COTEQ - 186
COTEQ-186
UM SISTEMA PRÁTICO PARA IDENTIFICAÇÃO E
LOCALIZAÇÃO DE DEFEITOS EM REVESTIMENTOS DE
MATERIAIS COMPÓSITOS UTILIZANDO SHEAROGRAFIA
Daniel Pedro Willemann1,
Armando Albertazzi2,
Luiz Cláudio de Marco Meniconi3
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Copyright 2007, ABENDE, ABRACO e IBP
Trabalho apresentado durante a 9ª. COTEQ – Conferência Internacional sobre Tecnologia de
Equipamentos, em Salvador/BA, no mês de junho de 2007.
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s)
autor(es).
Sinopse
O setor energético do petróleo e gás vem empregando, cada vez mais, materiais compósitos em suas
estruturas. Revestimentos em dutos e em tanques de armazenamento, cilindros de armazenamento
de gás natural veicular e reforços estruturais são exemplos de aplicações encontradas para os
materiais compósitos neste setor. A principal vantagem de uma estrutura compósita é a sua grande
resistência mecânica e à corrosão, e o seu baixo peso quando comparada a uma estrutura de material
convencional, como por exemplo, aço ou alumínio. No entanto, falhas de adesão entre as camadas
que compõem os materiais compósitos laminados ou falhas de adesão entre o revestimento
compósito e o material de base diminuem, em grandes proporções, a resistência mecânica dessas
estruturas, podendo levá-las ao colapso. Os métodos convencionais de ensaios não-destrutivos e
inspeções visuais não são efetivos para a detecção e identificação de defeitos internos nesses
materiais. Este trabalho apresenta os fundamentos e os resultados da aplicação de uma técnica
óptica de inspeção denominada shearografia – do inglês shearography – que usa laser para detectar
falhas em materiais compósitos. Resultados de inspeções realizadas em estruturas de materiais
compósitos empregadas na indústria do petróleo são apresentados neste trabalho. Como principal
inovação, este trabalho apresenta um sistema prático que permite ao usuário identificar com muita
clareza a posição e extensão de defeitos localizados. Consiste de um indicador óptico que interage
com o sistema de visão e acusa a existência de defeito.
Introdução
A tendência crescente de uso de materiais compósitos em vários setores industriais tem
impulsionado a pesquisa de técnicas de inspeção apropriadas para detectar falhas de diversas
naturezas nestes materiais. O desenvolvimento deste trabalho foi motivado por uma demanda
concreta do setor do petróleo e gás, em busca de meios para verificar a efetividade de revestimentos
aplicados na proteção e no reforço estrutural de dutos. O texto inicia com uma breve descrição do
princípio de funcionamento da técnica óptica e descreve o sistema experimental desenvolvido para
testar e avaliar o desempenho desta técnica em laboratório e em campo. Ao final, descreve o
dispositivo utilizado para a localização do defeito sobre a estrutura, apresentando e discutindo os
resultados obtidos e a aplicabilidade da técnica em campo.
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Dott. Ing. – PHOTONITA – Photonical Instruments for Technical Applications – Engenheiro de P&D
PHD – LABMETRO – Laboratório de Metrologia da UFSC – Professor
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PHD – PETROBRAS/CENPES
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1. Shearografia
A técnica óptica de medição usada neste trabalho é referida na literatura internacional como
shearography. Sem um termo correspondente em português, inicialmente foi adotada a
denominação Interferometria de Deslocamento Lateral, abreviada por IDL [1], mas recentemente
alterada para shearografia para estar em conformidade com a prática utilizada no Brasil.
A shearografia é uma técnica interferométrica apropriada para medir derivadas dos campos de
deslocamentos na superfície de interesse. Sua principal vantagem é a capacidade de operar fora do
ambiente de laboratório [1-4]. A Figura 1 mostra um exemplo de imagem obtida por shearografia
utilizada na detecção de descolamentos em revestimentos compósitos em ambiente laboratorial.
Figura 1. Exemplo de imagem obtida com shearografia [1]
1.1 Detecção de Falhas de Adesão por Shearografia
Falhas em materiais compósitos normalmente estão associadas a descontinuidades. Falta de adesão
entre camadas de materiais compósitos ou entre o revestimento compósito e o material de base, são
dois exemplos típicos de falhas. Estas falhas podem ocorrer facilmente em luvas poliméricas
utilizadas no revestimento e/ou para reforço estrutural de dutos. Segmentos de dutos revestidos com
mantas poliméricas foram utilizados em ensaios de laboratório, conforme mostrados na Figura 2.
