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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA – PPGEM
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PARA ANÁLISE DE INTEGRIDADE
ESTRUTURAL DE EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS BASEADO EM CAD VPS
MICRO CRACKS E ULTRASSOM
Dissertação submetida ao PPGEM/UFRN como
parte dos requisitos necessários para obtenção
do grau de mestre em Engenharia Mecânica.
MOACIR BISPO RAMOS
Orientador: Prof. Dr. Ângelo Roncalli Oliveira Guerra
Co-Orientador: Prof. Dr. Carlos Magno de Lima
Natal, dezembro 2009.
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FICHA CATALOGRÁFICA
Preparada pela Biblioteca Central do Campus Universitário de Natal-RN.
RAMOS, Moacir Bispo
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PARA ANÁLISE DE INTEGRIDADE
ESTRUTURAL DE EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS BASEADO EM CAD VPS
MICRO CRACKS E ULTRASSOM, 2009. 103 p.
Dissertação de Mestrado, apresentada à Universidade Federal do Rio
Grande do Norte – Departamento de Engenharia Mecânica.
Orientador: Guerra, Ângelo Roncalli de Oliveira.
1. CAD. 2. Ensaios Não Destrutivos 3. Trincas em Equipamentos.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA – PPGEM
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA PARA ANÁLISE DE INTEGRIDADE
ESTRUTURAL DE EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS BASEADO EM CAD VPS
MICRO CRACKS E ULTRASSOM
MOACIR BISPO RAMOS
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Sendo aprovada na sua forma final.
BANCA EXAMINADORA:
______________________________________
Prof. Dr. Ângelo Roncalli de Oliveira Guerra
Orientador
______________________________________
Prof. Dr. Koje Daniel Vasconcelos Mishina.
Examinador externo
______________________________________
Prof. Dr. João Carlos Barbosa da Silva
Examinador externo
Aos Pais
Pela dedicação na criação dos filhos e pelo exemplo de determinação que me ensinou
não só a superar os obstáculos, mas aprender com eles e, também, a entender que a vida é
repleta de opostos que estes se completam como fonte de toda sabedoria.
AGRADECIMENTOS
A todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram para execução deste
trabalho, e foram muitas, mas em especial,
À minha família, que abdicou de momentos ao meu lado incentivando-me a continuar.
Ao Programa de Pós-Graduação da UFRN que em uma iniciativa inédita possibilitou
essa formação abrigando-me em suas instalações e, principalmente, ao seu grupo de
pesquisadores que abriram-me cada vez mais os horizontes do conhecimento humano.
À Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, pelos apoios laboratoriais e
de oficinas, que muito contribuíram para a realização da pesquisa.
Ao Prof. Dr. Ângelo Roncalli Oliveira Guerra e ao Prof. Dr. Carlos Magno pelas suas
sabedorias, paciências e determinações que possibilitaram a realização deste projeto.
"A grandeza não consiste em receber honras, mas em merecê-las".
Aristóteles
RESUMO
Os projetos de equipamentos em geral já contemplam os esforços e os mecanismos de
de processo e de parâmetros operacionais, ação de agentes externos, espécie de manutenção
aplicada, forma de acompanhamento, ocorrências naturais e acidentes modificam
completamente deterioração a que estes estão submetidos, prevendo aproximadamente sua
vida útil, porém, mudanças o comportamento esperado dos equipamentos. As
descontinuidades em materiais anisotrópicos muitas vezes e, por diversos fatores, evoluem da
condição de subcríticas para críticas assumindo o status de defeito e comprometendo a
integridade física do equipamento. Meios de detecção, monitoração e avaliação dessas
descontinuidades, cada vez mais tecnológicos, são requeridos para responderem de forma
mais eficaz à exigência da indústria. Assim, este trabalho apresenta uma ferramenta
computacional VPS (Virtual Pipe System) que utiliza o resultado de ensaios de ultrassom em
equipamentos plotando essas descontinuidades encontradas em modelos criados em sistemas
CAD e CAE e, ainda, simula o comportamento desses defeitos na estrutura possibilitando a
visualização instantânea do comportamento final. Apresenta-se ainda neste trabalho um
método alternativo de ensaio ultrassônico convencional que correlaciona a integridade de um
overlay (aço carbono e aço inoxidável depositado por solda) com as reflexões de ondas de
ultra-som provindas da interface entre os dois metais, possibilitando a identificação de trincas
no revestimento e de descolamento do overlay.
