TÉCNICAS PREDITIVAS
LIGADAS À INSPEÇÃO
TÉCNICAS PREDITIVAS
LIGADAS À INSPEÇÃO
Elaboradores:
Aderaldo Calente
Álvaro Pio
Ricardo T. Menezes
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
SUMÁRIO
1.0
APRESENTAÇÃO..................................................................... 10
2.0
ESTANQUEIDADE................................................................... 11
2.1
INTRODUÇÃO DE LOCALIZAÇÃO DE VAZAMENTO E
AO ENSAIO DE ESTANQUEIDADE........................................ 11
2.1.1
A Localização de Vazamento e ao Ensaio de Estanqueidade
na Antiguidade e Atualmente.................................................... 11
2.1.2
A Importância e a Finalidade da Localização do Vazamento
do Ensaio de Estanqueidade...................................................... 13
2.1.3
O que o Inspetor Deve Saber Antes de Começar a Inspeção.. 15
2.1.4
O Conceito de Taxa de Vazamento e Sua Importância.......... 18
2.2
MÉTODA BOLHA...................................................................... 22
2.2.1
Introdução ao Método da Bolha................................................ 22
2.2.2
Ensaio com o Método da Bolha................................................. 22
2.2.2.1
Método da Bolha por Imersão...................................................... 23
2.2.2.2
Método da Bolha por Imersão Modificado................................... 24
2.2.2.3
Método da Bolha com Solução Formadora de Espuma............... 25
2.2.2.4
Método da Bolha com Câmara de Vácuo..................................... 26
2.2.3
Procedimento de Ensaio............................................................. 27
2.2.4
Aplicação..................................................................................... 29
2.2.5
Limite de Detecção...................................................................... 30
2.2.6
Equipamentos e Instrumentos................................................... 30
2.2.7
Calibração................................................................................... 31
2.2.8
Regulamentos e Normas ............................................................ 32
2.3
LOCALIZAÇÃO DE VAZAMENTO COM ULTRA-SOM...... 32
2.3.1
Modo de Funcionamento........................................................... 32
2.3.2
Principais Componentes de um Equipamento Portátil de
Ultra-Som..................................................................................
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
34
2.3.3
Procedimento na Localização de Vazamento com Ultra-Som 34
2.3.4
Possíveis Fontes de Interferência na Detecção de
Vazamento................................................................................... 36
2.3.5
Combinação de Ultra-Som com Solução Formadora de
Bolha............................................................................................ 37
2.4
ENSAIO COM DETECTOR DE VAZAMENTO DE HÉLIO
37
2.4.1
Introdução................................................................................... 37
2.4.2
Métodos de Ensaio com Hélio.................................................... 38
2.4.3
Localização de Vazamento com Hélio...................................... 41
2.4.3.1
Sonda Aspiradora Padrão............................................................
42
2.4.3.2
Sonda Aspiradora Rápida............................................................. 44
2.4.3.3
Sensibilidade do detector de Vazamento de Hélio com Sonda
Aspiradora.................................................................................... 45
2.4.3.4
Localização de Vazamento........................................................... 47
2.4.4
Ensaio com Vácuo....................................................................... 55
2.4.4.1
Localização de Vazamento........................................................... 56
2.4.4.2
Determinação da Taxa de Vazamento.......................................... 56
2.4.4.3
Faixa de Aplicação....................................................................... 57
2.4.5
Ensaio Integral com Sonda Aspiradora................................... 58
2.4.5.1
Método do Envoltório.................................................................. 58
2.4.5.2
Leitura do valor de Medida no mostrador do detector de
Vazamento de Hélio..................................................................... 59
2.4.5.3
Calibração do Sistema de Ensaio................................................. 60
2.4.5.4
Realização de Ensaio.................................................................... 62
2.4.5.5
Erro de Medida............................................................................. 67
2.4.5.6
Relatório de Ensaio....................................................................... 67
2.4.6
Relatório de Bombing................................................................. 68
2.4.6.1
Procedimento de Ensaio............................................................... 68
2.4.6.2
Equipamentos, Instrumentos e Acessórios................................... 70
2.4.6.3
Determinação da Taxa de Vazamento......................................... 70
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
2.5
2.5.1
ESCOLHA DO MÉTODO DE ENSAIO..................................... 75
Conhecimentos Necessários para a Escolha do Método de
Ensaio........................................................................................... 75
2.5.2
Áreas de Utilização e Limites de Detecção dos Principais
Métodos de Localização de Vazamento e de Ensaio de
Estanqueidade............................................................................ 76
2.5.3
Classificação dos Métodos de Localização de Vazamento e
de Ensaio de Estanqueidade Segundo a Norma DIN-EM1779.............................................................................................. 79
3.0
SELEÇÃO DE ENSAIOS NÃO-DESTRUTIVOS.................. 81
3.1
TIPO DE INSPEÇÃO.................................................................. 81
3.2
MÉTODO DE INSPEÇÃO.......................................................... 82
3.3
SELEÇÃO DE END..................................................................... 83
3.4
GOTAFRIA.................................................................................. 84
3.4.1
Análise Metalúrgica................................................................... 84
3.4.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 84
3.4.2.1
Líquido Penetrante........................................................................ 84
3.4.2.2
Partícula Magnética...................................................................... 85
3.4.2.3
Radiografia................................................................................... 85
3.5
TRINCAS EM CONCENTRADORES DE TENSÃO
(PARAFUSOS)............................................................................ 87
3.5.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 87
3.5.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 87
3.5.2.1
Ultra-Som..................................................................................... 87
3.5.2.2
Líquido Penetrante........................................................................ 88
3.5.2.3
Partícula Magnética...................................................................... 88
3.6
TRINCAS DE RETÍFICA............................................................ 89
3.6.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 90
3.6.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 90
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
3.6.2.1
Líquido Penetrante........................................................................ 90
3.6.2.2
Partícula Magnética...................................................................... 90
3.7
TRINCAS DE JUNTAS DE EXPANSÃO.................................
92
3.7.1
Análise Metalúrgica...... ............................................................. 92
3.7.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 93
3.7.2.1
Radiografia................................................................................... 93
3.8
TRINCAS DE ZONA AFETADA.............................................
95
3.8.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 95
3.8.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 96
3.8.2.1
Partícula Magnética...................................................................... 96
3.8.2.2
Líquido Penetrante ...................................................................... 96
3.8.2.3
Ultra-Som..................................................................................... 96
3.9
TRINCAS DE TRATAMENTO TÉRMICO............................... 98
3.9.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 98
3.9.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 98
3.9.2.1
Partícula Magnética...................................................................... 98
3.9.2.2
Líquido Penetrante........................................................................ 99
3.10
TRINCAS SUPERFICIAIS DE CONTRAÇÃO......................... 100
3.10.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 100
3.10.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 101
3.10.2.1
Líquido Penetrante........................................................................ 101
3.10.2.2
Partícula Magnética...................................................................... 101
3.10.2.3
Correntes Parasitas....................................................................... 102
3.11
TRINCAS DE FILETES DE ROSCA......................................... 103
3.11.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 103
3.11.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 104
3.11.2.1
Líquido Penetrante........................................................................ 104
3.11.2.2
Partícula Magnética...................................................................... 104
3.12
FLOCOS DE HIDROGÊNIO...................................................... 106
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
3.12.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 106
3.12.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 106
3.12.2.1
Ultra-Som..................................................................................... 106
3.12.2.2
Partícula Magnética...................................................................... 107
3.13
FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO..................................... 108
3.13.1
Análise Metalúrgica.................................................................... 108
3.13.2
Métodos de Aplicação e Limitações END................................. 109
3.13.2.1
Partícula Magnética...................................................................... 109
4.0
ULTRA-SOM............................................................................... 111
4.1
PRINCÍPIOS BÁSICOS.............................................................. 111
4.1.1
Finalidade do Exame.................................................................. 112
4.1.2
Campo de Aplicação................................................................... 112
4.1.3
Limitações em Comparação com Outros Exames................... 113
4.1.3.1
Vantagens em Relação a Outros Exames..................................... 113
4.1.3.2
Limitações em Relação a Outros Exames.................................... 114
4.2
PRINCÍPIOS FÍSICOS................................................................ 114
4.2.1
Vibrações Ultra Sônicas............................................................. 114
4.2.2.
Freqüência, Velocidade e Comprimento da Onda.................. 120
4.2.2.1
Freqüência.................................................................................... 120
4.2.2.2
Velocidade de Propagação............................................................ 121
4.2.2.3
Comprimento da Onda................................................................. 122
4.2.2.4
Relações entre Velocidade, Comprimento da Onda e
Freqüência.................................................................................... 123
4.2.3
Propagação de Ondas................................................................. 124
4.2.4
Impedância Acústica.................................................................. 125
4.2.5
Reflexão....................................................................................... 129
4.2.6
Difração, Dispersão e Atenuação.............................................. 134
4.2.6.1
Definições de Bell e Decibell....................................................... 138
4.2.6.2
Difração, Princípios de Huyahens................................................ 140
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
4.3
GERAÇÃO DAS ONDAS ULTRA-SÔNICAS.......................... 142
4.3.1
Efeito Piezo-Elétrico................................................................... 142
4.3.2
Tipos de Cristais......................................................................... 143
4.3.3
Cabeçotes Normais, Angulares e Duplo-Cristal...................... 144
4.3.3.1
Transdutores Retos ou Normais................................................... 144
4.3.3.2
Transdutores Angulares................................................................ 145
4.3.3.3
Transdutores Duplo-Cristal.........................................................
148
4.3.4
Características e Geometria do Campo Sônico....................... 149
4.3.4.1
Campo Próximo e Geometria do Campo Sônico.......................... 149
4.3.4.2
Campo Sônico para Transdutores Duplo-Cristal......................... 152
4.3.4.3
Divergência................................................................................... 153
4.4
MEDIÇÃO DE ESPESSURA...................................................... 155
4.4.1
Aparelhos..................................................................................... 156
4.4.2
Cabeçotes..................................................................................... 160
4.4.3
Calibração do Aparelho............................................................. 160
4.4.4
Preparação da Superfície........................................................... 161
4.4.5
Acoplante..................................................................................... 162
4.4.6
Execução da Medição de Espessuras........................................ 162
4.4.7
Medição de Espessuras a Quente.............................................. 163
4.4.8
Procedimento de Ensaio............................................................. 164
4.4.9
Qualificação do Pessoal.............................................................. 165
5.0
ENSAIO POR LÍQUIDOS PENETRANTES.......................... 166
5.1
GENERALIDADES..................................................................... 166
5.1.1
Apresentação............................................................................... 166
5.1.2
Finalidade do Ensaio.................................................................. 166
5.1.3
Princípios Básicos....................................................................... 167
5.1.4
Vantagens e Limitações do Ensaio, em Comparação com
outros Métodos............................................................................ 170
5.2
PROPRIEDADE DOS PRODUTOS E PRINCÍPIOS FÍSICOS. 172
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
5.2.1
Propriedades Físicas do Penetrante.......................................... 172
5.2.2
Sensibilidade do Penetrante....................................................... 176
5.2.3
Propriedades do Revelador........................................................ 178
5.3
PROCEDIMENTO PARA ENSAIO........................................... 180
5.3.1
Preparação para Superfície....................................................... 181
5.3.2
Métodos de Limpeza da Superfície........................................... 181
5.3.3
Temperatura da Superfície e do Líquido Penetrante.............. 182
5.3.4
Aplicação do Penetrante............................................................ 183
5.3.5
Tempo de Penetração................................................................. 183
5.3.6
Remoção do Excesso de Penetrante.......................................... 184
5.3.7
Revelação..................................................................................... 185
5.3.8
Secagem e Inspeção.................................................................... 186
5.3.9
Iluminação................................................................................... 187
5.3.10
Limpeza Final............................................................................. 188
5.3.11
Identificação e Correção de Deficiências do Esnsaio.............. 188
5.3.12
Registros de Resultados.............................................................. 189
5.4
AVALIAÇÃO E APARÊNCIA DAS INDICAÇÕES................. 190
5.4.1
Avaliação da Descontinuidade................................................... 190
5.4.2
Fatores que Afetam as Indicações............................................. 191
5.4.3
Categorias de Indicações Verdadeiras...................................... 192
5.4.4
Tipos e Aparências das Indicações por Processos de
Fabricação................................................................................... 193
5.5
SEGURANÇA E PROTEÇÃO.................................................... 194
5.5.1
Toxidade, Aspiração Exagerada, Ventilação e Manuseio....... 194
5.5.2
Luz Ultra Violeta........................................................................ 195
5.6
CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO................................................... 195
5.6.1
Código ASME Sec. VIII Div.1 Ap.8.......................................... 195
5.6.1.1
Avaliação das Indicações.............................................................. 195
5.6.1.2
Critério de Aceitação.................................................................... 196
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
5.6.2
Especificação Técnica para Líquidos Penetrantes – CCH-70
/ PT70-2........................................................................................ 196
5.6.2.1
Avaliação das Indicações.............................................................. 197
5.6.2.2
Critério de Aceitação.................................................................... 197
5.7
PROCEDIMENTO PARA ENSAIO........................................... 198
6.0
TERMOGRAFIA....................................................................... 200
6.1
TEORIA DA RADIAÇÃO........................................................... 201
6.1.1
Histórico...................................................................................... 201
6.1.2
O Espectro Eletromagnético...................................................... 202
6.1.3
O Infravermelho......................................................................... 204
6.1.4
Emissividade............................................................................... 205
6.2
CONCEITUAÇÃO DE TERMOGRAFIA.................................. 207
6.2.1
Sistemas Infravermelhos............................................................ 209
6.2.1.1
Radiômetros.................................................................................. 209
6.2.1.2
Termovisores................................................................................ 210
6.2.1.3
Inspeção Termográfica ................................................................ 210
6.2.2
Aplicações Gerais da Termografia............................................ 210
6.2.3
Aplicações Industriais da Termografia.................................... 211
6.2.4
Siderúrgica.................................................................................. 211
6.2.5
Petroquímica............................................................................... 212
6.2.6
Indústria de Vidro...................................................................... 213
6.2.7
Papel e Celulose.......................................................................... 214
6.2.8
Redes e Equipamentos Elétricos............................................... 215
6.2.9
Indústria Eletrônica................................................................... 215
6.3
TRATAMENTO DOS DADOS................................................... 216
6.4
ANEXOS...................................................................................... 217
7.0
REFERÊNCIAS......................................................................... 222
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
11
1.0 APRESENTAÇÃO
Na execução dos trabalhos de inspeção de peças e equipamentos mecânicos para
verificação da sua normalidade e funcionamento, algumas regras e métodos são
aplicados como forma preventiva para detecção das possíveis anormalidades.O
presente trabalho visa apresentar os procedimentos capazes de aumentar o nível de
assertividade no desenvolvimento natural dessas atividades.
Dentro deste escopo apresentamos Estanqueidade abordando os aspectos de
Localização de Vazamento, Ensaio de Estanqueidade, Método Bolha, a Localização do
Vazamento com Ultra-Som, Ensaio com Detector de Vazamento de Hélio e a Escolha
por Método de Ensaio. Para Seleção de Ensaios Não-Destrutivos, este trabalho
contempla os vários Tipos e Métodos de Seleção e Inspeção, Gota-Fria, Trincas em
Concentradores de Tensão, de Retífica, de Juntas de Expansão, Zona Afetada,
Tratamento Térmico, Trincas Superficiais de Expansão, Trincas em Filetes de Rosca,
Flocos de Hidrogênio e análises e métodos utilizados. Como o Ultra-Som se destaca
para a detecção de falhas mecânicas, apresentamos também, seus Princípios Básicos e
Físicos de Utilização, Campo de Aplicação, Limitações, Geração das Ondas UltraSônicas, Medidas e Espessuras, além de uma abordagem com relação aos aparelhos e
utensílios recomendados.
Na utilização de Ensaios por Líquidos Penetrantes apresentamos uma abordagem sobre
suas Generalidades, Propriedade dos Produtos e Princípios Físicos, Procedimento para
Ensaio, Avaliação e Aparência das Indicações, Segurança e Proteção, Critérios de
Aceitação e Procedimento para Ensaio. No que se refere a Termografia, será abordada
Teoria da Radiação, a Conceituação da Termografia, o Tratamento dos Dados, além de
Anexos ilustrativos.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
12
2.0 ESTANQUEIDADE
2.1 INTRODUÇÃO À LOCALIZAÇÃO DE VAZAMENTO E AO ENSAIO DE
ESTANQUEÍDADE
2.1.1 A Localização de Vazamento e o Ensaio de Estanqueidade na Antigüidade e
Atualmente
A história da localização de vazamento e do ensaio de estanqueidade é longa, visto que
os romanos já realizavam na antigüidade estas inspeções não destrutivas em seus barris
de vinho. Os barris, feitos com juntas vedadas com resina, eram imersos em um tanque
contendo água. Se fosse constatado o desprendimento de bolhas de ar através de uma
junta de um determinado barril, então era porque ela não estava bem vedada. Neste
caso, o vinho precioso que viesse a ser armazenado neste barril poderia se transformar
em vinagre.
Existem diversos métodos simples de localização de vazamento e de ensaio de
estanqueidade que são bastante conhecidos dos leigos. Na Figura.1 são apresentados
alguns exemplos de inspeções realizadas com estes métodos sem o emprego de
equipamentos ou instrumentos auxiliares, isto é, feitas simplesmente utilizando-se os
sentidos do ser humano.
O desenvolvimento tecnológico, entretanto, fez com que os métodos de inspeção
mencionados acima não ficassem restritos somente ao emprego dos sentidos humanos.
A utilização de equipamentos complexos e específicos permitiu ampliar bastante a
faixa de medição e melhorar muito a precisão destes métodos de ensaio. Desta
maneira, os primeiros métodos de localização de vazamento e de ensaio de
estanqueidade se transformaram, conforme mostrado abaixo, em métodos de ensaio
altamente sofisticados e precisos.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
13
⇒ Ensaio hidrostático
Método do gás rastreador (por
Método do cheiro (nariz)
⇒
exemplo, ensaio com hélio)
Inspeção de pneu (olho, intuição) ⇒ Método da variação de pressão
Diferentes técnicas de localização de
Método da bolha (olho)
⇒ vazamento com o método da bolha.
Método visual (olho)
Método do ruído (ouvido)
⇒
Localização de vazamento com ultrasom
Existe uma série de métodos específicos de inspeção, a Figura 1. Mostra os métodos
supracitados:
Figura 1 – Métodos Fundamentais de Localização de Vazamento e de Ensaio de
Estanqueidade
2.1.2 A Importância e a Finalidade da Localização do Vazamento do Ensaio de
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
14
Estanqueidade
A localização do vazamento e do ensaio de estanqueidade já se encontram bem
incorporados à família dos ensaios não destrutivos, ao lado da radiografia, das
correntes parasitas, do ultra-som e dos líquidos penetrantes, para citar alguns dos
ensaios mais importantes. A localização de vazamento e o ensaio de estanqueidade têm
adquirido uma importância cada vez maior ao longo do tempo, visto que as
especificações de estanqueidade para produtos fabricados pela indústria estão se
tornando cada vez mais severas. Esta tendência se deve não somente a motivos
econômicos ou ecológicos, como também ao fato dos fabricantes estarem implantando
em suas instalações fabris sistemas de garantia da qualidade (por exemplo, segundo a
norma DIN EN ISO 9000) e oferecendo uma garantia maior para seus produtos.
Há muito tempo a localização de vazamento e o ensaio de estanqueidade não são
realizados somente em juntas fixas de recipientes. As especificações de estanqueidade
de recipientes, de equipamentos e de instalações se tornaram muito severas nas últimas
décadas. Atualmente, não são somente os equipamentos ou as instalações dos mais
diversos tipos que operam com vácuo que devem ter a sua estanqueidade avaliada ou
inspecionada com o objetivo de localizar vazamentos. Produtos da linha branca
(geladeiras e freezers), recipientes contendo gás ou líquido (botijão de gás de cozinha
ou cilindros com gases industriais ou medicinais), bem como componentes
eletroeletrônicos especiais (relé contendo gás, termostatos contendo líquido ou
componentes eletrônicos), muitas vezes têm que ser inspecionados, freqüentemente
durante o próprio processo da fabricação em série. Embalagens, barris ou tonéis, latas,
assim como recipientes de metal ou de plástico dos mais variados tipos, estão sendo
cada vez mais inspecionados, não só com o objetivo de se adequarem às especificações
de qualidade, como também às de proteção ao meio ambiente. Finalmente, os órgãos
regulamentadores da área nuclear estabelecem, no que diz respeito à estanqueidade,
especificações extremamente severas para as tubulações, os vasos de pressão e os
componentes de reatores nucleares. Estas especificações muitas vezes não são relativas
somente ao ensaio de estanqueidade e à quantificação da taxa de vazamento. No caso
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
15
de componentes caros, o local por onde ocorre o vazamento deve ser identificado, de
maneira que o defeito possa ser reparado.
Os vazamentos que ocorrem através dos diferentes tipos de descontinuidades
existentes, conforme Figura 1, podendo serem classificados em :
–
Vazamento em junta que não pode ser desfeita (por exemplo, junta soldada,
brasada ou colada);
–
Vazamento em junta que pode ser desfeita (por exemplo, junta flangeada,
aparafusada ou com tampa);
–
Vazamento em poro ou trinca (ocorre especialmente após a conformação
mecânica ou a solicitação térmica do material);
–
Vazamento frio ou quente (que é reversível, visto que a descontinuidade por onde
ele ocorre se abre e se fecha conforme a temperatura aumenta ou diminui);
–
Vazamento virtual (devido à liberação de gás proveniente, por exemplo, do
interior de uma cavidade, de uma fresta ou de um volume aprisionado, bem como
à vaporização de resto de líquido);
–
Vazamento indireto (que ocorre em tubulação, de água ou de ar, por exemplo, em
um sistema de vácuo ou de um forno).
Um fenômeno que faz com que um objeto seja considerado como não sendo estanque,
que, porém não constitui um defeito, é a permeação, ou seja, a passagem natural de gás
através dos diferentes materiais, como, por exemplo, através de mangueira de borracha
ou de um O-ring de elastômero.
Pode ocorrer que uma descontinuidade seja estanque quando a pressão for maior de um
lado, mas que permita que ocorra um vazamento se a pressão maior for do outro lado
do objeto. Por isso, um objeto de ensaio deve ser inspecionado segundo as mesmas
condições de serviço, isto é, o lado (interno ou externo) de maior pressão deste objeto
de ensaio deve ser aquele que se encontrará sob maior pressão quando ele estiver em
serviço. Se for possível e tecnicamente viável, um objeto que trabalha com pressão
interna maior que a atmosférica deve ser inspecionado, então, com uma pressão interna
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
16
maior que 1 bar.
2.1.3 O Que o Inspetor deve Saber Antes de Começar a Inspeção
Os métodos de localização de vazamento e de ensaio de estanqueidade podem ser
classificados em dois grupos, conforme mostrado na Figura 2. Se a pressão interna de
um objeto a ser ensaiado for maior que a pressão externa, então a pressão em seu
interior fará com que o fluido (gás ou líquido) que ele contém escape para fora através
de uma descontinuidade relativamente grande que porventura possa existir. Se a
diferença entre a pressão interna e externa for muito grande, a quantidade de fluido que
escapará (taxa de vazamento) será maior que aquela que escaparia caso esta diferença
fosse pequena (Figura 2., à esquerda). O outro caso que pode ocorrer é aquele em que a
pressão interna é menor que a externa. Neste caso, o fluido que se encontra no lado de
fora do objeto de ensaio irá penetrar nele através de uma descontinuidade até que a
pressão externa e interna se igualem (Figura 2, à direita).
Figura 2 – Direções de Escoamento de um Fluido em um vazamento quando
emprega os métodos de ensaio de sobrepressão (esquerda) e do
vácuo (direita).
No parágrafo anterior foram descritas, com base na Figura 2, as duas condições
fundamentais para a focalização de vazamento e o ensaio de estanqueidade. Estas duas
condições encontram-se apresentadas mais uma vez, porém de maneira resumida,
abaixo:
1.
Um objeto só pode ser ensaiado quando a região (parede) a ser inspecionada
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
17
estiver sujeita a uma diferença de pressão;
2.
Deve haver transporte de matéria através de uma descontinuidade, sendo que este
transporte de matéria, isto é, o vazamento, tem que poder ser detectado ou
quantificado através de um método de inspeção adequado.
O simples fato de uma substância passar por uma descontinuidade de um recipiente,
entretanto, não significa que este recipiente não esteja em condições de ser utilizado
pelo usuário. A adequação para uma dada final idade dependerá, naturalmente, a que o
recipiente se destina. Uma pequena descontinuidade pode não permitir a passagem de
líquido, porém pode deixar passar por ela uma quantidade enorme de gás, visto que a
viscosidade das moléculas dos líquidos é maior que a das moléculas ou átomos dos
gases. A taxa de vazamento máxima admissível é que determinará se um dado objeto
com uma descontinuidade, ou seja, que não é 100 % estanque, é ou não adequado para
uma finalidade específica.
Existem diversas definições para o termo “tecnicamente ESTANQUE”. Este termo,
logicamente, encontra-se definido na TRB 600. Segundo esta norma, um objeto é dito
ESTANQUE quando a sua taxa de vazamento, medida com um método de ensaio
adequado e com sensibilidade suficiente, é menor que a taxa de vazamento máxima
admissível.
Antes de iniciar a inspeção, o inspetor precisa saber qual é a taxa de vazamento
máxima admissível para o objeto de ensaio em questão, bem como para qual diferença
de pressão e para qual meio de ensaio ela foi especificada. Uma taxa de vazamento
máxima admissível que não esteja acompanhada destas duas informações relativas às
condições de ensaio, não tem significado algum. Além disso, o inspetor deve saber
como proceder quando a taxa de vazamento do objeto de ensaio medida for maior que
a taxa de vazamento máxima admissível, isto é, se é ou não preciso localizar o
vazamento e, caso isso seja necessário, como realizar a localização. Quando é
economicamente vantajoso ou existe o perigo contaminar o meio ambiente, é sempre
necessário reparar o local por onde ocorre o vazamento. Com esse objetivo, faz-se um
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
18
ensaio de estanqueidade local ou, como normalmente se diz, localiza-se o vazamento
(Figura 3, à esquerda). Se não for necessário reparar o objeto de ensaio, o que
normalmente ocorre quando se inspeciona objetos baratos fabricados em série, como
lâmpadas incandescentes, pequenos recipientes, latas, etc., então o objetivo da
inspeção é somente saber qual é a taxa de vazamento do objeto de ensaio. Neste caso,
faz-se um ensaio de estanqueidade adequado para o tipo de inspeção desejada, sendo
este ensaio conhecido também como ensaio de estanqueidade integral. No ensaio de
estanqueidade integral é medido o somatório das taxas de vazamento de objeto de
ensaio (Figura 3, à direita).
Figura 3 – Representação Esquemática do Ensaio de Estanqueidade Local
(esquerda) e integral (direita).
Onde:
1 Objeto de ensaio
2 Detector de vazamento
3 Garrafa de hélio
4 Pistola de gás
5 Envoltório
O inspetor tem que conhecer uma série de informações antes de decidir como será feito
o ensaio, como:
–
Qual a diferença de pressão que será empregada na inspeção;
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
19
–
Se o objeto de ensaio pode ser pressurizado ou evacuado;
–
Qual será o meio de ensaio (gás ou líquido);
–
Se o objeto de ensaio é resistente ao meio de ensaio;
–
Qual é a taxa de vazamento máxima admissível (com qual meio de ensaio, com
que diferença de pressão e, se for o caso, a que temperatura ela deverá ser
determinada);
–
Se o ensaio a ser realizado é local ou integral.
Somente quando estes pontos estiverem esclarecidos é que o inspetor poderá escolher
o método de ensaio correto.
2.1.4 O Conceito de Taxa de Vazamento e sua Importância
A taxa de vazamento, isto é, a quantidade de massa que atravessa descontinuidade em
um determinado intervalo de tempo e nas estabelecidas (tipo de fluido e diferença de
pressão), pode ser empregando-se a Equação 1.
Equação 1 - Taxa de Vazamento
Onde:
qL - É a taxa de vazamento;
p - É a pressão ou a variação de pressão, em [mbar];
V - É o volume ou a variação de volume, em [ℓ];
Δt - É o intervalo de tempo, em [s].
Em vista das unidades dos parâmetros empregados no cálculo da taxa de vazamento, a
taxa de vazamento é expressa em:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
20
Atualmente, a taxa de vazamento no Sistema Internacional (SI) é expressa em
[Pa.m3.s-1]. Também é possível expressar a taxa de vazamento em outras unidades,
como, por exemplo, em [cm3.s-1], nas condições normais de temperatura e pressão
(CNTP), unidade esta que é muito empregada nos Estados Unidos, ou em [g. ano-1],
que é bastante utilizada na indústria de refrigeração, ou em Watt [W].
Uma taxa de vazamento de 1 mbar.ℓ.s-1 significa, tomando-se o exemplo de um
recipiente fechado de um litro de volume e com vácuo, que a sua pressão aumenta um
milibar em um segundo (ou diminui 1 mbar em 1 s, caso o recipiente estivesse
pressurizado). Os exemplos apresentados a seguir ajudam a compreender o significado
da taxa de vazamento e a visualizar melhor a quantidade de material que atravessa uma
determinada descontinuidade. O modelo utilizado nestes exemplos éo de uma
descontinuidade que se torna gradualmente menor, permanecendo a diferença de
pressão entre os dois lados do recipiente que contém esta descontinuidade, porém,
sempre constante e igual a 1 bar.
Um poro muito pequeno (ou uma trinca capilar, que é uma descontinuidade
freqüentemente encontrada na prática) permite a passagem de um determinado líquido
somente se o seu diâmetro for maior que o diâmetro da molécula do líquido. Se o seu
diâmetro for menor, então este poro será bloqueado pelo líquido. O impedimento da
passagem de um dado líquido por uma descontinuidade dependerá, dentre outras
coisas, da viscosidade do fluido. O mel, por exemplo, não passa através de uma
descontinuidade que muitas vezes é considerada como sendo grande; a gasolina, por
outro lado, já consegue passar através de descontinuidade que não permite a passagem
de água e que é considerada, por isso mesmo, como sendo “estanque”. Entretanto, uma
descontinuidade que é tida como estanque no que se refere à passagem de líquido,
pode ser considerada como sendo gigantesca quando se trata de gases de baixa
viscosidade. A Tabela 1 fornece uma visão geral da relação existente entre as
diferentes taxas de vazamento, as dimensões das descontinuidades e as quantidades de
material que passam por elas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
21
Tabela 1 – Comparação das Diferentes Taxas de Vazamento (∆p = 1 bar)
NOTA: Relativo ao hélio, que é um gás de ensaio freqüentemente empregado na
localização de vazamento e no ensaio de estanqueidade.
Os valores apresentados na Tabela .1 só servem para visualização e avaliação grosseira
da ordem de grandeza de um vazamento. A taxa de vazamento real depende de
diferentes fatores, como, por exemplo, da viscosidade do meio de ensaio, da geometria
da descontinuidade através da qual ocorre o vazamento e do tipo de escoamento do
meio de ensaio por esta descontinuidade.
A perda de 3 mℓ de gás em um ano (qL = 10-8.mbar.ℓ.s-1) através de uma
descontinuidade de alguns décimos de milésimo de milímetro (0,4 µm) de diâmetro,
por exemplo, pode dar a impressão de que por essa descontinuidade não pode passar
“nada”. Esta aparência engana, visto que por esta descontinuidade podem atravessar, a
cada segundo, 250.000.000.000 de átomos de hélio. Apesar disso, a taxa de vazamento
máxima admissível para a maior parte dos casos de aplicação técnica gira em torno de
10-6 a 10-8 mbar.ℓ.s-1, o que permite classificar o objeto como sendo ESTANQUE.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
22
Não se deve esquecer, todavia, que em um volume de um litro (isto é, em 1.000 cm3 ou
em
1.000.000
mm3),
à
pressão
ambiente,
existem
cerca
de
25.000.000.000.000.000.000.000 (ou 2,5.1022) de átomos.
Com base nos dados dos exemplos apresentados acima, pode-se constatar claramente o
quanto o termo “taxa de vazamento máxima admissível” é importante para um dado
objeto. Um recipiente que tenha uma taxa de vazamento de 1.10-4 mbar.ℓ.s-1, por
exemplo, apresenta uma estanqueidade boa o suficiente para ser utilizado em uma
instalação que opera com água, visto que ele não deixará em hipótese alguma vazar
água. Contudo, se este mesmo recipiente for usado em uma indústria química para a
produção de gases tóxicos, provavelmente somente um milésimo (ou menos) desta
taxa de vazamento máxima, ou seja, 1.10-7 mbar.ℓ.s-1, pudesse ser tolerado. No caso
deste recipiente ser usado em um equipamento de ultra-alto vácuo, como, por exemplo,
em um ciclotron ou em um equipamento de implantação de íons, até mesmo uma taxa
de vazamento desta ordem de grandeza (1.10-7 mbar.ℓ.s-1) seria intolerável, visto que
através de uma descontinuidade que apresentasse esta taxa de vazamento passaria uma
enorme quantidade de átomos para dentro do recipiente. Neste último caso, então, a
taxa de vazamento máxima admissível deveria ser reduzida para um décimo de
milésimo deste valor, ou seja, para 1.10-11 mbar.ℓ.s-1, que corresponde ao limite de
detecção de um detector de vazamento de hélio em boas condições de operação.
