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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
ENSAIO POR ULTRA-SOM EM CHAPAS GROSSAS PRODUZIDAS NA USIMINAS
UTILIZANDO O MÉTODO DE IMERSÃO (1)
Edmar Uzai Martins (2)
João Maurício d'Aparecida Melo (3)
Mauro Ramon Dias(4)
RESUMO
A USIMINAS desenvolveu uma sistemática para utilização da técnica de
ensaio por ultra-som no método de imersão para inspeção em chapas grossas.
Esta técnica possibilita a USIMINAS executar o ensaio por ultra-som em
material laminado de pequenas espessuras a partir de 6mm, utilizando
cabeçotes monocristal, de ondas longitudinais, e à prova d'agua.
Neste trabalho é mostrada esta sistemática, os recursos desenvolvidos e o
dispositivo utilizado para realizar o ensaio.
Palavras-chaves: ULTRA-SOM, IMERSÃO, CHAPAS GROSSAS, USIMINAS.
Temário: Desenvolvimento de novos ensaios e novas técnicas não convencionais de inspeção.
(1) Contribuição Técnica à 6ª COTEQ da ABENDE, Salvador, BA, agosto de 2002.
(2) Inspetor por Ultra-som nível II – ASNT-TC-1A- Gerência de Acabamento e Expedição de
Chapas Grossas da Usiminas; Ipatinga, MG.
(3) Técnico Metalúrgico, Inspetor por Ultra-som nível II - ASNT-TC-1A, ; USN1CL –
SNQC/END 01850 - ABENDE Gerência de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas,
Usiminas; Ipatinga, MG.
(4) Inspetor por Ultra-som nível II – ASNT-TC-1A- Gerência de Acabamento e Expedição de
Chapas Grossas da Usiminas; Ipatinga, MG.
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1 - RESUMO
Esta técnica nos possibilita executar o ensaio por ultra-som em material laminado
de pequenas espessuras até 6mm, utilizando cabeçote monocristal de ondas longitudinais,
especial e à prova d’água . Esse tipo de inspeção até alguns anos atrás era considerado
impraticável
nos materiais com espessuras abaixo de 50mm, pela dificuldade de
interpretação do ecograma causada pelo tamanho da zona morta e turbulência sônica do
campo próximo.
O ensaio é feito através de um dispositivo mecânico que possui um reservatório com
água, onde o cabeçote é alojado. Nesse reservatório o campo próximo é absorvido pela
coluna d’água. Nesse caso, a inspeção no laminado é feita dentro do campo longínquo ou
zona de Fraunhofer, resultando com isso um ecograma de interpretação mais fácil.
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2 - INTRODUÇÃO
O ultra-som é um dos mais importantes e mais versáteis métodos de teste não
destrutivos usados na indústria moderna.
A importância alcançada pelo ensaio por imersão entre os demais métodos, é uma
certeza, pois esse tipo de inspeção que até alguns anos atrás podia ser considerado como
ensaio de laboratório, converteu-se atualmente em prática corrente no material laminado
plano.
Com esse método podemos medir não só a amplitude dos ecos, como também a
posição dos ecos de interface água/aço, ecos de descontinuidades e eco de fundo. O
processo por imersão tem como grandes vantagens o acoplamento uniforme e constante,
além da eliminação do campo próximo na peça a ser ensaiada.
Salientamos ainda que as literaturas pelo método de imersão encontradas no
mercado, são de capacidade limitada, haja vista que é o material a ser ensaiado que é
completamente mergulhado em um tanque com água para realizar o ensaio, conforme a
ilustração (fig.1) abaixo:
Cabeçote de imersão
Tanque de teste
Água
Material em teste
Fig. 1 – Tanque de imersão
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3 - DESENVOLVIMENTO
3.1. TÉCNICA DO ENSAIO - COLUNA D’ÁGUA – USIMINAS
Essa técnica é executada em chapas grossas conforme o procedimento do setor de
ultra-som da Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas – ILQG.
Neste procedimento o cabeçote é que fica dentro da água e não o material a ser ensaiado.
No dispositivo onde o cabeçote é alojado é criada uma coluna d’água de, por exemplo,
40mm de altura. Essa coluna d’água é retirada pelo controle de ajuste zero do aparelho com
valores na ordem de 53,67 µ/s de atraso do pulso inicial, até aparecer o eco de superfície,
sendo mantida esta distância em 160mm. Isso nos possibilita executar ensaios em materiais
com espessuras a partir de 6mm, mantendo assim um acoplamento acústico perfeito e com
uma grande vantagem em relação ao contato direto que é absorver o campo próximo. Com
isso, a região de inspeção será no campo longínquo ou zona de Fraunhofer.
A figura 2 mostra a tela do aparelho (desenvolvida), usando os valores citados acima,
após calibração usando o bloco V1. Nesse caso foi feita uma escala de 100 mm e usou-se o
recurso do bloco (plexiglass) na espessura de 50 mm.
