Departamento de Engenharia de Materiais
APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE TERMOGRAFIA ATIVA NA
INSPEÇÃO NÃO-DESTRUTIVA DE TAMBORES DE REJEITO
NUCLEAR
Aluno: Igor Szczerb
Orientador: Marcos Venicius Soares Pereira
Introdução
A termografia ativa é um método de ensaio não destrutivo que se caracteriza pela
ausência de contato físico entre equipamento de medição e objeto e uma alta velocidade de
inspeção. A técnica de não contato com a superfície do objeto é essencial para que não haja
uma possível contaminação, e segue os princípios do ALARA. Esta técnica consiste em
utilizar um equipamento de termografia ativa para capturar imagens do espalhamento térmico
ao redor do objeto inspecionado. Nesse estudo, baseado nas imagens obtidas, pode-se analisar
o grau de corrosão interna dos tambores de rejeito nuclear inspecionados.
Objetivos
Evitar a contaminação do meio ambiente pelo material radioativo contido nos tambores
de rejeito nuclear através da inspeção dos mesmos, e se necessário, a sua encapsulação em
outros tambores.
Metodologia
Para o desenvolvimento do estudo em questão, utilizou-se dois diferentes tipos de
tambores, denominados tambor verde e tambor amarelo, adotados no encapsulamento de
rejeitos radioativos das usinas nucleares de Angra 1 e 2, respectivamente. Além dos tambores
foram preparadas duas placas (amostras) com dimensões de 210 mm x 300 mm, cortadas a
plasma de tambores verde e amarelo.
Figura 1 – Esquema do dispositivo de inspeção das amostras.
A inspeção é disposta de três etapas diferentes, sendo que na primeira fase, denominada
de ativação térmica, a superfície externa dos tambores é aquecida de forma uniforme por duas
lâmpadas de alta potência durante um pequeno intervalo de tempo. A segunda parte,
conhecida como reação térmica do material, o calor produzido pelas fontes de aquecimento
propaga-se nas amostras inspecionadas e sua taxa de propagação sofre algumas alterações
devido à existência de falhas ou por modificações nas propriedades térmicas do material.
Nesta fase, é monitorada a propagação de calor ao redor da área analisada, por uma câmera de
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infravermelho, através de uma sequência de 100 a 400 imagens registradas, que são
relacionadas com a distribuição térmica na superfície analisada em função do tempo. Na
terceira e última etapa ocorre a análise dos dados, na qual a sequência de imagens é
examinada para a obtenção das principais informações da inspeção, como por exemplo:
posição e geometria dos defeitos, como também das espessuras residuais da parede metálica e
revestimento. Os resultados são apresentados com variações de cores na imagem de inspeção,
de forma que cada cor e intensidade indicam as dimensões e profundidades das
descontinuidades nas superfícies internas nos tambores de rejeito.
Os tambores que foram analisados estão apresentados na Figura 1, de forma que existem
2 tipos de tambores, um verde (Figura 1a) e outro amarelo (Figura 1b).
(a)
(b)
Figura 2 – Tambores adotados no trabalho.
Para que fosse realizado a calibração e os testes do equipamento, foram retiradas
amostras dos tambores verde e amarelo (Figura 3), nas quais foram produzidas
descontinuidades nas amostras por furação. Para ficar mais claro, essas descontinuidades
estão apresentadas nas Figuras 4, enquanto que a Figura 5 apresenta as paredes residuais das
amostras após a furação.
(a) amostra verde
(b) amostra amarela
Figura 3 - Amostras retiradas dos tambores.
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Figura 4 - Diâmetros (mm) adotados na furação das amostras.
Figura 5 - Espessura residual de parede (%) após furação das amostras.
Foi utilizado um dispositivo de termografia ativa para teste das amostras, que consistia
de fonte de aquecimento (dois flashes), câmera de infravermelho e um computador para
aquisição e tratamento de dados.
As superfícies das amostras foram divididas em quatro áreas de inspeção por
termografia ativa, de forma que todos os possíveis defeitos contidos nos tambores fossem
detectados no mínimo uma vez.
área 1
área 2
área 3
área 4
Figura 6 – Esquema de inspeção da superfície frontal das amostras.
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A Figura 7 apresenta as imagens obtidas pela câmera de infravermelho (esquerda) e
sinais da reação térmica do material na presença de defeitos (direita), durante a inspeção da
amostra verde. Nesta figura, as áreas de inspeção correspondem àquelas indicadas
anteriormente na Figura 6.