Os exemplos apresentados acima mostram que o ensaio de estanqueidade permite
medir taxas de vazamento que variam dentro de uma faixa muito ampla e que abrange
mais de 12 ordens de grandeza. E fácil compreender, naturalmente, que não existe um
único método de ensaio de estanqueidade que permita medir taxa de vazamento dentro
de toda esta ampla faixa. Comparativamente, caso isso fosse possível, seria o mesmo
que dizer que se consegue realizar uma inspeção radiográfica em materiais de 1 mm a
vários metros de espessura empregando um feixe de raio X com uma mesma energia.
Felizmente existem diversos métodos de ensaio de estanqueidade que se
complementam e que cobrem esta ampla faixa de taxas de vazamento. Dentre estes
diferentes métodos de inspeção, o mais utilizado, entretanto, é a localização de
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
23
vazamento e o ensaio de estanqueidade com hélio como gás de ensaio ou rastreador.
Por isso, estes métodos de inspeção serão tratados neste livro exaustiva e
detalhadamente.
2.2 MÉTODO DA BOLHA
2.2.1 Introdução ao Método da Bolha
A detecção de vazamento e, eventualmente, o ensaio de estanqueidade realizados com
o método da bolha consistem, basicamente, em tornar visível o desprendimento de
bolhas em uma descontinuidade do objeto de ensaio, de maneira que o local do
vazamento possa ser identificado e a taxa de vazamento determinada. A diferença de
pressão empregada no ensaio com o método da bolha é feita de tal maneira que a
pressão no interior do objeto de ensaio seja maior que a pressão externa. A superfície
externa do objeto de ensaio é molhada, seja por imersão em um banho líquido ou
através de borrifagem; e caso exista uma descontinuidade através da qual escape uma
quantidade significativa de gás ou vapor, então haverá a formação de bolhas, que,
dependendo do tamanho que apresentam e da freqüência com que se formam,
permitem determinar o tamanho da descontinuidade.
2.2.2 Ensaio com o Método da Bolha
Existem diversas maneiras de fazer ensaio de estanqueidade ou detectar vazamento
com o método da bolha. A pressurização do objeto de ensaio pode ser realizada tanto
com gás (ar ou nitrogênio) como com líquido que apresente baixa temperatura de
ebulição. Nos itens a seguir serão apresentadas as diferentes técnicas de ensaio
existentes, bem como descritos os princípios de cada uma delas.
2.2.2.1 Método da Bolha por Imersão
O método da bolha por imersão consiste em insuflar gás (ar ou nitrogênio) em um
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
24
objeto de ensaio e observar, imediatamente após o mesmo ter sido imerso em um
recipiente contendo água, a formação e o desprendimento de bolhas. A sensibilidade
deste método de ensaio pode ser aumentada se as paredes do recipiente que contém
água forem transparentes e se for feito vácuo acima da superfície do nível da água. As
bolhas de gás que se desprendem do objeto de ensaio aumentam de tamanho, devido à
baixa pressão reinante dentro do recipiente que contém água, o que permite que sejam
detectadas com maior facilidade. Conforme apresentado na Figura 4.
Figura 4 - Determinação da Taxa de Vazamento pelo Método da Bolha por
Imersão.
Em vez de se empregar água, o ensaio pode ser conduzido utilizando-se outro tipo de
líquido, de preferência um que possua baixa densidade, como, por exemplo, álcool.
Caso se empregue água, entretanto, é interessante desgaseificá-la (evacuar) antes de se
realizar o ensaio. O emprego de substâncias que diminuam a tensão superficial, como
algumas gotas de detergente na água, também constitui uma medida importante que
permite aumentar a sensibilidade do ensaio.
É possível medir a taxa de vazamento de uma maneira muito simples: através da
imersão de uma proveta graduada pouco acima do local onde ocorre o vazamento,
pode-se capturar todas as bolhas que escapam da descontinuidade. O gás que se
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
25
acumula no interior da proveta desloca para baixo o líquido que se encontra dentro
dela. O deslocamento do líquido pode ser lido na graduação da proveta e, com base no
tempo de observação e na quantidade de gás recolhido, calcula-se a taxa de vazamento,
conforme mostra a Equação 2. Como se pode observar nesta equação, a taxa de
vazamento não depende da pressão reinante no interior do objeto de ensaio e, sim, da
pressão ambiente (pressão fora do objeto de ensaio).
Equação 2 – Taxa de Vazamento, em [mbar.ℓ.s-1]
Onde
qL - É a taxa de vazamento, em [mbar.ℓ.s-1];
Pamb - É a pressão ambiente, em [mbar];
∆V - É a quantidade de gás capturado na proveta, em [t];
∆t - É o tempo de ensaio, em [s].
2.2.2.2 Método da Bolha por Imersão Modificado
O método da bolha por imersão modificado consiste na imersão do objeto de ensaio
em um recipiente fechado, que contém um líquido inerte A à temperatura ambiente e
de baixa temperatura de ebulição, como, por exemplo, o fluoreto de carbono FC878,
cuja temperatura de ebulição é 570C, e que se encontra pressurizado com uma pressão
maior que a atmosférica (5 bar a 10 bar). Se houver alguma descontinuidade no objeto
de ensaio, o líquido passa por ela e atinge o seu interior. A seguir, o objeto de ensaio é
imerso em um líquido inerte B a 1300C, porém de elevada temperatura de ebulição,
como, por exemplo, o fluoreto de carbono FC43, cuja temperatura de ebulição é
1630C. O líquido A que se encontra no interior do objeto de ensaio entra em ebulição e
escapa pela descontinuidade na forma de vapor, formando bolhas no líquido B, que são
observadas pelo examinador.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
26
A elevada pressão de vapor e a grande quantidade de vapor (cerca de 100 vezes o
volume do líquido A que lhe deu origem) que se forma rapidamente tornam o método
bolha por imersão modificado ideal para a inspeção de objetos muito pequenos, como,
por exemplo, circuitos integrados. É absolutamente necessária a secagem, de
preferência em vácuo, do objeto de ensaio antes dele ser imerso no líquido, visto que
existe o perigo da descontinuidade existente no objeto ser obstruída por resíduos de
umidade que porventura estejam presentes no seu interior, o que impede a entrada do
líquido A.
A pressão empregada sobre o líquido A durante a fase inicial do ensaio deve ser de
5 bar a 10 bar, visto que o tempo de exposição (16 h, ou até mesmo um tempo mais
longo ainda) necessário para o líquido A penetrar no objeto de ensaio depende do
volume do espaço interno do mesmo.
A experiência tem demonstrado que fluoretos de carbono não reagem com os
componentes dos semicondutores, bem como que o resíduo destes gases presente no
interior de um circuito integrado não prejudica as suas propriedades elétricas. Estes
fatos permitem considerar estes gases como sendo inertes.
2.2.2.3 Método da Bolha com Solução Formadora de Espuma
A inspeção com o método bolha com solução formadora de espuma é realizada de
maneira semelhante àquela descrita no item 2.2.2.1. Segundo este método, a pressão no
interior do objeto de ensaio também é maior que a pressão externa, porém o local
suspeito de apresentar vazamento é molhado com uma solução formadora de espuma
de pequena tensão superficial. No local onde se encontra uma descontinuidade através
da qual escapa gás ocorre a formação de espuma (Figura 5), cuja quantidade depende,
dentre outras coisas, do tamanho da descontinuidade.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
27
Figura 5 – Método da Bolha com Solução Formadora de Espuma
2.2.2.4 Método da Bolha com Câmara de Vácuo
O método da bolha com câmara de vácuo constitui, na realidade, uma variante do
método da bolha com solução formadora de espuma supramencionado. Quando se
emprega a câmara de vácuo, cuja tampa é feita de um material transparente, em vez do
objeto de ensaio ser submetido a uma pressão maior que a atmosférica, o volume
definido pela câmara de vácuo sobre um determinado trecho do objeto de ensaio é
evacuado, com o auxílio de uma pequena bomba, até que a pressão neste volume atinja
um valor situado entre 200 mbar e 500 mbar. A pressão não deve ser menor que 200
mbar, visto que a solução formadora de bolha começa a desgaseificar, formando
bolhas e dando a impressão da existência de um vazamento que na realidade não
existe. Antes de se posicionar a câmara de vácuo sobre um determinado trecho do
objeto de ensaio, porém, o local a ser ensaiado é molhado com uma solução formadora
de espuma. No local onde existe uma descontinuidade, forma-se, sobre o filme de
solução formadora de espuma, uma espécie de cogumelo de espuma, cujo tamanho
depende da taxa de vazamento. A Figura 6 ilustra a inspeção em juntas soldadas de
topo e de filete realizada com o método da bolha com câmara de vácuo. A vantagem da
utilização desta técnica na inspeção de tanques ou vasos de pressão é que o objeto de
ensaio não precisa ser pressurizado e, também, que basta ele permitir o acesso ao local
de ensaio por um lado somente.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
28
O método da bolha com câmara de vácuo é bastante empregado na detecção de
vazamento em fundo de tanque de armazenamento. As soldas de filete podem ser
ensaiadas com facilidade, bastando para isso escolher uma dentre as diversas câmaras
de vácuo existentes no mercado e especialmente desenvolvidas para esta finalidade.
Outros tipos de juntas soldadas, mesmo que sejam em estruturas ou objetos de
geometria complexa, também não constituem problema, desde que o reforço das soldas
não seja excessivo, visto que é possível fabricar facilmente câmaras de vácuo
específicas para cada caso.
Figura 6 – Método de Bolha com Câmara de Vácuo
2.2.3 Procedimento de Ensaio
Em nenhum dos diferentes métodos da bolha descritos neste capítulo o objeto de
ensaio pode ser inspecionado sem que ele seja molhado parcial ou completamente. Por
motivo de higiene, ou para evitar problemas correlacionados com corrosão, há
necessidade de limpar e secar corretamente o objeto de ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
29
Antes de pressurizar o objeto de ensaio, é preciso ler atentamente as normas técnicas,
como a TRB 532 , a TFIG 280 , a DIN 3230 , entre outras, ou as diretrizes HP 20 e HP
30 , de maneira a saber qual é a pressão máxima admissível à qual o objeto de ensaio
pode ser submetido durante a realização do ensaio de estanqueidade ou da detecção de
vazamento com o método da bolha.
Um objeto novo que ainda não tenha sido submetido a ensaio hidrostático e que deva
ser inspecionado com o método da bolha, por motivo relacionado á segurança, e
dependendo do tipo de objeto que se trate, só pode ser inspecionado com uma pressão
de ensaio de no máximo 0,5 bar. A substituição do teste hidrostático por um teste de
pressurização com gás, que também serviria concomitantemente para a realização da
detecção de vazamento com o método da bolha, deve, primeiramente ser aprovada pela
autoridade competente.
Se o objeto de ensaio, como, por exemplo, uma tubulação ou um vaso de pressão, já
entrou em serviço, então a pressão de ensaio máxima permitida é a pressão de trabalho
máxima admissível. Esta pressão normalmente se encontra gravada no próprio objeto
de ensaio ou em uma plaqueta afixada no mesmo.
Vazamento grande (qL> 10-1 mbar.ℓ.s-1) não pode ser localizado empregando elevada
pressão de ensaio, visto que o gás que escapa através de uma descontinuidade expulsa
a solução formadora de espuma com violência para longe do local onde se encontra o
vazamento antes que a espuma se forme. Esta observação também é válida para o caso
da inspeção utilizando câmara de vácuo, conforme descrito no item 3.2.4.
Um objeto que foi submetido a ensaio hidrostático antes da inspeção com o método da
bolha pode ter suas descontinuidades obstruídas com líquido. Este líquido quase nunca
pode ser removido pressurizando o objeto com gás; quando isto for possível, contudo,
há necessidade de se esperar um longo tempo para se conseguir a desobstrução
completa da descontinuidade. A obstrução da descontinuidade com líquido impede a
passagem de gás e não permite a localização de um vazamento real.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
30
É possível remover eficientemente a água de pequenas descontinuidades aquecendo o
objeto a ser ensaiado. A experiência demonstra, entretanto, que esta remoção será tanto
melhor quanto maior for o esforço despendido na operação de aquecimento.
Um objeto novo só pode ser inspecionado com o método da bolha antes da realização
do ensaio hidrostático se a pressão de ensaio for muito baixa. Em alguns casos
especiais, tem-se, então, que repetir a inspeção com o método da bolha, empregando
uma sobrepressão admissível maior, após a realização do teste hidrostático.
A superfície do objeto a ser inspecionada deve estar o mais limpa possível, não
podendo em hipótese alguma conter restos de graxa ou óleo. Esta exigência é válida
tanto para o ensaio com solução formadora de espuma como para o ensaio da bolha,
quando o objeto de ensaio tem que ser imerso em um recipiente contendo água. No
caso da realização deste último ensaio, é muito importante também que o objeto de
ensaio não tenha superfície ou acessório que forme uma cavidade que aprisione gás.
Ao ser imersa na água, esta superfície ou este acessório passa a desprender bolhas,
dando a impressão da existência de um vazamento real.
2.2.4 Aplicação
O ensaio da bolha é empregado tanto na produção em série como na fabricação de um
único objeto. Além disso, ele é utilizado intensamente também na manutenção e no
controle de equipamento ou instalação de fabricação. Na área de caldeiraria, o ensaio
da bolha é empregado especialmente na inspeção de junta soldada e de tubulação.
Como exemplos de aplicação deste método de ensaio pode-se citar a inspeção de:
–
Carcaça s selo de vedação de bomba;
–
Tubo com e sem costura;
–
Flange de tubulação;
–
Junta tubular de topo soldada;
–
Espelho de trocador de calor;
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
31
–
Junta Soldada Em Vaso De Pressão.
O ensaio da bolha com imersão do objeto em um recipiente contendo líquido é
empregado quase que exclusivamente na inspeção de objeto pequeno, geralmente
fabricado em série, como, por exemplo, na inspeção de junta soldada de extintor de
incêndio, de cilindro de armazenamento ou de transporte de gás sob pressão, de
carcaça de compressor de equipamento ou de instalação de refrigeração, etc.
Entretanto, também se pode ensaiar vaso de pressão de grande volume (de até 3 m de
diâmetro e 15 m de comprimento) com este método.
A inspeção com o método da bolha com solução formadora de espuma apresenta
algumas dificuldades quando o objeto de ensaio tem rosca ou sistema de selagem
formando uma espécie de labirinto, como, por exemplo, selo com lingüeta ou com
ranhura, visto que a solução formadora de espuma não pode ser passada diretamente
sobre o local a ser ensaiado. Neste caso, pode ser que haja formação de espuma em um
local longe daquele em que realmente ocorre o vazamento.
2.2.5 Limite de Detecção
O limite de detecção do método da bolha varia de 10-5 mbar.ℓ.s-1 a 10-4 mbar.ℓ.s-1
, visto que ele depende do procedimento de ensaio estipulado, bem como da técnica
(com solução formadora de bolha, câmara de vácuo, etc.) empregada e dos recursos
utilizados.
2.2.6 Equipamentos e Instrumentos
A grande vantagem do método da bolha é a sua simplicidade. Equipamentos caros e
dispositivos e instrumentos auxiliares não são necessários, podendo a inspeção de um
objeto ser realizada com um equipamento relativamente simples. Dependendo da
técnica a ser utilizada, deve-se empregar determinados dispositivos e instrumentos de
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
32
ensaio. A realização de uma inspeção com o método da bolha deve ser conduzida
tendo-se à disposição os seguintes equipamentos e instrumentos auxiliares: estufa ou
forno de secagem, ar (ou nitrogênio) comprimido, manômetro, cronômetro, lupa,
recipiente (de preferência com paredes e tampa transparentes, bem como com
iluminação artificial), bomba de vácuo, câmara de vácuo, líquido com pequena tensão
superficial, diferentes líquidos detectores (soluções formadoras de espuma, conforme
descrito no item 2.2.2.3), resistência elétrica para aquecimento do liquido no qual o
objeto de ensaio será imerso, termômetro e vaso de pressão. Além destes equipamentos
e instrumentos auxiliares, pode ser necessário providenciar outros, de maneira que a
inspeção possa ser conduzida de modo correto e seguro.
2.2.7 Calibração
Como o resultado da inspeção em um objeto com o método da bolha se limita a uma
afirmação do tipo sim/não, normalmente não há necessidade, quando se utiliza este
método de ensaio, de medir a taxa de vazamento. Caso seja necessário medir a taxa de
vazamento, então deve-se levar em consideração o tipo de gás, a temperatura e a
pressão da água (altura da coluna de água) sobre o local onde ocorre o vazamento. Um
vazamento grande em um objeto que se encontre imediatamente abaixo do nível de
água desprenderá bolhas diferentes daquelas que ele desprenderia caso ele se
encontrasse muito abaixo do nível de água. Se o vazamento estiver muito distante da
superfície da água, então as bolhas que se formam são muito pequenas quando
comparadas com aquelas que se formariam caso ele estivesse próximo da superfície.
Pode-se confeccionar facilmente um vazamento padrão com um tubo de cobre ou de
aço inoxidável de pequeno diâmetro. Uma das extremidades deste tubo é fechada com
solda, e a outra é fechada progressivamente, por meio de dobramento, com um alicate.
Mergulhando-se este tubo fechado a diferentes profundidades em um recipiente
contendo água, é possível, utilizando-se uma proveta graduada, medir com precisão a
taxa de vazamento.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
33
De qualquer maneira, tem-se sempre que citar a diferença de pressão empregada
quando se menciona a taxa de vazamento medida com o método da bolha.
2.2.8 Regulamentos e Normas
O resultado do ensaio realizado, bem como o certificado de ensaio especificado na
norma DIN EN 10204, deve ser documentado na folha de relatório, cujo modelo é
apresentado no anexo deste livro. Este relatório, que contém espaço para o registro de
todas as informações importantes do ensaio, deve ter, naturalmente, todos os seus
campos preenchidos corretamente.
A norma DIN 3230 parte 3 descreve como deve ser conduzida a detecção de
vazamento e realizado o ensaio de estanqueidade em instalação e equipamento
industrial. Além desta norma, existem outras, também igualmente importantes, como a
API 598 (American Petrol lndustry) e a MSS 5P61 (USA). Informações
complementares sobre a inspeção com o método da bolha podem ser obtidas no folheto
DECHEMA ZfP1.
2.3 LOCALIZAÇÃO DE VAZAMENTO COM ULTRA-SOM
2.3.1 Modo de Funcionamento
A energia sonora gerada quando um fluido passa por um vazamento utilizada na sua
detecção. Esta energia sonora é produzida pela transição de escoamento laminar para
turbulento quando o fluido atravessa um vazamento, tanto em sistemas sob vácuo
quanto sob pressão (Figura 7). A vibração das moléculas dos fluidos na faixa de
freqüência do ultra-som é a fonte dos sinais para a localização do vazamento.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
34
Figura 7 – Propagação do som em um vazamento
A Figura 8 ilustra a localização do vazamento com ultra-som.
Figura 8 - Localização do vazamento com ultra-som
Na inspeção mostrada na Figura 8, o som gerado por um vazamento é detectado por
um microfone, sendo então o sinal filtrado eletronicamente de modo a remover todos
os sinais de baixa freqüência. Após filtrado e amplificado, o sinal remanescente é
convertido na faixa audível com o auxílio de um oscilador. Através destes sinais
audíveis, após serem conduzidos a um alto-falante ou a um decibelímetro (dB), é
realizada a análise dos ultra-sons provenientes do vazamento. A grande maioria dos
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
35
detectores de vazamentos por ultra-som opera numa faixa de freqüência ao redor dos
40 kHz. Isto porque os sons de alta freqüência tendem a se propagar na forma de um
feixe direcional, enquanto que os sons de baixa freqüência se propagam esfericamente.
Desta forma, a detecção e localização dos locais que emitem sons a altas freqüências é
muito mais fácil do que a localização daqueles que emitem sons a baixa freqüências.
Os sons gerados por escoamento turbulento incluem a faixa de 3Oa5OkHz.
2.3.2 Principais Componentes de um Equipamento portátil de Ultra-Som
Figura 9 – Principais Componentes de um Equipamento Portátil de Ultra-Som
Onde:
1 - Bico flexível
2 - Microfone
3 - LED
4 - Interruptor e seletor de sensibilidade
5 - Bateria
6 - Conexão com o fone auricular
2.3.3 Procedimento na Localização de Vazamento com Ultra-Som
Se em uma descontinuidade através da qual está ocorrendo um vazamento houver um
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
36
gradiente mínimo de pressão que produza uma determinada turbulência no fluido que
está vazando (técnica passiva), é possível, então, localizar esta descontinuidade
empregando o ultra-som. Mesmo quando não se tem este gradiente mínimo de pressão,
pode-se, em certas situações, localizar a descontinuidade com o auxílio de uma fonte
de ultra-som artificial (técnica ativa). Neste caso, o fluido que passa pela
descontinuidade conduz o som proveniente da fonte artificial, colocada no interior do
objeto de ensaio, para o detector de ultra-som, que se encontra fora do objeto de
ensaio, ou vice-versa.
Um vazamento pode ser localizado com ultra-som de duas maneiras: empregando ou
uma sonda normal, que captura a onda ultra-sônica no ar, ou uma sonda de contato. Se
a inspeção for realizada com a sonda normal, então é possível localizar um vazamento
a uma distância maior que até 10 metros. No caso da localização de vazamento com a
sonda de contato, porém, há necessidade de encostá-la na superfície do objeto que está
sendo inspecionado, de maneira que a sonda possa conduzir as vibrações acústicas do
objeto de ensaio ao detector de ultra-som. A Figura 10 ilustra a condução das vibrações
sonoras provenientes da superfície do objeto de ensaio para o detector de ultra-som.
Figura 10 - Localização de Vazamento em uma Válvula com uma Sonda Especial
A grande vantagem do emprego do método da detecção de vazamento pelos ultra-sons
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
37
é que não existe limitação com relação ao tipo de fluido, ou seja, ele é aplicável na
detecção de fugas de líquidos, gases ou vapores, eliminando a necessidade do uso de
substâncias indicadoras, como nos outros métodos. A sensibilidade do instrumento de
detectção de vazamentos depende de vários fatores associados, ou seja, da
sensibilidade do detector de vazamento, da viscosidade e da velocidade do fluido, do
gradiente de pressão e da geometria do vazamento. A versatilidade deste método
permite a inspeção de extensas estruturas, tais como dutos suspensos em refinarias a
partir de uma varredura do solo.
2.3.4 Possíveis Fontes de Interferência na Detecção de Vazamento
Também instalações de oleodutos recém construídas podem ser inspecionadas com
este método após pressurização, sendo que a inspeção é realizada antes de se enterrar a
estrutura. No entanto, ecos provenientes de outras fontes sonoras, bem como ruídos
sonoros no local de inspeção, podem dificultar ou mesmo tornar impossível uma
inspeção com este método. Deste modo, a habilidade do operador em discriminar as
ondas ultra-sônicas provenientes de vazamentos das ondas refletidas é fundamental
nesta técnica de inspeção. As seguintes fontes de ruídos podem ser extremamente
prejudiciais à inspeção:
–
Motores elétricos em funcionamento;
–
Zumbido de transformadores;
–
Barulho de válvula elétrica;
–
Compressores;
–
Instrumentos de regulagem (bocal, chapa de choque);
–
Telefones;
–
Dutos de vapor e de ar comprimido;
–
Andar em chão de plástico;
–
Atrito de tecidos (por exemplo, roupa engomada);
–
Descarga eletrostática em roupas de material sintético
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
38
E muitas outras fontes, que se detecta somente durante a realização do ensaio!!!
2.3.5 Combinação de Ultra-Som com Solução Formadora de Bolha
A combinação do método dos ultra-sons com o método da bolha é bastante
interessante. Neste caso os componentes sob pressão são aspergidos com uma solução
formadora de bolhas. Caso a formação de bolhas seja muito lenta, o detector de ultrasons captará o ruído das poucas bolhas que estouram na superfície do componente sob
teste. Caso o fluxo que escapa seja tão violento que não haja tempo para formação de
bolhas, o som emitido por este fluxo será captado pelo detector de ultra-sons. A
determinação quantitativa da taxa de vazamento não é possível com um dispositivo de
detecção de vazamentos, mesmo dentro dos (imites de sensibilidade. A menor taxa de
vazamento que pode ser detectada com o método do ultra-som se situa entre10-2
mbar.ℓ.s-1 e entre10-3 mbar.ℓ.s-1.
2.4 ENSAIO COM DETECTOR DE VAZAMENTO DE HÉLIO
2.4.1 Introdução
O princípio da localização de vazamento e do ensaio de estanqueidade empregando
hélio como gás rastreador encontra-se apresentado esquematicamente na Figura 11. O
sistema de ensaio como um todo é denominado método de ensaio de estanqueidade.
Este método envolve, além do detector de vazamento de hélio o objeto de ensaio, o
sistema de bombas de vácuo, os instrumentos auxiliares necessários e o procedimento
de ensaio. O resultado de uma inspeção, como a menor taxa de vazamento que pode
ser medida com um sistema de ensaio, por exemplo, depende muito do método de
ensaio empregado. Neste capítulo serão apresentados e discutidos detalhadamente os
diferentes métodos de ensaio com hélio. No que diz respeito ao detector de vazamento
de hélio, bem como aos instrumentos e acessórios de inspeção, serão abordadas
somente as suas propriedades que são importantes para o bom entendimento dos
diversos métodos de ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
39
Figura 11 - Esquema do método de ensaio de estanqueidade com hélio.
Onde:
1. Objeto de ensaio
2. Garrafa de hélio
3. Pistola de hélio
4. Detector de vazamento de hélio com espectrômetro de massa e bombas de vácuo
2.4.2 Métodos de Ensaio com Hélio
Os métodos de ensaio com hélio são divididos em dois grupos básicos:
–
Métodos com sobrepressão (sonda aspiradora);
–
Métodos com vácuo.
Os métodos de ensaio com sobrepressão (objeto de ensaio com pressão maior que a
atmosférica) ou com vácuo também são classificados como sendo integral ou local. A
Figura 12 apresenta, esquematicamente, os diferentes métodos de ensaio de
estanqueidade com hélio que serão abordados neste capítulo.
Quando se tem que inspecionar um objeto que não pode ser evacuado, então o ensaio é
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
40
feito com o objeto com uma pressão maior que a atmosférica. Para a realização deste
tipo de ensaio, existem no mercado equipamentos de aspiração especiais, denominados
sondas aspiradoras, que foram projetados para serem conectados ao detector de
vazamento de hélio.
A sonda aspiradora captura o gás presente em um determinado local e o conduz até o
espectrômetro de massa do detector de vazamento de hélio, onde o seu teor de gás de
ensaio é analisado. O ensaio integral envolvendo sobrepressão, que na realidade nada
mais é do que um ensaio de estanqueidade é denominado método de ensaio do
envoltório com sonda aspiradora; e o ensaio local envolvendo sobrepressão, que na
verdade constitui a localização de vazamento propriamente dita, é conhecido como
método de ensaio da sonda aspiradora.
Nos métodos de ensaio com vácuo, o objeto de ensaio é evacuado e sua superfície
externa é colocada em contato com hélio. O hélio que penetrar no objeto de ensaio
através de uma descontinuidade existente será, então, identificado pelo detector de
vazamento de hélio. Neste caso, entretanto, o objeto de ensaio tem que ser resistente ao
vácuo, isto é, ele deve ser capaz de suportar a pressão exercida pelo ar atmosférico.
Existem três métodos de ensaio com vácuo nos quais se mede a taxa de vazamento
integral (métodos integrais):
–
Objeto de ensaio é evacuado e conectado com o detector de vazamento de hélio;
–
Objeto de ensaio se encontra no interior de uma câmara de vácuo, conectada com
o detector de vazamento de hélio, e é pressurizado com gás de ensaio;
–
E ensaio bombing.
O ensaio bombing foi especialmente desenvolvido para a medir a taxa de vazamento
de objeto hermeticamente fechado. Antes da medida da taxa de vazamento, o objeto de
ensaio é introduzido em uma câmara, que, a seguir, é pressurizada (5 bar a 30 bar) com
gás de ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
41
Se o objeto de ensaio tiver uma descontinuidade, então o gás de ensaio passará por ela
e atingirá o seu interior. Após isso, o objeto de ensaio é colocado em uma câmara de
vácuo, que se encontra conectada com um detector de vazamento de hélio.
O gás de ensaio que se encontra no interior do objeto de ensaio, então, escapará pela
descontinuidade, e irá para o detector de vazamento de hélio. Esta variante do método
de ensaio integral com vácuo (ensaio bombing) será abordada com mais detalhe no
item 2.4.6.
A condição fundamental para o sucesso de uma inspeção com qualquer um dos
métodos de ensaio citados acima é que o objeto de ensaio esteja muito bem limpo e
seco.
Não é permitida nem mesmo a presença de um pequeno resíduo de água no seu
interior, visto que isto já pode ser suficiente para obstruir uma descontinuidade que por
acaso esteja presente. Além disso, deve-se remover, antes da realização de uma
inspeção, restos de tinta ou de ferrugem da superfície do objeto de ensaio, pois eles
podem esconder descontinuidades ou induzir a erros de interpretação de resultados de
ensaio.
Quanto menor for a máxima taxa de vazamento admissível, mais importante é o estado
de limpeza do objeto de ensaio.
A escolha do tipo de detector de vazamento de hélio (se de fluxo principal ou de
contra-fluxo) a ser empregado em uma inspeção com um dos métodos de ensaio
supramencionados é, em princípio, uma questão de importância secundária.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
42
Figura 12 – Esquema dos diferentes métodos de ensaio de estanqueidade com
hélio.
2.4.3 Localização de Vazamento com Hélio
Após os diferentes métodos de ensaio com hélio terem sido vistos, é muito importante
conhecer os aspectos práticos da localização de vazamento com o método da sonda
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
43
aspiradora. Neste caso, o objeto de ensaio é pressurizado com gás de ensaio, conforme
mostra a Figura 12 (em cima, à esquerda).
2.4.3.1 Sonda Aspiradora Padrão
A sonda aspiradora de hélio mais simples (Figura 13) é nada mais nada menos do que
uma mangueira de 2 m a 3 m de comprimento, que tem uma de suas extremidades
conectada a uma entrada especial do detector de vazamento de hélio. Na outra
extremidade da mangueira existe um pequeno estrangulador (uma espécie de válvula
reguladora), cuja função é permitir a passagem de uma pequena quantidade de gás.
Assim, este estrangulador atua como se ele fosse uma descontinuidade por onde ocorre
um pequeno vazamento. Este estrangulador, que geralmente é um capilar (sonda
aspiradora capilar), mas que também pode ser um metal sinterizado com inúmeros
poros minúsculos (sonda aspiradora de difusão), tem dimensões tão bem
preestabelecidas, que a maior pressão de operação admissível no espectrômetro de
massa (Pmáx < 2.10-4 mbar) nunca é ultrapassada. Com esta sonda aspiradora, que
também é conhecida como sonda aspiradora padrão, o gás em volta de um local do
objeto de ensaio suspeito de ter uma descontinuidade por onde ocorre um vazamento é
capturado. Após ser aspirado pela ponta da sonda, o gás, que contém hélio, passa pela
mangueira da sonda aspiradora e atinge a conexão com o detector de vazamento de
hélio, de onde é conduzido até o espectrômetro de massa para ser analisado.
Figura 13 – Sonda Aspiradora Padrão
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
44
Onde:
1. Bico da Sonda Aspiradora
2. Porca Recartilhada
3. Punho
4. Conexão da Mangueira
5. Mangueira
6. Flange de conexão com o detector de vazamento de hélio
O tempo de resposta, isto é, o intervalo de tempo entre o momento em que o gás de
ensaio penetra no bico da sonda aspiradora e aquele em ele alcança o espectrômetro de
massa do detector de vazamento de hélio, é cerca de um segundo. Este tempo,
entretanto, depende muito do comprimento da mangueira da sonda aspiradora.
O fato de uma pequena quantidade de gás de ensaio que escapa por uma
descontinuidade ter que passar pelo estrangulador e pela mangueira da sonda
aspiradora (que também pode ser considerada como sendo uma pequena
descontinuidade) até chegar ao espectrômetro de massa do detector de vazamento de
hélio é tido, sob o ponto de vista técnico, como sendo um desvio necessário. Este
desvio, entretanto, acarreta uma perda da elevada sensibilidade do detector de
vazamento de hélio. Em vista disso, a menor taxa de vazamento de hélio que pode ser
medida com o detector de vazamento de hélio quando se emprega o método da sonda
aspiradora gira em torno de entre10-5 a 10-6 mbar.ℓ.s-1.
O sistema de aspiração de gás de ensaio descrito acima apresenta, porém, algumas
desvantagens. Ao se variar o comprimento da mangueira da sonda aspiradora, que
geralmente é grossa e, por isso mesmo, tem pouca flexibilidade, a pressão no
espectrômetro de massa do detector de vazamento de hélio também varia, visto que o
pequeno estrangulador na ponta da sonda aspiradora não pode ser modificado de
maneira a se ajustar ao novo valor da condutância da mangueira. Se a quantidade de
gás aspirado não puder ser mais ajustada às condições de perfeito funcionamento do
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
45
detector de vazamento de hélio, ou seja, de seu espectrômetro de massa, então a
sensibilidade do equipamento é alterada. Além disso, pode ser que a maior pressão de
operação admissível no espectrômetro de massa seja ultrapassada, o que faz com que o
equipamento desligue automaticamente. Além disso, também existe o perigo do
estrangulador no bico da sonda aspiradora ser obstruído rapidamente por partículas
sólidas presentes no gás aspirado.