Eco inicial
eco de superfície
1o eco
de fundo
2o eco
de fundo
160mm
espessura
do material
espessura
do material
coluna d’água
Fig. 2 – Tela desenvolvida
Como sabemos, a diferença da relação entre a velocidade longitudinal do som no
aço ( VL M2 ) e na água ( VL M1 ) é de 4 vezes, conforme a apresentação da ilustração
acima e as seqüências matemáticas abaixo:
VL M2
3.600 s/h
=
5.920 m/s
3.600 s/h
=
1,6
VL M1
3.600 s/h
=
1.480 m/s
3.600 s/h
=
0,4
5.920 m/s
1.480 m/s
=
4,0
VL M2
VL M1
=
40 mm........... água
.......... diferença da relação velocidade água/aço.
x4
160 mm.......... coluna d’água representada tela do aparelho
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3.2 - DISPOSITIVOS
Na Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas – ILQG, o
ensaio é realizado através de um dispositivo (fig. 3). Este dispositivo possui três partes e
dois acessórios:
Ø tampa (bronze): local onde o cabeçote é fixado;
Ø anel de borracha: acessório para nivelamento do cabeçote;
Ø corpo (bronze) local onde o cabeçote é alojado e a sua imersão na coluna d’água;
Ø sapata (aço ligado tratado) local para colocação do plástico para represar a água e o anel
de borracha para amortecer o atrito entre a sapata e o corpo;
Ø anel de borracha: acessório amortecedor para diminuir o atrito entre o corpo e a sapata
durante o ensaio e vedar a água.
O cabeçote é fixado com um parafuso na tampa e essa por sua vez, é fixada no
corpo, onde existe a coluna d’água. Ao enroscar a sapata no corpo, coloca-se um plástico
para represar o líquido.
Após essa etapa verifica-se a perpendicularidade do cabeçote utilizando os parafusos
que assentam a tampa no corpo.
Finalmente é acoplada uma haste no dispositivo para execução da varredura. A
montagem da haste possui duas partes: o cabo ( PVC ) e o gancho ( aço ), ( fig. 4 ).
Após o estabelecimento correto dos parâmetros da calibração e sensibilidade, o
inspetor estará seguro da confiabilidade do ensaio, reconhecendo os sinais indicativos das
descontinuidades, a delimitação do seu tamanho aproximado e sua localização correta.
Tampa (bronze)
Furo para fixação do cabeçote
Anel de borracha para
nivelamento do cabeçote
Verificação vertical do
cabeçote
Corpo (bronze)
Furos para fixação da haste
Rosca
Anel de borracha
para vedação da
água
Sapata
Aço
temperado
Fig. 3 - Dispositivo para ensaio por imersão
tubo de PVC rígido Ø ¾ – comprimento 1700mm
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rosca
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gancho de aço para acoplar no corpo
Fig. 4 – Haste para varredura
3.3 - CARACTERÍSTICAS DO CABEÇOTE
Na Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas – ILQG, a
grande parte do material ensaiado possui espessuras abaixo de 50mm. Se utilizarmos um
cabeçote monocristal por contato direto, haverá muitas dificuldades de avaliação das
descontinuidades devido ao campo próximo. O campo próximo é uma região onde existe
uma interferência ondulatória muito grande, assim como uma turbulência de energia sônica,
não confiável na interpretação das indicações. No campo próximo, as descontinuidades são
detectadas porém seu dimensionamento não é confiável. O seu comprimento (campo
próximo) depende da área do cristal e da freqüência da onda.
Como sabemos, a obtenção do comprimento do campo próximo segue a seguinte
fórmula matemática:
N = D2 . f è
4 . VL
N
D
F
VL
4
Exemplo:
202 . 4.000.000Hz
4 . 5.920 m/s
400 . 4MHz = 67,57mm
4. 5.92km/s.
= distância do campo próximo
= diâmetro do cristal
= freqüência da onda
= velocidade longitudinal do som no material
= constante
O feixe sônico, neste método irá propagar-se em dois meios ( água e aço ) com
velocidades e elasticidade diferentes, e apenas para ressaltar, teremos ainda a divergência
do feixe sônico do cabeçote com 4MHz que é utilizado nos ensaios ( fig. 5 ).
Fig. 5 – Divergência sônica
sen γ = k . v
D.F
k = fator da sensibilidade
v = velocidade do som no material
D= Ø do cristal
F= freqüência
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Exemplo:
cabeçote Z4N ( Krautkramer )
- onda longitudinal
- cabeçote de imersão
- Ø do cristal – 20mm
k = 1,08
è água = sen γ = 1,08 .
è 1,08 . 1480
1.480 m/s
0,020 m . 4.000 000 Hz
80 000
1,08 . 0,0185 è sen = 0,01998 = 1.14o
è aço = sen γ = 1,08 ;
5.920 m/s
0,020. 4 000 000 Hz
è 1,08 .
5920
80 000
1,08 . 0,074 è sen = 0,07992 = 4.58o
3.4 - AVALIAÇÃO E JULGAMENTO
A técnica e o dispositivo apresentados são utilizados para a varredura e localização
das descontinuidades. Em alguns casos, as normas permitem a avaliação das
descontinuidades com esse dispositivo. Em outros casos, elas exigem que a delimitação das
descontinuidades, seja feita utilizando cabeçotes com duplo cristal.