(a) Área 1 da superfície da amostra.
(b) Área 2 da superfície da amostra.
(c) Área 3 da superfície da amostra.
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(d) Área 4 da superfície da amostra.
Figura 7 - Detecção de defeitos internos na amostra verde por termografia ativa.
A inspeção é disposta de três etapas diferentes, sendo que na primeira fase, denominada
de ativação térmica, a superfície externa dos tambores é aquecida de forma uniforme por duas
lâmpadas de alta potência durante um pequeno intervalo de tempo. A segunda parte,
conhecida como reação térmica do material, o calor produzido pelas fontes de aquecimento
propaga-se nas amostras inspecionadas e sua taxa de propagação sofre algumas alterações
devido à existência de falhas ou por modificações nas propriedades térmicas do material.
Nesta fase, é monitorada a propagação de calor ao redor da área analisada, por uma câmera de
infravermelho, através de uma sequência de 100 a 400 imagens registradas, que são
relacionadas com a distribuição térmica na superfície analisada em função do tempo. Na
terceira e última etapa ocorre a análise dos dados, na qual a sequência de imagens é
examinada para a obtenção das principais informações da inspeção, como por exemplo:
posição e geometria dos defeitos, como também das espessuras residuais da parede metálica e
revestimento.
Os resultados são apresentados com variações de cores na imagem de inspeção, como
exemplificado na Figura 7, de forma que cada cor e intensidade indicam as dimensões e
profundidades das descontinuidades nas superfícies internas nos tambores de rejeito.
O equipamento foi montado em uma sala da Usina Nuclear de Angra dos Reis, para
calibração e testes. A calibração foi realizada para obtenção das distâncias máximas e
mínimas em que a superfície do tambor analisada deveriam se encontrar. Foi utilizada uma
régua para se encontrar o foco da câmera, de forma que com um fundo branco a régua, em
paralelo com a lente da câmera, era aproximada e afastada para que se pudesse chegar a um
bom foco, isto é, se pudesse enxergar com clareza as escalas da régua.
Após a calibração, o equipamento foi testado com placas amostrais de tambor, com
defeitos já conhecidos. Nestes testes, foi possível observar que quanto maior a dimensão do
defeito, maior era a clareza de indicação do mesmo. Desta maneira, quando o diâmetro das
imperfeições fica muito pequeno, se torna impossível se identificar a descontinuidade pela
técnica de termografia ativa.
Foi possível também se notar que a razão disto é a influência da espessura de parede
residual metálica, uma vez que defeitos com 50% de perda na espessura aparecem com mais
intensidade do que os outros com perda de 10%.
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Figura 8 - Correlação entre imagem e profundidade do dano de corrosão.
Conclusões
Depois de analisar alguns resultados na fase de testes e calibração foi possível concluir
que em função do volume de material retirado na furação das chapas, simulando defeitos de
corrosão, houve uma eficácia diferenciada da técnica de termografia ativa na detecção dos
diferentes defeitos existentes.
O estudo permitiu a confirmação da especificação da técnica de termografia ativa nas
inspeções de tambores de rejeitos nucleares das usinas nucleares de Angra 1 e 2. Para este
estudo, alguns experimentos foram realizados visando a possibilidade de detecção de regiões
de corrosão nas paredes internas dos tambores e a avaliação da espessura residual de parede
em tais regiões.
Inicialmente, defeitos com diferentes volumes de degradação de material foram
simulados em amostras retiradas de tambor verde e outro amarelo. Após a montagem de um
dispositivo preliminar para os testes, os resultados obtidos nas inspeções comprovaram a
eficácia da técnica de termografia ativa na detecção de uma quantidade significativa de
defeitos em posições subsuperficiais de ambas as amostras. Neste estudo de viabilidade foi
proposto um critério de detecção em função do tambor, espessura de parede e dimensão do
defeito. Além disto, um algoritmo matemático permitiu uma classificação dos defeitos em
função da profundidade de corrosão na parede metálica das amostras.
Referências
1- AGUIAR, L. A. P. P. Automatização e aplicação da termografia ativa na inspeção de
tambores de rejeitos radioativos. Rio de Janeiro. Projeto de Graduação, Departamento de
Engenharia Mecânica, PUC-Rio, 2010, 54p.