2.4.3.2 Sonda Aspiradora Rápida
O Tempo de resposta da sonda aspiradora rápida é menor que o da sonda aspiradora
padrão. Quando se trabalha com sonda aspiradora rápida, o sistema de bombas de
vácuo empregado na evacuação do objeto de ensaio tem uma pequena bomba de vácuo
de membrana extra, o que não é o caso do sistema de bombas de vácuo utilizado
quando se realiza uma inspeção com sonda aspiradora padrão. Este fato, bem como o
reduzidíssimo diâmetro da mangueira da sonda aspiradora rápida, quando comparado
com aquele da mangueira da sonda aspiradora padrão, fazem com que o tempo de
resposta da sonda rápida seja menor.
Como a relação entre o volume da mangueira e a capacidade de sucção da bomba de
vácuo é muito pequena, a velocidade do fluxo de gás dentro da mangueira da sonda
aspiradora rápida é extremamente elevada. Antes do gás aspirado atingir a bomba de
vácuo de membrana, ele passa por um estrangulador especial, que se encontra
diretamente ligado com o conector do detector de vazamento de hélio. Neste
estrangulador, uma parte do gás é capturada e conduzida até o espectrômetro de massa
do detector de vazamento de hélio. Além de ser mais fácil de ser manuseada, visto que
sua mangueira tem um diâmetro bem menor, a sonda aspiradora rápida possui, em
comparação com a sonda aspiradora padrão, um tempo de resposta e um tempo
descontaminação bem menor. O tempo de descontaminação é o tempo que a sonda
aspiradora necessita para eliminar todo o hélio que tenha sido capturado por ela
quando ela passa por uma descontinuidade e, assim, voltar á sua condição normal de
operação.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
46
2.4.3.3 Sensibilidade do Detector de Vazamento de Hélio com Sonda Aspiradora
A sensibilidade do detector de vazamento de hélio com sonda aspiradora é
determinada:
–
Concentração de Hélio no Ar Atmosférico
A concentração de hélio em volta de um objeto que vai ser inspecionado é, devido à
concentração natural de hélio no ar atmosférico, sempre constante e igual a 0,0005 %
ou 5 ppm (partes por milhão). Visto que este é o valor que sempre se lê no mostrador
do detector de vazamento de hélio, não é possível medir uma concentração de hélio
menor que esta quando ocorre vazamento por uma descontinuidade.
Se diversos objetos de ensaio com vários vazamentos grandes foram inspecionados em
um recinto e, por isso mesmo, deixaram escapar muito hélio no local de inspeção, ou
se objetos de ensaio foram enchidos com hélio e esvaziados sem que
fossem tomadas as devidas precauções para que o hélio utilizado não contaminasse o
ambiente, então o elevado teor de hélio no local de inspeção diminuirá bastante a
sensibilidade de um novo ensaio que venha a ser feito. Por isso, antes de começar um
ensaio com hélio, é preciso se certificar de que no recinto onde se vai trabalhar não foi
feito ensaio com hélio antes. Se foi feito, então deve-se abrir bem as janelas e as
portas, de maneira que o ar no local de ensaio possa ser removido. Nos casos mais
críticos, a renovação do ar no ambiente pode durar até algumas horas para ocorrer,
visto que simplesmente abrir uma janela e uma porta do local de ensaio pode
geralmente não ser suficiente. A presença de uma elevada concentração de hélio no
ambiente de trabalho pode ser constatada diretamente com o detector de vazamento de
hélio. Neste caso, o equipamento não deve ficar muito tempo no ambiente
contaminado com hélio, visto que não se consegue remover rapidamente o hélio do
interior do detector de vazamento de hélio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
47
–
Concentração de Hélio no Vazamento
Se o ar em volta de uma descontinuidade por onde ocorre um vazamento estiver
parado, então o hélio que escapa do objeto de ensaio com sobrepressão irá se distribuir
uniformemente ao redor dela, conforme mostra a Figura 14, formando uma nuvem
com um gradiente de concentração de hélio. Ao se passar a sonda aspiradora rente ao
local do vazamento, ela irá capturar uma quantidade de hélio muito maior do que
aquela que capturaria caso ela passasse a uns 5 mm ou 10 mm de distância dele.
Assim, pelo fato da sonda aspiradora ter capturado uma grande quantidade de hélio, o
valor indicado no mostrador do detector de vazamento de hélio será maior.
Figura 14 - Gradiente de concentração de hélio em torno de uma
descontinuidade.
Onde:
1. Lado Interno do Objeto de Ensaio Pressurizado com Hélio
2. Descontinuidade na Parede do Objeto de Ensaio
3. Lado da Inspeção
4. Nuvem de Hélio
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
48
–
Velocidade de Ensaio
Se o inspetor parar a sonda aspiradora por um longo tempo sobre uma
descontinuidade, então a sonda irá capturar todo o hélio que escapa através dela, e o
conduzirá até o detector de vazamento de hélio, que indicará, então, o valor máximo
em seu mostrador. Se, entretanto, a ponta da sonda passar com uma determinada
velocidade sobre esta descontinuidade, então ela irá capturar uma quantidade menor de
hélio (Figura 15). Quanto maior for a velocidade com que a sonda aspiradora for
movimentada sobre a superfície do objeto de ensaio, menor será a quantidade de hélio
que ela irá capturar. O vento no local de ensaio também age da mesma maneira que a
velocidade da sonda aspiradora age sobre a quantidade de hélio capturada. Se estiver
ventando, a taxa de vazamento indicada pelo detector de vazamento de hélio será
menor que aquela indicada quando não há vento no local de ensaio.
Figura 15 - Captura de gás de ensaio pelo bico da sonda aspiradora de hélio
Onde:
1. Objeto de ensaio pressurizado com hélio (sobrepressão)
2. Sonda aspiradora de hélio
2.4.3.4 Localização de Vazamento
–
Preparativos para a Localização de Vazamento
Antes de se começar um ensaio, o objeto de ensaio deve estar em perfeitas condições
de ser inspecionado, ou seja, ele tem que estar limpo, seco e sem resto de óleo. Devese remover revestimento, resto de tinta ou ferrugem que por acaso estejam na
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
49
superfície a ser inspecionada. O enchimento do objeto de ensaio com gás rastreador é
realizado utilizando hélio comercial. Se a maior taxa de vazamento admissível não for
muito pequena, então pode-se usar uma mistura gasosa para pressurizar o objeto de
ensaio. Para isso, porém, o objeto de ensaio deve, primeiramente, ser evacuado. A
homogeneidade da mistura gasosa é obtida adicionando-se primeiro hélio e depois o
outro gás da mistura gasosa (na maioria das vezes, ar atmosférico), de modo que este
último crie uma agitação dentro do objeto de ensaio e, assim, promova a
homogeneização da mistura gasosa. O resultado da medida feita com o detector de
vazamento de hélio deve levar em consideração a concentração de hélio na mistura
gasosa. A sensibilidade do ensaio varia linearmente com a concentração de gás de
ensaio na mistura gasosa. Tem-se, por exemplo,
–
Para 1000/o de hélio, uma sensibilidade de 100 %;
–
Para 10 % de hélio na mistura gasosa, a sensibilidade será de 10 %, e assim por
diante.
Como a diferença de pressão é praticamente a única força motriz para o transporte de
gás através de uma descontinuidade, a pressão no interior do objeto de ensaio tem que
ser maior que a pressão fora dele. O caso ideal de pressurização é aquele em que a
pressão de ensaio é a pressão de trabalho do objeto a ser inspecionado. Por motivos de
ordem técnica, geralmente não é possível empregar uma pressão de ensaio maior que a
pressão de trabalho do objeto a ser inspecionado. Na prática, normalmente se usa, ao se
localizar vazamento ou fazer um ensaio de estanqueidade, uma diferença de pressão de
1 bar.
Ao se iniciar uma inspeção, isto é, antes de pressurizar ou evacuar o objeto de ensaio, é
preciso se certificar se o mesmo foi projetado para trabalhar com vácuo ou com
sobrepressão, bem como se ele suporta a pressão de ensaio escolhida. Além disso,
deve-se observar as normas de segurança relativas ao manuseio e a utilização de
garrafas de gás pressurizado (protetor contra impacto da válvula, utilização de redutor
de pressão e de válvula de segurança contra pressão elevada adequados, etc.).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
50
Na prática, muitas vezes o objeto de ensaio é submetido a um teste hidrostático, que na
realidade é um ensaio de resistência mecânica, antes da localização de vazamento ou
do ensaio de estanqueidade. Este procedimento freqüentemente constitui uma fonte de
diversos problemas de inspeção. No que diz respeito a vasos de pressão, por exemplo,
o fabricante deve fazer um teste hidrostático segundo o regulamento de vasos de
pressão .
Neste caso, existe o perigo de pequenas descontinuidades (qL ≤ 10-2 mbar.ℓ.s-1).o que
impede que elas sejam detectadas ou localizadas posteriormente. A localização de
vazamento e o ensaio de estanqueidade, neste caso, só poderão ser feitos após o objeto
de ensaio ter sido secado adequadamente, isto é, ter sido inteiramente aquecido a uma
temperatura igual ou maior que 1500C, e ter permanecido a esta temperatura por um
longo tempo antes de ser inspecionado. Se isso não for feito, não se pode excluir a
possibilidade de que uma descontinuidade possa estar obstruída durante a localização
do vazamento e o ensaio estanqueidade. Em determinadas circunstâncias esta
descontinuidade pode permanecer obstruída temporariamente e, após o objeto ter sido
colocado em serviço e ter trabalhado por longo tempo, ela pode se desobstruir de um
momento para o outro. A prática tem demonstrado que a possibilidade de isso
acontecer raramente é levada em consideração.
–
Inspeção na Sonda Aspiradora
Para usar um detector de vazamento de hélio com sonda aspiradora, é absolutamente
necessário utilizar um vazamento padrão calibrado, de maneira que se possa verificar
se a sonda aspiradora está funcionando perfeitamente bem como para controlar a sua
sensibilidade. Se o vazamento padrão tiver um reservatório contendo gás de ensaio,
então a calibração da sonda aspiradora só será feita corretamente se todo o hélio que
escapa por seu orifício de saída for capturado por ela. Este procedimento de calibração
deve ser repetido seguidamente diversas vezes quando se utiliza sonda aspiradora,
visto que o hélio pode eventualmente se acumular em torno do vazamento padrão, de
maneira que a taxa de vazamento do vazamento padrão só é indicada corretamente
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
51
pelo detector de vazamento de hélio após a sonda aspiradora ter sido aproximada e
afastada várias vezes de seu orifício de saída.
Quando o detector de vazamento de hélio e a sonda aspiradora estão sendo usados
corretamente, a pressão de trabalho no espectrômetro de massa e aproximadamente
10-5mbar. Se a pressão no espectrômetro de massa for bem menor que 10-5mbar, então
tem-se um forte indício de que a sonda aspiradora está obstruída. Se o espectrômetro
de massa for desligado, e o mostrador do detector de vazamento de hélio for zerado
(ajustado para o valor zero), então, após ligar o espectrômetro de massa, o mostrador
do detector de vazamento de hélio deverá indicar uma taxa de vazamento de 10-5
mbar.ℓ.s-1. A concentração natural de hélio no ar atmosférico é que determina este
valor que será indicado no mostrador do equipamento. Este valor, todavia, não é válido
para todos os tipos de equipamentos, sendo necessário, por isso, ler no manual de
instrução do detector de vazamento de hélio qual o valor que o mostrador indicaria
neste caso.
Uma outra maneira de verificar se a sonda aspiradora está funcionando bem, envolve o
uso de nitrogênio líquido. Neste caso, coloca-se nitrogênio líquido em um recipiente e
aproxima-se o bico da sonda aspiradora da superfície do nitrogênio líquido (espelho de
nitrogênio). Se o valor indicado no mostrador do detector de vazamento de hélio
diminuir, então tem-se uma prova evidente de que não se tem hélio no nitrogênio
líquido que acabou de passar para o estado gasoso.
–
Localização de Vazamento com Hélio
A menor taxa de vazamento que pode ser medida com uma sonda aspiradora em
movimento pode ser determinada com o ensaio de controle dinâmico da sensibilidade.
Para isso, primeiramente se escolhe uma determinada velocidade de deslocamento da
sonda aspiradora e uma dada distância entre o bico da sonda aspiradora e o orifício de
saída de hélio do vazamento padrão. A seguir, sem variar a velocidade e a distância
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
52
escolhidas, passa-se a sonda aspiradora pelo orifício do vazamento padrão e anota-se a
taxa de vazamento de hélio indicada no mostrador do detector de vazamento de hélio.
Este procedimento é repetido diversas vezes.
Quando o valor lido no mostrador do detector de vazamento de hélio for igual à taxa
de vazamento de hélio do vazamento padrão, tem-se, então, a velocidade de
deslocamento da sonda aspiradora e a distância entre a sonda aspiradora e a superfície
do objeto de ensaio que devem ser empregadas em um ensaio, de maneira a ser ter a
maior precisão possível na medida da taxa de vazamento. Esta velocidade e distância
devem, então, ser escritas no procedimento de ensaio. E possível encontrar no mercado
chapas de ensaio para a fixação do vazamento padrão durante a realização do ensaio de
controle dinâmico da sensibilidade (Figura 16).
Conforme pode ser observado nesta figura, na frente da chapa de fixação existe uma
escala, cuja função é permitir que a velocidade de deslocamento da sonda aspiradora
seja controlada pelo inspetor com a maior precisão possível.
Após a realização do ensaio de controle dinâmico da sensibilidade, seleciona-se,
levando-se em consideração a velocidade de deslocamento da sonda aspiradora e a
distância entre a sonda aspiradora e a superfície do objeto de ensaio ideais, a faixa de
taxa de vazamento mais sensível do detector de vazamento de hélio. A seguir, procedese, utilizando a sonda aspiradora, a localização de vazamento ou o ensaio de
estanqueidade nas regiões suspeitas de terem um vazamento, como nos cordões de
solda, nos selos de vedação, etc. Como o gás de ensaio escapa continuamente através
de uma descontinuidade, forma-se, em torno dela, uma nuvem de gás de ensaio
(Figuras 14 e 17). Assim que traços deste gás de ensaio atingem a sonda aspiradora, o
detector de vazamento de hélio começa a emitir um sinal óptico ou acústico (ou
ambos). Quando o bico da sonda aspiradora se aproxima mais da descontinuidade,
então o sinal se torna mais intenso, atingindo seu valor máximo quando o bico da
sonda aspiradora estiver exatamente sobre a descontinuidade.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
53
Figura 16 - Ensaio de controle dinâmico da sensibilidade realizado com uma
chapa de fixação do vazamento padrão.
Onde:
1. 1Vazamento padrão
2. Sonda aspiradora de hélio
3. Mangueira de conexão com o detector de vazamento de hélio
4. Chapa de fixação com escala
Durante a localização de vazamento com sonda aspiradora rápida, quando o bico da
sonda se aproxima de uma descontinuidade muito pequena, ele aspira toda a nuvem de
hélio que se encontra em torno dela, podendo induzir a um erro de inspeção. Neste
momento, o detector de vazamento de hélio acusa em seu mostrador um sinal máximo
muito elevado, que porém decresce continuamente ao longo do tempo, até atingir um
valor que corresponde à taxa de vazamento real.
A utilização de uma mangueira longa na conexão da sonda aspiradora com o detector
de vazamento de hélio pode atrasar o sinal que o detector de vazamento de hélio emite
quando ele detecta um vazamento. Este fato deve ser levado em consideração quando
este vazamento tem que ser localizado.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
54
Figura 17 - Localização de vazamento com hélio segundo o método da sonda
aspiradora
Onde:
1. Objeto de ensaio pressurizado com hélio (sobrepressão)
2. Detector de vazamento de hélio
3. Sonda aspiradora de hélio
4. Garrafa de hélio
5. Manômetro
6. Válvula redutora de pressão
7. Válvula de segurança
.
–
Determinação da Taxa de Vazamento com a Sonda Aspiradora
Para avaliar o tamanho de uma descontinuidade, deve-se, antes de realizar a inspeção,
utilizar um vazamento padrão e comparar a taxa de vazamento de hélio indicada no
mostrador do detector de vazamento de hélio (qL,He) com aquela que é realmente a taxa
de vazamento do vazamento padrão calibrado (qTL). A relação entre qL,He e qTL, que é a
perda de sensibilidade que se tem quando se utiliza sonda aspiradora de hélio, permite
avaliar a ordem de grandeza da taxa de vazamento de uma descontinuidade encontrada
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
55
em uma inspeção. Neste caso, porém, as condições de determinação da relação
qL,He/qTL devem ser as mesmas que aquelas que são utilizadas quando se localiza
vazamentos.
–
Relatório de Ensaio
Para poder comparar os resultados de diferentes ensaios, é sempre necessário
mencionar no relatório de ensaio qual foi a diferença de pressão entre os lados interno
e externo do objeto de ensaio durante a inspeção. Mais ainda, deve-se, também,
colocar no relatório de ensaio todos os valores (ou faixa de valores) selecionados no
detector de vazamento de hélio e lidos em seu mostrador, a concentração hélio
empregada, bem como o tipo de vazamento padrão utilizado e a data da sua última
calibração.
–
Equipamentos, Instrumentos e Acessórios
O ensaio feito com sonda aspiradora de hélio exige o emprego dos seguintes
equipamentos, instrumentos e acessórios:
–
Orifício para evacuação e enchimento do objeto de ensaio com gás de ensaio;
–
Mangueiras para evacuação e enchimento do objeto de ensaio com gás de ensaio;
–
Válvula(s) de fechamento e válvula(s) de três direções;
–
Bombas de vácuo;
–
Medidor de vácuo (1 a 1000 mbar) e medidor de pressão maior que a
atmosférica;
–
Hélio comercial (fornecido em garrafa de aço);
–
Protetor antichoque para a válvula da garraia de hélio;
–
Ar comprimido ou nitrogênio para o preparo de mistura de gás de ensaio;
–
Válvula(s) redutora(s) de pressão;
–
Detector de vazamento de hélio para ensaio com sonda aspiradora (com cabo de
força e cabo de extensão);
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
56
–
Sonda aspiradora de hélio;
–
Vazamento padrão para a calibração do detector de vazamento de hélio;
–
Vazamento padrão para o ensaio de controle dinâmico da sensibilidade realizado
com a sonda aspiradora;
–
Envoltório de polivinilcloreto (PVC) ou de polietileno (PE);
–
Fita adesiva para prender peças e o envoltório;
–
Formulários para serem preenchidos e anexados ao relatório de ensaio.
2.4.4 Ensaio com Vácuo
A localização de vazamento e o ensaio de estanqueidade com hélio são feitos na
maioria das vezes com o método do vácuo. Para isso, além do objeto de ensaio precisar
estar completamente fechado no momento do ensaio, ele precisa ser capaz de suportar
a pressão externa (normalmente 1 bar).
Primeiramente, deve-se montar, empregando um dos métodos mostrados na Figura 12
(centro), um sistema de ensaio adequado ao objeto a ser inspecionado. Neste sistema, a
mangueira flexível (de aço inoxidável, de preferência) que liga o objeto de ensaio ao
detector de vazamento de hélio e os selos de vedação (O-ring de elastômero) devem
estar em perfeitas condições. A mangueira que une o detector de vazamento de hélio
com o objeto de ensaio deve ser a mais curta possível, e seu diâmetro não pode ser
menor que o diâmetro do flange de entrada do detector de vazamento de hélio. Antes
de começar a evacuar o objeto de ensaio, é interessante calcular, utilizando o volume
do objeto de ensaio e a capacidade de sucção das bombas de vácuo empregadas, o
tempo que será necessário para atingir a pressão de ensaio. Se a diminuição da pressão
no interior do objeto de ensaio em função do tempo, verificada na curva desenhada
pelo registrador gráfico x-t, for muito diferente daquela que é esperada, ou seja, se o
tempo de evacuação real for muito maior que o calculado, então tem-se um forte
indício de que o objeto de ensaio está com um vazamento muito grande.Quando a
pressão no objeto de ensaio for menor que a maior pressão de trabalho admissível do
espectrômetro de massa, então este instrumento já pode ser ligado para
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
57
fazer o ensaio. Antes disso, porém, recomenda-se que se meça com um vazamento
padrão o tempo de resposta do sistema de ensaio montado. A determinação do tempo
de resposta é muito importante, especialmente no caso de objeto de ensaio de grande
volume, bem como no caso de um objeto de ensaio que, devido à sua geometria
complexa, ou por ter diversos componentes ou estruturas fixos em sua superfície, não
permite o cálculo das constantes de tempo. Se a maior taxa de vazamento admissível
do objeto de ensaio for muito pequena, então o tempo de resposta deve ser medido de
maneira semelhante àquela da inspeção, de modo a evitar que se tenha um ruído de
fundo de hélio que demore para ser eliminado.
2.4.4.1 Localização de Vazamento
A localização de vazamento é feita soltando um jato fino de gás de ensaio sobre os
locais suspeitos, como flanges, juntas soldadas, etc. Durante esta inspeção, não pode
haver corrente de ar no ambiente de ensaio, causada, por exemplo, por portas e janelas
abertas. O jateamento do local a ser inspecionado com gás de ensaio deve ser feito no
sentido contrário ao do vento, quando se faz uma inspeção a céu aberto e existe forte
movimentação do ar atmosférico, O ajuste da faixa de medida do detector de
vazamento de hélio é feito de acordo com a maior taxa de vazamento admissível.
2.4.4.2 Determinação da Taxa de Vazamento
Ao se localizar uma descontinuidade, e se a sua taxa de vazamento tiver que ser
medida, então coloca-se sobre ela um envoltório de plástico, que é fixado na superfície
do objeto de ensaio com fita adesiva. A seguir, injeta-se gás de ensaio dentro do
envoltório e espera-se um determinado tempo, até que o valor lido no mostrador do
detector de vazamento de hélio fique constante. Desta maneira, determina-se a taxa de
vazamento da descontinuidade localizada. Se o método de ensaio for o de fluxo
parcial, então é preciso utilizar o fator de calibração no cálculo da taxa de vazamento.
Se o objeto de ensaio for totalmente envolvido com uma folha de plástico com gás de
ensaio embaixo dela, então tem-se a taxa de vazamento integral, que corresponde à
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
58
soma das taxas de vazamento de todas as descontinuidades que ele tiver.
2.4.4.3 Faixa de Aplicação
As taxas de vazamento de hélio que podem ser medidas com os métodos do vácuo
descritos acima abrangem uma faixa de valores de pouco mais de sete ordens de
grandeza (10-10 mbar.ℓ.s-1.a 10--3 mbar.ℓ.s-1.). A maioria das taxas de vazamento que
são medidas na prática com estes métodos, entretanto, se situa entre 10-8 mbar.ℓ.s-1 e
10-5 mbar.ℓ.s-1. Taxas de vazamento menores que 10-10 mbar.ℓ.s-1. são medidas com o
método da acumulação, que não será abordado aqui; as maiores que 10-3 mbar.ℓ.s-1.
por outro lado, podem ser determinadas com relativa facilidade, medindo-se a pressão
total (método de aumento da pressão).
Geralmente se tem problema de oscilação de ruído de fundo quando se mede taxa de
vazamento muito pequena (≤10-8 mbar.ℓ.s-1), especialmente quando o objeto de ensaio
é muito grande. Esta oscilação poder ser causada por degasagem superficial,
evaporação de líquido, condensação de vapor ou permeação. Por isso, a limpeza do
objeto de ensaio é um fator muito importante para que a inspeção possa ser realizada
com sucesso. No que diz respeito à permeação, que deve ser a menor possível, deve-se
utilizar somente selo (O-ring) de elastômero de boa qualidade. Com o objetivo de
manter o ruído de fundo no ambiente de trabalho em níveis bem reduzidos, é muito
importante não soltar um jato de hélio muito forte. Se a maior taxa de vazamento
admissível for muito pequena, então deve-se empregar anel de metal como selo de
vedação nos flanges do objeto de ensaio.
Se o objeto de ensaio for inspecionado com um método que envolva a realização de
vácuo, então, obviamente, ele precisará ter resistência mecânica suficiente para poder
suportar a pressão externa que atuará sobre sua parede. Caso o objeto de ensaio seja
um recipiente de vidro, então é preciso tomar muito cuidado com o perigo de implosão
e, conseqüentemente, com os cacos de vidro que ela gera, visto que eles podem causar
graves ferimentos nas pessoas. Para evitar que isto ocorra, deve-se utilizar uma grade
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
59
ou malha de proteção de aço em volta do objeto de ensaio.
2.4.5 Ensaio integral com sonda aspiradora
2.4.5.1 Método do Envoltório
O método do envoltório, também conhecido como método da acumulação, é um ensaio
de estanqueidade no qual, dependendo da extensão da inspeção, um objeto de ensaio
pessurizado com hélio é parcial ou completamente encoberto com um envoltório de
plástico fechado (Figura 18). Se o objeto de ensaio tiver um ou mais vazamentos, então
a concentração de hélio no espaço entre o envoltório e o objeto de ensaio (volume livre
do envoltório) vai aumentando gradualmente. A variação da concentração de gás de
ensaio sob o envoltório ao longo do tempo pode ser determinada com o detector de
vazamento de hélio, bastando para isso introduzir a ponta da sonda aspiradora de hélio
sob o envoltório. A sonda aspiradora funcionará, então, como um instrumento de
medida da pressão parcial ou da concentração do gás de ensaio, O local do vazamento,
contudo, não pode ser determinado com este método de ensaio integral.
Figura 18 - Método de ensaio integral com sonda aspiradora de hélio e objeto de
ensaio pressurizado com gás rastreador.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
60
Onde:
1. Objeto de ensaio pressurizadocom hélio (sobrepressão)
2. Detector de vazamento de hélio
3. Sonda aspiradora
4. Saco de plástico
5. Garrafa de hélio
6. Válvula redutora de pressão
7. Válvula
8. Medidor de pressão
2.4.5.2 Leitura do Valor de Medida no Mostrador do Detector de Vazamento de Hélio
Os detectores de vazamento de hélio, devido á sua concepção, normalmente são
equipamentos destinados à determinação da taxa de vazamento empregando o método
do vácuo. Em muitos detectores de vazamento de hélio a taxa de vazamento de um
objeto de ensaio pode ser lida diretamente em mbar.&s1 em um mostrador digital. O
valor lido no mostrador do equipamento corresponde à taxa de vazamento real se o
detector de vazamento foi calibrado antes da inspeção. Se o ensaio é realizado segundo
o método do envoltório com sonda aspiradora, então o mostrador do detector de
vazamento de hélio não fornece a taxa de vazamento e, sim, após ter sido calibrado
corretamente, a concentração de hélio sob o envoltório.
Os equipamentos antigos têm mostrador analógico, em vez de digital, que possuí um
comutador de faixa de medida de diversas ordens de grandeza. Se for atribuído um
fator multiplicador a cada trecho desta faixa de medida, então a taxa de vazamento do
objeto de ensaio pode ser determinada em partes de escala. Neste caso, o trecho da
faixa de medida mais sensível sempre terá o fator multiplicador 1. O trecho seguinte
receberá o fator multiplicador 10, o seguinte 100, e assim por diante. A calibração e a
determinação da sensibilidade do detector de vazamento de hélio, neste caso, também
são feitas em partes de escala.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
61
2.4.5.3 Calibração do Sistema de Ensaio
Durante o ensaio com o método da acumulação, a concentração de hélio sob o
envoltório varia ao longo do tempo. Para medir esta variação de concentração, é
preciso calibrar o detector de vazamento de hélio antes de começar o ensaio. Essa
calibração pode ser feita utilizando o teor natural de hélio no ar atmosférico (≈ 5 ppm).
Ao se medir o teor natural de hélio no ar atmosférico com o detector de vazamento de
hélio, o valor lido no mostrador do equipamento é AB. Se a conexão da sonda
aspiradora de hélio com o detector de vazamento de hélio for fechada, então o seu
mostrador irá indicar o valor do ruído de fundo (Au). Estes dois valores lidos no
mostrador do detector de vazamento de hélio são, então, utilizando a Equação 3,
empregados na determinação da sensibilidade do sistema de ensaio.
Equação 3 - Sensibilidade do Sistema de Ensaio
Onde:
–
Sens - é a sensibilidade do sistema de ensaio;
–
CHe - é a concentração natural de hélio no ar atmosférico (≈5 ppm);
–
AB - é o valor lido no mostrador do detector de vazamento de hélio quando se
tem a concentração natural de hélio no ar atmosférico (≈5 ppm);
–
Au - é o valor lido no mostrador do detector de vazamento de hélio relativo ao
ruído de fundo.
A concentração natural de hélio no ar atmosférico pode ser empregada na calibração
do sistema de ensaio somente quando se tem certeza de que o local de ensaio não está
contaminado com hélio. Se um objeto de ensaio contendo hélio foi esvaziado em um
recinto, ou se ele foi enchido com hélio ou inspecionado com pistola de hélio neste
recinto, então não se pode utilizar a concentração natural de hélio no ar atmosférico
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
62
presente no ambiente de ensaio para calibrar o detector de vazamento de hélio que será
usado na inspeção de um outro objeto. Neste caso, então, para fazer a calibragem,
deve-se usar uma sonda aspiradora com uma mangueira longa e colocar o bico dela
para fora da janela do recinto onde o ensaio será realizado. Desta maneira, o ar que a
sonda irá aspirar não estará contaminado e sua concentração de hélio será de 5 ppm.
Se houver dúvida quanto à concentração de hélio no local onde será feita uma
inspeção, então o detector de vazamento de hélio pode ser calibrado com uma mistura
gasosa com concentração de hélio bem conhecida e especialmente preparada para esta
finalidade. Com esse objetivo, utiliza-se de um recipiente fechado e com um volume
grande (10 ℓ, por exemplo) e conhecido. Primeiramente, faz-se a medida zero com a
sonda aspirando o ar presente no local de ensaio. Após isso, prepara-se uma pequena
injeção com hélio puro em seu interior. Para isso, é preciso introduzir hélio na injeção
e retirá-lo várias vezes, de maneira a se certificar que haverá 100 % de hélio na
injeção. A seguir, fecha-se, com uma fita adesiva, a abertura do recipiente onde será
feita a mistura gasosa, e espeta-se a agulha da injeção nesta fita. Após injetar 1 cm3 de
gás, espera-se de cinco a dez minutos, de maneira que o hélio se distribua
uniformemente dentro do recipiente. A concentração de hélio dentro do recipiente após
se injetar 1 cm3 de hélio é calculada utilizando a Equação 4. Neste cálculo, porém, a
quantidade de hélio presente no local de ensaio (ruído de fundo) é desprezada.
Equação 4 - Cálculo da Concentração de Hélio
–
CHe - É a concentração de hélio no interior do recipiente após se injetar 1 cm3 de
hélio, em ppm;
–
VHe -É o volume de hélio injetado no recipiente, em [cm3];
–
Vrec - É o volume do recipiente, em [cm3].
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
63
Após a homogeneização da mistura gasosa no recipiente, a ponta da sonda aspiradora
de hélio é introduzida na sua abertura através da fita adesiva, quando é feita nova
medida com o detector de vazamento de hélio. Com base nos valores das duas medidas
feitas com a sonda aspiradora, bem como conhecendo a concentração de gás de ensaio
na mistura gasosa, determina-se, utilizando a Equação 5, a sensibilidade do sistema de
ensaio.
Equação 5 – Sensibilidade do Sistema de Ensaio
Onde:
–
Sens - é a sensibilidade do sistema de ensaio;
–
CHe. - A concentração de hélio no interior do recipiente após se introduzir 1 cm3
de hélio;
–
A2 – É o valor lido no mostrador do detector de vazamento de homogeneização
da mistura de gás no recipiente;
–
A1 - É o valor lido no mostrador do detector de vazamento de se faz a medida do
valor zero.
2.4.5.4 Realização de Ensaio
–
Preparativos para o Ensaio
Dependendo de seu tamanho, o objeto de ensaio pode ser parcial ou totalmente
encoberto com um envoltório durante a sua inspeção. Em qualquer um desses dois
casos, porém, é muito importante que o volume livre sob o envoltório, que pode ser
calculado matematicamente ou avaliado aproximadamente, seja o menor possível.
Além disso, também é muito importante que o envoltório colocado sobre o cordão de
solda esteja sempre bem vedado em suas bordas. O envoltório utilizado nos ensaios
onde de uma maneira geral pode ser de polivinilcloreto (PVC) ou de polietileno (PE), e
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
64
a sua fixação sobre o objeto de ensaio pode ser feita com uma fita adesiva comum.
Existe no mercado uma fita (envoltório) especial, destinada à inspeção de cordão de
solda e de flange, que já vem com cola em suas bordas.
–
Determinação da Taxa de Vazamento
A taxa de vazamento através de uma descontinuidade é calculada utilizando a Equação
6.
Equação 6 – Determinação da Taxa de Vazamento
Onde:
–
qL- É a taxa de vazamento;
–
∆p -É a variação de pressão;
–
V - É o volume do objeto de ensaio;
–
∆t - é o tempo de ensaio.
Quando se faz ensaio utilizando envoltório e hélio como gás rastreador, a diferença de
pressão utilizada na equação 6 é determinada pela variação de pressão parcial do hélio
(Equação 7). O volume empregado na equação 6 passa a ser, nesse caso, o volume
livre do envoltório. Das Equações 6 e 7, obtém-se, então, para o método de ensaio do
envoltório, e levando-se em consideração a concentração de hélio dentro do objeto de
ensaio, a Equação 8.