Palavras-chave: Trincas e Equipamentos de Petróleo e Gás, CAD, CAE, Overlay, Ultrassom.
ABSTRACT
In general, the designs of equipment takes into account the effects and processes of
deterioration it will undergo and arrives at an approximate useful life. However, changes in
operational processes and parameters, the action of external agents, the kind of maintenance
conducted, the means of monitoring, and natural and accidental occurrences completely
modify the desired performance of the equipment. The discontinuities that occur in
anisotropic materials often and due to different factors evolve from being subcritical to critical
acquiring the status of defect and compromising the physical integrity of the equipment.
Increasingly sophisticated technological means of detection, monitoring and assessment of
these discontinuities are required to respond ever more rapidly to the requirements of
industry. This paper therefore presents a VPS (Virtual Pipe System) computational tool which
uses the results of ultrasonic tests on equipment, plotting the discontinuities found in models
created in the CAD and CAE systems, and then simulates the behavior of these defects in the
structure to give an instantaneous view of the final behavior. This paper also presents an
alternative method of conventional ultrasonic testing which correlates the integrity of an
overlay (carbon steel and stainless steel attached by welding) and the reflection of ultrasonic
waves coming from the interface between the two metals, thus making it possible to identify
cracks in the casing and a shift of the overlay.
Key-words: Cracks, equipment of oil and gas, CAD, CAE, ultrasonic examination, overlay.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Manufatura convencional e engenharia reversa 29
FIGURA 2 – O ciclo de trabalho da engenharia reversa. 29
FIGURA 3 – Relação entre os custos de produção e venda de produtos e seu nível ótimo
de qualidade. 35
FIGURA 4 – Esquema básico de END por ultrassom. 43
FIGURA 5 – Detecção de furos por transdutor normal de US. 43
FIGURA 6 – Detecção de furos por transdutor angular de US. 43
FIGURA 7 – Inspeção de um duto pelo ensaio por ultrassom.. 45
FIGURA 8 – Princípio físico do phased-arrays. 46
FIGURA 9 – Transdutor phased array de múltiplos elementos. 46
FIGURA 10 – Detecção de furos por transdutor Phased Array de US. ........................47
FIGURA 11 – Princípio de técnica TOFD na inspeção de solda, formação dos
sinais. 48
FIGURA 12 – Tipos de programação das trinscas. 49
FIGURA 13 – Revestimento com depósito por solda com arco submerso. 56
FIGURA 14 – Aparelho de ultrassom analógico USK7. 62
FIGURA 15– aparelho de ultrassom digital mach 1T. 63
FIGURA 16 – aparelho de ultrassom digital USM 35. 64
FIGURA 17– aparelho de ultrassom digital Sonatest. 65
FIGURA 18 – aparelho de ultrassom phased Array. 66
FIGURA 19 – projetor de perfil PH a14. 67
FIGURA 20 – Projetor de perfil PH A14, detalhes da medição de trincas nos CP’s. 67
FIGURA 21 – Corpos de Prova 3, 2 e 1 respectivamente. 68
FIGURA 22 – Fotomicrografia da região de interface e ovelay aumento
100X e 200X. 71
FIGURA 23 – Macrografia de um corpo de prova de charpy 71
FIGURA 24 – Esquema de geração de ondas difratadas na ponta de uma trinca. 72
FIGURA 25 – (a) e (b) Envoltória mostra comportamento da região sã contorno branco
(a) e com trinca em verde (b). 74
FIGURA 26 – Mostra a marcação do tamanho da trinca sobre o cordão de solda. 76
FIGURA 27 – Tubulação exibida no modulo CAD do VPS Micro Cracks. 80
FIGURA 28 – Etapas da Engenharia Reversa no VPS Micro Cracks. 81
FIGURA 29 – Forma de armazenamento de dados do modelo no VPS Micro Cracks. 84
FIGURA 30 – (a) e (b) Algumas ferramentas desenvolvidas para o VPS Micro Cracks
88
FIGURA 31 – Seção de um duto antes de uma solicitação mecânica. 90
FIGURA 32 – Seção de um reator após uma solicitação mecânica: (a) Resultado atual
do VPS e (b) Resultado esperado. 91
FIGURA 33 – Reator em um ambiente de realidade virtual: (a) Parte do código
elaborado para criação da animação do objeto e (b) Visualização em realidade virtual.
