir fazem-se as ligações dos terminais
dos extensômetros que constituem a roseta com a instrumentação utilizada para a execução das
medidas e protege-se a sua superfície com um recobrimento especial.
95
Fig. 2 – Roseta tipo EA-06-060RE-120 MM utilizada para a medição de tensões residuais.
Finda a preparação, posiciona-se o dispositivo de furação utilizado para a usinagem do furo, de modo
que o eixo da ferramenta permaneça alinhado com o centro do anel existente na roseta. A seguir faz-se
a leitura das resistências iniciais de cada elemento sensor (referências) e inicia-se então a usinagem
gradual do furo, fazendo-se a leitura das deformações aliviadas após o término de cada etapa de
furação. Com os valores das deformações aliviadas em cada etapa, determinam-se então os valores das
tensões principais atuantes no material bem como a sua orientação para cada uma das profundidades
atingidas em cada etapa de furação.
O método do furo central a partir da padronização ASTM pode ser aplicado na determinação de tensões
residuais em todos os casos em que as tensões não variem significativamente com a profundidade e que
não excedam à metade da tensão de escoamento do material.
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