Durante o ensaio, utilizamos a água como acoplante e a varredura é executada pelo
eixo transversal do sentido de laminação.
A garantia da qualidade do produto obedecerá ao critério de julgamento da norma
USIMINAS e outras normas internacionais de ultra-som com vários níveis de aceitação
conforme a relação seguinte:
Norma USI UST
- Normas Técnicas da Usiminas
Norma ASTM-A-435/90
- American Society for Testing Materials
Norma ASTM-A-578 /96
- American Society for Testing Material
Norma BS-EN-10160/99
- Norma Européia
Norma DIN-EN-10160 /97
- Norma Européia
Norma SEL 072/77
- Stahl Elsen Lieferbedingunge
Norma NF-A04-305/83
- AFNOR
Norma EURONORM EU160/85 - Norma Européia
3.5 - QUALIFICAÇÃO
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A Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas – ILQG,
dispõe de inspetores treinados e qualificados pelas entidades:
AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING – ASNT
Práticas recomendadas SNT – TC – 1A.
CENTRO TÉCNICO AEROESPACIAL – CTA
Conformidade com a norma MIL – STD – 410 D.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS – ABENDE
SNQC – Sistema Nacional de Qualificação e Certificação
Requisitos da norma ABENDE 01 – NA 01
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4. CONCLUSÃO
O ultra-som é um ensaio muito confiável para garantir a sanidade interna dos
materiais, principalmente em aço, onde várias técnicas são usadas com muita confiabilidade.
No entanto, algumas restrições tornam o ensaio as vezes de difícil execução e com
confiabilidade duvidosa. Uma dessas restrições é o campo próximo, que em função do
tamanho do cristal do cabeçote, da freqüência, da velocidade sônica do material em teste,
etc. , pode ser maior ou menor. Dentro do campo próximo, as descontinuidades podem ser
detectadas, porém seu dimensionamento é algo que não se pode confiar, principalmente em
função da pressão sônica exercida naquela região.
A Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas - ILQG
através do uso deste dispositivo, consegue ensaiar chapas grossas com espessuras a partir
de 6mm, com alto grau de confiabilidade e segurança. Também é possível conseguir um
acoplamento uniforme e constante, o que é muito importante em se tratando da diversidade
de materiais e espessuras que produzimos.
Com isso podemos assegurar que os ensaios realizados em nosso setor, são feitos
dentro das mais modernas técnicas, de acordo com as normas em vigência, sem no entanto
comprometer a avaliação dos resultados, devido a utilização deste dispositivo.
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5- ANEXOS
Durante o período de realização dos ensaios, e para nos dar as respostas com
precisão, foi utilizado um aparelho da Krautkramer Branson - modelo USN 50 de fabricação
alemã, para conformidade e conclusão deste trabalho.
O cabeçote utilizado nos testes foi o Z4N –Fabricado pela Krautkramer
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6 - AUTORES
Edmar Uzai Martins
Operador de ultra-som nível I – norma – MIL - STD-410D – CTA
Inspetor de ultra-som industrial nível II – norma - ASNT – TC-1A
Inspetor de partículas magnéticas nível II - norma - ASNT – TC-1A
João Maurício d’Aparecida Melo
Operador de ultra-som nível I – norma – MIL - STD-410D – CTA
Inspetor de ultra-som industrial nível II – norma - ASNT –TC-1A
Inspetor de ultra-som chapas laminadas – SNQC – US – N1 – CL - ABENDE
Inspetor de partículas magnéticas nível II - ASNT – TC-1A
Mauro Ramon Dias
Operador de ultra-som nível I – norma - MIL –STD-410D – CTA
Inspetor de ultra-som industrial nível II – norma - ASNT –TC-1A
7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Miranda, J. r.g., Filho, W.f., Curso de Ultra-som N1 e N2. Apostila de Ultra-som Cetre,
Centro de Treinamento Abende, pp 01-111.
Ultra-som – técnica e aplicação – Jorge Luiz Santin – editora Qualitymark – ed.
1996, pp 52-60, 72, 96-101, 258.
Bittencourt, M.s.q., Lamy, C.a., Payão Filho, J.c; Potencialidade Da Técnica Ultrasônica. Suplemento Técnico da Revista Soldagem e Inspeção, ano 4 número 12, dezembro
de 1998, pp 01-11.
Ultrasonic Inspection 2 - Training for Nondestructive Testing
E.A. Ginzel; Prometheus Press Canada.
Magnetic system for ultrasonic probe providing operation with magnetic liquid coupling
layer.- Defectoscopiya,Russian Acad. Sc., 1989, No.3, pp.33-39. /V.Korovin, I.Lebedev,
Yu.Raykher, V.Epifanov
Rationale and Summary of Methods for Determining Ultrasonic Properties of Materials
at Lawrence Livermore National Laboratory by Albert E. Brown, February 9, 1995
Diedericks, R, Ginzel, E., Nondestrutive Testing Encyclopedia, Ultrasonic Testing
Dictionary Immersion Technique, Immersion Method, Immersion Testing, Immersion Probe
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