Equação 7 – Variação da pressão parcial do hélio
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
65
Onde
• ∆PHe - é a variação de pressão parcial do hélio;
• ∆CHe - é a variação de concentração de hélio;
• Pamb - é a pressão ambiente.
Equação 8 – Taxa de Vazamento ( Concentração de hélio dentro do Objeto de
ensaio)
Onde:
–
qL - É a taxa de vazamento;
–
∆PHe - É a variação da pressão parcial do hélio sob o envoltório;
–
Venv - É o volume livre do envoltório;
–
∆t - É o tempo de ensaio;
–
∆CHe - É a variação de concentração de hélio sob o envoltório;
–
Pamb - É a pressão ambiente;
–
CHe - É a concentração de hélio dentro do objeto de ensaio.
Após determinar o volume livre do envoltório, introduz-se a ponta da sonda aspiradora
dentro dele e mede-se o valor zero. O valor lido no mostrador do detector de
vazamento de hélio é anotado, para ser utilizado posteriormente no cálculo da variação
da concentração de hélio. A seguir, enche-se o objeto de ensaio com hélio (ou mistura
gasosa) até se atingir a pressão de ensaio desejada. Após transcorrido o tempo mínimo
de ensaio, que é calculado com o auxílio de fórmulas matemáticas, a ponta da sonda
aspiradora é introduzida novamente sob o envoltório, quando é feita uma segunda
leitura do valor da pressão parcial do hélio, sendo o valor lido anotado. Se o objeto de
ensaio tiver um vazamento na região que está sendo inspecionada, então a
concentração de hélio sob o envoltório irá aumentar. Os valores obtidos na primeira
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
66
(valor zero) e na segunda leitura, juntamente com a sensibilidade de medida do sistema
de ensaio, são empregados no cálculo da variação da concentração de gás de ensaio
sob o envoltório, conforme mostra a Equação 9.
Equação 9 - Variação da concentração de hélio sob o envoltório
Onde:
–
∆CHe - É a variação da concentração de hélio sob o envoltório;
–
A2 - É o valor lido no mostrador do detector de vazamento de hélio após
transcorrido o tempo mínimo de ensaio;
–
A1 - É o valor lido no mostrador do detector de vazamento de hélio no início do
ensaio (valor zero);
–
Sens - É a sensibilidade do sistema de ensaio.
Conhecendo-se a variação da concentração de hélio sob o envoltório, determina-se,
então, a taxa de vazamento utilizando a Equação 8.
O tempo mínimo de ensaio, que depende da estanqueidade especificada para o objeto
de ensaio, ou seja, da maior taxa de vazamento admissível, bem como do volume livre
do envoltório, da menor variação de concentração de hélio que pode ser medida com o
detector de vazamento de hélio e da concentração de hélio usada no ensaio, pode ser
calculado utilizando a Equação 10, ou obtido no nomograma apresentado na Figura 19.
Equação 10 – Tempo Mínimo de Ensaio
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
67
Onde:
–
∆tmín - É o tempo mínimo de ensaio;
–
∆CHe,min - É a menor variação de concentração de hélio sob o envoltório que
pode ser medida com o detector de vazamento de hélio;
–
Panb - É a pressão ambiente;
–
Venv - É o volume livre do envoltório;
–
QL,adm - É a maior taxa de vazamento admissível;
–
CHe - É a concentração de hélio dentro do objeto de ensaio.
Os tempos mínimos de ensaio obtidos no nomograma apresentado na Figura 19 são
válidos para uma variação de concentração de hélio detectável de 5 ppm e para uma
concentração de hélio dentro do objeto de ensaio de 100 % (CHe = 1).
Figura 19 -Nomograma para a determinação do tempo mínimo de ensaio com o
método do envoltório com hélio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
68
2.4.5.5 Erro de Medida
O procedimento de ensaio descrito no item anterior geralmente não permite medir com
precisão a taxa de vazamento de hélio integral. Esta desvantagem se deve ao fato do
volume livre do envoltório ter que ser conhecido. Muitas vezes, porém, este volume é
difícil de ser calculado ou estimado, visto que freqüentemente o objeto de ensaio tem
diversos componentes ou estruturas fixos em sua superfície. Além deste motivo, existe
um outro igualmente muito importante: o hélio pode se distribuir irregularmente sob o
envoltório. Como a sonda aspiradora é introduzida sob o envoltório em um local
aleatório, pode ser que este local esteja muito próximo de um vazamento, o que fará
com que a concentração de hélio medida seja muito elevada. Pode ocorrer, também, o
contrário, ou seja, que ela seja introduzida em um local bastante afastado do
vazamento, quando a concentração de hélio medida será muito baixa. Como a difusão
do hélio no ar à pressão atmosférica não é tão rápida como muitas pessoas imaginam
ser, é muito importante misturá-lo com o ar atmosférico antes de medir a sua
concentração sacudindo o envoltório, por exemplo, ou, caso o envoltório seja grande o
suficiente e haja espaço para tal, colocando um ventilador dentro dele. Para controlar
melhor a distribuição do hélio sob o envoltório, é necessário introduzir a ponta da
sonda aspiradora e fazer medidas em diferentes locais. Se os valores medidos forem
parecidos, então tem-se a certeza de que o hélio se distribuiu uniformemente sob o
envoltório. Além disso, o volume livre do envoltório deve ser o menor possível, pois o
aumento da concentração de hélio, decorrente de um vazamento que porventura possa
existir no objeto de ensaio, pode ser detectado mais rapidamente em um volume
pequeno do que em um grande.
2.4.5.6 Relatório de Ensaio
Para poder comparar os resultados de diferentes ensaios, é sempre necessário
mencionar no relatório de ensaio qual foi a diferença de pressão entre os lados interno
e externo do objeto de ensaio durante a inspeção. Mais ainda, deve-se, também,
colocar no relatório de ensaio todos os valores (ou faixa de valores) selecionados no
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
69
detector de vazamento de hélio e lidos em seu mostrador, a concentração hélio
empregada, bem como o tipo de vazamento padrão utilizado e a data da sua última
calibração.
2.4.6 Ensaio Bombing
2.4.6.1 Procedimento de Ensaio
Todos os métodos de ensaio vistos neste capítulo partem da premissa de que o objeto
de ensaio possui um orifício através da qual pode ser introduzido gás de ensaio nele,
ou tem um flange para a sua conexão com o detector de vazamento de hélio. No caso
de objeto hermeticamente fechado, porém, não se tem nenhuma destas duas
possibilidades. Este objeto é, por isso, enchido com gás de ensaio durante o processo
de fabricação ou, conforme mostrado na Figura 12, dentro de uma câmara de
pressurização. Neste último caso, o hélio penetra no objeto de ensaio através de uma
descontinuidade que possivelmente possa existir. O método de ensaio que envolve o
emprego de câmara de pressurização é denominado ensaio bombing ou ‘backpressurising”, e é muito empregado na inspeção de componentes eletrônicos, como
transistores e comutadores integrados.
O ensaio bombing é dividido em três diferentes etapas:
–
Uma inicial, na qual o hélio é introduzido no objeto de ensaio em uma câmara de
pressurização, com gás de ensaio sob elevada pressão (pressão bombing, pB),
durante um determinado tempo (tempo bombing, tB);
–
Uma intermediária, na qual o objeto de ensaio é retirado da câmara de
pressurização e fica exposto ao ar atmosférico por um determinado intervalo
de tempo (tempo de espera, tesp) antes de ser introduzido na câmara de vácuo;
–
E uma final, na qual o objeto de ensaio é introduzido em uma câmara de vácuo,
conectada com um detector de vazamento de hélio, quando é submetido a um
ensaio de estanqueidade integral.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
70
É muito importante que todos os parâmetros de ensaio destas três etapas (pressão e
tempo bombing, bem como tempo de espera) sejam mantidos constantes, de maneira
que se possa comparar resultados de diversos ensaios. A Figura 20 mostra a variação
da taxa de vazamento medida com o detector de vazamento de hélio durante um ensaio
bombing em função da taxa de vazamento real (tamanho da descontinuidade) do objeto
de ensaio.
Figura 20 - Variação da taxa de vazamento medida com o detector de vazamento
de hélio durante o ensaio bombing (qA) em função da taxa de
vazamento real (qR) de um objeto de ensaio de 1 cm3 de volume, para
uma pressão bombing de 8 bar, um tempo bombing de 20 h e um
tempo de espera de 5 mm.
A curva apresentada na Figura 20 é válida para um conjunto de parâmetros de ensaio
(pressão bombing, tempo bombing, tempo de espera e volume do objeto de ensaio). A
queda observada nesta curva quando se tem uma taxa de vazamento real elevada se
deve ao tempo que o objeto de ensaio fica exposto ao ar atmosférico antes de ser
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
71
introduzido na câmara de vácuo, visto que, durante este tempo, ele deixa escapar uma
determinada quantidade de gás de ensaio. Neste caso, apesar da taxa de vazamento real
do objeto de ensaio ser elevada, a taxa de vazamento medida pelo detector de
vazamento de hélio é bem pequena. Em vista disso, o limite superior da faixa de taxas
de vazamento que são medidas no ensaio bombing é definido pelo tempo de espera
entre as etapas de pressurização e de evacuação; o limite inferior, por outro lado, é
determinado pela menor taxa de vazamento que pode ser medida com o detector de
vazamento de hélio.
2.4.6.2 - Equipamentos, Instrumentos e Acessórios
Para fazer o ensaio bombing, é necessária uma câmara de pressurização resistente à
pressão bombing, que geralmente varia entre 5 bar e 30 bar, e que possa acomodar um
elevado número de objetos de ensaio. Em alguns casos é preciso também um
aquecedor para acelerar a dessorção do hélio absorvido pela superfície externa do
objeto de ensaio durante o tempo de espera entre as etapas de pressurização e de
evacuação.
A taxa de vazamento é medida com um detector de vazamento de hélio normalmente
encontrado no mercado, conectado a um recipiente que possa ser evacuado (câmara de
vácuo). Para reduzir o tempo de ensaio, é interessante utilizar uma câmara de vácuo
que tenha a mesma geometria do objeto de ensaio e um volume um pouco maior que o
dele. Assim, é possível reduzir bastante o tempo de evacuação e as constantes de
tempo.
2.4.6.3 Determinação da Taxa de Vazamento
Muitos semicondutores apresentam uma taxa de vazamento (qR) muito semelhante
àquela medida no ensaio bombing (qA), sendo por isso este ensaio ideal para a
inspeção destes componentes eletrônicos. A taxa de vazamento de um objeto medida
com o detector de vazamento de hélio durante o ensaio bombing pode ser calculada
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
72
utilizando a Equação 11. Esta equação, porém, só é valida se o escoamento do gás de
ensaio através da descontinuidade por onde ocorre o vazamento for molecular, o que é
realmente o que ocorre quando a taxa de vazamento real do objeto de ensaio é menor
que 10-6 mbar.ℓ.s-1.
Equação 11 - Taxa de Vazamento Medida com o Detector de Vazamento de Hélio
Onde
–
qA - É a taxa de vazamento medida com o detector de vazamento de hélio;
–
pB - É a pressão bombing;
–
CL - É a condutância da descontinuidade por onde ocorre o vazamento;
–
TB - É o tempo bombing;
–
V - É o volume interno livre do objeto de ensaio;
–
Tesp - É o tempo de espera.
A Equação 11, contudo, não pode ser dissociada da condutância da descontinuidade
por onde ocorre o vazamento (CL da taxa de vazamento real), que é determinada
através de iteração (por tentativa e cálculo aproximado). Por isso, no procedimento de
ensaio devem estar especificados a pressão bombing, o tempo bombing, o tempo de
espera e a maior taxa de vazamento que pode ser medida com o detector de vazamento
de hélio empregado.
O produto da pressão bombing pelo tempo bombing (pB•tB), denominado produto
bombing é calculado utilizando a Equação 12, é um parâmetro de ensaio muito
importante.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
73
Equação 12 – Produto da Pressão e do Tempo Bombing
Onde:
–
pB - É a pressão bombing;
–
tB - É o tempo bombing;
–
qA,mín - É a menor taxa de vazamento que pode ser medida com o detector de
vazamento de hélio;
–
V - É o volume interno livre do objeto de ensaio;
–
qR - É a taxa de vazamento real do objeto de ensaio;
–
Pamb - É a pressão ambiente (≈1000 mbar = 10-5 Pa).
A menor taxa de vazamento que pode ser medida depende não somente do detector de
vazamento de hélio empregado, como também do ruído de fundo de gás de ensaio no
local de inspeção, que, por sua vez, é determinado pela quantidade de gás de ensaio
dessorvida pela superfície do objeto de ensaio.
Para uma pressão bombing de 5 bar a 30 bar, devendo o objeto de ensaio neste caso,
naturalmente, ter uma resistência mecânica que suporte tal pressão, o tempo bombing é
geralmente de algumas horas (Figura 21). Quanto maior for o volume interno livre do
objeto de ensaio, maior deverá ser o produto bombing. Este fato restringe o emprego
do ensaio bombing à inspeção de objeto com volume menor que cerca de 10 cm3, pois
se o volume for maior, o tempo bombing tornaria o ensaio antieconômico.
O exemplo, apresentado a seguir, ilustra a metodologia de determinação dos
parâmetros de um ensaio bombing.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
74
Exemplo: A maior taxa de vazamento admissível de um transistor de 1 cm3 de volume
interno livre é 3.10-8 mbar.ℓ.s-1.Supondo que este transistor suporte uma pressão de no
máximo 8 bar, e que a menor taxa de vazamento que se pode medir com o detector de
vazamento de hélio a ser utilizado é 5.10-10 mbar.ℓ.s-1., qual é o tempo que este
transistor deverá permanecer na câmara de pressurização? Qual a maior taxa de
vazamento que pode ser medida no ensaio bombing se o tempo que o transistor
permanece exposto ao ar atmosférico entre as etapas de pressurização e de evacuação
for de 5 minutos?
Figura 21 - Variação do produto bombing (pB. tB) necessário para a realização do
ensaio bombing em função da taxa de vazamento (real) da objeto de
ensaia.
Dados do Exemplo:
Sensibilidade do Detector de Vazamento de He: qA,mín = 5.10-10mbar.ℓ.s-1.
Volume do Objeto de Ensaio: V = 1 cm3
Taxa de Vazamento Real: qR = 3.l0-8 mbar.ℓ.s-1
⇒ pB. tB = 154 bar.h
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
75
Solução:
São conhecidos:
–
V = 1 cm3= 10-3;
–
–
qR = 3. 10-8 mbar.ℓ.s-1;
PA,mín = 5.10-10;
–
pamb = 1 bar = 103mbar;
–
tesp = 5 min;
E deseja-se calcular tB.
Primeiramente, o produto bombing pode ser calculado utilizando a equação 11,
conforme mostrado a seguir.
Este produto bombing também pode ser obtido diretamente da Figura 21. Nesta figura,
para determinar o produto bombing, traça-se uma reta perpendicular ao eixo das
abcissas partindo do valor qR=10-8 mbar.ℓ.s-1., e uma reta perpendicular à reta
(qA,mín.V) partindo do valor 5.10-10[mbar.ℓ.s-1], até elas se encontrarem. A seguir,
traça-se uma reta perpendicular ao eixo das ordenadas partindo deste ponto de
encontro. Esta última reta irá interceptar o eixo das ordenadas no valor 154 bar.h, que é
o produto bombing que se deseja calcular.
Como a maior pressão que o transistor suporta é 8 bar, então ele deverá ficar cerca de
20 h dentro da câmara de pressurização.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
76
O produto bombing varia linearmente com a menor taxa de vazamento detectável. Se a
menor taxa de vazamento que pode ser medida pelo detector de vazamento de hélio
fosse 5.10-9 mbar.ℓ.s-1, ao invés de 5. 10-10 mbar.ℓ.s-1, então o tempo bombing seria de 8
dias, o que demonstra claramente a importância do emprego de um equipamento de
elevada sensibilidade na realização do ensaio bombing.
Para determinar a maior taxa de vazamento (qR,máx) que pode ser medida, calcula-se as
taxas de vazamento medidas em função das taxas de vazamento reais, e obtém-se a
curva apresentada na Figura 21. Nesta curva, para (qR,máx) tem-se a maior taxa de
vazamento que pode ser medida, que é, neste caso, aproximadamente 1,7 10-10
mbar.ℓ.s-1. Como a reta da figura 21 é ambígua, eventualmente é necessário utilizar
outro método de ensaio para detectar vazamentos grandes.
2.5 ESCOLHA DO MÉTODO DE ENSAIO
2.5.1 Conhecimentos Necessários para a Escolha do Método de Ensaio
O sucesso da localização de vazamento ou do ensaio de estanqueidade depende não
somente do cuidado com que o inspetor realiza a inspeção e da qualidade de seu
trabalho, como também da escolha do método de ensaio correto. Para que essa escolha
seja feita corretamente, é preciso que as condições e o objetivo do ensaio sejam
definidos com muita clareza em uma conversa com o cliente.
Antes de se escolher o método de ensaio a ser empregado na inspeção de um
determinado objeto, é preciso saber:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
77
–
Qual é a maior taxa de vazamento admissível especificada (obs.: segundo as
normas existentes, não se pode especificar uma taxa de vazamento zero);
–
Qual deve ser a pressão de ensaio;
–
Qual é a direção de ensaio à qual ele será submetido, isto é, se o objeto será
pressurizado ou evacuado (pressão no seu interior maior ou menor que a pressão
em seu exterior, respectivamente);
–
Se ele tem resistência mecânica suficiente para suportar a pressão (sobrepressão
ou vácuo) de ensaio à qual será submetido;
–
Se o que se deseja é localizar vazamento (ensaio local) a taxa de vazamento
(ensaio integral);
–
Se o que se deseja é avaliar a ordem de grandeza da taxa de vazamento;
–
Se existem aspectos técnicos relativos à segurança que precisam ser observados.
Pode ainda ser que outros fatores influenciem a escolha do método de ensaio a ser
empregado, como, por exemplo, a incompatibilidade do objeto de ensaio com o meio
de ensaio, ou o tipo e a forma do relatório desejado.
2.5.2 Áreas de Utilização e Limites de Detecção dos Principais Métodos de
Localização de Vazamento e de Ensaio de Estanqueidade
Atualmente, é possível medir taxas de vazamento dentro de uma faixa de mais de 12
ordens de grandeza. Ao longo do tempo, foram desenvolvidos, com o objetivo de
medir estas diferentes taxas de vazamento, diversos métodos de ensaio.
A Tabela 2 apresenta os métodos de localização de vazamento e de ensaio de
estanqueidade mais importantes, assim como as suas respectivas faixas de taxa de
vazamento detectável para condições de inspeção semelhantes às encontradas na
prática.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
78
Tabela 2 - Áreas de Utilização e Faixas de Taxa de Vazamento Detectável dos
Diferentes Métodos de Localização de Vazamento e de Ensaio de
Estanqueidade
para
Condições
de
Inspeção
Semelhantes
às
Encontradas na Prática.
As faixas de taxa de vazamento detectável dos diferentes métodos de ensaio
apresentadas na Tabela 2, devem ser consideradas, em princípio apenas como sendo
valores de referência. Alguns métodos de ensaio envolvem propriedades físicas. e/ou
condições de medição que limitam suas faixas de taxa de vazamento detectável. Muitas
vezes, porém, além das limitações impostas por estas propriedades e condições, estas
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
79
faixas são influenciadas pelas condições do ambiente em que a inspeção é realizada.
Normalmente é possível medir um valor durante um ensaio feito em laboratório com
uma precisão maior que aquela que se conseguiria caso a medição deste valor fosse em
uma inspeção em campo, quando geralmente as condições de ensaio são desfavoráveis.
Em vista do exposto acima, é fácil compreender porque as informações sobre as faixas
de taxa de vazamento detectável dos diferentes métodos de localização de vazamento e
de ensaio de estanqueidade encontradas na literatura podem ser tão díspares. Quando
uma fonte cita a taxa de vazamento de aproximadamente 10-6 mbar.ℓ.s-1.como sendo a
menor taxa de vazamento que se pode detectar com o método do ultra-som, por
exemplo, esta fonte não pode ser considerada, sob o ponto de vista físico ou técnico,
como sendo infidedigna. Sob o ponto de vista econômico, e também no que diz
respeito à praticidade, por outro lado, este valor é considerado como sendo incorreto,
visto que é necessário esperar 103 segundos, ou seja, 17 minutos, para que uma bolha
de 1 mm3 se forme.
A escolha de um determinado método de ensaio, porém, além de ter que ser feita
levando-se em consideração a faixa de taxa de vazamento detectável, tem ainda que ser
feita observando-se outros fatores. O método escolhido deve ser bastante seguro, bem
como excluir toda e qualquer possibilidade de que ele possa causar dano no objeto de
ensaio. Além disso, o custo de realização da inspeção também influencia bastante a
escolha entre um e outro método de ensaio. Este custo é relativo não só ao tempo de
realização da inspeção, como também aos equipamentos e instrumentos necessários e à
quantidade e ao tipo de gás de ensaio que será empregado.
A Figura 22, que mostra a freqüência com que descontinuidades com diferentes
tamanhos (ou seja, taxas de vazamento) são encontradas na pesquisa e nos diversos
segmentos da indústria, apresenta algumas informações importantes e que estão
correlacionadas com os dados fornecidos acima. Esta curva “freqüência versus
tamanho da descontinuídade”, que na realidade é uma curva de Gauss, permite
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
80
constatar que a maior parte das descontinuidades encontradas na prática apresenta uma
taxa de vazamento que se situa em torno de 10-4 mbar.ℓ.s-1. A partir de 10-8 mbar.ℓ.s-1,
outros efeitos se sobrepõem a esta curva, como o da permeação de gás em objetos que
são considerados como sendo estanques. Importante para o inspetor, contudo, é o fato
de que para localizar vazamento ou realizar ensaio de estanqueidade em um objeto que
apresente uma taxa de vazamento dentro da faixa de maior interesse, isto é, entre 1
mbar.ℓ.s-1 e 10-8 mbar.ℓ.s-1, existem vários métodos de ensaio à disposição que podem
ser uma boa alternativa de escolha.
Figura 22 – Freqüência com que descontinuidades com diferentes taxas de
vazamento são encontradas na pesquisa e nos diversos segmentos
da indústria.
2.5.3 Classificação dos Métodos de Localização de Vazamento e de Ensaio de
Estanqueidade Segundo a Norma DIN EN 1779
A Norma DIN EN 1779 apresenta, sistematicamente compilados em tabelas, e levando
em consideração as condições de inspeção mencionadas anteriormente, todos os
métodos de localização de vazamento e de ensaio de estanqueidade, sendo cada um
destes métodos caracterizado por uma letra e um algarismo.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
81
Além da menor taxa de vazamento detectável com cada método, são citados neste
anexo detalhes importantes relativos ao princípio de medição, os instrumentos e
equipamentos necessários para a inspeção, bem como as limitações e as restrições
relativas ao objeto de ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
81
3.0 SELEÇÃO DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS
3.1 TIPO DE INSPEÇÃO
Tabela 3 – Seleção do Tipo de Inspeção
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
82
3.2 MÉTODO DE INSPEÇÃO
Tabela 4 – Seleção do Método de Inspeção
Técnicas Preditivas à Inspeção
83
3.3 SELEÇÃO DE END
Figura 23 – Detecção de Falhas em Cilindro de Aço
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
84
3.4 GOTA FRIA
–
Categoria.- Inerente
–
Material- Materiais Fundidos Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial ou sub-superficial. Geralmente
indentações lisas na superfície fundida lembrando uma dobra de forjamento.
3.4.1 Análise Metalúrgica
Gotas frias são produzidas durante a moldagem do metal fundido. Elas podem resultar
de respingos, ondulações, vazamento interrompido ou encontro de dois extremos do
mesmo metal em diferentes direções. Também, solidificação de uma superfície antes
de outro material fluir sobre ele, a presença de filmes superficiais interpostos a
resfriamento, movimento lento, ou outro fator que possa prevenir a fusão onde duas
superfícies se encontram podem produzir gotas falhas.
Elas são encontradas em
fundidos, aos quais são moldados com muitos canais de corrida.
3.4.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.4.2.1 Líquido Penetrante
–
Normalmente usado para avaliar superfícies corri gota fria em materiais ferrosos
e não ferrosos.
–
Poderão aparecer como lisos regular, contínuos, ou indicações intermitentes
razoavelmente semelhantes para uma seção cruzada de uma área em que isso
ocorre.
–
Líquidos penetrantes para ensaiar ligas a base de níquel (tal como Inconei "X,"
Rene41) não poderiam exceder 0,5% de enxofre.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
85
–
Certos moldes podem ter superfícies que podem ser escurecidos e para remover o
excesso de penetrante pode ser difícil.
–
Configurações geométricas (descontinuidades, orifícios e flanges) podem
permitir acúmulos de umidade e deste modo mascarar algumas indicações de
descontinuidade.
3.4.2.2 Partícula Magnética
–
Normalmente utilizado para avaliar materiais ferrosos.
–
A natureza metalúrgica da liga 431 resistente a corrosão em alguns casos
apresenta indicações no ensaio de partícula magnética que não resultam de trinca
ou outra descontinuidade mais grave. Estas indicações aparecem a partir de uma
estrutura duplex interna ao material, na qual uma porção exibe retentilvilidade
magnética e a outra não.
3.4.2.3 Radiografia
–
Geralmente detectado por radiografia em conjunto com outros tipos de
descontinuidades.
–
Aparece corto uma distinta linha escura ou faixas de larguras e comprimentos
variáveis e definindo linhas externas continuas.
–
Algumas configurações de moldes podem ter áreas inacessíveis que somente
podem ser detectadas por radiografia.
As figuras 24,25 e 26 demonstram exemplos de Descontinuidades de Gota Fria.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
86
Figura 24 – Superfícies com Gota Fria
Figura 25 – Gota Fria Interna
Figura 26 – Micrografia de Superfície com Gota Fria
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
87
3.5 TRINCAS EM CONCENTRADORES DE TENSAO (PARAFUSOS)
–
Categoria: Serviço
–
Material: Materiais Trabalhados Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Localizado na junção do filete
com o corpo do parafuso e com progressão
3.5.1 Análise Metalúrgica
Trincas em concentradores de tensão (cabeça do parafuso) ocorrem onde há uma
sensível mudança de diâmetro, assim como entre a transição da região da cabeça com o
corpo onde concentradores de tensão são criados. Durante a aplicação do parafuso em
serviço, repetidos esforços vão surgindo, resultando em sobrecargas na operação do
mecanismo. Estas tensões podem causar falhas por fadiga, iniciando no ponto onde
concentradores de tensões são formados.
Falha por fadiga, que é um fenômeno
superficial, sempre Inicia na superfície e propaga-se para o centro.
3.5.2.Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.5.2.1 Ultra-Som
–
Usado extensivamente em serviços para detectar descontinuidades desse tipo.
–
Uma ampla seleção de transdutores e equipamentos para monitorar evoluções de
trincas de concentradores.
–
Tomando como referência a quebra de um material, pode-se tê-lo como modelo
para monitoramento por ultra-som.
–
Equipamentos de ultra-som tem extrema sensibilidade. e padrões estabelecidos
podem ser usados para dar resultados reproduzíveis e reais.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
88
3.5.2.2 Líquido Penetrante
–
Normalmente usado em serviços de revisão ou manutenção corretiva.
–
Podem ser usados para parafusos ferrosos ou não ferrosos
–
Podem revelar indicações bem definidas.
–
Danos estruturais ao material podem resultar de exposição a removedores
alcalinos, soluções dioxidantes, etc.
–
Restos de materiais usados no ensaio que permanecerem em furos, canais e/ou
áreas similares, podem causar corrosão.
3.5.2.3 Partícula Magnética
–
Normalmente usado em parafusos ferrosos
–
Poderão aparecer indicações claras com composto pesado.
–
Áreas de filetes finos podem produzir indicações magnéticas irrelevantes.
As figuras 27,28 e 29 demostram exemplos de Trincas em Concentradores de Tensão.
Figura 27 – Fratura na Mudança de Seção
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
89
Figura 28 - Superfície com Falha
Figura 29 – Área da Seção na Seção Longitudinal
3.6 TRINCAS DE RETIFICA
–
Categoria - Processos
–
Material- Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Na origem apresenta-se clara e
na superfície. Similar a trincas causadas por tratamento térmico e usualmente,
mas nem sempre, ocorre em grupos. Trincas de retifica são geralmente em
ângulos retos a direção de esmerilhamento. São encontradas em componentes
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
90
tratados, cromados, cimentados e materiais cerâmicos que são submetidos a
operações de retifica.
3.6.1 Análise Metalúrgica
Retificas de superfícies cimentadas freqüentemente introduzem trincas. Estas trincas
térmicas são causadas por superaquecimento localizado na superfície.
O
superaquecimento é causado por deficiência de refrigeração, rebolo de retifica
inadequado, para desbaste rápido, ou para corte pesado.
3.6.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.6.2.1 Líquido Penetrante
–
Geralmente usado em materiais ferrosos e não ferrosos para a detecção de trincas
de retifica.
–
As indicações de Líquido Penetrante podem apresentar-se irregulares, pausadas.
tipo rachaduras ou linhas finas.
–
Trincas são na maioria descontinuidades difíceis de indicação e requerem um
longo tempo de penetração.
–
Peças que foram previamente desengorduradas podem conter solventes nas
descontinuidades e deve-se dar tempo suficiente para sua evaporação antes da
aplicação do penetrante.
3.6.2.2 Partícula Magnética
–
Restrito a materiais ferrosos.
–
Trincas de retifica são geralmente em ângulos a direita do sentido de usinagem.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
91
–
A sensibilidade magnética decresce com a redução do tamanho da trinca e com o
aumento da profundidade.
As figuras 30,31 e 32 demonstram exemplos de Trincas de Retifica.
Figura 30 – Trinca Típica de Retifica
Figura 31 – Trinca de Retifica Normal e Retifica
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
92
Figura 32 – Micrografia da Trinca de Retifica
3.7 TRINCAS DE JUNTAS DE EXPANSÃO
–
Categoria: Processos
–
Material: Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Abrange tamanhos de
microfraturas até fissuras abertas. Situadas no perímetro das juntas de expansão
e estende-se longitudinalmente na direção de laminação.
3.7.1 Análise Metalúrgica
O estado de "casca de laranja" das trincas de juntas de expansão é o resultado de cada
uma forma de operação que traciona o material ou de ataques químicos assim como
tratamento de decapagem.
A superfície áspera contém pequenos “pits”, os quais
formam concentradores de tensão. Subseqüentes aplicações de serviço (vibração e
flexão) podem introduzir tensões que agem sobre estes “pits” e formam trincas de
fadiga.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
93
3.7.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.7.2.1 Radiografia
–
Uso extensivo para este tipo de falha
–
Configuração do componente e localização da descontinuidade limitam a
detecção quase que exclusivamente por radiografia.
–
Orientação de juntas de expansão para fontes de raio X é muito crítica, já que
estas descontinuidades, que não são normais para raio X, podem não registrar em
um filme adequado para a necessidade de diferenciação na densidade.
–
Liquido Penetrante e Partícula Magnética podem suprir mas não substituir a
Radiografia e o ultra-som.
–
O tipo de material de mercadores (lápis com graxa sobre titânio) usados para
identificar as áreas de descontinuidades podem afetar a estrutura do componente.
As figuras 33,34,35 e 36 demonstram exemplos de Trincas de Expansão.
Figura 33 – Conexão Típica de Junta de Expansão
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
94
Figura 34 - Trincas Transversais de juntas de Expansão
Figura 35 – Ampliação da Trinca Mostrando Casca de Laranja
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
95
Figura 36 – Micrografia da Junta de Expansão
3.8 TRINCAS DE ZONA AFETADA
–
Categoria: Processos (Conjuntos Soldados)
–
Material: Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Muitas vezes profundas e finas.
Usualmente paralelas com a solda na zona de calor afetada de conjuntos
soldados.
3.8.1 Análise Metalúrgica
Trincas a quente da zona afetada de conjuntos soldados aumentam severamente com o
aumento da concentração de carbono. O aço que contem mais de 0,30 % de carbono
são propícios para este tipo de falha e requerem pré-aquecimento para soldagem.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
96
3.8.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.8.2.1 Partícula Magnética
–
Normalmente usado para conjuntos soldados ferrosos.
–
Abertura de arcos são danosos. especialmente em componentes. Podendo
contribuir para a falha estrutural do componente.
–
Desmagnetizar de componentes temperados pode ser muito difícil devido a sua
estrutura metalúrgica.
3.8.2.2 Líquido Penetrante
–
Normalmente usado para conjuntos soldados não ferrosos.
–
Material que tiver sua superfície alterada. borrada ou combinada devido ao
processo de fabricação, não deve ser ensaiada com líquido penetrante até a
incrustação da superfície ser removida.
–
Testes de Líquido Penetrante após a aplicação de certos tipos de revestimentos de
filme químico podem ser inválidos devido a cobertura ou o revestimento das
descontinuidades.
3.8.2.3 Ultra-Som
–
Usado
onde
aplicações
específicas
foram
desenvolvidas.
Padrões
procedimentos rígidos são requeridos para validar os testes.
–
A configuração superficial e o maior fator na deflexão do feixe de ondas.
As figuras 37 e 38 demonstram exemplos de Trincas de Zona Afetada.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
e
97
Figura 37 - Micrografia de Solda e Zona Afetada Mostrando Trinca
Figura 38 - Micrografia da Trinca Mostrada na Figura 37
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
98
3.9 TRINCAS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
–
Categoria: Processos
–
Material: Materiais Fundidos e Trabalhados Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial.