92
FIGURA 34– Fotomicrografia do CP1 mostrando a região de transição entre aço
carbono e aço inox com trinca atravessando os dois materiais, não há evidências de
descolamento. Aumento 100X. 93
FIGURA 35– Fotomicrografia do CP1 mostrando a região de transição entre aço
carbono e aço inox com trinca atravessando os dois materiais, onde pode-se perceber
linha fusão entre os dois materiais à direita estrutura bainítica do aço carbono. Aumento
200X. 94
FIGURA 36 Gráfico Medidas do projetor de perfil X ultassom analógico CP US 01, 02
E 03 103
FIGURA 37 Gráfico Medidas do projetor de perfil X ultassom digital CP US 01, 02 E
03 106
FIGURA 38– Arranjo esquemático de um reator de hidrotratamento. 109
FIGURA 39a – Interface criada para o VPS Micro Cracks. 111
FIGURA 39b – Interface criada para o VPS Micro Cracks. 111
FIGURA 40– Interface criada para o VPS Micro Cracks. 112
FIGURA 41 – Interface criada para o VPS Micro Cracks. 112
FIGURA 42 – Interface criada para o VPS Micro Cracks. 113
FIGURA 43 – Interface criada para o VPS Micro Cracks. 113
FIGURA 44 Interface criada para o VPS Micro Cracks 114
FIGURA 45 Interface criada para o VPS Micro Cracks 114
FIGURA 46 Interface criada para o VPS Micro Cracks 115
FIGURA 47 Interface criada para o VPS Micro Cracks 115
FIGURA 48 Interface criada para o VPS Micro Cracks 116
FIGURA 49 Interface criada para o VPS Micro Cracks 116
FIGURA 50 Célula de uma tubulação no ambiente CAD. (a) Representação das cargas
aplicadas e criação da microtrinca (b) Sombreamento da microtrinca 117
FIGURA 51 Módulo CAE simulando a propagação da microtrinca 117
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 Materiais utilizados na construção de reatores de HDT 56
TABELA 2 Dimensões dos corpos de prova 66
TABELA 3 Passo a passo para execução do método alternativo 74
TABELA 4 Comparação da resposta entre aparelhos de Us na detecção de trincas
overlay . 93
TABELA 5 A Medidas das trincas e dos entalhes dos CP´s 1, 2 e 3 pelas trincas de
difração com aparelho de ultrassom analógico 96
TABELA 5 B Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 3, 2 e 1 pelas técnicas da
envoltória com aparelho de ultrassom anlógico. 97
TABELA 6 A Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 1, 2 e 3 pelas técnicas da
difração com aparelho de ultrassom digital 98
TABELA 6 B Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 3, 2 e 1 pelas técnicas da
envoltória com aparelho de ultrassom digital. 99
TABELA 7 Média das medidas (m m) Us analógico 100
TABELA 8 Média das medidas (m m) Us digital 102
TABELA 9 Comparativa do comportamento das trincas 104
TABELA 10 Dados de um reator de hidrotratamento 108
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABENDI – Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção
ACFM – Alternating Current Field Measurament
API – American Petroleum Institute
ARBL – Aços de Alta Resistência e Baixa Liga
ASNT – American Society for Nondestructive Testing
CAD – Computer Aided Design (Projeto Assistido por Computador)
CAE – Computer Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador)
CTOD – Crack Tip Opening Displacement
CVM – Crack View Modeling (Modelador para visualização de trincas)
ECT – Eddy Current Testing
END – Ensaio Não Destrutivo
ENIQ – European Network for Inspection Qualification
EV – Ensaio Visual
FEM – Finite Element Method (Métodos de Elementos Finitos)
HDT – Hidrotratamento
IRIS – Internal Rotary Inspection System
LP – Líquido Penetrante
MEFL – Mecânica da Fratura Linear Elástica
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
MFEP – Mecânica da Fratura Elasto Plástica
NDT – Non destructive test (Ensaio não destrutivo)
PA – Phased Array
PDI – Performance Demosntration Initiative
PISC – Program for Inspection of Steel Components
PM – Partícula Magnética
RV – Realidade Virtual
RX – Raio X
TOFD – Time Of Flight Diffration
US – Ultrassom
VPS – Virtual Pipe System (Sistema Virtual de Tubulação)
VRML – Virtual Reality Modeling Language (linguagem de modelagem em Realidade
Virtual)
LISTA DE SÍMBOLOS
a Meio comprimento de trinca
E Módulo de elasticidade
N Número de Ciclos
Δσ Variação de tensão
ν Coeficiente de Poisson
σm Tensão Média
Ki Fator de intensidade de tensão
Kic Tenacidade a Fratura
SUMÁRIO
Lista de Figuras i
Lista de Tabelas ii
Lista de Abreviaturas iii
Lista de Siglas iv
Lista de Símbolos v
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 19
1 Histórico do Problema ......................................................................................................... 22