Figura 2 – (A) Dutos revestidos com mantas poliméricas da 4 mm (esquerda) e 26 mm (direita)
(B) Posicionamento das falhas artificialmente provocadas nos respectivos dutos [1]
Para detectar falhas em materiais compósitos com shearografia, é sempre necessário aplicar algum
tipo de carregamento que gere, na superfície do material, descontinuidades no campo de
deformações. Estas deformações, por sua vez, geram descontinuidades nas franjas de interferência,
que são visualmente percebidas, conforme mostrado anteriormente na Figura 1.
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Tipicamente, quatro diferentes tipos de carregamento podem ser aplicados para evidenciar os
defeitos: mecânico, por vácuo, por aquecimento ou por ondas sonoras [1]. A escolha da melhor
forma de carregamento depende do tipo de material, tipo e extensão do defeito a detectar e de
aspectos operacionais de cada caso.
1.1.1 Carregamento Térmico
Ao ser exposto à radiação de uma fonte de calor uniforme o material compósito tende a se expandir
por dilatação térmica. O campo de deformações provocado pela temperatura é relativamente
uniforme na ausência de defeitos. Entretanto, uma falha de adesão entre camadas, ou entre um
revestimento compósito e o material de base, provoca descontinuidades no campo de deformações.
A Figura 3 ilustra o campo de deformações acentuado que se forma nas vizinhanças de uma região
onde há falha de adesão entre o material de base e a manta de material compósito. Nas regiões onde
há boa adesão a deformação da manta de material compósito é governada pelo material de base e
tende a permanecer mais uniforme. A falha de adesão “liberta” localmente o material compósito
para expandir de maneira mais livre e mais intensa, uma vez que este possui coeficiente de dilatação
térmica maior que o material de base. A presença de bolhas de ar possui um efeito secundário sobre
o fluxo de calor, pois aumenta localmente o isolamento térmico, elevando a temperatura e
intensificando as deformações no local da falha. O carregamento térmico pode ser feito por radiação
através de uma lâmpada de alta potência, como é o caso ilustrado na Figura 3, ou pela ação direta de
um fluxo de ar quente como o produzido por um secador de cabelo. Normalmente poucos segundos
de aquecimento são suficientes. Nos ensaios realizados em campo, na plataforma de Merluza,
somente o carregamento térmico foi utilizado, devido à sua grande praticidade e eficácia
comprovadas anteriormente em laboratório.
Figura 3 – Esquema de carregamento térmico mostrando a dilatação da área descolada e carregamento
térmico sendo aplicado na prática (foto da direita)
2. Descrição do equipamento de inspeção baseado em shearografia
Basicamente, um sistema de inspeção com shearografia é composto por dois módulos principais: o
módulo de excitação (carregamento) e o módulo de medição, ambos gerenciados por um software
de controle e processamento.
O sistema de inspeção utilizado neste ensaio foi inicialmente projetado para uso em laboratório.
Porém, com o objetivo de avaliá-lo e aprimorá-lo, algumas adaptações foram realizadas para que o
protótipo pudesse ser levado pela primeira vez a campo. A Plataforma de Merluza (Petrobrás),
situada na Bacia de Santos, foi a pioneira neste tipo de ensaio.
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2.1 Módulo de Medição
O módulo de medição é composto por uma estrutura de sustentação rígida, um sistema de
iluminação com luz laser e um cabeçote de medição. O cabeçote de medição, mostrado na Figura 4,
é o componente mais importante de todo o sistema de inspeção. Contém uma câmera de TV de alta
resolução, uma lente objetiva, dois espelhos planos, um espelho parcial (beamsplitter) e dispositivos
mecânicos para fixar os componentes e promover o deslocamento lateral da imagem, também
denominado shearing [2]. O sistema contém ainda um atuador piezelétrico que move o espelho
inferior de incrementos controlados para aplicar o deslocamento de fase e melhorar a visibilidade
das franjas.