Usualmente profundas e
bifurcadas. Raramente seguido de modelos definido e podem ser em qualquer
direção do componente. Originam-se em áreas com mudança abrupta de seção do
material. arestas, fendas, entalhes e descontinuidades que estiverem expostas à
superfície do material.
3.9.1 Análise Metalúrgica
Durante os processos de aquecimento e resfriamento, tensões localizadas podem surgir
devido a aquecimento ou resfriamento desigual, restringindo a dilatação dos
componentes ou de uma inadequada mudança de seção de espessura. Estas tensões
podem exceder a tensão de ruptura do material causando trincas. Onde concentradores
de tensão ocorrem (rasgos de chaveta ou entalhes) trincas adicionais poderão
desenvolver-se.
3.9.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.9.2.1 Partículas Magnéticas
–
Para materiais ferrosos, trincas de tratamento térmico são normalmente
detectadas pelo ensaio de Partículas Magnéticas.
–
As indicações de partículas magnéticas poderão ser retas bifurcadas ou
curvilíneas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
99
–
Prováveis pontos de origem são áreas que poderão desenvolver concentradores
de tensão, tais como, rasgos de chaveta, filetes ou áreas com rápida mudança de
seção.
–
Estruturas
metalúrgicas
de
aços
inoxidáveis
envelhecidos
e
tratados
termicamente, podem produzir indicações irrelevantes.
3.9.2.2 Líquido Penetrante
–
O método é recomendado para materiais não ferrosos.
–
Pontos prováveis de origem. podem ser os mesmos listados acima para Partícula
Magnética
As figuras 39 e 40 demonstram exemplos de Trincas de Tratamento Térmico.
Figura 39 - Trincas em Concentradores de Tensão
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
100
Figura 40 - Trincas de Tratamento Térmicos devido a entalhes de Usinagem
3.10 TRINCAS SUPERFICIAIS DE CONTRAÇÃO
–
Categoria- Processos (Soldagem)
–
Material- Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Situado na superfície da solda,
zona de fusão e metal base. Tamanhos que variam de muito pequenos,
compridos, rasos a abertos e profundos. Trincas podem correr paralelas ou
transversais a direção da solda.
3.10.1 Análise Metalúrgica
Trincas superficiais de contração são geralmente o resultado da aplicação de calor
inadequado, também em aquecimentos ou soldagens de componentes. Aquecimento ou
resfriamento de áreas localizadas podem propiciar tensões que excedam a tensão de
ruptura do material causando a ruptura do mesmo. Restrições de movimento
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
101
(contração ou expansão) de materiais durante aquecimento, resfriamento ou soldagem,
podem também propiciar tensões excessivas.
3.10.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.10.2.1 Líquido Penetrante
–
Trincas superficiais de contração são normalmente detectadas por líquido
penetrante.
–
Equipamentos para Líquido Penetrante são portáteis e podem ser usados durante
o controle de processos para soldagens de materiais f erros os e não ferrosos.
–
Montagens que são junções por parafusos, rebites, soldagens intermitentes ou
encaixes de pressão poderão reter o penetrante, que poderá vazar após a
revelação e mascararas superfícies adjacentes.
–
Quando componentes são secados em um secador de ar quente ou por métodos
similares, temperaturas de secagem excessivas deverão ser evitadas para prevenir
a evaporação do penetrante.
3.10.2.2 Partícula Magnética
–
Soldagens de materiais ferrosos são normalmente testados por Partículas
Magnéticas.
–
Descontinuidades superficiais que são paralelas ao campo magnético não
produzirão indicações, logo, não irão interrompe
ou distorcer o campo
magnético.
–
Áreas de conexões, acentos de mancais ou outros itens podem acumular
partículas, interferindo no ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
102
3.10.2.3.Correntes Parasitas
–
Normalmente confinado para soldas em tubos não ferrosos.
–
Sondas ou bobinas poderão ser usadas em componentes que permitam sua
aplicação.
As figuras 41,42 e 43 demonstram exemplos de Trincas Superficiais de Contração.
Figura 41 - Trincas Transversais na Zona Termicamente Afetada
Figura 42 – Trinca Estrela
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
103
Figura 43 – Trinca de Contração Térmica do passe
3.11 TRINCAS DE FILETES DE ROSCAS
–
Categoria: Serviços
–
Material: Materiais Trabalhados Ferrosos e Não Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Trincas são transversais ao grão
(transgranular) iniciando na raiz do filete.
3.11.1 Análise Metalúrgica
Falhas por fadiga deste tipo não são incomuns. Altos ciclos de tensão de vibrações e/ou
flexão agem em pontos de tensão criados na raiz do filete e provocam trincas. Trincas
de fadiga podem iniciar em descontinuidades submicroscópias finas e/ou trincas e
propagam na direção das tensões aplicadas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
104
3.11.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.11.2.1 Líquido Penetrante
–
Penetrante Fluorescente é mais recomendado do que o não fluorescente.
–
Solventes de baixa tensão superficial tal como gasolina e querosene, não são
recomendados para limpeza.
–
Ao aplicar Líquido Penetrante em componentes dentro de uma linha de
montagem ou estrutura, as áreas adjacentes poderão ser efetivamente cobertas
para prevenir uma acidental aplicação com o spray.
3.11.2.2 Partículas Magnéticas
–
Normalmente usado em materiais ferrosos.
–
Indicações magnéticas irrelevantes podem resultado da configuração da rosca
–
Limpezas de titânio e aços inoxidáveis 440C em hidrocarbonetos haloízenados
poderão resultar em danos estruturais no material.
As figuras 44,45,46 e 47 demonstram exemplos de Trinca de Filetes de Rosca.
Figura 44 - Falha no Filete da Rosca
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
105
Figura 45 – Típica Falha de Filete de Rosca
Figura 46 – Micrografia da Figura 44 Mostrando Falha na Base da Rosca
Figura 47 – Micrografia da Figura 45 Mostrando Trinca Transgranualr no Filete
da Rosca
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
106
3.12 FLOCOS DE HIDROGÊNIO
–
–
Categoria-Processos
Material: Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Fissuras internas em uma superfície
fraturada, flocos aparecem como áreas brilhantes prateadas. Em uma superfície
atacada eles aparecem como descontinuidades pequenas. Algumas vezes,
conhecidos como trincas de linha fina, quando revelados por usinagem, flocos,
são extremamente finos e geralmente alinhados paralelamente com o grão. Eles
são usualmente encontrados em forjamento pesado, pallets e barras.
3.12.1 Análise Metalúrgica
Flocos são fissuras internas atribuídas a tensões produzidas por deformações
localizadas e diminuição da solubilidade de hidrogênio durante o resfriamento após
trabalho a quente. Usualmente encontrado somente em forjamento pesado.
3.12.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.12.2.1 Ultra-Som
–
Usado extensivamente para a detecção de flocos de hidrogênio.
–
Materiais em condições trabalhadas podem ser inspecionados usando método de
imersão ou de contato. As condições superficiais determinarão o método mais
adequado.
–
Na apresentação A-scan, flocos de hidrogênio aparecerão como picos na tela ou
como perda de sinal refletido.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
107
–
Todos os materiais estranhos (camadas solta. Sujeira, óleo, graxa) deverão ser
removidos antes do ensaio. Superfícies irregulares tais como entalhes, marcas de
ferramentas e irregularidades podem causar perda de sinal refletido.
3.12.2.2 Partícula Magnética
–
Normalmente usado em componentes acabados de usinarem.
–
Flocos apresentam-se como pequenas descontinuidades e assemelham-se com
trincas de linha fina.
–
Superfícies usinadas com marcas de ferramentas profundas podem mascarar a
detecção de flocos.
–
Quando a direção da descontinuidade é questionada. poderá tomar-se necessário
a magnetização em duas ou mais direções.
As figuras 48 e 49 demonstram exemplos de Flocos de Hidrogênio.
Figura 48 - SAE 4340 Rejeitado devido a Flocos de Hidrogênio
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
108
Figura 49 - Seção Transversal da Figura 48 Mostrando Condições dos Flocos no
Centro do Material
3.13 FRAGILIZACÃO POR HIDROGÊNIO
–
Categoria: Processos E Serviços
–
Material: Ferrosos
–
Características de Descontinuidades: Superficial. Pequeno, com nenhuma
orientação ou direção. Encontrados em materiais tratados termicamente que
foram sujeitos a decapagem e/ou revestimento e em materiais expostos ao
hidrogênio livre.
3.13.1 Análise Metalúrgica
Operações tais como decapagem e limpeza prévia por eletrodecapagam ou
eletrodeposição geram hidrogênio na superficie do material. Este hidrogênio uma vez
penetrado na superficie do material, provoca de imediato a fragilização e trincas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
109
3.13.2 Métodos de Aplicação e Limitações de END
3.13.2.1 Partículas Magnéticas
–
Indicações magnéticas aparecem acompanhando a fratura.
–
Trincas de fragilização por hidrogênio são orientadas e podem estar na mesma
direção do campo magnético randonicamente.
–
Testes com partículas magnéticas podem ser feitos antes e depois do processo de
revestimento.
–
Cuidados podem ser tomados para não se ter erros ou indicações irrelevantes ou
danos causados por peças submetidas a superaquecimento.
–
Aços 301 resistentes a corrosão não são magnéticos em condições de
recozimento, mas são magnéticos com trabalhos a frio.
As figuras 50,51 e 52 demonstram exemplos de trincas por fragilização por hidrogênio.
Figura 50 – Detalhe da Trinca da Fragilização por Hidrogênio
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
110
Figura 51 - Fragilização por Hidrogênio com Trinca Atravessando a camada de
Cromo
Figura 52 - Fragilização por Hidrogênio com Trinca Atravessando abaixo da
Camada Cromada
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
111
4.0 ULTRA SOM
4.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS
Entre o ciciar das folhas de um bosque e o estrondo de um avião supersônico, estendese o campo de sensibilidade do ouvido humano.
O órgão auditivo do homem não pode realmente perceber sons em quaisquer
intensidades ou freqüências. Entre os dois extremos de audibilidade, se estabelece toda
gama contínua de sons que o ouvido humano, alem de perceber; ainda identifica se
onde precede, qual sua entoação e dentro de certos limites, a espécie da fonte sonora
que os produziu. No passado os testes de eixos ferroviários ou mesmo sinos, eram
executados através de testes com martelo, em que o som produzido pela peça,
denunciava a presença de rachaduras ou trincas grosseiras, por outro lado, sons
extremamente graves ou agudos podem passar desapercebidos pelo aparelho auditivo
humano, não por deficiência do mesmo, mas por caracterizarem vibrações com
freqüências muito baixas (Infra-som) ou com freqüências muito altas (Ultra -som),
ambas inaudíveis.
A parte da física que estuda o som, assim como as vibrações mecânicas, denominam-se
acústica que descreve suas leis e características ondulatórias.
Como sabemos, os sons produzidos em um ambiente quaisquer, refletem-se ou
reverberam nas paredes que constituem o mesmo, podendo ainda ser transmitidos a
outros ambientes.
Fenômenos como estes apesar de simples, e freqüentes em nossa vida cotidiana,
constituem os fundamentos do ensaio ultra-sônico de materiais. Assim como uma onda
sonora reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultra-sônica ao
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
112
percorrer um meio elástico refletirá da mesma forma, ao incidir numa descontinuidade
ou falha interna a este meio considerado. Através de aparelhos especiais, detectamos as
reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as
descontinuidades. Tal processo será mais bem detalhado nos capítulos seguintes.
4.1.1 Finalidade do Exame
O ensaio por ultra-som caracteriza-se num método não destrutivo que tem por objetivo
a detecção de defeitos ou descontinuidades internas, presentes nos mais variados tipos
ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos.
Tais defeitos são caracterizados pelo próprio processo de fabricação da peça ou
componente a ser examinada como, por exemplo: bolhas de gás em fundidos, dupla
laminação em laminados, micro-trincas em forjados, escorias em uniões soldados e
muitos outros.
Portanto, o exame ultra-sônico assim como todo exame não destrutivo visa diminuir o
grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidades.
4.1.2 Campo de Aplicação
Em 1929 o cientista Sokolov; fazia as primeiras aplicações da energia sônica para
atravessar materiais metálicos enquanto que em 1942 Firestone utilizava o principio da
ecosonda ou ecobatímetro, para exames de materiais.
Somente em 1945 o ensaio ultra-sônico iniciou sua caminhada em escalas industriais
impulsionado pelas necessidades e responsabilidade cada vez maiores.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
113
Hoje, na moderna industria, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas
marítimas, o exame ultra-sônico constituiu uma ferramenta indispensável para a
garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, geometria complexa de juntas
soldadas e chapas. Na maioria dos casos, os exames são aplicados em aços carbonos,
em menor porcentagem em aços inoxidáveis. Materiais não ferrosos podem ser
examinados, entretanto, requerem procedimentos especiais.
4.1.3 Limitações em Comparação com Outros Exames
4.1.3.1 Vantagens em Relação a Outros Exames:
O método ultra-sônico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas
descontinuidades internas, por exemplo: trincas devido a tratamento térmico, fissuras e
outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (Radiografia ou
Gamagrafia) Para a interpretação das indicações, dispensa processos intermediários,
agilizando a inspeção. No caso da radiografia ou gamagrafias existe a necessidade do
processo de revelação do filme, que via de regra demanda tempo no informe de
resultados.
Ao contrario dos ensaios por radiações penetrantes, o exame ultra - sônico não requer
planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.
A localização, avaliação do tamanho e interpretação das descontinuidades encontradas
são fatores intrínsecos ao exame ultra - sônico enquanto que outros exames não
definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define
o tamanho, mas não sua profundidade, e em muitos casos este é um fator importante
para proceder a um reparo.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
114
4.1.3.2 Limitações em Relação a Outros Exames
Requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor. O registro
permanente do teste não é facilmente obtido. Faixas de espessuras muito finas
constituem uma dificuldade para aplicação do método.
Requer o preparo da superfície para sua aplicação. Em alguns casos de inspeção de
solda, existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, que demanda tempo
de fábrica.
4.2 PRINCÍPIOS FÍSICOS
4.2.1 Vibrações Ultra-Sônicas
Como já vimos, o teste ultra-sônico de materiais é feito com uso de ondas mecânicas
ou acústicas colocadas no meio em inspeção, ao contrário da técnica radiográfica que
usa ondas eletromagnéticas.
Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas, no meio em
que se propaga. A passagem de energia acústica pelo meio faz com que as partículas
que compõem o mesmo, execute um movimento de oscilação em torno da posição de
equilíbrio cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo, em decorrência
da perda da energia adquirida pela onda. Se assumirmos que o meio em estudo é
elástico, ou que as partículas que compõe não estão rigidamente ligadas, mas que
podem oscilar em qualquer direção, então podemos classificar as ondas acústicas em
quatro categorias.
–
Ondas Longitudinais (ou ondas de compressão): São ondas cujas partículas do
meio vibram na mesma direção da propagação de onda.Conforme Figura 53.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
115
Figura 53 – Onda Longitudinal
NOTA: As partículas oscilam na mesma direção de propagação podendo ser
transmitidas em sólidos, líquidos e gases.
No desenho anterior: nota-se que o primeiro plano de partículas vibra e transfere sua
energia cinética para os próximos planos de partículas, que passam a oscilar. Desta
maneira, todo o meio elástico vibra na mesma direção de propagação da onda
(longitudinal), e aparecerá “zona de compressão" e "'zonas diluídas". As distâncias
entre duas zonas de compressão determinam o comprimento de onda (λ).
Em decorrência do processo de propagação, este tipo de onda possui uma alta
velocidade de propagação, característica do meio.
Exemplo:
Aço ------------------------------------------- VL = 5920 m/s
Água ------------------------------------------ VL = 1480 m/s
Ar -------------------------------------------- VL = 330 m/s
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
116
–
Ondas transversais (ou ondas de corte ou cisalhamento):Uma onda transversal é
definida, quando as partículas do meio vibram na direção perpendicular ao de
propagação(Figura 54). Neste caso, observamos que os planos de partículas,
mantém-se na mesma distância um do outro se movendo apenas verticalmente.
Figura 54 – Onda Transversal
NOTA: As partículas oscilam na direção transversal é a direção de propagação,
podendo ser transmitidas somente em sólidos.
O comprimento de onda é à distância entre dois “vales” ou dois “picos", como mostra
a figura anterior:
As ondas transversais são praticamente incapazes de se propagarem nos líquidos e
gases, pela característica das ligações entre partículas destes meios.
–
Ondas superficiais ou Ondas de Rayleigh: São assim chamadas, pela
característica de se propagar na superfície dos sólidos. A Figura 55 mostra a
superfície de separação entre dois meios diferentes, ar e aço, e a onda superficial
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
117
se propagando, não de maneira estritamente senoidal, pelo fato das partículas do
meio executarem um movimento elíptico em torno da posição de equilíbrio.
Figura 55 - Onda Superficial
NOTA: As partículas adquirem um movimento elíptico, na superfície de separação
entre dois meios diferentes.
Devido ao complexo movimento oscilatório das partículas da superfície, a velocidade
de propagação da onda superficial entre duas fases diferentes é de aproximadamente
10% inferior que a de uma onda transversal.
Para o tipo de onda superficial, que não possui a componente normal, portanto se
propaga em movimento paralelo à superfície e transversal em relação à direção de
propagação recebe a denominação de ondas de "Love".
Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem outros
materiais.
–
Ondas de Lamb: Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de
onda próxima à espessura da chapa ensaiada; neste caso a inspeção não se
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
118
restringe somente à superfície, mas todo material e para esta particularidade
denominamos as ondas superficiais de ondas de "Lamb" (figuras 56 e 57).
Figura 56 – Ondas Superficiais de Lamb
Figura 57 – Ondas de “Lamb”
NOTA: As ondas de “Lamb” podem ser geradas a partir das ondas longitudinais,
incidindo segundo um ângulo de inclinação em relação a chapa. A relação entre o
ângulo e a velocidade é feita pela relação.
O ensaio ultra-sônico de materiais com ondas superficiais são aplicados com severas
restrições, pois somente são observados defeitos de superfícies e nestes casos, existem
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
119
processos mais simples para a detecção destes tipos de descontinuidades, dentro dos
testes não destrutivos, como por exemplo, o Líquido Penetrante e Partículas
Magnéticas (figuras 58 e 59), que em geral são de custo e complexidade inferior ao
teste ultra-sônico.
Figura 58 - Indicação Típica por Líquido Penetrante por Partícula Magnética
Figura 59 - Indicação típica
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
120
4.2.2 Freqüência, Velocidade e Comprimento de Onda
4.2.2.1 Freqüência:
Freqüentemente, em nossa vida cotidiana, observamos determinados tipos de
movimentos particulares, cujo fenômeno se repete de tempos em tempos. Por exemplo,
o movimento de um pêndulo, a trajetória de um satélite artificial ao redor da Terra, o
movimento dos ponteiros de um relógio, e outros. A estes movimentos denominamos
movimentos periódicos, pois se repetem periodicamente.
Definimos, Freqüência, como sendo o numero de vezes que o fenômeno se repete por
unidade de tempo.
Os fenômenos de vibrações mecânicas e suas propagações nos meios, também são
exemplos de oscilações ou movimentos periódicos e para um dado tempo de
periodicidade, ou seja, a freqüência, classificamos os mesmos.
As ondas acústicas, ou o som propriamente dito, são classificadas de acordo com suas
freqüências e medido em ciclos por segundo, ou seja, o numero de ondas que passam
por segundo pelo nossos ouvidos. A unidade “ciclos por segundo” é normalmente
conhecida por "Hertz", abreviatura "Hz".
Assim sendo, se tivermos um som com freqüência, 280 Hz, significa que por segundo
passam 280 ciclos ou ondas pelos nossos ouvidos. A Figura 60 mostra toda gama de
freqüências sonoras. Note que freqüências acima de 20.000 Hz são inaudíveis,
denominada freqüência ultra-sônica.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
121
Figura 60 – Seleção de Freqüências em Função de Audibilidade do Som
NOTA: Considera-se 20 KHz o limite superior audível, denominando-se a partir deste,
freqüência ultra-sônica
4.2.2.2 Velocidade de Propagação:
Existem varias maneiras de uma onda sônica se propagar; e cada uma com
características particulares de vibração diferentes.
Definimos "velocidade de propagação" como sendo a distância percorrida pela onda
sônica por unidade de tempo. É importante lembrar que a velocidade de propagação é
uma característica do meio, sendo uma constante, independente da freqüência.
A Tabela 5 mostra os diferentes materiais em função da velocidade de propagação e
modos de vibração.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
122
Tabela 5 - Relação do Material com a Velocidade de Propagação e ao Modo de
Vibração
3
M AT E RIA L
D E NS ID AD E (K g/m )X 1 0
A lum ínio
Ch um bo
Fe rr o(A ço )
Fe rro Fu ndi do
C obre
Latã o
Níq uel
V i dro
B orr acha M ol e
B orr acha Du ra
P le x igla s
P olie stirol
Á g ua a 20ºC
Ól eo
P orc ela na
A rald ite
T eflo n
2 ,70
1 1,4
7 ,70
7 ,20
8 ,90
8 ,10
8 ,80
2 ,50
0 ,90
1 ,20
1 ,18
1 ,06
1 ,00
0 ,87
2 ,40
1 ,18
2 ,2
3
V E L OC IDA DE ( Km /se g)
Lo ngo
6,32
2,16
5,92
3,5 a 5 ,6
4 ,7
3,83
5,63
5,66
1,48
2,30
2,73
2,67
1,4 83
1,74
5,6 a 6 ,2
2,50
1,35
Tra ns v.
3,13
0,70
3,23
2,2 a 3 ,2
2,26
2,05
2,96
3,42
-- ---- ------- ---- -----1,43
------------- ---- ------- ---- -----3,5 a 3 ,7
1,10
------------
4.2.2.3 Comprimento de Onda:
Quando atiramos uma pedra num lago de águas calmas, imediatamente criamos uma
perturbação no ponto, atingido e formando assim, ondas superficiais circulares que se
propagam sobre a água.
Neste simples exemplo, podemos imaginar o que definimos anteriormente de
freqüência como sendo o número de ondas que passam por um observador fixo,
também podemos imaginar a velocidade de propagação pela simples observação e
ainda podemos estabelecer o comprimento entre dois picos de ondas consecutivos. A
esta medida denominamos comprimento de onda e representaremos pela letra grega
lambda "λ".
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
123
4.2.2.4 Relações entre Velocidade Comprimento de Onda e Freqüência:
Considerando uma onda sônica se propagando num determinado material com
velocidade "v", freqüência "f" e comprimento de onda "λ", podemos relacionar estes
três parâmetros conforme Equação 13:
V = λ. f
Equação 13 - Velocidade de uma Onda Sônica
A relação acima permite calcular o comprimento de onda, pois a velocidade é em geral
conhecida e depende somente do modo de vibração e o material. Por outro lado à
freqüência depende somente da fonte emissora, que também é conhecida.
Exemplo de aplicação: uma onda longitudinal ultra-sônica, com freqüência 2 MHz é
utilizada para examinar uma peça de aço. Qual o comprimento de onda gerado no
material?
NOTA: Como vimos anteriormente, a faixa de freqüência normal utilizada para
aplicações industriais compreende entre 1 MHz até 5 MHz. No exemplo acima a
freqüência de 2 Mhz corresponde a 2 milhões de ciclos por segundos ou seja 2 x 106
Hz.
Aplicando a Equação 13, teremos:
V = λf ou λ =
λ=
V
, sendo V= 5920m/s, ver tabela “A”
f
5920
metros , logo λ = 2,95mm
2 x106
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
124
O conhecimento do comprimento de onda é de significante importância, pois se
relaciona diretamente com o tamanho do defeito a ser detectado. Conforme Figura 61.
Figura 61 – Influência do Comprimento de Onda na Detecção de
Descontinuidades
NOTA: A situação(b) da figura é a mais propícia para a detecção do defeito
apresentado.
4.2.3 - Propagação de Ondas
Descrevemos os meios de propagação como sendo formados de partículas ligadas entre
si que podiam vibrar numa posição. Compreendemos, no entanto, que o meio no qual a
onda se propaga não apresenta alteração permanente com a passagem da perturbação.
Ocorre apenas um deslocamento da porção infinitesimal, atingido pelo pulso. Isto
significa que a propagação da perturbação, ou onda sônica, de um ponto para outro não
implica em transporte de matéria entre esses pontos, mas somente transmissão de
energia.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
125
Em outras palavras, a onda transmite energia sem transportar matéria. É evidente a
impossibilidade da transmissão do som no vácuo, pela ausência de matéria.
A onda sônica, ao transmitir de um meio ao outro com características acústicas
diferentes, sofre uma mudança na sua velocidade, como já vimos, e também no
comprimento de onda. Entretanto o único parâmetro que permanece constante é a
freqüência.
Outro parâmetro que se altera é a energia ou intensidade sônica. A energia sônica ao
ser transmitida de um meio ao outro, com características acústicas diferentes, diminui
em virtude da reflexão sofrida pela onda neste meio. O plano ou secção da mudança
das características acústicas (velocidade, densidade) denomina-se interface. Para cada
interface que a onda encontra em sua propagação, existe a perda da sua intensidade
sônica e conseqüente reflexão.
Uma descontinuidade interna e presente num material, via de regra inclusões não
metálicas, bolhas de gás, representam uma interrupção na continuidade das
propriedades acústicas do material, e, portanto interfaces. Este fundamento é de vital
importância e nele se baseia o exame ultra - sônico.
4.2.4 Impedância Acústica
Sabemos, que quando uma onda sônica se propaga no meio, com características
acústicas bem definidas, tais como velocidade de propagação, densidade específica,
incide numa interface, parte da energia acústica será transmitida e parte refletida.
Vejamos um caso mais simples da Figura 62, onde uma onda incide normalmente à
interface.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
126
Figura 62 – Onda Plana Incidindo numa Interface
NOTA: Parte da energia sônica se reflete e parte se transmite, em diferentes
proporções.
Se o meio 2 representar uma descontinuidade qualquer; neste caso, a onda ou energia
refletida será objeto de análise. No entanto se o meio 2 representar o material a ser
examinado, neste caso a onda transmitida terá maior interesse. Materiais como Clad,
ou exame ultra-sônico pela técnica de coluna d'água, são exemplos disto. A energia
transmitida ou refletida depende exclusivamente da Impedância Acústica dos meios
em questão. A Impedância acústica é definida como sendo o produto da velocidade de
propagação pela densidade especifica do mesmo, e simbolizamos pela letra "Z".
Assim:
z = ρV
Equação 14 – Impedância Acústica
Onde: ρ = densidade específica.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
127
Exemplo de Aplicação:
Sendo a velocidade de propagação no aço de 5.900 m/s, e densidade. Especifica de 7,7
9/cm3, determine a Impedância Acústica para o aço.
Solução: Aplicando a Equação. 14, acima, e reduzindo os valores dados às unidades
coerentes temos:
ρ = 7,7 g / cm3 = 7700kg / m3
Z = 5900 x7700kg / m 2 seg
Z = 45 x106 kg / m 2 seg
A porcentagem da energia sônica que pode ser transmitida de um meio ao outro, pode
ser calculado através das relações abaixo:
T ´=
R´=
2Z 2
Z1 + Z 2
Z 2 − Z1
Z1 + Z 2
Equação 15 - Porcentagem da Energia Sônica
Z1 e Z2 são respectivamente as Impedâncias Acústicas do meio 1 e meio 2. T' é o fator
de transmissão e R' de reflexão.
Analisando a Equação 15 verificamos que quando o valor de Z1 se aproxima a Z2 a
transmissão atinge o máximo valor: O coeficiente de reflexão "R” pode ser calculado,
sabendo-se que R+ 1 = T.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
128
Exemplo de Aplicação:
Considere dois meios diferentes tais como AÇO e ÁGUA. Calcule, para ondas
longitudinais, os valores da TRANSMISSÃO Sônica e da Reflexão.
Solução:
Z aço = 45 x106 Kg / m 2 seg (meio 1)
Sendo:
Z água = 1,5 x106 Kg / m 2 seg (meio 2), pela equação 3 temos:
T= 2x1,5x106/(45x106 + 1,5x106)
T = 0,065 ou 6,5% (Transmissão)
Como R + I = T, R= 93,5% (Reflexão)
NOTA: O sinal negativo indica somente inversão de fase da onda incidente.
O conhecimento dos Fatores de Transmissão e Reflexão é de grande importância, pois
justifica o uso de líquidos acoplantes para o contato entre o transdutor ultra-sônico e a
peça examinada, assim como, define a possibilidade da aplicação do exame ultrasônico em certos tipos de uniões metálicas. É evidente que os cálculos acima descritos
da Transmissão sônica, não levam em conta a perda da energia devido a mau
acoplamento entre o transdutor e peça ou mesmo irregularidades superficiais,
responsáveis pelo espalhamento e múltiplas reflexões.
Figura 63 – Influência da Condição de Superfície na Transmissão da Vibração
Sônica.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
129
4.2.5 Reflexão
Como vimos anteriormente, uma onda sônica que incide numa interface qualquer sofre
reflexão. A seguir iremos estudar as leis físicas que determinam essas reflexões.
−
Incidência Normal: Quando uma onda sônica incide perpendicularmente numa
interface qualquer; a reflexão ocorrerá na mesma direção, porém sentido
contrário (Figura 64).
Figura 64 – Incidência Normal numa Interface
−
Incidência Oblíqua: Quando uma onda sônica incide segundo um ângulo
qualquer "α" numa interface, ocorre imediatamente a reflexão com ângulo
idêntico "α". O ângulo de incidência e reflexão é medido a partir da normal a
superfície (Figura 65). Este fenômeno descrito é bem conhecido, entretanto
ocorre um segundo fenômeno que consiste na mudança do modo de vibração da
onda original incidente, no ponto considerado, passando a refletir também uma
segunda onda com modo de vibração diferente e ângulo "θ "calculado através da
Equação 16:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
130
sen(α ) sen(θ )
=
V1
V2
Equação 16 - Cálculo do Ângulo de Incidência e Reflexão
Onde: V 1 = velocidade de propagação da onda incidente
V 2 = velocidade da onda refletida
Figura 65 – Incidência Angular numa Interface
O conhecimento das leis da reflexão ondulatória, ditadas por Snell, é de extrema
importância, pois permite ao inspetor de ultra-som planejar e estabelecer
procedimentos adequados ao exame.
−
Incidência Normal: No caso de uma onda incidente, perpendicularmente à
interface, a Refração ocorrerá na mesma direção e sentido da onda
incidente.Conforme apresentado na Figura 66.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
131
Figura 66 – Refração da Onda
−
Incidência Oblíqua: Quando uma onda sônica incide segundo um ângulo “α” a
refração ocorrerá no ponto considerado da interface (Figura 67) com angulo “θ”
calculado conforme a Equação 17, abaixo.
sen ( α )
sen (θ )
=
V1
V2
Equação 17 – Incidência Oblíqua
Onde: V 1 = velocidade de propagação da onda incidente.
V 2 = velocidade de onda refratada.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
132
O.T
Figura 67- Refração da Onda com Incidência Angular numa Interface
Note que a natureza da onda incidente é refratada é a mesma. Entretanto, ocorre
também, neste caso, uma mudança do modo de vibração da onda, no momento da
refração, criando uma segunda onda com modo de vibração deferente angulo "θ1"
calculado pela Equação 18.
senα senθ1
=
V1
V3
Equação 18 – Calculo do Ângulo "θ1"
Onde: V 1 = Velocidade de propagação da onda incidente
V 3 = Velocidade da onda refratada de modo diferente
Analisando as Equações 17 e 18 podemos estabelecer uma única lei de refração geral,
apresentado na Equação 19.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
133
senα senθ senθ1
=
=
V1
V2
V3
Equação 19 - Lei de Refração Geral
Exemplo de aplicação: Uma onda longitudinal incide numa interface acrílico-aço num
angulo de 20° Calcular os ângulos das ondas refratadas (Longitudinal e Transversal).
Conforme apresentado na Figura 68.
Figura 68 – Ondas Refratadas
Solução:
Pela Equação 19, teremos:
sen20º senθ
=
2730
5900
θ = 47,7º
sen20º senθ1
=
2730
3230
θ1 = 23,9º
1) onda longitudinal:
2) onda transversal:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
134
Observando a Equação 19, para alguns valores do ângulo "θ" de incidência poderá não
existir a onda Longitudinal refratada ou a onda Transversal refratada. Baseado neste
fato é que são construídos os transdutores ultra-sônicos angulares, pois os mesmos
somente geram ondas transversais, no material examinado.
4.2.6 Difração, Dispersão e Atenuação
Como vimos no inicio deste capítulo, a matéria ou o meio elástico por onde se propaga
à onda sônica, eram tidos como ideais, ou sejam as partículas dos meios podiam vibrar
em torno de uma posição sem perda de energia, de modo homogêneo.
Entretanto, a onda sônica ao percorrer um material qualquer sofre, em sua trajetória
efeitos de difração, dispersão e absorção, resultando redução da sua energia.
A dispersão deve-se ao fato da matéria não ser totalmente homogênea, contendo
interfaces naturais de sua própria estrutura ou processo de fabricação. Por exemplo,
fundidos, que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades elásticas distintas.
Para esta mudança das características elásticas de ponto a ponto num mesmo material
denominamos anisotropia. A dispersão exerce influencia principal na atenuação
quando o tamanho de grão for da ordem de 1/10 do comprimento de onda.