1.2 Justificativa ....................................................................................................................... 23
1.3 Objetivos – Geral e Específicos ........................................................................................ 24
1.4 Metodologia ...................................................................................................................... 25
1.5 Estrutura da Dissertação ................................................................................................... 26
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................... 28
2.1 Noções de Engenharia Reversa ........................................................................................ 28
2.1.1 Etapas da Engenharia Reversa ....................................................................................... 30
2.2 Ensaio Não Destrutivo – Ultrassom ................................................................................. 31
2.2.1 Razões para uso dos Ensaios Não Distrutivos (END´s) ................................................ 33
2.2.2 Confiabilidade dos END´s ............................................................................................. 37
2.2.3 Tipos de END´s ............................................................................................................. 39
2.2.3.1 Ensaio por ultra-som .................................................................................................... 40
2.2.3.2 Ultrassom Phased Array (PA) .................................................................................... 45
2.2.3.3 Ultrassom TOFD ........................................................................................................ 47
2.3 Noções de Mecânica da Fratura......................................................................................... 48
2.4 Noções de Corrosão .......................................................................................................... 50
2.4.1 Mecanismo de Corrosão ................................................................................................. 51
2.4.2 Tipos de Corrosão ........................................................................................................... 52
2.5 Noções de construção com sistemas de duplo metal (Overlay) ....................................... 53
2.6 Materiais mais utilizados para construção de reatores de hidrotartamento ....................... 56
2.7 Materiais mais Utilizados para Construção de Dutos ........................................................ 58
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................... 61
3.1 Equipamentos utilizados no desenvolvimento da trinca da envolutória ........................... 62
3.1.1 Aparelho analógico de ultra-som ................................................................................... 62
3.1.2 Aparelhos digitais utilizados .......................................................................................... 63
3.1.3 Aparelho de alta Tecnologia (Phased Array) ................................................................ 66
3.1.4 Projetor de perfil ............................................................................................................ 67
3.2 Corpos de prova ................................................................................................................. 68
3.3 Método utilizado para Desenvolvimento de Método Alternativo de localização de trincas
(Método das Envolutórias) ..................................................................................................... 69
3.4 Proposta de Método Ultrassônico Alternativo para Localização da Trinca em Overlay .. 69
3.4.1 Trincas em Reatores de Hidrotratamento ....................................................................... 70
3.4.2 Método Convencional Ultrassônico de Dimensionamento de Trinca ........................... 72
3.4.3 Introdução do Método Alternativo de Localização de Trincas (Método do Evolutivo 73
3.4.4 Procedimento Proposto para Inspeção Usando a Técnica da Evolutória ....................... 75
3.5 Metodologia Utilizada para Adaptação de VPS ............................................................... 78
3.6 VPS Micro Cracks ............................................................................................................ 79
3.6.1 Engenharia Reversa no VPS Micro Cracks .................................................................... 80
3.6.2 O Arquivo de Leitura LEM (Leitor de Estruturas Mecânicas) ...................................... 81