JANELA ÓPTICA
SISTEMA DE
AJUSTE DO
ESPELHO
ESPELHO PARCIAL
CÂMERA
ATUADOR
PIEZELÉTRICO
ESPELHOS DE
PRIMEIRA
SUPERFÍCIE
Figura 4. Cabeçote de medição [1]
O cabeçote de medição e os dois lasers diodo utilizados para iluminar a superfície de medição são
acoplados à estrutura de fixação do sistema. Esta estrutura, em forma de “Y”, foi construída com
perfis de alumínio e é fixada ao duto através de cintas de poliéster para amarração de cargas, como
mostrado na Figura 5. A Figura 5 mostra também a lâmpada halógena de 1000 W utilizada nos
carregamentos térmicos aplicados à superfície.
Figura 5. Esquerda: Estrutura “Y” para a fixação do sistema de inspeção em dutos. Meio: Cinta de poliéster
para amarração da estrutura ao duto revestido - Direita: Detalhe do cabeçote e dos lasers de iluminação
Um software de medição foi desenvolvido para gerenciar a aquisição e o processamento de
imagens. Um laptop equipado com interface Firewire e alguns drivers de controle são utilizados.
Uma espécie de cobertura foi desenvolvida para proteger o sistema de correntes de ar, de convecção
e da luz ambiente em excesso. Estes fatores, não presentes em ambiente laboratorial, podem
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prejudicar medições com shearografia. A Figura 6 mostra o sistema de controle (laptop e drivers) e
a cobertura de proteção.
Figura 6. Módulo de controle e cobertura de proteção.
Para a realização dos ensaios em campo, o staff da plataforma de Merluza providenciou a
construção de um andaime de acesso à manta de material compósito. O andaime foi coberto com
lona de proteção para amenizar o efeito da luz externa e das correntes de vento. A Figura 7 mostra a
fase inicial de construção do andaime e o andaime pronto.
Figura 7. Construção do andaime de acesso ao local de inspeção
3. Parâmetros de Inspeção
De acordo com um procedimento de inspeção previamente determinado, os seguintes parâmetros de
inspeção foram estabelecidos:
1. Número de seções: em virtude das dimensões da área iluminada, o duto foi divido em 12 seções
com aproximadamente 115 mm de arco (divisões de 30°). O duto ensaiado possui um diâmetro
nominal de 16’ e a espessura da manta de compósito foi estimada como sendo de aproximadamente
17 mm.
2. Tempo e distância de aquecimento: 60 s de aquecimento com a lâmpada posicionada a uma
distância aproximada de 300 mm da superfície a ser inspecionada.
3. Tempo entre o término do aquecimento e a aquisição do primeiro mapa de fases [2]: 10 s.
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4. Número de imagens de fase adquiridas e o intervalo de tempo entre elas: 20 imagens de fase
foram adquiridas para cada seção com intervalo de 5 s entre cada aquisição.
5. Shearing (Deslocamento Lateral da Imagem) aplicado: 10 mm.
4. Resultados da Inspeção
Neste ensaio em campo, apenas a parte inferior da manta polimérica foi inspecionada. Esta decisão
foi tomada em função das limitações do tempo disponível para o ensaio. A Figura 8 mostra algumas
fotos tiradas durante o ensaio.
Figura 8. Superior: Preparação e instalação do sistema
Inferior: Iluminação laser e excitação térmica pouco antes da inspeção
Um total de 28 medições foi realizado: duas medições (shearings de 10 mm nas direções axial e
circunferencial, conforme Figura 9) para cada uma das doze seções. Adicionalmente, as bordas de
duas seções foram também inspecionadas.
Figura 9. Esquema do duto indicando as direções dos shearings aplicados
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Para cada seção do duto, um conjunto de 40 imagens foi combinado e analisado de diferentes
formas.
As Figuras 10 à 13 evidenciam a presença de defeitos, com diferentes intensidades e dimensões, em
duas regiões avaliadas. Nenhum deles compromete a integridade do revestimento nem do duto
ensaiado. Avaliações aprofundadas destes e de outros defeitos foram realizadas, porém não podem
ser apresentadas neste trabalho por restrições contratuais.
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Figura 10. Defeitos identificados no meio da manta polimérica (shearing axial)
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Figura 11. Mesmos defeitos da Figura 9 com shearing na direção circunferencial
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Figura 12. Defeitos identificados na borda da manta polimérica (shearing axial)
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Figura 13. Mesmos defeitos da Figura 12 com shearing na direção circunferencial
5. Localização dos defeitos sobre a estrutura
Após a realização do ensaio em campo, notou-se a necessidade de uma ferramenta que auxiliasse na
a indicação da localização do defeito sobre a estrutura inspecionada, levando à criação de um
pequeno dispositivo dotado de uma luz indicadora, conforme mostrado na Figura 14.