A absorção pode ser entendida como a energia gasta pela onda mecânica para fazer
oscilar cada partícula do meio.
A dispersão e a absorção será maior; quanto maior for à freqüência ultra - sônica.
A somatória de todos os componentes responsáveis diretos pela perda da energia
sônica, durante sua propagação, resultará o fenômeno da atenuação sônica.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
135
Alguns autores preferem denominar a este mesmo fenômeno como "amortecimento da
onda sonora". De qualquer forma, tal efeito pode ser observado quando ecos múltiplos
de reflexão de fundo numa chapa ou peça de faces paralelas, são geradas na tela do
aparelho de ultra-som. A distância percorrida pela onda, mostrada, pela indicação na
tela, é sempre o dobro da anterior; porém com amplitude reduzida, evidenciando a
perda da energia. Conforme demonstrado na Figura 69.
Figura 69 - Lei da Atenuação Sônica.
NOTA: Pode ser observado na tela do aparelho a queda dos ecos proveniente do bloco
de calibração DIN54120, espessura 25 mm, (= 4 mhz.).
O decréscimo da pressão sônica, ocorrido somente em decorrência da atenuação, pode
ser calculado pela forma da função exposta na Equação 20:
p = Po e −αd
Equação 20 - Decréscimo da Pressão Sônica
Onde: Po = Pressão sônica incidente
α = Coeficiente de atenuação
d = Distância percorrida pela onda.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
136
Na Literatura deste assunto, algumas vezes o coeficiente "α” não se refere à pressão
sônica, mas a intensidades ou amplitudes da onda.
Outra componente que contribui para o decréscimo da pressão sônica é a divergência
do feixe sônico, decorrente da abertura do mesmo, que para o caso de ondas esféricas,
consideradas pontuais, a pressão sônica é inversamente proporcional a distancia “d",
demonstrada na Equação 21.
p = Poπ
N
d
Equação 21 - Decréscimo da Pressão Sônica com a Divergência do Feixe Sônico
Onde N é uma constante que depende do diâmetro da fonte sonora, freqüência e do
meio de propagação, conforme apresentado na Figura 70.
Figura 70 – Pressão Acústica ao Longo do Eixo de um Oscilador Circular
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
137
Portanto as perdas totais que se produzem na propagação da onda sonora resultarão da
componente atenuação (amortecimento) e da divergência, dada pela Equação 22.
p = Poπ
N −αd
e
d
Equação 22 - Decréscimo da Pressão Sônica com o Componente Atenuação
(amortecimento) e da Divergência
Algumas
vezes
a
componente
"atenuação"
constitui
um
fator
de
maior
responsabilidade pelo decréscimo da pressão sônica, por outro lado à divergência pode
ser a maior responsável.
A Tabela 6 abaixo nos traz alguns valores de "α" para aço cromo-níquel, para 2 MHz
de freqüência.
Tabela 6 - Valores de "α" para Aço Cromo-Níquel, para 2 MHz de Freqüência
Material Aço Cr-Ni
Amortecimento (dB/mm)
Peças forjadas
0,009 a 0,010
Laminados
0,018
Fundidos
0,040 a 0,080
A Figura 70 a mostra uma estrutura típica do ferro fundido. Observe a estrutura
grosseira que caracteriza estes materiais, o que implica, num coeficiente de atenuação
"a" tanto maior quanto for a freqüência das ondas sônicas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
138
Tal fenômeno permite estudar e analisar diferentes estruturas de materiais fundidos,
através da curva de amortecimento (ver equação 22) que aparece na tela do aparelho de
ultra-som.
Tal analise deve ser feita, principalmente quando o objetivo for comparar duas
estruturas, mediante a comparação com um corpo padrão de mesma dimensão que as
peças a serem examinados, padrões este previamente analisado microscopicamente e
considerado metalurgicamente aceitável. A análise estrutural geralmente é efetuada
com transdutores de 4 MHz de freqüência.
Pelo mesmo principio acima descrito podem-se estudar também as características de
atenuação acústica para qualquer material metálico ou não metálico.
Em geral, o coeficiente de atenuação sônica é medido em decibéis por milímetro
(dB/mm).
4.2.6.1. Definições de Bell e Decibell
O "Bell" abreviado por "B" é uma grandeza que define o nível de intensidade sonora
(NIS) e que compara duas intensidades quaisquer; como segue na Equação 23:
N .I .S = Log
I
B
Io
Equação 23 - Nível de Intensidade Sonora
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
139
Onde I e I0 são duas intensidades sonoras medidas em watts por centímetro quadrado
(w/cm2).
Por outro lado, o decibel equivale a 1/10 do Bell e em geral é utilizado para medidas
de N.I.S., portanto a Equação 23 sofrerá alterações conforme demonstrado na Equação
24:
N .I .S = 10 log
I
Io
Equação 24 - Nível de Intensidade Sonora (decibel equivale a 1/10 do Bell)
Entretanto, a teoria dos movimentos harmônicos na propagação ondulatória, nos ensina
que intensidade de vibração é proporcional ao quadrado da amplitude sonora e,
portanto devemos reescrever a equação. 24 na forma expressada na Equação 25.:
⎛ A⎞
N . A.S = 10 log⎜⎜ ⎟⎟
⎝ Ao ⎠
N . A.S = 20 log
2
A
Ao
Equação 25 - Nível de Amplitude Sonora, (dB)
Esta relação (Equação 25) pode ser entendida como sendo a comparação efetuada por
um sistema eletrônico de duas amplitudes de sinais, emitida e recebida pelo transdutor
ultra-sônico, ou simplesmente conhecido por "Ganho".
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
140
Exemplo de aplicação:
Quais são os ganhos correspondentes a uma queda de 50% e 20% nas amplitudes de
dois sinais na tela do aparelho de ultra - som?
Solução: Aplicando a (eq.11) teremos:
a) Para variação de 50% :G= 20log 0,5dB / G= - 6 dB
b) Para variação de 20% : G= 20log0,20dB / G= -14dB
4.2.6.2 Difração, Principio de Huyahens
Um outro fenômeno muito importante que ocorre devido a propagação ondulatória é a
difração. O comportamento de uma onda sônica em relação a orifícios ou pequenos
obstáculos, da ordem de grandeza do comprimento de onda, é entendido e explicado
pelos "princípios de Huyghens" sobre a difração.
A Figura 71 mostra um sistema de ondas que se propagam e interferem-se com
orifícios de um anteparo.
Figura 71 – Difração das Ondas Através de Orifícios, com Dimensões da Ordem
do Comprimento da Onda.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
141
A causa dos fenômenos de difração é a superposição das oscilações originadas em cada
ponto de uma frente de onda. Normalmente cada frente de onda é um conjunto de
fontes de vibração que se propagam para diante, e da superposição das vibrações
originadas em cada ponto dessa frente de onda é que se forma a frente de onda vizinha.
Em condições normais, o processo se desenvolve de modo que a forma das frentes de
onda é preservada durante a propagação, conforme Figura 71.
Assim quando uma onda sônica encontra em seu percurso uma descontinuidade, além
da reflexão sofrida por uma parte da onda, a difração permite que a mesma "contorne"
o defeito, e continue se propagando (Figura 72).
Figura 72 – Difração de uma Onda Plana Através de um Orifício (a), Sofrendo
Reflexão. Contorno da Onda Plana para Incidir num Anteparo com
Dimensões “(λ)”(b).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
142
4.3 GERAÇÃO DAS ONDAS ULTRAS - SÔNICAS
4.3.1 - Efeito Piezo - Elétrico
As ondas ultra-sônicas são geradas ou introduzidas no material através de um elemento
emissor com uma determinada dimensão e que vibra com uma certa freqüência. Este
emissor emite um feixe de ondas com uma determinada forma (circular, retangular),
sendo que esquematicamente representamos somente á onda centra do feixe.
A onda pode ser detectada, por exemplo, por um microfone; a pressão exercida pela
onda sônica atua sobre a membrana e seu valor (grandeza) pode ser medido. Tanto o
elemento emissor como o receptor é denominado transdutores, muitas vezes também
designados por cabeçotes, pois transformam um tipo de energia em outro.
Diversos materiais (cristais) apresentam o efeito piezelétrico. Se tomarmos uma lâmina
de certo formato (placa) e aplicarmos uma pressão sobre o mesmo, surgem em sua
superfície cargas elétricas.
O efeito inverso também é verdadeiro: se aplicarmos dois eletrodos sobre as faces
opostas de uma placa de cristal piezelétrico, de maneira que possamos carregar as
faces eletricamente, a placa comporta-se como se estivesse sob pressão e diminui de
espessura. Conforme Figura 73.
O efeito piezelétrico é utilizado para recepção de ondas ultra-sônicas (ondas de
compressão) e o efeito piezelétrico inverso para gerá-las. Neste caso aplica-se aos
eletrodos da placa piezelétrica tensão elétrica alternada (da ordem de 1000 v), de
maneira que a mesma se contrai e se distende ciclicamente. Se tentarmos impedir este
movimento, a placa transmite esforços de compressão às zonas adjacentes, emitindo
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
143
uma onda longitudinal cuja forma depende da freqüência de excitação e das dimensões
da placa.
Figura 73 – Cristal Piezoelétrico.
NOTA: Transforma a energia elétrica alternada em oscilação mecânica (a).
Transforma a energia mecânica em elétrica (b).
4.3.2 Tipos de Cristais
Materiais piezelétricos são: o quartzo, o sulfato de lítio, o titanato de bário, o
metaniobato de chumbo.
Os eletrodos são vaporizados sob vácuo, soldando-se aos mesmos fios condutores
necessários à passagem da corrente elétrica. Quartzo é o material piezelétrico mais
antigo, translúcido e duro como vidro, sendo cortado a partir de cristais originários do
Brasil. Sulfato de lítio é um cristal sensível à temperatura e pouco resistente. Titanato
de bário e metaniobato de chumbo são materiais cerâmicos, que recebem o efeito
piezelétrico através de polarização.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
144
Estes dois cristais são os melhores emissores, produzindo impulsos ou ondas de grande
energia, se comparadas com aquelas produzidas por cristais de quartzo. Para o inspetor
interessa não só a potência de emissão, mas, também a sensibilidade da recepção
(resolução), fatores que serão mais bem analisados.
A freqüência ultra-sônica gerada pelo cristal dependerá da sua espessura. Os cristais
acima mencionados são montados sobre uma base de suporte (bloco amortecedor) e
junto Com os eletrodos e a carcaça externa constitui o transdutor ou cabeçote
propriamente dito. Existem três tipos usuais de transdutores: o reto ou normal, o
angular e o duplo-cristal.
4.3.3 Cabeçotes Normais, Angulares e Duplo-Cristal
4.3.3.1 Transdutores Retos ou Normais
São assim chamados os cabeçotes mono-cristal, geradores de ondas longitudinais,
normal à superfície de acoplamento.
Os transdutores normais são construídos a partir de um cristal piezelétrico colado num
bloco rígido denominado de amortecedor e sua parte livre protegida ou por uma
membrana de borracha ou uma resina especial.
O conjunto cristal e amortecedor permanecem internamente numa carcaça metálica
fechada. O bloco amortecedor tem a função de servir de apoio para o cristal e absorver
as ondas emitidas pela face colada a ele. O transdutor emite um impulso ultra-sônico
que atravessa o material a inspecionar e reflete nas interfaces, originando o que
chamamos ecos. Estes ecos retornam ao transdutor e geram, no mesmo, o sinal elétrico
correspondente.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
145
A face de contato do transdutor com a peça deve ser protegida contra o desgaste
mecânico podendo utilizar membranas finas e resistentes ou camadas fixas de epóxi
enriquecido com oxido de alumínio.
Em geral os transdutores normais são circulares, com diâmetros de 5 a 25 mm, com
freqüências de 0,5 - 1 - 2 - 2,5 - 4 - 5 - 6 MHz.
A Figura 74 se refere a um transdutor normal, que mostra detalhes internos de
construção, como o bloco amortecedor e o cristal, formando um só conjunto, e os fios
da ligação do cristal ao conector:
Figura 74 - Cabeçote Normal
4.3.3.2 Transdutores Angulares
A rigor difere dos transdutores retos ou normais pelo fato de o cristal formar um
determinado ângulo com a superfície do material. O ângulo é obtido, inserindo uma
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
146
cunha de plástico entre o cristal piezelétrico e a superfície. A cunha pode ser fixa,
sendo então englobada pela carcaça ou intercambiável.
Neste último caso tem-se um transdutor reto, com cristal quadrado ou retangular; com
parafusos que fixam a cunha à carcaça. Como na prática trabalha-se normalmente com
diversos ângulos (35, 45, 60, 70 e 80°) esta solução é mais econômica já que um único
transdutor com varias cunhas é de custo inferior: Note-se ainda que o ângulo gravado
na carcaça do condutor nada tem a ver com o ângulo da 1 cunha: indica o ângulo sob o
qual o feixe de ondas penetra no aço.
O ângulo gravado vale somente para inspeção de peças de aço,. se o material for outro
deve-se calcular o ângulo real de penetração utilizando a formula apresentada no
parágrafo "Incidência oblíqua em uma interface".
A mudança do ângulo deve-se à mudança de velocidade no meio 11. O bloco
amortecedor é montado lateralmente visando amortecer vibrações que penetram
através da sola, provenientes de outras direções que não a da emissão.
O cristal piezelétrico somente recebe ondas ou impulsos ultra - sônicos que penetram
na cunha em uma direção paralela à de emissão, em sentido contrário. As ondas
emitidas, refletidas na interface plástico-metal, são igualmente absorvidas pelo bloco
amortecedor: A cunha de plástico funciona como amortecedor para o cristal
piezelétrico, após a emissão dos impulsos.
Deve ainda ficar claro que o cristal piezelétrico emite uma onda longitudinal, porem no
material penetra uma onda transversal. Esta é a grande diferença em relação ao
transdutor reto, que emite ondas longitudinais.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
147
Nos cálculos de distância percorrida deve-se, portanto, considerar o fato de que a onda
se propaga com uma velocidade menor.
A calibragem do aparelho de ultra-som deve ser refeita quando se muda de um
transdutor reto para angular.
A Figura 75 refere-se a um transdutor angular. Note os detalhes de construção, como a
inclinação do cristal no acrílico calculado para produzir no aço ondas transversais com
ângulo de 45°.
A região no interior da carcaça identificada como o bloco amortecedor que envolve o
cristal e a sapata de acrílico, e ainda os fios de ligação do cristal ao conector:
Figura 75 – Transdutor Angular
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
148
4.3.3.3 Transdutores Duplo-Cristal
Existem problemas de inspeção que não podem ser resolvidos nem com transdutores
retos nem com angulares. Quando se trata de inspecionar ou medir materiais de
reduzida espessuras, ou quando se deseja detectar descontinuidades logo sob a
superfície do material, a "zona morta" existente na tela do aparelho impede uma
resposta clara.
O cristal piezelétrico recebe uma "resposta" num espaço de tempo muito curto após a
emissão, não tendo suas vibrações sidas amortecidas suficientemente.
Neste caso somente um transdutor que separa a emissão da recepção pode ajudar: Para
tanto, desenvolveu-se o transdutor de duplo-cristal, no qual dois cristais são
incorporados na mesma carcaça, separados por um material isolante e levemente
inclinados em relação a superfície de contato.
Cada um deles funciona somente como emissor ou somente como receptor; sendo
indiferente qual deles exerce qual função. São conectados ao aparelho de ultra-som por
um cabo duplo; o aparelho deve ser ajustado para trabalhar agora com dois cristais.
Os cristais são montados sobre blocos de plástico especial de baixa atenuação. Devido
a esta inclinação, os transdutores duplos não podem ser usados para qualquer distância
(ou profundidade). Possuem sempre uma zona de inspeção ótima, que deve ser
respeitada.
Fora desta zona a sensibilidade se reduz. Em certos casos estes transdutores duplos são
utilizados com "focalização", isto é, o feixe é concentrado em uma determinada zona
do material para a qual se deseja máxima sensibilidade (Figura 76).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
149
Figura 76 - Cabeçote Duplo-Cristal
4.3.4 Características e Geometria do Campo Sônico
4.3.4.1 Campo Próximo e Geometria do Campo Sônico
Para o entendimento dos fenômenos que vamos descrever a seguir; imaginemos que o
cristal piezelétrico, gerador de ondas ultra - sônicas, seja composto não de uma única
peça, mas de infinitos pontos oscilantes. Cada ponto do cristal produz, ondas que se
propagam no meio, conforme a Figura 77.
Figura 77 – Sistema de Ondas Circulares, de Comprimento de Onda “(λ)”,
Provenientes dos Pontos 1,2 e 3
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
150
Note que nas proximidades do cristal existe uma interferência ondulatória muito
grande, assim como uma concentração de energia sônica (Figura 78). À medida que
nos afastamos do cristal, as interferências vão desaparecendo e a energia se dispersa.
Em outras palavras, nas proximidades do cristal sua dimensão e a energia sônica
emitida são muita relevantes, entretanto ao afastarmos, as dimensões do cristal passam
a ser irrelevante no que diz respeito à forma do campo sônico.
A região próxima do cristal onde os fenômenos descritos acima se manifestam,
denomina-se "Campo Próximo", seu comprimento (N) depende da área do cristal ou
diâmetro (O) e do comprimento de onda (λ).
Figura 78 – Distribuição da Pressão Sônica ao Longo do Eixo de um Oscilador
Circular
NOTA: A pressão acústica flutua entre valores desde zero até o dobro do valor médio.
A onda, após percorrido a distância (N), adquire valores conforme a Equação 26.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
151
O Campo Próximo (N) representa, muitas vezes, a impossibilidade de detecção de
pequenos defeitos, sem que a calibração do sistema eletrônico de análise, esteja
previamente regulada para esta finalidade.
Outra característica desta região consiste na inexistência direta da relação entre o eco
obtido na tela do aparelho de ultra-som e o tamanho do defeito detectado, conforme
Equação 26.
D2
N=
4λ
Equação 26 – Cálculo do Campo Próximo
Exemplo de Aplicação:
Calcule o campo próximo de um transdutor com 4 MHz e diâmetro 10 mm, no aço.
Solução: Da equação. 26 vem:
D2
N=
, onde D = 10mm e λ = 1,5mm
4λ
N=
10 2
= 16mm
4 x1,5
A região que vem logo a seguir ao Campo Próximo chama-se "Campo Distante" (Zcna
de Franhover). Neste campo, a onda sônica se diverge como um facho de uma lanterna,
em relação ao eixo central e ainda a intensidade diminui, quase que como o quadrado
da distância.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
152
A característica principal do campo distante consiste na proporcionalidade entre o
tamanho do eco proveniente de um pequeno defeito e o diâmetro do mesmo. Neste
campo, portanto, o inspetor poderá avaliar facilmente tamanhos ou defeitos pequenos
(menor que o diâmetro do transdutor), estando o aparelho de ultra-som previamente
calibrado.
Para transdutores angulares, os fenômenos do Campo Próximo e Distante também se
verificam e contém as mesmas propriedades já vistas.
4.3.4.2 - Campo Sônico para Transdutores Duplo-Cristal
A forma de construção do transdutor duplo-cristal determina um campo sônico
(Figura 79) com características bem definidas e que devem ser observadas:
a) Distância focal (DF) é a região onde o feixe sônico esta mais focalizado. Esta região
apresenta maior intensidades sônicas, capazes de detectar com facilidade pequenos
defeitos.
b) Profundidade focal (PF) corresponde à região onde há interferência geométrica
direta entre os feixes sônicos.
Figura 79 – Campo Sônico
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
153
Os transdutores Duplo-Cristal apresentam boa resposta de defeitos que se encontram
dentro da profundidade focal (PF), diminuindo à medida que aumentamos a distância
do defeito ao cristal.
Estas características, como D. F. e P. F. são conhecidos e informados pelo fabricante
do transdutor; assim como as faixas de espessuras a que eles se destinam.
4.3.4.3 Divergência
Sabemos, que na região central do feixe sônico, a sensibilidade, assim como a
intensidade sônica, é maior à medida que nos afastamos do eixo central, num mesmo
plano, diminui a sensibilidade.
Este efeito é conseqüência da divergência do feixe sônico, após percorrido à distância
equivalente ao campo próximo, e pode ser calculado através da Equação 27:
senγ = K
λ
D
Equação 27 – Cálculo da Divergência
Onde K é um fator que depende da sensibilidade requerida, sendo igual a 0,87 para
uma sensibilidade de 10%.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
154
Tabela 7 – Tabela de Sensibilidade
K
%
dB
0,37
71
-3,0
0,51
50
-6,0
0,70
25
-12,0
0,87
10
-20,0
0,93
6
-24,0
1,09
1
-40,0
1,22
0
-00,0
A Figura 80 nos traz o diagrama polar de um oscilador traçado, baseado na tabela de
sensibilidade.
Figura 80 – Diagrama Polar
Exemplo de Aplicação:
Calcule a divergência para um transdutor normal com D= 12mm e F= 2MHz no aço.
(VL = 6000 m/s).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
155
Solução: Pela Equação. 27 vem:
sen y = 1,08 .
3
12
sen y = 0,27 y = 16º
4.4 MEDIÇÃO DE ESPESSURAS
A medição de espessuras é a utilização mais freqüente do ensaio por ultra-som.
A importância da medição de espessuras por ultra-som deve-se primeiro ao fato do
ensaio não necessitar do acesso à parede oposta para a sua execução, o que permite o
acompanhamento do desgaste de um equipamento sem a necessidade da interrupção do
seu funcionamento. Isto é extremamente importante no caso de uma refinaria de
petróleo, por exemplo, onde os equipamentos chegam a operar durante anos sem
interrupções, com a segurança garantida pelo ensaio de ultra-som de medição de
espessuras.
O segundo motivo da ampla utilização do ensaio deve-se à simplicidade da sua
execução, onde o inspetor com um relativamente pequeno treinamento e experiência
profissional pode se habilitar a executar o ensaio.
Outro motivo importante é a rapidez na sua execução e obtenção dos resultados, onde
o inspetor em poucos segundos pode determinar a espessura de uma peça.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
156
4.4.1 Aparelhos
Existe disponível no mercado uma grande quantidade de aparelhos de diferentes
fabricantes e modelos. A Tabela 8 apresenta alguns destes equipamentos com suas
principais características.
Tabela 8 – Principais Modelos de Aparelhos para Medição de Espessura
Fabricante
Modelo
Eddytronic
Gilardoni
Karl Deutsch
USE-100
DG35
Echo. 1070
DM2
Faixa de
Espessura*
(mm)
3,0 a 400
1,2 a 999
0,7 a 400
0,6 a 300
DME-DL
0,7 a 300
480
DMS
0,6 a 500
480
Model 22
0,2 a 200
50
Model 26DL
0,5 a 200
500
Model 26
DL Plus
0,5 a 200
500
Temperatura
Máxima* (ºC)
Características
Adcionais
50
400
200
600
Fabricação Nacional
Interface p/ registrador
Resolução 0,01 mm
Muito utilizado
Armazena
1.200
medidas, corrige “Vparth”
A-scan,
Resolução
0,001 mm Armazena
80.000
medidas,
corrige V-path
Resolução 0,001 mm
Resolução 0,001 mm
Armazena
2.000
medidas, corrige Vpath
A-scan, corrige “Vpath” Resolução 0,001
mm, Armazena 6.150
medidas.
Krautkramer
Panametrics
NOTA: A faixa de espessuras e a temperaturas e a máxima dependem do modelo de
cabeçote acoplado ao aparelho.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
157
Figura 81 – Medição de Espessura com o Aparelho Modelo DME de
Krautkramer
Figura 82 - Medição de Espessura a Quente com o Aparelho Modelo 26DL da
Panametrics
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
158
As figuras 81 e 82 mostram dois modelos diferentes de aparelho de ultra-som para
medição de espessuras. Nos últimos anos as inovações principais introduzidas nos
aparelhos foram a possibilidade de armazenamento das medições, a correção do
"caminho em V" (V-path correction) e a tela de apresentação tipo A (A-scan)
conjugada com a medição.
O armazenamento das medições realizadas representa um ganho importante pela
confiabilidade das medidas, evitando o erro possível na transcrição destas, e pela
possibilidade de transferir estes dados para um computador. Existem programas de
computador que gerenciam estas medidas dando tratamento estatístico, gerando
imagens gráficas do local dimensionado etc.
A correção do "caminho em V" eliminou uma possibilidade de erro na execução do
ensaio que existe com os aparelhos antigos. Em geral os aparelhos de medição de
espessuras trabalham com cabeçote do tipo duplo-cristal e apenas um bloco de 5 mm
para calibração. Os aparelhos antigos, uma vez calibrados neste bloco de 5 mm, não
tinham linearidade suficiente para executar a medição em toda a faixa de espessuras.
Para corrigir este problema de linearidade a norma Petrobrás N-1594c, por 'exemplo,
determina que o aparelho calibrado em uma determinada espessura é considerado
calibrado para medir espessuras apenas na faixa que inclui mais ou menos 25% da
espessura usada na calibração. Os novos aparelhos que corrigem o erro do "caminho
em V" não necessitam esta limitação, pois se mantêm lineares em toda a faixa de
espessuras indicada para o cabeçote em utilização.
O outro avanço importante nos aparelhos de medição de espessuras refere-se à
inclusão da apresentação tipo A (A-scan) juntamente com a espessura medida. A
utilização de cabeçotes tipo duplo-cristal, importante pela precisão nas medições e
possibilidade de medir pequenas espessuras, tem o inconveniente de possibilitar que o
foco do feixe sônico venha a coincidir, por exemplo, com uma região de segregações
da peça. O inspetor, desconhecendo a existência de segregações, pode vir a considerar
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
159
a espessura da peça como sendo a profundidade das segregações, rejeitando às vezes
incorretamente uma peça. Este problema não ocorre se a medição é feita com um
aparelho que tenha a apresentação tipo A, pois o inspetor pode, neste caso, visualizar a
região com segregações e ajustar o aparelho para desconsiderar os sinais desta região,
obtendo assim uma medição confiável.
A Figura 83 apresenta os controles principais de um aparelho de medição de
espessuras convencional.
Figura 83 - Controles do aparelho de Medição de Espessuras Convencional.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
160
4.4.2 Cabeçotes
Conforme citado anteriormente, em geral é utilizado o cabeçote tipo duplo-cristal.
Alguns aparelhos modernos utilizam também cabeçotes tipo normal, para a medição de
espessuras muito finas (0,01 a 1mm) e outras aplicações. Os cabeçotes utilizados na
medição de espessuras são normalmente projetados para um modelo de aparelho ou
uma determinada série de modelos de aparelhos, não sendo recomendado, e na maioria
das vezes possível, utilizar o cabeçote de um fabricante no aparelho de outro.
A seleção de cabeçotes é feita em função da faixa de espessuras a ser medida, do
material da peça e da temperatura da peça.
4.4.3 Calibração do Aparelho
A calibração do aparelho de medição de espessuras é, quase sempre, extremamente
simples. A seqüência mostrada a seguir foi elaborada considerando a utilização de um
aparelho convencional, sem os avanços citados anteriormente, como é a grande
maioria dos aparelhos em utilização.
Antes de iniciar a calibração o inspetor deve:
–
Selecionar e conectar ao aparelho o cabeçote indicado para a faixa de espessuras,
material e faixa de temperatura da peça a ter a espessura medida;
–
Verificar a carga da bateria, conforme instruções do aparelho;
–
Verificar se o bloco de calibração está aferido (a norma Petrobrás N-1594, por
exemplo, requer que a espessura do bloco de calibração seja aferida com uma
precisão de 0,05mm).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
161
−
Seqüência de Ajuste.
- Ajustar a velocidade do som para o material a ser medido, conforme instruções
do aparelho;
- Selecionar o bloco de calibração, de modo que a faixa calibrada (espessura de
calibração mais ou menos 25%) englobe as espessuras a serem medidas (o padrão
embutido no aparelho geralmente é de 5mm de espessura);
- Acoplar o cabeçote sobre o bloco de calibração com um acoplante (alguns
aparelhos têm luz indicativa do acoplamento);
- Ler a medida após a espera de alguns segundos para estabilização da leitura
(alguns aparelhos têm luz indicativa da estabilização);
- Caso a medida lida no aparelho não corresponda à medida real do bloco, ajustar
no controle de calibração para a medida correta;
- Repetir três vezes as etapas (c) e (d) para confirmar a correta calibração,
repetindo a etapa (e), caso necessário.
4.4.4 Preparação da Superfície
A superfície da peça a ser medida deve estar limpa e livre de tintas, carepas, óxidos e
quaisquer outras impurezas que possam interferir no acoplamento do cabeçote e na
precisão das medidas. A limpeza de uma região com aproximadamente 50 mm de
diâmetro é suficiente para a execução do ensaio.
A preparação da superfície pode ser executada por escovamento, lixamento ou
esmerilhamento, dependendo das impurezas a serem removidas. Em superfícies com
corrosão superficial severa, a superfície deve ser esmerilhada até o desaparecimento da
corrosão. Sem este cuidado, haverá erro na espessura real remanescente.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
162
No caso de aços inoxidáveis e ligas de níquel as ferramentas devem obedecer aos
seguintes requisitos:
–
Ser de aço inoxidável ou revestida com este material;
–
Os discos de corte e esmerilhamento devem ter alma de náilon ou similar.
4.4.5 Acoplante
Normalmente utiliza-se graxa ou óleo da linha automotiva como acoplante. No caso de
medição de espessuras a quente utiliza-se acoplante especial que resiste à temperatura
da peça (ver seção 4.4.7).
4.4.6 Execução da Medição de Espessuras
A medição é feita de acordo com a seguinte seqüência:
–
Estando o aparelho calibrado, deve-se acoplar o cabeçote sobre a superfície
previamente preparada utilizando um acoplante apropriado;
–
Ler a medida após a espera de alguns segundos para estabilização da leitura;
–
Repetir mais duas vezes as etapas (a) e (b) para confirmar a medida;
–
Registrar a menor das medidas.
No caso da medição de espessuras em tubulações e outras peças cilíndricas, deve-se
observar a orientação da separação dos cristais do cabeçote (somente no caso de
cabeçotes duplo-cristal). A linha de separação dos cristais do cabeçote deve ficar
transversal ao eixo do tubo.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
163
No caso da medição de espessuras em superfícies côncavas, a espessura do acoplante
entre cabeçote e a peça é adicionada à leitura, causando uma medição incorreta.
Algumas das soluções possíveis são utilizar cabeçote de pequeno diâmetro e utilizar
bloco de calibração com a mesma configuração que a peça, conforme Figura 84.
Figura 84 - Posicionamento Correto e Incorreto do Cabeçote na Medição de
Espessura de Tubulações
4.4.7 Medição de Espessuras a Quente
A medição de espessuras a quente (temperatura da peça entre 60 e 550°C) é realizada
com as seguintes considerações adicionais:
–
O cabeçote a ser utilizado é um cabeçote apropriado para suportar temperaturas
elevadas;
–
A calibração do aparelho é feita na temperatura ambiente;
–
Utiliza-se acoplante especial (normalmente a base de cristais de lítio) que se
torna líquido acima de uma determinada temperatura;
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
164
–
O acoplante é colocado no cabeçote e não na peça;
–
O cabeçote permanece acoplado por poucos segundos e é resfriado com água
imediatamente após a retirada da peça;
–
A leitura obtida deve ser corrigida considerando-se as temperaturas do bloco de
calibração e da peça e utilizando-se a Equação 28 (as temperaturas devem ser
medidas com pirômetro de contato aferido):
er = emq = Va – K *
Va
t
Equação 28 – Espessura Real
Onde:
er = Espessura real (mm)
e mq = Espessura medida a quente (mm)
Va = Velocidade do som no bloco de calibração na temperatura ambiente (m/s);
t = diferença de temperatura entre o bloco de calibração e a peça sob medição (ºC);
k = constante de redução da velocidade do som em função do aumento de temperatura
(aproximadamente 1m/s/ºC)
4.4.8 Procedimento de Ensaio
A medição de espessuras, embora seja um ensaio extremamente simples, deve,
segundo os requisitos das normas (ASME Section V e Petrobrás N-1594, por
exemplo), ser executada com um procedimento qualificado. O procedimento de ensaio,
conforme requerido pela norma Petrobrás N-1594c, por exemplo, deve ter no mínimo
os seguintes itens:
–
Objetivo;
–
Normas de referência;
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
165
–
Material faixa de espessura a ser medida (exemplo: aço carbono, espessura de
25mm a 30mm);
–
Aparelho, tipo, fabricante e modelo;
–
Cabeçote, tipo, dimensões, freqüência e faixa de espessura e temperatura, citando
fabricante e modelo;
–
Método de calibração;
–
Condição superficial, técnica de preparação e temperatura da superfície;
–
Acoplante, citando faixa de temperatura; - requisitos adicionais;
–
Sistemática de registro dos resultados;
–
Formulário para relatório de registro dos resultados.
O conteúdo dos itens acima mencionados deverá estar de acordo com os requisitos da
norma aplicável. Além disso, o procedimento deve ser qualificado, ou seja, o
procedimento deve ser aplicado em blocos padrões aferidos, onde será verificado se,
através da utilização dos requisitos do procedimento, pode ser obtida' a precisão
prevista pela norma. Os testes de qualificação devem ser acompanhados por um
inspetor nível 3, que fará a certificação do procedimento, atestando a correção dos
requisitos deste.