3.6.3 Arquivo de Dados CVM (Crack View Model) .............................................................. 84
3.6.4 O Módulo de Visualização CAD .................................................................................. 87
3.6.5 A Interface CAE ............................................................................................................. 89
3.6.6 O Ambiente da Realidade Virtua ................................................................................... 91
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................... 93
4.1 A Região de Interface do Overlay do CP 001 ................................................................... 93
4.2 Comportamento das ondas de ultrassom na interface overlay ......................................... 94
4.3 Medições dos Tamanhos das Tricas e dos Entalhes dos CP´s ........................................... 96
4.4 Estudo de caso 109
4.5 Análise pelo Software VPS Micro Cracks 110
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 119
5.1 Conclusões 119
5.2 Trabalhos Futuros 120
REFERÊNCIAS 121
APÊNDICE 129
19
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Segundo Silva (2006), são múltiplas as origens dos esforços atuantes nos componentes
de dutos e estruturas de plataformas, tais como: ventos, correntes marinhas e os resultantes
dos trabalhos desenvolvidos na própria planta. A repetibilidade destes esforços é uma
característica comum a todos eles, isto é, tem-se um processo de fadiga se constituindo num
agravante ao processo de corrosão, e/ou vice-versa. Tal processo é o principal responsável
pelo fraturamento de dutos e estruturas “offshore”.
Os projetos de tubulações para o transporte de fluidos, e mais especificamente para a
transferência de petróleo e gás, e os de vasos de pressão em geral, levam em consideração
vários tipos de esforços que ocorrem nestes equipamentos durante o serviço, tais como:
tração, torção, cisalhamento etc. estes esforços podem ocorrer independentemente e/ou em
ação conjunta de duas ou mais solicitações, como é de praxe.
A maioria dos equipamentos da indústria petrolífera são construídos com aço carbono,
porém, existem equipamentos que são construídos em aços especiais e até mesmo com
combinação de metais como é o caso de equipamentos construídos com chapas cladeadas que
são confeccionadas com duplo metal colaminados a quente, ou com chapas revestidas com
solda (overlay).
GENTIL (2007) estabelece que além dos esforços mecânicos os fluidos provocam o
aparecimento de diversas formas de corrosão, que muitas vezes trabalham conjuntamente com
esses esforços ou independentemente deles e podem determinar: perda de massa,
aparecimento de fissuras e alterações da estrutura do material.
É muito comum o aparecimento de trincas em aço inoxidável austenítico quando estes
estão submetidos a ambientes com presença de cloro e derivados e ácidos politiônicos, como
pode ser visto em (BATISTA, 2006).
As condições ambientais externas, os fluidos de transporte, os parâmetros
operacionais, a idade da tubulação ou do equipamento e o respectivo projeto podem
potencializar o aparecimento de corrosão e ou acelerar este processo.
20
Os dutos constituem a forma mais segura e eficiente de transporte de produtos
perigosos e de combustíveis, que por sua vez, interligam pontos distantes conectando
produtores e consumidores, atravessam todo tipo de ambiente geográfico e ainda podem estar
dispostos suspensos ou aéreos, enterrados em diferentes tipos de solo, ou submersos em água
doce ou salgada, muitas vezes essas condições acontecem em diferentes partes da mesma
tubulação.
Os equipamentos de processo devem operar estanques, uma vez que trabalham
normalmente sob condições de pressão e temperatura bem diferentes da ambiente, além disso
normalmente abrigam fluidos que não podem ser liberados para natureza sem um prévio
tratamento específico.
A integridade física dos dutos e dos equipamentos torna-se fundamental para evitar
vazamentos que causem acidentes com perdas materiais, ambientais, e humanas, por vezes
catastróficas.
Métodos de inspeção, controle e monitoração tem sido desenvolvido para assegurar
operação segura dos dutos e equipamentos. O aparecimento de trincas e de corrosão
associados aos esforços tornam mais crítica a operação dos equipamentos, logo a detecção e
avaliação prévia da presença de corrosão e principalmente de trincas e/ou microtrincas na
estrutura permitem evitar acidentes e perdas.
A visualização da microtrinca é de difícil acesso humano, uma vez que se tem
tamanho de trincas na ordem micrométrica (WENK, 1987).