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Figura 14 – Dispositivo indicador da posição real do defeito
Após processadas as imagens de fase e identificados os defeitos, cria-se, através de software, uma
máscara binária, onde os pixeis de cor branca indicam a posição dos defeitos e os de cor preta
indicam a parte íntegra da estrutura. Com o sistema ainda na mesma posição em que se realizou a
inspeção, aciona-se o modo localização e passa-se o dispositivo indicador sobre a superfície da
estrutura inspecionada. O confronto da imagem ao vivo, adquirida pela câmera, com a máscara
previamente criada faz com que o LED mude de cor de acordo com a posição em que se encontra o
dispositivo: a cor vermelha do LED indica que o dispositivo se encontra sobre uma região contendo
defeito e a cor verde indica a posição sobre a parte íntegra da estrutura. O LED pode assumir
também a coloração amarelada, significando que o dispositivo encontra-se fora da área de visão da
câmera CCD. A Figura 15 mostra a superfície de um segmento de duto analisado em laboratório,
onde os defeitos foram localizados com a ajuda deste dispositivo.
Figura 15 – Esquerda: Sobreposição do mapa de franjas sobre a imagem real
Direita: Imagem da superfície real com os defeitos devidamente indicados
6. Conclusões
Este trabalho mostra resultados da inspeção realizada em uma manta polimérica que reveste um dos
dutos de transporte de gás natural da Plataforma de Merluza da Petrobrás.
Apesar das limitações do protótipo de laboratório, a técnica de shearografia aplicada à detecção de
falhas de adesão em campo funcionou de modo plenamente satisfatório. Mesmo com a realização
de um único aquecimento por inspeção, em virtude da falta de tempo, vários defeitos foram
apontados na estrutura.
Somente através da realização de ensaios em campo é possível identificar as reais necessidades de
um sistema de inspeção, fato que originou a criação do dispositivo óptico para a indicação da
posição dos defeitos diretamente sobre a estrutura real. Foram também identificadas, várias
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exigências para a construção de um sistema de inspeção capaz de operar em campo totalmente de
acordo com as normas de trabalho em áreas classificadas.
Necessita-se ainda que sejam testados diferentes tempos de aquecimento com diferentes corpos de
prova em laboratório para que se possa estimar, da melhor forma, a profundidade de cada falha
detectada e, em etapas mais futuras, deve-se também poder indicar a necessidade de reparo ou troca
de toda a luva com base na quantidade de defeitos encontrados numa inspeção deste tipo.
Porém, apesar das dificuldades encontradas, mostrou-se o grande potencial da shearografia na
detecção de falhas em estruturas de materiais compósitos.
7. Agradecimentos
É com grande satisfação que o Laboratório de Metrologia e Automatização da Universidade Federal
de Santa Catarina e a Photonita agradecem ao Dr. Luiz Cláudio Meniconi do
CENPES/PETROBRAS e a todo o staff da Plataforma de Merluza pela grande oportunidade e por
todo o apoio prestado para a realização deste ensaio. Registra-se agradecimento à ANP que, através
do PRH-034, apoiou o desenvolvimento e construção do protótipo ensaiado e também à
FINEP/CTPetro pelo apoio através de projeto recentemente contratado.
8. Referências bibliográficas
[1] Albertazzi, A., Meniconi, L. C., Willemann, D. P., et al. Detecção de Falhas de Adesão entre
Mantas Poliméricas e Dutos usando Interferometria de Deslocamento Lateral. XXIV
CONAEND, São Paulo – SP, Brasil (2006).
[2] W. Steinchen, L. Yang. Digital Shearography – Theory and Application of Digital Speckle
Pattern Shearing Interferometry. SPIE Press, Bellingham, Washington, USA (2003).
[3] P. K. Rastogi. Measurement of static surface displacements, derivatives of displacements
and three-dimensional surface shapes. Examples of Applications to Non-Destructive Testing,
Digital Speckle Pattern Interferometry and Related Techniques, P. K. Rastogi, Ed., pp. 142224, Wiley, New York (2001).
[4] Y. Y. Hung, H. P. Ho, Shearography: An Optical Measurement Technique and
Applications. Materials Science and Engineering 49, 61-87, (2005).
[5] Rust Engenharia Ltda., http://www.rust.com.br/5_residuto_home.asp. Visitado em 2 de maio
de 2007.