4.4.9 Qualificação do Pessoal
Para a execução do ensaio por ultra-som - medição de espessuras - o inspetor deve
estar qualificado e certificado pelo Sistema Nacional de Qualificação e Certificação de
ensaios não - destrutivos - SNQC END. A qualificação requerida é a de US-Nl-ME,
conforme norma ABENDE NA-Ol. Inspetores qualificados por esta norma, em
qualquer outro nível/subnível em ultra-som, também estão habilitados para executar o
ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
166
5.0 ENSAIO POR LÍQUIDOS PENETRANTES
5.1 GENERALIDADES
5.1.1 Apresentação
O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido especialmente para a
detecção de descontinuidades essencialmente superficiais, e ainda que estejam abertas
na superfície do material.
Este método, se iniciou antes da primeira guerra mundial, principalmente pela indústria
ferroviária na inspeção de eixos, porém tomou impulso quando em 1942, nos EUA, foi
desenvolvido o método de penetrantes fluorescentes. Nesta época, o ensaio foi adotado
pelas indústrias aeronáuticas, que trabalhando com ligas não ferrosas, necessitavam um
método de detecção de defeitos superficiais diferentes do ensaio por partículas
magnéticas (não aplicável a materiais não magnéticos). A partir da segunda guerra
mundial, o método foi se desenvolvendo, através da pesquisa e o aprimoramento de
novos produtos utilizados no ensaio, até seu estágio atual.
5.1.2 Finalidade do Ensaio
O ensaio por líquidos penetrantes presta-se a detectar descontinuidades superficiais e
que sejam abertas na superfície, tais como trincas, poros, dobras, etc; podendo ser
aplicado em todos os materiais sólidos e que não sejam porosos ou com superfície
muito grosseira.
É muito usado em materiais não magnéticos como alumínio, magnésio, aços
inoxidáveis austeníticos, ligas de titânio, e zircônio, além dos materiais magnéticos. É
também aplicado em cerâmica vitrificada, vidro e plásticos.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
167
5.1.3 Princípios Básicos
O método consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade um líquido. Após
a remoção do excesso de líquido da superfície, faz-se sair da descontinuidade o líquido
retido através de um revelador. A imagem da descontinuidade fica então desenhada
sobre a superfície.
Podemos descrever o método em seis etapas principais no ensaio, quais sejam:
−
Preparação da superfície - Limpeza inicial
Antes de se iniciar o ensaio, a superfície deve ser limpa e seca (Figura 85). Não devem
existir água, óleo ou outro contaminante. Contaminantes ou excesso de rugosidade,
ferrugem, etc, tornam o ensaio não confiável.
Figura 85 - Preparação e Limpeza Inicial da Superfície
−
Aplicação do Penetrante
Consiste na aplicação de um líquido chamado penetrante, geralmente de cor vermelha,
de tal maneira que forme um filme sobre a superfície e que por ação do fenômeno
chamado capilaridade penetre na descontinuidade. Deve ser dado um certo tempo para
que a penetração se complete (Figura 86).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
168
Figura 86 - Tempo de Penetração do Líquido na Abertura
−
Remoção do excesso de penetrante
Consiste na remoção do excesso do penetrante da superfície, através de produtos
adequados, condizentes com o tipo de líquido penetrante aplicado , devendo a
superfície ficar isenta de qualquer resíduo na superfície. Remoção do excesso de
líquido da superfície (Figura 87).
Figura 87 - Remoção do Excesso de Líquido da Superfície
−
Revelação
Consiste na aplicação de um filme uniforme de revelador sobre a superfície (Figura
88). O revelador é usualmente um pó fino (talco) branco. Pode ser aplicado seco ou em
suspensão, em algum líquido. O revelador age absorvendo o penetrante das
descontinuidades e revelando-as. Deve ser previsto um determinado tempo de
revelação para sucesso do ensaio.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
169
Figura 88 - Aplicação do Revelador e Observação da Indicação
−
Avaliação e Inspeção
Após a aplicação do revelador, as indicações começam a serem observadas, através da
mancha causada pela absorção do penetrante contido nas aberturas, e que serão objetos
de avaliação.
A inspeção deve ser feita sob boas condições de luminosidade, se o penetrante é do
tipo visível (cor contrastante com o revelador, conforme Figura 89) ou sob luz negra,
em área escurecida, caso o penetrante seja fluorescente.
A interpretação dos resultados deve ser baseada no Código de fabricação da peça ou
norma aplicável ou ainda na especificação técnica do Cliente.
Nesta etapa deve ser preparado um relatório escrito que mostre as condições do ensaio,
tipo e identificação da peça ensaiada, resultado da inspeção e condição de aprovação
ou rejeição da peça.
Em geral a etapa de registro das indicações é bastante demorada e complexa, quando a
peça mostra muitos defeitos. Portanto, o reparo imediato das indicações rejeitadas com
posterior reteste, é mais recomendável.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
170
Figura 89 - Absorção do Líquido, pelo Revelador, de dentro da Abertura
−
Limpeza pós-ensaio
A última etapa, geralmente obrigatória, é a limpeza de todos os resíduos de produtos,
que podem prejudicar uma etapa posterior de trabalho da peça (soldagem, usinagem,
etc).
5.1.4 Vantagens e Limitações do Ensaio, em Comparação com Outros Métodos
−
Vantagens
Poderíamos dizer que a principal vantagem do método é a sua simplicidade. É fácil de
fazer de interpretar os resultados. O aprendizado é simples, requer pouco tempo de
treinamento do inspetor.
Como a indicação assemelha-se a uma fotografia do defeito, é muito fácil de avaliar os
resultados. Em contrapartida o inspetor deve estar ciente dos cuidados básicos a serem
tomados (limpeza, tempo de penetração, etc), pois a simplicidade pode se tornar uma
faca de dois gumes. Não há limitação para o tamanho e forma das peças a ensaiar, nem
tipo de material; por outro lado, as peças devem ser susceptíveis à limpeza e sua
superfície não pode ser muito rugosa e nem porosa.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
171
O método pode revelar descontinuidades (trincas) extremamente finas (da ordem de
0,001 mm de abertura).
−
Limitações
Só detecta descontinuidades abertas para a superfície (Figura 90), já que o penetrante
tem que entrar na descontinuidade para ser posteriormente revelado. Por esta razão, a
descontinuidade não deve estar preenchida com material estranho.A superfície do
material não pode ser porosa ou absorvente já que não haveria possibilidade de
remover totalmente o excesso de penetrante, causando mascaramento de resultados.
A aplicação do penetrante deve ser feita numa determinada faixa de temperatura.
Superfícies muito frias (abaixo de 16 oC) ou muito quentes (acima de 52 oC) não são
recomendáveis ao ensaio.
Algumas aplicações das peças em inspeção fazem com que a limpeza seja efetuada da
maneira mais completa possível após o ensaio (caso de maquinaria para indústria
alimentícia, material a ser soldado posteriormente, etc.). Este fato pode tornar-se
limitativo ao exame, especialmente quando esta limpeza for difícil de fazer.
Figura 90 - Junta Soldada Contendo Trinca Visual
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
172
5.2 PROPRIEDADES DOS PRODUTOS E PRINCÍPIOS FÍSICOS
5.2.1 Propriedades Físicas do Penetrante
O nome “penetrante” vem da propriedade essencial que este produto deve ter, ou seja,
sua habilidade de penetrar em aberturas finas. Um produto penetrante com boas
características deve:
−
Ter habilidade para rapidamente penetrar em aberturas finas;
−
Ter habilidade de permanecer em aberturas relativamente grandes;
−
Não evaporar ou secar rapidamente;
−
Ser facilmente limpo da superfície onde for aplicado;
−
Em pouco tempo, quando aplicado o revelador, sair das descontinuidades onde
tinha penetrado;
−
Ter habilidade em espalhar-se nas superfícies, formando camadas finas;
−
Ter um forte brilho (cor ou fluorescente);
−
A cor ou a fluorescência deve permanecer quando exposto ao calor, luz ou luz
negra;
−
Não reagir com sua embalagem nem com o material a ser testado;
−
Não ser facilmente inflamável;
−
Ser estável quando estocado ou em uso;
−
Não ser demasiadamente tóxico;
−
Ter baixo custo.
Para que o penetrante tenha as qualidades acima, é necessário que certas propriedades
estejam presentes. Dentre elas destacam-se:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
173
−
Viscosidade
Esta propriedade por si só não define um bom ou mal penetrante (quando falamos em
bom ou mal penetrante nos referimos a sua habilidade em penetrar nas
descontinuidades). A intuição nos diz que um líquido menos viscoso seria melhor
penetrante que um mais viscoso. Isto nem sempre é verdadeiro, pois a água que tem
baixa viscosidade não é um bom penetrante. Todavia, a viscosidade tem efeito em
alguns aspectos práticos do uso do penetrante. Ele é importante na velocidade com que
o penetrante entra num defeito. Penetrantes mais viscosos demoram mais a penetrar
nas descontinuidades. Penetrantes pouco viscosos têm a tendência de não
permanecerem muito tempo sobre a superfície da peça, o que pode ocasionar tempo
insuficiente para penetração.Líquidos de alta viscosidade têm a tendência de serem
retirados dos defeitos quando se executa a limpeza do excesso.
− Tensão Superficial
A tensão superficial de um líquido (Figura 91) é o resultado das forças de coesão entre
as moléculas que formam a superfície do líquido. Observem a figura abaixo, o líquido
1 possui menor tensão superficial que os outros dois , e o líquido 3 é o que possui a
mais alta tensão superficial, lembrando o mercúrio como exemplo.
Figura 91 - Comparação entre três Líquidos com Propriedades de Tensão
Superficial
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
174
Um líquido com baixa tensão superficial é melhor penetrante, pois ele tem a habilidade
de penetrar nas descontinuidades.
Tabela 9 - Características de Alguns Líquidos à 20°C
-
Molhabilidade: É a propriedade que um líquido tem em se espalhar por toda a
superfície, não se juntando em porções ou gotas. Melhor a molhabilidade, melhor
o penetrante.
-
Volatilidade: Podemos dizer, como regra geral, que um penetrante não deve ser
volátil, porém devemos considerar que para derivados de petróleo, quanto maior
a volatilidade, maior a viscosidade. Como é desejável uma viscosidade média, os
penetrantes são mediamente voláteis. A desvantagem é que quanto mais volátil o
penetrante, menos tempo de penetração pode ser dado. Por outro lado, ele tende a
se volatilizar quando no interior do defeito.
-
Ponto de Fulgor: Ponto de fulgor é a temperatura na qual há uma quantidade tal
de vapor na superfície do líquido que a presença de uma chama pode inflamálo.Um penetrante bom deve ter um alto ponto de fulgor (acima de 200°C). A
Tabela 10 mostra os pontos de fulgor de alguns líquidos, para comparação. Esta
propriedade é Importante quando considerações sobre a segurança estão
relacionadas à utilização do produto.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
175
Tabela 10 - Pontos de Fulgor de Alguns Líquidos
-
Inércia Química: É obvio que um penetrante deve ser não inerte e não corrosivo
com o material a ser ensaiado ou com sua embalagem quanto possível. Os
produtos oleosos não apresentam perigo. A exceção é quando existem
emulsificantes alcalinos. Quando em contato com água vai se formar uma
mistura alcalina. Numa inspeção de alumínio ou magnésio, caso a limpeza final
não seja bem executada, pode haver aparecimento após um certo período de
corrosão na forma de “pitting”. Quando se trabalha com ligas à base de níquel,
requer-se um penetrante com baixos teores de alguns elementos prejudiciais.
-
Habilidade de Dissolução: Os penetrantes incorporam o produto corante ou
fluorescente que deve estar o mais possível dissolvido. Portanto, um bom
penetrante deve ter a habilidade de manter dissolvido estes agentes.
-
Toxidez: Evidentemente um bom penetrante não pode ser tóxico, possuir odor
exagerado e nem causar irritação na pele.
-
Penetrabilidade: Apesar de penetrabilidade (capacidade de penetrar em finas
descontinuidades) não seja a única qualidade do líquido,a penetrabilidade está
intimamente ligada às forças de atração capilar - capilaridade. Estas forças são
aquelas que fazem um líquido penetrar espontaneamente num tubo de pequeno
diâmetro. Observem a figura abaixo, o líquido 1 consegue penetrar até uma altura
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
176
h1 no tubo capilar, enquanto que o líquido 2 consegue penetrar a uma altura h2
,menor que h1 , no mesmo tubo capilar. Assim, o líquido 1 possuirá melhor
características de penetrabilidade nas descontinuidades, que o líquido 2, uma vez
que as finas aberturas se comportam como o tubo capilar. A capilaridade é
função da tensão superficial do líquido e de sua molhabilidade. A abertura da
descontinuidade afetará a força capilar - menor a abertura (mais fina uma trinca)
maior a força.
Figura 92 - Comparação entre dois Líquidos com Propriedade de Capilaridade
Diferentes
5.2.2 Sensibilidade do Penetrante.
Sensibilidade do penetrante é sua capacidade de detectar descontinuidades. Podemos
dizer que um penetrante é mais sensível que outro quando, para aquelas
descontinuidades em particular, o primeiro detecta melhor os defeitos que o segundo.
Os fatores que afetam a sensibilidade são:
–
Capacidade de penetrar na descontinuidade
–
Capacidade de ser removido da superfície, mas não do defeito
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
177
–
Capacidade de ser absorvido pelo revelador
–
Capacidade de ser visualizado quando absorvido pelo revelador, mesmo em
pequenas quantidades.
Algumas normas técnicas classificam os líquidos penetrantes quanto à visibilidade e
tipo de remoção, conforme Tabela 11, abaixo:
Tabela 11 - Tipos de Líquidos Penetrantes
Os líquidos penetrantes devem se analisados quanto aos teores de contaminantes, tais
como enxofre, flúor e cloro quando sua aplicação for efetuada em materiais
inoxidáveis austeníticos, titânio e ligas a base de níquel. O procedimento e os limites
aceitáveis para estas análises, devem ser de acordo com a norma aplicável de inspeção
do material ensaiado, a Figura 93 demonstra este procedimento.
Figura 93 – Tipos de Líquidos Penetrantes
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
178
5.2.3 Propriedades do Revelador.
Um revelador com boas características deve:
–
Ter ação de absorver o penetrante da descontinuidade;
–
Servir com uma base por onde o penetrante se espalhe - granulação fina;
–
Servir para cobrir a superfície evitando confusão com a imagem do defeito;
–
Formando uma camada fina e uniforme;
−
Deve ser facilmente removível;
−
Não deve conter elementos prejudiciais ao operador e ao material que esteja
sendo inspecionado.
Classificam-se os reveladores conforme segue:
− Pós Secos
Foram os primeiros e continuam a serem usados com penetrantes fluorescentes. Os
primeiros usados compunham-se de talco ou giz. Atualmente os melhores reveladores
consistem de uma combinação cuidadosamente selecionada de pós.
Os pós devem ser leves e fofos. Devem aderir em superfícies metálicas numa camada
fina, se bem que não devem aderir em excesso, já que seriam de difícil remoção. Por
outro lado, não podem flutuar no ar, formando uma poeira. Os cuidados devem ser
tomados para proteger o operador.
A falta de confiabilidade deste tipo de revelador, torna o seu uso muito restrito.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
179
− Suspensão Aquosa de Pós
Geralmente usado em inspeção pelo método fluorescente. A suspensão aumenta a
velocidade de aplicação quando pelo tamanho da peça pode-se mergulha-la na
suspensão. Após aplicação a peça é seca em estufa, o que diminui o tempo de secagem.
É um método que pode se aplicar quando usa-se inspeção automática. A suspensão
deve conter agentes dispersantes, inibidores de corrosão, agentes que facilitam a
remoção posterior.
− Solução Aquosa
A solução elimina os problemas que eventualmente possam existir com a suspensão
(dispersão, etc).
Porém, materiais solúveis em água geralmente não são bons reveladores. Deve ser
adicionado à solução inibidor de corrosão e a concentração deve ser controlada, pois
há evaporação. Sua aplicação deve ser feita através de pulverização.
− Suspensão do Pó Revelador em Solvente
É um método muito efetivo para se conseguir uma camada adequada (fina e uniforme)
sobre a superfície.
Como os solventes volatilizam rapidamente, existe pouca possibilidade de
escorrimento do revelador até em superfícies em posição vertical (Figura 94). Sua
aplicação deve ser feita através de pulverização.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
180
Os solventes devem evaporar rapidamente e ajudar a retirar o penetrante das
descontinuidades dando mais mobilidade a ele. Exemplos de solventes são: álcool,
solventes clorados (não inflamáveis). O pó tem normalmente as mesmas características
do método de pó seco.
Os reveladores devem se analisados quanto aos teores de contaminantes, tais como
enxofre, flúor e cloro, quando sua aplicação for efetuada em materiais inoxidáveis
austeníticos, titânio e ligas a base de níquel. O procedimento e os limites aceitáveis
para estas análises, devem ser de acordo com a norma aplicável de inspeção do
material ensaiado.
Figura 94 - Resultado do Ensaio por Líquidos Penetrantes de uma Peça Fundida
5.3 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO
Neste capítulo em detalhes as etapas básicas do ensaio, a influência da temperatura, as
correções de deficiências de execução do ensaio e a maneira de registrar os dados do
mesmo. É importante salientar , que a aplicação do método de inspeção por líquidos
penetrantes deve sempre ser feita através de um procedimento previamente elaborado e
aprovado, contendo todos os parâmetros essenciais do ensaio baseado na norma ou
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
181
especificação aplicável ao produto a ser inspecionado. As informações técnicas a
seguir estão baseadas no Código ASME Sec. V Artigo 6.
5.3.1 Preparação da Superfície
A primeira etapa a ser seguida na realização do ensaio é verificação das condições
superficiais da peça. Deverá estar isenta de resíduos, sujeiras, óleo, graxa e qualquer
outro contaminante que possa obstruir as aberturas a serem detectadas.
Caso a superfície seja lisa ,preparação prévia será facilitada. É o caso de peças
usinadas, lixadas, etc.. Este fator é inerente ao processo de fabricação. Superfícies
excessivamente rugosas requerem uma preparação prévia mais eficaz, pois as
irregularidades superficiais certamente prejudicarão a perfeita aplicação do penetrante,
a remoção do excesso e, portanto, o resultado final.
As irregularidades irão dificultar a remoção, principalmente no método manual. Além
do mascaramento dos resultados, há a possibilidade de que partes dos produtos de
limpeza fiquem aderidas à peça (fiapos de pano).
Numa operação de esmerilhamento, um cuidado adicional deve estar presente. Deve-se
evitar causar, por exemplo, sulcos sobre a peça, erro muito comum na preparação de
soldas.
5.3.2 Métodos de Limpeza da Superfície
O sucesso do método depende dos defeitos estarem abertos à superfície. A limpeza,
portanto, é de fundamental importância. Todo produto de corrosão, escória, pinturas,
óleo, graxa, etc deve estar removido da superfície.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
182
Pode-se utilizar o solvente que faz parte dos “kits” de ensaio ou solventes disponíveis
no mercado, tal como thinner, ou ainda outro produto qualificado.
Neste caso, deve-se dar suficiente tempo para que o solvente utilizado evapore-se das
descontinuidades, pois sua presença pode prejudicar o teste. Dependendo da
temperatura ambiente e do método utilizado, este tempo pode variar. Pode-se utilizar o
desengraxamento por vapor, para remoção de óleo, graxa ; ou ainda limpeza química,
solução ácida ou alcalina, escovamento manual ou rotativo, removedores de pintura,
ultra-som, detergentes.
Peças limpas com produtos a base de água, a secagem posterior é muito importante.
Cuidados também são importantes para evitar corrosão das superfícies.
Os
processos
de
jateamento,
lixamento
e
aqueles
que
removem
metal
(esmerilhamento), devem ser evitados, pois tais processos podem bloquear as aberturas
da superfície e impedir a penetração do produto penetrante. Entretanto, tais métodos de
limpeza podem em alguns processos de fabricação do material a ensaiar, serem
inevitáveis e inerentes a estes processos.
Esta etapa é muito importante e o operador deve ter consciência de que o material na
área de interesse esteja aparente, sem óxidos ou qualquer sujeira que possa mascarar a
observação da descontinuidade.
5.3.3 Temperatura da Superfície e do Líquido Penetrante
Poderíamos dizer que a temperatura ótima de aplicação do penetrante é de 20 °C e as
superfícies não devem estar abaixo de 16 °C. Temperaturas ambientes mais altas
(acima de 52 °C) aumentam a evaporação dos constituintes voláteis do penetrante,
tornando-o insuficiente. Acima de certo valor ( > 100° C) há o risco de inflamar.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
183
A observação e controle da temperatura é um fator de grande importância, que deve
estar claramente mencionado no procedimento de ensaio.
5.3.4 Aplicação do Penetrante
O penetrante pode ser aplicado em “spray”, por pincelamento, com rolo de pintura ou
mergulhando-se as peças em tanques (Figura 95). Este último processo é válido para
pequenas.
Neste caso as peças são colocadas em cestos. Deve-se escolher um processo de
aplicação do penetrante, condizente com as dimensões das peças e com o meio
ambiente em que será aplicado o ensaio. Por exemplo: peças grandes, e ambientes
fechados, em que o inspetor escolha o método de aplicação do penetrante por
pulverização, certamente isto será um transtorno tanto para as pessoas que trabalhem
próximo ao local, assim como para o próprio inspetor.
Figura 95 - Aplicação do Penetrante com Pincel
5.3.5 Tempo de Penetração
É o tempo necessário para que o penetrante entre dentro das descontinuidades. Este
tempo varia em função do tipo do penetrante, do material a ser ensaiado, e da
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
184
temperatura; além disso, deve estar de acordo com a norma aplicável de inspeção do
produto a ser ensaiado.
Na Tabela 12, estão descritos os tempos mínimos de penetração apenas para referência
os tempos de penetração corretos devem estar de acordo com a norma aplicável de
fabricação/inspeção do material ensaiado.
5.3.6 Remoção do Excesso de Penetrante
Os penetrantes não laváveis em água são quase sempre utilizados para inspeções locais
e estes são melhor removidos com panos secos ou umedecidos com solvente. Papel
seco ou pano seco é satisfatório para superfícies lisas (Figura 96). A superfície deve
estar completamente livre de penetrante, senão haverá mascaramento dos resultados.
Deve-se tomar o cuidado para não usar solvente em excesso, já que isto pode causar a
retirada do penetrante das descontinuidades.
Geralmente uma limpeza grosseira com pano e papel levemente embebido em
solvente, seguido de uma limpeza feita com pano ou papel seco ou com pouco de
solvente é satisfatória.
Quando as peças são inteiramente umedecidas com solvente a limpeza manual é
demorada e difícil. Neste caso pode-se mergulhar a peça em banho de solvente, com o
inconveniente de que algum penetrante pode ser removido das descontinuidades. Este
método só deve ser usado com muito cuidado e levando-se em conta esta limitação.
Quando se usa o tipo lavável em água, é satisfatório a lavagem com jato de água. O
jato deve ser grosso para aumentar sua eficiência ou por spray. Após lavagem com
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
185
água, a peça deve ser seca com, por exemplo, ar comprimido. A remoção usando
solvente a secagem pode ser feita por evaporação natural.
Figura 96 - Remoção do Penetrante com Pano e com Spray de Água
5.3.7 Revelação
A camada de revelador deve ser fina e uniforme (Figura 97). Pode ser aplicada com
spray, no caso de inspeção manual. Peças que foram totalmente revestidas com
penetrante são mais difíceis para se manter uma camada uniforme de revelador. O
melhor método neste caso é o spray.
Figura 97 - Aplicação do Revelador por Pulverização com Pistola de Pintura
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
186
Tabela 12 – Tempos Mínimos de Penetração recomendados pelo ASME Sec. V
Art. 6 Ed. 2001
Onde:
A - Para temperaturas de 16 a 52 °C;
B - O tempo necessário para a penetração deve ser conforme a orientação do
Fabricante;
C - A revelação se inicia tão logo a cobertura do revelador estiver seca sobre a
superfície da peça. O tempo máximo para revelação deve ser não menor que 10
minutos. O máximo tempo permitido para revelação é de 2 horas para reveladores
aquosos e 1 hora para reveladores não aquosos.
5.3.8 Secagem e Inspeção
Deve ser dado um tempo suficiente para que a peça esteja seca antes de efetuar a
inspeção. Logo após o início da secagem, deve-se acompanhar a evolução das
indicações no sentido de definir e caracterizar o tipo de descontinuidade e diferenciálas entre linear ou arredondadas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
187
O tempo de revelação é variável de acordo com o tipo da peça, tipo de defeito a ser
detectado e temperatura ambiente. As descontinuidades finas e rasas demoram mais
tempo para serem observadas, ao contrário daquelas maiores e que rapidamente
mancham o revelador.
O tamanho da indicação a ser avaliada, é o tamanho da mancha observada no
revelador, após o tempo máximo de avaliação permitida pelo procedimento. Em geral
tempos de avaliação entre 7 a 60 minutos são recomendados.
5.3.9 Iluminação
Como todos os exames dependem da avaliação visual do operador, o grau de
iluminação utilizada é extremamente importante. Iluminação errada pode induzir a erro
na interpretação. Além disso, uma iluminação adequada diminui a fadiga do inspetor.
–
Iluminação com luz natural (branca): A luz branca utilizada é a convencional.
Sua fonte pode ser: luz do sol, lâmpada de filamento, lâmpada fluorescente ou
lâmpada a vapor. Dirigindo a luz para a área de inspeção com o eixo da lâmpada
formando aproximadamente 90° em relação a ela é a melhor alternativa. O fundo
branco da camada de revelador faz com que a indicação se torne escurecida. A
intensidade da luz deve ser adequada ao tipo de indicação que se quer ver (
>350lux), sendo ideal acima de 1000 Lux (recomendado pelo Código ASME
Sec. V ) . O instrumento correto para medir a intensidade de iluminação no local
é o luxímetro, que deve estar calibrado na unidade Lux.
–
Iluminação com Luz ultravioleta (“luz negra”): Podemos definir a luz “negra”
como aquela que tem comprimento de onda menor do que o menor comprimento
de onda da luz visível. Ela tem a propriedade de causar em certas substâncias o
fenômeno da fluorescência. O material fluorescente contido no penetrante tem a
propriedade de em absorvendo a luz “negra” emitir energia em comprimentos de
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
188
onda maiores, na região de luz visível. São usados filtros que eliminam os
comprimentos de onda desfavoráveis (luz visível e luz ultravioleta) permitindo
somente aqueles de comprimento de onda de 3500 a 4000 Å. A intensidade de
luz ultravioleta que se deve ter para uma boa inspeção é > que 800 mW/cm 2 . O
instrumento para medir a luz UV é o radiômetro, que deve estar calibrado na
unidade "mW/cm 2 ". A Figura 98 demonstra o registro dos resultados.
Figura 98 -Registro dos Resultados
5.3.10 Limpeza Final
Após completado o exame, é necessário na maioria dos casos executar-se uma limpeza
final na peça, já que os resíduos de teste podem prejudicar o desempenho das peças.
Uma limpeza final com solvente geralmente é satisfatória. Para peças pequenas a
imersão das peças em banho de detergente solventes, ou agentes químicos, geralmente
é satisfatório.
5.3.11 Identificação e Correção de Deficiências do Ensaio
Alguns problemas de deficiência de técnicas de ensaio estão indicados abaixo:
−
Preparação inicial inadequada da peça;
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
189
−
Limpeza inicial inadequada;
−
Cobertura incompleta da peça com penetrante;
−
Remoção de excesso inadequada, causando mascaramento dos resultados;
−
Escorrimento do revelador;
−
Camada não uniforme do revelador;
−
Revelador não devidamente agitado;
−
Cobertura incompleta de revelador.
O inspetor experiente deve, fase por fase, avaliar seu trabalho e detectar as deficiências
cujos exemplos são apontados acima.
Após detectá-las estas devem ser imediatamente corrigidas.
Observa-se que a deficiência mais comum consiste na remoção incompleta do excesso,
especialmente em ensaio manual.
Esta é uma fase que deve ser executada com o devido cuidado, especialmente se a
superfície é bruta, ou caso de soldas.
5.3.12 Registro de Resultados
Ensaios de peças críticas devem ter seu resultado, além dos dados do teste registrados
em relatório, a fim de que haja uma rastreabilidade.
Este registro deve ser executado durante o ensaio ou imediatamente após concluído o
mesmo.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
190
O relatório, em geral, deve conter:
–
Descrição da peça, desenho, posição, etc., e estágio de fabricação;
–
Variáveis do teste; marca dos produtos, número do lote, temperatura de aplicação
tempo de penetração e avaliação;
–
Resultados do ensaio;
–
Laudo / disposição;
–
Assinatura do inspetor responsável e data.
Resumo da Seqüência do Ensaio:
– Preparação inicial da Superfície conforme o procedimento;
– Tempo para Secagem dos produtos de limpeza;
– Aplicação do penetrante conforme instruções do procedimento;
– Tempo de penetração, conforme requerido no procedimento;
– Remoção do Excesso de penetrante, conforme instruções;
– Tempo para secagem dos produtos de limpeza;
– Aplicação do revelador;
– Tempo de avaliação das indicações;
– Laudo final e registros;
– Limpeza final, se requerido.
5.4 AVALIAÇÃO E APARÊNCIA DAS INDICAÇÕES
5.4.1 Avaliação da Descontinuidade
Relembramos o conceito de descontinuidade e defeito.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
191
A descontinuidade deve ser analisada à luz de algum padrão de aceitação, caso seja
reprovável ela se constituirá em um defeito.
Ao se analisar a peça o operador deve ter consciência de que o ensaio foi executado
corretamente e as descontinuidades foram verificadas contra o padrão de aceitação préestabelecido.
5.4.2 Fatores que Afetam as Indicações
Vários são os fatores que podem afetar a aparência das indicações tornar o ensaio não
confiável. A fonte mais comum de indicações falsas é a remoção inadequada do
excesso de penetrante, o que causa, às vezes, até impossibilidade de avaliação.
No caso dos métodos laváveis com água e pós emulsificável, a lavagem é de
fundamental importância. O uso da luz ultravioleta durante o processo de lavagem é
recomendado. Após lavagem, existem fontes que podem re-contaminar a peça, tais
como:
– Penetrante nas mãos do inspetor;
– Penetrante que sai das descontinuidades de uma peça e passa para as áreas boas de
outra peça (caso de peças pequenas);
– Penetrante na bancada de inspeção.
Deduz-se facilmente que o cuidado no manuseio das peças e principalmente limpeza
são necessários para que o ensaio tenha sucesso. Independente das indicações falsas
existem as indicações não relevantes, que o inspetor deve reconhecer. São indicações
de realmente algo que existe no sentido de que elas são causadas por descontinuidades
da superfície da peça.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
192
A maioria delas é fácil de reconhecer, porque provém diretamente do processo de
fabricação. Exemplos destas indicações são:
− Pequenas inclusões de areia em fundidos
− Marcas de esmerilhamento
− Depressões superficiais
− Imperfeições de matéria-prima
Apesar de facilmente reconhecíveis, há o perigo destes interferirem ou mascararem um
defeito. É necessário que o inspetor tenha o cuidado de verificá-las cuidadosamente
antes de aprová-las.
5.4.3 Categorias de Indicações Verdadeiras
− Indicações em linha contínua: Podem ser causadas por trincas, dobras, riscos ou
marcas de ferramentas. Trincas geralmente aparecerem como linhas sinuosas,
dobras de forjamento como tem a aparência de linha fina.
− Linha intermitente: Podem ser causadas pelas mesmas descontinuidades acima.
Quando a peça é retrabalhada por esmerilhamento, martelamento, forjamento,
usinagem, etc., porções das descontinuidades abertas à superfície podem ficar
fechadas.
− Arredondadas: Causadas por porosidade ou por trinca muito profunda, resultante
da grande quantidade de penetrante que é absorvida pelo revelador.
− Interrompidas finas e pequenas: Causadas pela natureza porosa da peça ou por
grãos excessivamente grosseiros de um produto fundido.
− Defeituosas: Normalmente não são definidas tornando-se necessário reensaiar as
peças. Às vezes provém de porosidade superficial. Podem ser causadas por
lavagem insuficiente (falsas).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
193
5.4.4 Tipos e Aparências das Indicações por Processo de Fabricação
–
Fundidos:
Os principais defeitos que podem aparecer nos produtos fundidos são:
–
-
Trincas de solidificação (rechupes)
-
Micro rechupes
-
Porosidade
-
Gota Fria
-
Inclusão de areia na superfície
-
Bolhas de gás
Forjados:
Defeitos típicos em forjados são:
–
-
Dobras (“lap”)
-
Rupturas (“tear”)
-
Fenda (“burst”)
-
Delaminação
Laminados:
Os laminados apresentam: delaminações, defeitos superficiais, como dobras de
laminação, fenda, etc.
–
Roscados:
Apresentam: trincas
–
Materiais não metálicos:
Cerâmicos: trincas e porosidade.
– Soldas:
Soldas podem apresentar:
-
Trincas superficiais;
-
Porosidade superficial;
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
194
-
Falta de penetração;
-
Mordeduras.
5.5 SEGURANÇA E PROTEÇÃO
Podemos dizer que as medidas de proteção pessoal contra eventuais problemas de
saúde causados por produtos utilizados no ensaio por líquido penetrante iniciam-se
como:
− Conhecimento do inspetor a respeito do procedimento de ensaio;
− Organização pessoal e em decorrência da limpeza da área de trabalho;
Manter a área de trabalho limpa e organizada é fundamental não só para a proteção
pessoal como para o sucesso do ensaio.