O regime operacional dos equipamentos de processo é normalmente contínuo,
havendo paradas programadas para manutenção onde se pode fazer as inspeções internas,
enquanto que as inspeções externas são geralmente feitas com o duto e/ou equipamento em
operação. Não é tecnicamente recomendável o corte de partes dos equipamentos para
inspeção porque demandaria serviços de manutenção em condições especiais, vale-se então
das inspeções não destrutivas para avaliação da integridade física destes.
Os resultados dos ensaios não destrutivos visam normalmente a localização e o
dimensionamento de descontinuidades e podem ser avaliados individualmente ou em conjunto
para determinar a integridade física do duto ou do equipamento. Neste trabalho assume-se que
são disponibilizados os dados obtidos pelo ensaio não destrutivo de ultrassom para tal fim.
O projeto de uso de técnicas de visualização 3D – tridimensional, para simulação de
microtrincas em equipamentos e tubulações de petróleo e gás integra desde aspectos
dimensionais em escalas micro e macro a inserção de diferentes tipos de esforços solicitando
os dutos e equipamentos para análise do dano.
21
O VPS (Virtual Pipe System) era inicialmente um software em desenvolvimento pelo
DEM, Departamento de Engenharia Mecânica – UFRN para aplicação em dutos, que neste
trabalho foi adaptado, ampliado e modificado para análise de reatores de hidrotratamento,
reatores de HDT, gerando a criação computacional da topologia do equipamento e da
descontinuidade, hoje possibilita criação e refino de malhas computacionais o que permite
uma grande variação das alterações dimensionais do equipamento e do dano, permite ainda,
seleção de material, visualização tridimensional e simulação de comportamento, é uma
aplicação desenvolvida para Linguagem C++ e biblioteca OpenGL. O conjunto: END –
Ensaios Não Destrutivos, CAD – Computer Aided Design, CAE – Computer Aided
Engineering, FEM – Métodos de Elementos Finitos e RV – Realidade Virtual obtiveram
resultados bastante satisfatórios na aplicação de visualização e análise de trincas e
microtrincas pelo VPS.
As informações de localização e de intensidade de reflexão das ondas de ultrassom
fornecem as coordenadas espaciais do dano e funcionam como dado de entrada do sistema,
que em seguida, são manipulados pelo VPS para alterar o arquivo CAD, anteriormente pré-
criado da estrutura, equipamento ou tubulação sem falhas, a partir de agora ditas íntegras.
Após geração virtual do equipamento com dano, introduzem-se os parâmetros
operacionais, de material e condições de carregamento e de restrição realizando no ALGOR a
análise estrutural, os resultados são então analisados podendo ser alterados e ampliados.
A meta principal consiste na visualização 3D, tridimensional, e da simulação realizada
através da projeção ampliada das regiões danificadas em um ambiente virtual imersivo do tipo
CAVE, de um reator ou tubulação com dano projetando seu comportamento. O objetivo foi
alcançado seguindo alguns passos metodológicos entre os quais se menciona o
desenvolvimento de uma forma própria de armazenamento eletrônico para facilitar as
interfaces CAD, FEM – Finite Element Method, e realidade virtual, a aquisição de dados do
ensaio de US – Ultrassom, e a comparação com casos reais. As adaptações da aplicação foram
criadas através da biblioteca gráfica OpenGL e da Linguagem C++. Como resultado, se
disponibiliza várias funções necessárias ao exame e manipulação de um protótipo incluindo
animação em realidade virtual e análises através de softwares de Elementos Finitos. A
investigação das técnicas de visualização 3D demonstrou ser possível trabalhar em escalas
micrométricas muito além da capacidade de qualquer microscópio desenvolvido para análise
de danos, permitindo variação dos parâmetros e simulação.
Com este trabalho fica demonstrada a eficiência e a versatilidade de se ter agrupado
em um único aplicativo várias ferramentas computacionais com objetivo de investigar danos
22
em equipamentos e tubulações de petróleo e gás, assim como a possibilidade de adaptação de
um programa já criado a novas aplicações de diferentes equipamentos na solução de
problemas reais.