5.5.1 Toxidade, Aspiração exagerada, Ventilação e Manuseio
Toxidade é a propriedade de causar dano no corpo humano ou num material.
Praticamente todos os materiais para ensaio com líquidos penetrantes atualmente
disponíveis não apresentam grandes problemas de toxidade, mas certas precauções são
necessárias.
Uma aspiração exagerada dos produtos voláteis pode causar náusea e certas
dermatoses podem ocorrer quando há contato muito prolongado dos produtos com a
pele.
Uma precaução básica é manter uma boa ventilação do local de trabalho. Nestas
condições é evitada a aspiração exagerada e elimina-se o problema de uma eventual
inflamação dos gases gerados (ponto de fulgor).
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
195
Como os materiais utilizados no ensaio apresentam propriedades detergentes, eles
tendem a dissolver óleos e gorduras. Portanto, o contato exagerado pode causar
rugosidade e vermelhão na pele.
Isto pode causar uma infecção causando irritações mais fortes. Deve-se tomar o
cuidado de lavar as mãos com bastante água corrente e sabão. O uso de luvas em
contatos prolongados é recomendável.Se houver início de irritação, deve-se usar sobre
o local atingido um creme ou loção à base de gordura animal (lanolina).
5.5.2 Luz Ultravioleta
A luz ultravioleta usada nos ensaios não apresenta sérios problemas de saúde, já que
seu comprimento de onda está por volta de 3600 Å.
5.6 CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO
O critério de aceitação de descontinuidades deve seguir a norma ou especificação
aplicável ao produto ou componente fabricado e inspecionado. A título de exemplo, o
critério de aceitação que segue abaixo, é uma tradução livre do Código ASME Sec.
VIII Div.1 Ap. 8 , é aplicável para soldas e componentes inspecionadas por líquidos
penetrantes, e da norma CCH-70 aplicável a superfícies fundidas acabadas.
5.6.1. Código ASME Sec.VIII Div.1 Ap.8
5.6.1.1 Avaliação das Indicações
Uma indicação é uma evidência de uma imperfeição mecânica. Somente indicações
com dimensões maiores que 1/16 pol. (1,6 mm) deve ser considerada como relevante.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
196
–
Uma indicação linear é aquela tendo um comprimento maior que três vezes a
largura.
–
Uma indicação arredondada é aquela na forma circular ou elíptica com
comprimento igual ou menor que três vezes a largura.
–
Qualquer indicação questionável ou duvidosa , deve ser reinspecionada para
determinar se indicações relevantes estão ou não presentes.
5.6.1.2 Critério de Aceitação
Toda as superfícies devem estar livres de:
− Indicações relevantes lineares;
− Indicações relevantes arredondadas maiores que 3/16 pol. (4,8 mm);
− Quatro ou mais indicações relevantes arredondadas em linha separadas por 1/16
pol. (1,6 mm) ou menos (de borda a borda);
− Uma indicação de uma imperfeição pode ser maior que a imperfeição, entretanto, o
tamanho da indicação é a base para a avaliação da aceitação. < 1,6
5.6.2 Especificação Técnica para Líquidos Penetrantes - CCH-70 / PT 70-2
Esta norma é geralmente utilizada na inspeção de fundidos na condição acabada, ou
ainda para inspeção de áreas abertas para reparos.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
197
5.6.2.1 Avaliação das Indicações
Indicações isoladas abaixo de 1,5 mm não devem ser consideradas para efeito de
avaliação.
−
Indicações Lineares: Indicações com comprimento maior ou igual a três vezes a
largura será considerada como linear.
–
Indicações Arredondadas: Indicações com comprimento menor que três vezes a
largura será considerada arredondada.
−
Indicações alinhadas: São indicações agregadas em L com dimensões acima de
1,5 mm arredondadas, separadas entre si de 2 mm ou menos.
5.6.2.2 Critério de Aceitação
–
Avaliação das indicações: Indicação é a evidência de imperfeição mecânica.
Devem ser consideradas relevantes somente as indicações que tenham dimensões
maiores do que 1/16" (1,6mm)
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
198
-
Indicação linear é a que apresenta um comprimento maior que três vezes a
largura;
-
Indicação arredondada é a que apresenta formato circular ou elíptico, com
comprimento igual ou menor que três vezes a largura;
-
Quaisquer indicações questionáveis ou duvidosas devem ser submetidas a
um reexame, para que se defina se as mesmas são relevantes ou não.
–
Padrões de Aceitação: Devem ser aplicados os sequintes padrões de aceitação,
exceto se outros padrões mais restritivos forem estipulados para aplicações ou
materiais específicos, dentro dos limites desta divisão. Todas as superfícies
examinadas devem estar isentas de:
-
Indicações lineares relevantes;
-
Indicações arredondadas relevantes, maiores do que 3/16" (4,8mm);
-
Quatro ou mais indicações alinhadas arredondadas relevantes separadas por
uma distância igual ou menor que 1/16" (1,6mm), medida entre bordas de
indicações consecutivas;
NOTA: A indicação de uma descontinuidade pode ser maior do que a própria
descontinuidade, entretanto, a indicação é que deve ser utilizada para a aplicação do
critério de aceitação.
5.7 PROCEDIMENTO PARA ENSAIO
A aplicação do ensaio por líquidos penetrantes requer um procedimento escrito e de
acordo com a norma ou Código aplicável ao componente inspecionado. O
procedimento para ensaio por líquidos penetrantes deve conter itens julgados
relevantes para sua aplicação. Segue abaixo a itenização requerida pelo Código ASME
Sec. V Art. 6, como segue:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
199
–
Materiais, formas ou tamanhos das peças a ser inspecionadas e extensão do
ensaio;
–
Tipo número ou letra de designação se disponível de cada penetrante, removedor,
emulsificador, e revelador;
–
Detalhes de processamento para pré-limpeza, e secagem, incluindo materiais de
limpeza usados, e tempo mínimo permitido para secagem;
–
Detalhes de processamento para aplicação do penetrante, o tempo que o
penetrante deve permanecer na superfície (tempo de penetração), temperatura da
superfície e do penetrante durante o ensaio se diferente da faixa de 16 0C até 52
0
–
C;
Detalhes de processamento de remoção do excesso de penetrante da superfície, e
para secagem da superfície antes de aplicar o revelador;
–
Detalhes de processamento para aplicação do revelador, e o tempo de revelação
antes da interpretação;
–
Detalhes de processamento para limpeza após o ensaio.
O procedimento para ensaio deve ser qualificado ou demonstrado ao Cliente, quando
requerido, através da aplicação deste em peça ou padrão contendo trincas conhecidas e
gabaritadas.
Sempre que alterações ou substituições for feita no grupo de família de materiais
penetrantes (incluindo reveladores, emulsificadores, etc.) ou na técnica de
processamento, pré-limpeza, o procedimento deverá ser revisado.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
200
6.0 TERMOGRAFIA
A variável Temperatura é definida como a medida da energia cinética média dos
átomos ou moléculas de uma substância, dada em graus Centígrados, Kelvin ou
Fahrenheit.
Sempre que existir um gradiente de temperaturas no interior de um sistema haverá
transferência dessa energia no sentido das temperaturas mais baixas. A energia em
trânsito é chamada de Calor e o processo de transporte é denominado Transmissão de
Calor.
Existem três mecanismos básicos de transmissão de calor: Condução, Convecção e
Radiação.
Condução: é a transferência de energia entre partes adjacentes de um sólido em
conseqüência da existência de um gradiente térmico no mesmo. Na convecção o calor
se transfere a camadas sucessivas do material através da difusão da energia cinética
média das moléculas. Essa energia é maior nas regiões mais quentes e menor nas mais
frias. A condutibilidade térmica (k) é o parâmetro que determina a maior ou menor
capacidade de um material em conduzir calor.
Convecção: é um processo de transmissão de calor por condução e movimentação de
massa, característico dos fluidos. O calor é transferido de uma região para outra devido
às variações de densidades decorrentes da presença de gradientes térmicos. A
convecção pode ser natural ou forçada, neste último caso, quando estimulada pela ação
do vento, de um ventilador ou de uma bomba.
Radiação: é a transferência de calor através de ondas eletromagnéticas. Todos os
corpos emitem naturalmente radiação eletromagnética em função da temperatura
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
201
absoluta de acordo com a lei de Stefan-Boltzmann e desta forma podem trocar calor
sem qualquer contato físico, mesmo no vácuo. A maior ou menor capacidade do corpo
em emitir radiação eletromagnética é dada pela sua emissividade (ε), parâmetro que
pode variar entre 0 e 1.
6.1 - TEORIA DA RADIAÇÃO
6.1.1 - Histórico
Os estudos e observações referentes à luz e o calor remontam tempos imemoriais. Os
gregos antigos já promoviam grandes debates a respeito da natureza da luza e os
mesmos acreditavam que a luz percorria o caminho dos olhos para o objeto.
Porém nesta época, diante deste conceito, os gregos não conseguiam explicar como os
objetos mudavam de forma. Por esta época, os gregos desenvolviam teorias propondo
que a lua brilha por refletir os raios solares, conseguindo assim explicar as fases e
eclipses lunares.
Estudos sobre o sol e as estrelas também foram desenvolvidos envolvendo suas
composições e calor. Estes estudos foram desenvolvidos pêlos gregos em sigilo, pois
elas desmistificavam o caráter religioso (mitológico) dos corpos celestes.
Foram atribuídos a Archimedes (287-212 a.C.) o estudo referente aos espelhos curvos,
estando este fato relacionado com a vitória dos gregos sobre os romanos na batalha de
Siracusa.
Os estudos de Alhazen, matemático árabe, reconhecem que a visão de um objeto está
associada à reflexão de direcionamento de luz incidindo em cada ponto do objeto. Ele
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
202
explica que os raios emergentes do contorno de um objeto diminuem de diâmetro à
medida que o mesmo se afasta dos olhos do observador.
Os estudos desenvolvidos por Alhazen causaram um grande impacto sobre os pintores
renascentistas, incluindo Leonardo da Vinci, levando-os a estudar sobre os raios de luz
e formando assim a escola denominada Perspectivi.
6.1.2 - O Espectro Eletromagnético
Em 1666, Isaac Newton descreve à sociedade científica sua experiência sobre a
decomposição da luz solar, ao atravessar um prisma de vidro, decompondo este raio
em faixas coloridas, tais como: violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho.
Denominou-se espectro, a imagem alongada e colorida contida na luz branca.
Em meados do século XVII, Christiaan Huyges desenvolveu estudos sobre a natureza
ondulatória da luz; enquanto isto, Isaac Newton defendia a composição corpuscular da
luz, cujos corpúsculos seriam menores para a cor violeta e aumentando de tamanho na
direção do vermelho.
Pela metade do século XIX, o inglês James Maxwell propõe ser a luz uma radiação de
natureza eletromagnética. De acordo com Maxwell, as ondas eletromagnéticas são
oriundas da oscilação de um campo elétrico perpendicularmente a um campo
magnético. O comprimento de onda é a distância compreendida entre duas cristas
sucessivas e estando esta distância na faixa de 0,00040 e 0,00075 milímetros, a
radiação pode ser captada pelo observador, através de sua retina e é denominada de
luz. Diante das proposições expostas por Maxwell, vários cientistas passaram a estudar
este novo capítulo da Física, indo ainda mais adiante em suas teorias, tal como,
Heinrich Hertz, que aprofundou os estudos referentes à teoria de Maxwell, bem como,
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
203
veio no decorrer de suas experiências, confirmá-la, demonstrando ainda, que a
velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas é a mesma que a velocidade da
luz no vácuo (299.792.458 m/s). A velocidade da luz está diretamente relacionada com
o comprimento de onda e a freqüência provocada pela radiação.
λ ∗f = c
onde:
λ = comprimento de onda em metros;
f= freqüência em hertz;
c= velocidade da luz em metros por segundo.
Einstein, em 1905, desenvolveu estudos referentes à natureza da luz, postulando que o
fenômeno, conhecido como sendo o efeito fotoelétrico, só ocorreria se a luz fosse
composta por pequenas partículas denominadas fótons. Os cientistas atuais
consideram, por sua vez, que a radiação eletromagnética tem dois comportamentos
distintos, dependendo do experimento que esteja sendo desenvolvido, comportando-se
ora como partícula, ora com onda. O espectro eletromagnético é composto de raios
gama, raios X, ultravioleta, luz, infravermelho, microondas e ondas de rádio e televisão
e o, mesmo não possui limites, tanto inferior, tanto superior definidos, estando dividido
de maneira arbitrária em regiões distintas através de método de produção e detecção da
onda.
Todas as ondas seguem as mesmas leis de refração, reflexão, difração e polarização, de
maneira que não existe uma diferença fundamental entre as várias formas de radiação.
As unidades de medidas relativas ao comprimento de onda variam entre os tradicionais
múltiplos e submúltiplos do metro e podemos utilizar também:
micrômetro (μm)= 10-6
nanômetro (ηm)= 10-9
angstron (A)= 10-10
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
204
6.1.3 - O Infravermelho
O termo infravermelho foi comumente adotado em meados de 1880, tendo como
origem etimológica o prefixo latino infra, que significa abaixo, ou seja, abaixo do
vermelho da escala de freqüência. Este termo originou-se das experiências realizadas
pelo astrônomo alemão Friedrich Wilhelm Herschell (1738-1822), que baseando-se
nas experiências desenvolvidas anteriormente por Isaac Newton, tinha como objetivo,
determinar qual seria o material, mais apropriado para ser utilizado como filtro nas
observações solares. Herschell mediu, com um termômetro, o aquecimento provocado
pela incidência de cada uma das cores que compõem o espectro e concluiu que este
fenômeno térmico ocorria na região mais escura além do extra vermelho. Denominou
esta região de espectro de calor negro e espectro termométrico.
O limite da percepção visual para o vermelho é de 0,75 mícron, coincidindo assim com
o limite inferior do infravermelho.
O limite superior confunde-se com as microondas no campo magnético.
O espectro infravermelho é dividido em quatro faixas, sendo que o limite das mesmas
tem seus valores arbitrariamente escolhidos.
–
Infravermelho próximo (0,75 a 3,0 micra)
–
Infravermelho médio (3,0 a 6,0 micra)
–
Infravermelho distante (6,0 a 15,0 micra)
–
Infravermelho extremo (15,0 a 1000,0 micra)
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
205
6.1.4 - Emissividade
Quando um corpo qualquer é atingido pela radiação, podem ocorrer os seguintes
fenômenos abaixo descritos:
−
Uma parte da radiação (A) pode ser absorvida;
−
Uma parte da radiação (R) pode ser refletida;
−
Uma parte da radiação (T) pode ser transmitida.
R
A
T
Fazendo o somatório das três partes, temos:
A+R+T=1
Quando a radiação incide sobre um corpo opaco, temos o valor da radiação transmitida
(T) é igual a zero. Deste modo, temos a equação acima simplificada para:
A+R=1
Emissividade (ε) é a relação entre a energia irradiada por um corpo qualquer, em um
mesmo comprimento de onda (λ), e um corpo negro, a uma mesma temperatura. A
emissividade (ε) pode ser expressa matematicamente da seguinte maneira:
onde:
ε = W' / W
W’ – corpo qualquer;
W – corpo negro.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
206
Como temos uma igualdade entre W’ e W, os valores de Emissividade (ε) estão
contidos no intervalo “0 e 1”. Sendo que, numericamente a Emissividade (ε) é igual à
parte da radiação absorvida pelo corpo. Assim sendo podemos estabelecer a seguinte
relação:
ε=A
Para os chamados corpos opacos, pode-se escrever que:
ε + R = 1 ou R = 1- ε
Os fatores abaixo descritos influenciam na obtenção do valor da Emissividade (ε):
–
Composição química superficial e da textura do material;
–
Varia de acordo com a temperatura (T) e com o comprimento de onda (λ);
–
Camadas de óxidos;
–
Poeira;
–
Pintura;
–
Ângulo de visualização, principalmente quando ultrapassa o valor de 50°.
Normalmente, existem três tipos de corpos, distintos na maneira pela qual sua
Emissividade (ε) varia em função do comprimento de onda (λ), conforme abaixo
descrito;
−
Corpo negro
→ ε=1;
−
Corpo cinza
→ ε= constante e menor que 1;
−
Corpo seletivo → ε varia com o comprimento de onda (λ).
Portanto, considerando a Emissividade (ε), a equação de Stefan-Boltzmann terá a
seguinte conformação:
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
207
W= ε.σ.T4
Onde:
T - Temperatura em K;
σ - Constante de Stefan-Boltzmann (5,7x10-8 W/m2, K4);
W - Emissividade radiante (Watts/m2).
Concluímos que quanto menor for o valor estabelecido para a Emissividade (ε), maior
será a capacidade de refletividade ou a transparência do corpo.
Para um corpo opaco temos a seguinte condição:
Corpo opaco → ∑ (energia emitida + energia refletida)
Neste caso podemos escrever as seguintes fórmulas relacionadas ao corpo negro:
W = Wo + Wr
Onde:
Wo= εo.σ.To4 (energia emitida)
Wr= σ.TA4 (1- εo) (energia refletida)
Sendo que:
To= temperatura absoluta do objeto;
TA= temperatura absoluta do ambiente.
6.2 CONCEITUAÇÃO DE TERMOGRAFIA
Técnica de sensoriamento remoto que possibilita a medição de temperatura e formação
de imagens térmicas (termogramas) de um componente, equipamento ou processo, a
partir da radiação infravermelha naturalmente emitida pelos corpos.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
208
Esta técnica permite observar objetos estacionários ou em movimentos a uma distância
segura. Esta condição permite que o operador não fique exposto à presença de cargas
elétricas, gases venenosos, fumos e altas temperaturas.
A termografia ou termovisão tem por objetivos, proporcionar informações relativas à
condição operacional de um componente, equipamento ou processo, permitindo maior
segurança ao operador (pois não existe contato físico com as instalações); não interfere
no processo de produção (o operador pode proceder a verificação dos equipamentos
sem que haja interrupção do processo produtivo, estando os mesmos funcionando a
plena carga) e o alto rendimento das inspeções (o operador pode inspecionar grandes
áreas em pouco tempo) e inspeção de grandes superfícies em pouco tempo (alto
rendimento).
Operacionalmente, deve-se realizar uma seleção preliminar criteriosa para definição
dos pontos críticos a serem inspecionados. Esta medida visa minimizar o tempo e
consequentemente, o custo da inspeção.
No decorrer do desenvolvimento dos estudos relacionados à termografia, os cientistas
concluíram que poderiam aplicar esta técnica em vários segmentos das atividades
humanas.
Esta técnica pode ser dividida em vários segmentos distintos, dependendo do objetivo:
–
Termografia Qualitativa: Ramo da termografia onde as informações obtidas
sobre um determinado componente, equipamento ou processo, provêm da análise
de diferenças em padrões de distribuição térmica dos mesmos.
–
Termografia Quantitativa: É o ramo da termografia onde as informações obtidas
sobre um objeto, equipamento ou sistema, provêm da medição direta das
temperaturas associadas aos padrões de distribuição térmicas observadas.
–
Termografia Analítica: Ramo da termografia dedicado à otimização de
metodologias de trabalho em inspeções, tratamento estatístico dos resultados
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
209
obtidos e a tradução dos dados térmicos em termos econômicos e de aumento de
qualidade.
A principal desvantagem da termografia é que seus resultados são expressos em níveis
de temperatura. Tal parâmetro ainda não é muito bem assimilado pelos altos escalões
das empresas.
Para atingirmos o alto escalão empresarial, precisamos efetivamente traduzir os dados
térmicos obtidos, em seu equivalente monetário: dólar, libras, marcos, francos e ienes.
6.2.1 Sistemas Infravermelhos
Têm como objetivo principal, transformar a radiação infravermelha captada em
informação técnica, que em função do objetivo a que se destina, pode ser, qualitativa
ou quantitativa.
Diversos sistemas foram desenvolvidos para atender as necessidades específicas de
cada aplicação, diferindo entre si, na forma de realizar a varredura da cena, no tipo de
detector utilizado e na apresentação das informações. Os sistemas atualmente
utilizados dividem-se em:
6.2.1.1 - Radiômetros
São os sistemas mais simples, onde a radiação é coletada por meio de um arranjo
óptico fixo e dirigida a um detetor do tipo termopilha, piroelétrico ou quântico, onde é
transformado em sinal elétrico.
Os parâmetros principais para a seleção de um radiômetro, visando sua aplicação, são
o campo de visão (FOV) e a faixa espectral de sensibilidade.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
210
Os radiômetros em geral são portáteis e podem também ser empregados no controle de
processos, desde que estejam localizados em montagens mecânicas ou fixas.
Através de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizados,
para cálculos de temperaturas e seleção de valores.
Pode-se fazer a apresentação dos resultados por meio de mostradores analógicos e
digitais, podendo ainda ser impresso em papel ou gravada para posterior análise.
6.2.1.2 Termovisores
Sistemas formadores de imagem com recursos para análise e medição de distribuição
térmica.Composição do sistema:
− 01 unidade de câmera;
− 01 unidade de vídeo (display)
6.2.1.3 Inspeções Termográficas
É a técnica de inspeção não destrutiva realizada com a utilização de sistemas
infravermelhos, para medições de temperaturas ou observações de padrões diferenciais
de distribuição de calor, fornecendo informações relativas à condição operacional de
um componente, equipamento ou processo.
6.2.2 Aplicações Gerais da Termografia
Dentre as inúmeras áreas de aplicações da Termografia, pode-se destacar as seguintes:
Aeroespacial,, Agricultura de precisão, Alimentação, Avaliação de materiais, Aviação,
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
211
Biologia, Certificações, Construção, Detecção de incêndio, Energia, Ensaios não
destrutivos, Garantia de qualidade, Geologia, Infra-estruturas, Manutenção Preditiva,
Medicina, Metrologia da radiação infravermelha, Meio ambiente, Navegação veicular
noturna, Processos industriais, Refratários, Reparação edilícia, Resgate, Segurança,
Silvicultura, Validade de instrumentos, Veterinária, Vida selvagem e Vigilância.
6.2.3 - Aplicações Industriais da Termografia
Dentre as aplicações da termografia na indústria, podemos destacar a área elétrica,
onde é importante a localização de componentes defeituosos sem a necessidade de
contato físico. Nas plantas siderúrgicas, petroquímica, papel e celulose, onde é grande
o número de processos que utilizam grandes quantidades de calor. Na detecção de
aquecimento provocado por sobre-torques em eixos e acoplamentos.
6.2.4 Siderurgia
O principal tipo de inspeção realizado nas plantas siderúrgicas é a localização do
desgaste do revestimento de refratário em alto-fornos, dutos de gás, regeneradores,
carros-torpedo e fornos em geral. A verificação nos referidos equipamentos é
importante pois não é possível avaliar diretamente a deterioração do refratário. Além
disso a termografia é utilizada também na inspeção da rede elétrica da planta.
−
Alto-Fornos e Dutos de Gás: Os dutos de gás, cadinho e sistema de resfriamento
de cuba são as regiões mais comumente inspecionadas em alto-fornos.
Especialmente no sistema de resfriamento de cuba a má circulação de água
devido a entupimentos provoca aquecimentos localizados, afetando o refratário.
−
Carros-Torpedo: Na manutenção convencional dos carros torpedos, é necessário
retirá-los do processo, descarregando e resfriando, para que uma inspeção visual
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
212
detecte falhas, avarias no revestimento interno. Tal operação demanda tempo,
planejamento e a inserção de um novo carro torpedo para o lugar do que está em
manutenção, portanto, custo. Com a termografia, a mesma inspeção pode ser
feita com o carro em utilização, e em um tempo da ordem de minutos com
elevada confiabilidade.
−
Lingoteiras: Esforços mecânicos ocorrem durante o lingotamento. A termografia
é sobreposta no estudo térmico de lingoteiras com a finalidade de se inserir
melhorias no desenho das mesmas, atenuando os esforços.
−
Fornos: Os fornos rotativos são encontrados não só em siderúrgicas, mas também
em indústrias de cimento, papel e celulose. A perda do refratário é provocada
pelos esforços mecânicos devido a rotação da estrutura e do atrito do material
com as paredes revestidas. Os fornos encontrados em indústrias de vidro e piso
também sofrem perda do revestimento. A detecção dessas anormalidades pode
ser feita através do uso da termografia.
6.2.5 Petroquímica
Além da inspeção da rede elétrica a localização de problemas de fluxo de produtos,
isolamentos térmicos, e quantificação de perdas de calor em equipamentos utilizam a
termografia.
−
Fluxo de Produtos: A distribuição de temperatura é utilizada como indicador da
condição de operação de alguns equipamentos. Vazamentos em válvulas de
segurança, operação de purgadores e o nível de tanques podem ser relacionados
com as medições térmicas, e medidas preventivas podem ser tomadas antes que
alguma falha se torne crítica.
−
Válvulas de Segurança: O engasgamento de válvulas de segurança provoca a
liberação, para a atmosfera, de produtos algumas vezes indesejáveis. Esse
vazamento provoca o aquecimento ou resfriamento da tubulação de saída da
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
213
válvula devido a diferença de temperatura entre o produto e o ambiente. A
detecção desta falha pode ser feita utilizando-se a termografia.
−
Purgadores: O purgador é um dispositivo que permite a passagem do
condensado, mantendo vedada a saída do vapor. O vapor possui uma temperatura
mais alta do que o condensado, logo deve haver um gradiente de temperatura
para que o purgador funcione normalmente. Assim, a não ocorrência desse
gradiente indica uma passagem direta de vapor e a necessidade de intervenção.
−
Nível de Tanques: A diferença de temperaturas que se estabelece acima e abaixo
do nível de um líquido em um tanque de armazenamento ou transferência serve
para determinação desse nível. O nível será mais distinto quanto maior for a
diferença entre a temperatura do líquido e a temperatura do ambiente.
−
Refratários e Isolamentos Térmicos: Esse tipo de inspeção detecta pontos
quentes, desgaste ou avarias em refratários e isolamentos térmicos. É realizada
normalmente em fornos, reatores, trocadores de calor, chaminés, dutos de gás,
tanques e tubulações isoladas.
6.2.6 Indústria de Vidro
A utilização da termografia na indústria vidreira pode ser dividida em dois campos
principais: inspeção de refratários e medição de temperatura do vidro.
Inspeção de Refratário. Como já citado anteriormente, a inspeção de refratários visa o
conhecimento do estado de desgaste das partes dos fornos. As outras áreas onde a
inspeção termográfica é aplicada são:
−
Abóbada: desgaste prematuro dos refratários devido a incidência de chama e
infiltração de gases;
−
Lateral: localização de desgaste ou perda de refratário auxiliando a manutenção
preventiva;
− Borbulhadores: localização das áreas de maior desgaste.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
214
–
Medição de temperaturas do vidro: Como o vidro é manuseado no estado líquido
ou semilíquido, o controle de temperaturas é um parâmetro importante para a
qualidade do produto. Pode-se utilizar termopares, mas esses se revelam pouco
práticos ou inadequados. O sensoriamento remoto com a utilização de sistemas
infravermelhos tem sido a melhor opção. As principais medições são realizadas
no banho, vazamento, laminação e para verificação de homogeneidade térmica
do recozimento. Uma característica importante do vidro é a sua transparência,
que varia bastante na faixa do infravermelho utilizada pela maioria dos
equipamentos industriais (2 a 14 mícrons). Essa característica permite transpor a
barreira da medição superficial (o que ocorre para a maioria das medições) e
através da faixa espectral selecionada, graduar a profundidade na qual se deseja a
medição de temperaturas.
6.2.7 Papel e Celulose
Assim como na indústria siderúrgica e petroquímica, também na de papel e celulose a
inspeção da rede elétrica é feita por inspeção termográfica, além do acompanhamento
do desgaste refratário de fornos, isolamento de tubulações de vapor, controle de
secagem da folha e medição de temperaturas na máquina de papel.
− Controle de Secagem da Folha: O teor de umidade ao longo da secção transversal
da folha é um parâmetro que deve permanecer dentro de certos limites visando
obter um produto de melhor qualidade. O acompanhamento da distribuição térmica
durante o processo de secagem é importante para a manutenção do teor de
umidade. Regiões com baixo teor de umidade (mais secas) aparecem como faixas
claras (mais quentes) e regiões com alto teor de umidade aparecem como faixas
escuras (mais frias), já que a água em evaporação, retira calor das fibras. As faixas
úmidas podem ser acompanhadas através de inspeção para a localização de sua
origem e determinação da causa.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
215
− Temperaturas em Máquinas Rotativas: A máquina de papel e celulose apresenta
grande quantidade de peças móveis, onde o controle térmico é difícil de ser
realizado. Por sua característica remota, a termografia permite a medição de
temperaturas nesses locais, sem riscos para a pessoa que executar a avaliação.
6.2.8 Redes e Equipamentos Elétricos
A inspeção de redes e sistemas elétricos é a mais difundida dentre as citadas aplicações
da termografia. Em sistemas elétricos o calor é gerado através do efeito joule tendo
como fonte, erros de projeto, desgaste, sabotagem ou falhas quaisquer. Esses fatores
podem provocar a interrupção no fornecimento de energia, paralisando o fluxo de
produção, ou provocar perdas através do aquecimento de componentes. A utilização da
termografia auxilia na prevenção de falhas e interrupções em concessionárias de
energia elétrica bem como nas plantas elétricas de siderúrgicas, petroquímicas e outras
empresas como já citado.
A detecção de um problema baseia-se na elevação de sua temperatura em função de
um aumento da resistência ôhmica devido a ocorrência de oxidação, corrosão ou falta
de contato. O desequilíbrio de fases pode provocar o sobreaquecimento de uma fase
em relação às outras, o que também pode ser detectado. Dessa forma um componente
defeituoso apresenta uma temperatura maior do que outros componentes similares do
sistema facilitando a detecção. Para se ter um melhor resultado, as inspeções devem ser
realizadas nos períodos de maior demanda, quando os pontos deficientes da rede
tornam-se evidentes.
6.2.9 Indústria Eletrônica
Grandes indústrias de fabricação de componentes eletrônicos e chips, como Motorola e
Intel, utilizam equipamentos termográficos para visualizar a dissipação e a distribuição
de calor ao longo de um circuito eletrônico.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
216
6.3 TRATAMENTO DOS DADOS
O tratamento dos dados obtidos é de fundamental importância para viabilizar o
diagnóstico da condição operativa de equipamentos. Atualmente, existem inúmeros
relatos de trabalhos na área de inspeção termográfica. Contudo, muitas dúvidas
existem quanto aos limites máximos de aquecimento a serem considerados como
indicativo de defeito de um dado equipamento. Sabe-se que os diversos equipamentos
apresentam limites distintos, mas quais seriam os limites para um dado
fabricante/modelo de um dado equipamento? Estes limites continuam gerando
questionamentos no meio técnico/científico.
Dependendo das características de projeto de um dado equipamento, haverá um
gradiente distinto de temperatura entre o ponto que gerou o calor e a superfície do
equipamento onde a termovisão terá acesso. Para minimizar erros na avaliação de
inspeções termográficas, recomenda-se que seja inspecionado o maior número possível
de equipamentos de um dado fabricante/modelo, para que através de tratamentos
estatísticos sejam estabelecidos limites representativos de defeito.
Os equipamentos classificados como em condição defeituosa, através de técnicas de
campo, devem ser submetidos a ensaios laboratoriais, visando ratificar o diagnóstico
de campo.
Uma vez confirmado o comprometimento da condição operativa destes equipamentos,
deve-se reduzir a severidade na avaliação estatística (reduzir o ponto de
probabilidade), até que seja determinado o limite mais consistente para classificação de
defeito de um dado equipamento/fabricante/modelo.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
217
6.4 ANEXOS
Figura 99 - Tanque de Combate – Aplicações Militares.
Figura 100 - Temperatura de Nebulosa – Astronomia.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
218
Figura 101 - Temperatura da Terra – Meteorologia.
Figura 102 - Tireóide Inflamada – Aplicações Médicas.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
219
Figura 103 - Tubulação do Uptake – Alto Forno 1.
360,0°C
300
200
100
20,0°C
Figura 104 - Panela de Gusa – Aciaria.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
220
Figura 105 - Obstrução no Interior de Tubulação de COG – Utilidades.
64,0°C
60
62,1°C
50
40
30
30,0°C
Figura 106 - Conexões Elétricas na Entrada do Contator – Lingotamento
Contínuo 2
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
221
108,0°C
100
80
93,6°C
60
34,4°C
40
24,0°C
Figura 107 - Nível de Carga no Interior do Balão de Pó – Alto Forno 1.
35,0°C
35
30
25
20
15
15,0°C
Figura 108 - Pára-Raios de 138 Kv – Subestação R2 das Utilidades.
Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção
222
7.0 REFERÊNCIAS
CALENTE, Aderaldo. BOTELHO, Romero. Proceeding SPIE, XXIII Thermosense.
EUA, Abril, 2001.
OLIVEIRA, Márcio. TORRES, Rodolfo. Curso de Termografia. CEPEL, Serra,
Junho, 2001.
PAYÃO, João da Cruz, Fundamentos de Ensaio de Vazamento e Estanqueidade / João
da Cruz Payão Filho; Wwilfried Schmidt; Gerald Schöder. Forschungszentrum Jülich
GmbH. – Forschungszentrum, Zentralbibliothek,2000.
VERATTI, Attílio Bruno. Termografia – Princípios, Aplicações e Qualidade.
ICON, São Paulo, Maio, 1997.
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