1.1 Histórico do Problema
É de conhecimento geral que o controle de qualidade de fabricação influencia na
qualidade final dos produtos, assim como na sua vida útil e, que as manutenções interferem na
disponibilidade dos equipamentos e sistemas.
A idade, as condições operacionais, os produtos contidos e o meio ambiente
influenciam o desempenho dos equipamentos, sendo estes os principais fatores causadores das
falhas.
O crescimento industrial tem provocado o aparecimento contínuo de novas empresas e
serviços provocando um aumento da concorrência e requerendo um maior desempenho dos
negócios como premissa básica para sobrevivência no mercado.
A globalização e a internet aproximaram os mercados permitindo comercialização de
produtos e serviços entre continentes de forma instantânea, e requerendo das empresas novas
ferramentas de negociação, novas estratégias de sobrevivência e assim também provoca uma
mudança no perfil de produtores e consumidores.
O Brasil é um país de dimensões continentais e apresenta uma diversidade de climas e
de geografia que dificultam a generalização e padronização dos projetos dos equipamentos
impedindo a intercambiabilidade entre eles, para plantas de diferentes regiões.
Vemos por exemplo, que muitos campos de gás e petróleo do Brasil estão em regiões
de difícil acesso, que vão desde pontos situados no fundo do mar até áreas remotas da
Amazônia, assim o transporte do óleo até as refinarias próximas dos grandes centros
industriais é feito na maior parte por meio de dutos metálicos, que cortam o território
brasileiro de Norte a Sul e esse transporte representa um grande desafio técnico para o país.
Observa-se ainda que o bom funcionamento desta malha energética é de vital importância
para a segurança nacional.
Junto com o petróleo e o gás extraídos dos campos submarinos é retirado um grande
volume de água do mar, essas condições de alta salinidade aumentam o risco de corrosão dos
23
dutos. Segundo Carneiro (2008), a malha dutoviária tem cerca de 17 mil quilômetros – pouco
mais do que o diâmetro da Terra e está em expansão.
A maioria das instalações de processamento de petróleo e gás do Brasil possui idade
superior a de projeto, o que as coloca na condição de equipamentos e instalações operando
com estimativa vida útil superada, ou em estado de sobrevida, esse cenário exige métodos de
inspeção, manutenção e monitoramento mais apurados.
1.2 Justificativa
A probabilidade de falha de um equipamento é uma variável real, o que torna a falha
uma ocorrência inevitável, porém postergável, portanto mensurar bem tal probabilidade
aumenta a confiabilidade e consequentemente a disponibilidade dos equipamentos.
Os mecanismos de danos aos equipamentos principalmente a corrosão, interagem com
a estrutura micro e macroscopicamente dos materiais e são acelerados por fatores externos
como pressão, temperatura, mudanças no fluido de processo, modificações e envelhecimento
do material, contato com outros materiais e meios, erros operacionais, desvios de manutenção,
mudanças climáticas e geológica e erros de projeto.
O parque industrial brasileiro evidencia a operação contínua de importantes
equipamentos de processo como reatores de HDT com mais de 20 anos de operação e com
mecanismos de danos como trincas em condições críticas e/ou subcríticas em sua estrutura.
Fundamentalmente a análise de equipamentos utilizando-se os ensaios não destrutivos
como método de detecção, prevenção e avaliação dos diversos tipos de danos constitui-se na
forma mais segura de prevenção de falhas e desenvolver métodos não invasivo de inspeção é
prioridade fundamental nesse processo.
Em trabalhos anteriores, observando os fatos acima, Bezerra (2002) e Siquara (2006),
respectivamente recomendam a monitoração de trincas em reatores de hidrotratamento e
alertam para a possibilidade das trincas se propagarem para o metal de base, o que também
motivou a realização deste trabalho.
Por fim, considerando-se muito importante associar os Ensaios Não Destrutivos
(END) e seus resultados gerados a uma base de dados capaz de alimentar programas
computacionais que permitam a rápida tomada de decisões por especialistas, e tendo no
24
ensaio de ultrassom um END com resultados que podem ser adaptáveis a esses programas de
computador, é lógico, se pensar em desenvolver uma ferramenta computacional existente
como o VPS para auxiliar na solução desse problema e para torná-la de fácil interação com os
usuários e inspetores de ultrasom, a fim de lhes auxiliar a visualização dos resultados do
ensaio nos equipamentos em tempo real.
1.3 Objetivos
O objetivo principal desta dissertação é desenvolver uma ferramenta computacional
integrando os resultados do ensaio de Ultrassom e o programa VPS nas plataformas CAD,
CAE e RV – Realidade Virtual, existentes no DEM da UFRN para possibilitar a detecção, a
visualização, simulação e análise estrutural do comportamento de fissuras e trincas de
corrosão sob tensão e por hidrogênio em equipamentos e tubulações de petróleo e gás a fim de
torná-la útil na análise dessas estruturas e também de fácil interação com o usuário.
A ferramenta deve ser capaz de obter os resultados do ensaio por ultrassom tradicional
e através de digitação gerar um banco de dados contendo informações da geometria e da
topologia da estrutura e da descontinuidade (arquivo CAD) e, em seguida, possibilitar a
visualização em um ambiente virtual inclusive de forma amplificada.
Deve permitir também realizar análises do comportamento da estrutura verificando sua
integridade (arquivo CAE) e possibilitar ainda a variação dos parâmetros dimensionais da
estrutura e da descontinuidade para possível simulação do comportamento inclusive com
visualização em realidade virtual.
Paralelamente pretense-se desenvolver um novo método de ensaio ultrassônico
alternativo de localização de trincas em overlay, capaz de encontrar e dimensionar trincas
utilizando as reflexões das ondas de ultrassom provindas da interface entre aço carbono e aço
inoxidável depositado por solda e compará-lo aos métodos convencionais de detecção
existentes.
Assim, esses dois processos em conjunto ajudam a possibilitar a avaliação da
integridade estrutural de equipamentos de processo, a simplificação do ensaio de ultra-som
em sistema de duplo metal (overlay) e a geração de um banco de dados de casos reais com
acesso à comunidade de inspeção, compartilhado entre as empresas.
25
1.4 Metodologia
As abordagens atuais para se detectar trincas e microtrincas em estruturas mecânicas
em operação são baseadas em ensaios não destrutivos, réplicas metalográficas e
eventualmente remoção de amostras da superfície da estrutura em locais que não
comprometam o seu desempenho que neste caso, são levadas ao microscópio para avaliação.
Com a presente abordagem pretende-se detectar, simular o comportamento e visualizar
trincas macro e microscópicas através de técnicas conjuntas de NDT, de CAD, de CAE e de
Realidade Virtual, analisando e simulando o comportamento da estrutura investigada com o
defeito.
A metodologia utilizada no projeto está baseada na utilização dos princípios do ensaio
não destrutivo de ultrassom, na linguagem C++, OpenGL e na Realidade Virtual e
contemplou algumas etapas importantes:
Fabricar corpos de provas semelhantes à estrutura com defeitos reais, trincas, e
defeitos usinados, entalhes, de dimensões conhecidas;
Medir dimensões dos defeitos por diferentes técnicas de ultrassom;
Comparar detecção e medição dos defeitos por diferentes aparelhos e técnicas de
ultrassom com o tamanho real medido em projetor de perfil;
Gerar protótipos CAD de tubulações e equipamentos em dimensões padronizadas
contendo volumes correspondentes às regiões trincadas;
Adaptar módulo VPS para integração CAD, RV e um ambiente comercial CAE,
para aplicação ao caso específico reator de HDT;
Desenvolver novas ferramentas para visualizar, de forma ampliada, as regiões com
microtrincas, refinamento de malha, biblioteca de tubos padronizados e construção
virtual do dano;
Implementar uma interface gráfica de fácil manipulação onde o usuário possa
interagir com o objeto em análise e ver os resultados imediatamente;
Fazer a verificação de um caso real de um reator trincado de hidrotratamento de
uma refinaria em uso.
26
1.5 Estrutura da Dissertação
Eessa dissertação propõe o desenvolvimento de um sistema para análise estrutural de
equipamentos para indústria petroquímica e de petróleo, sendo distribuída em 5 capítulos.
Primeiramente se desenvolve uma ferramenta computacional existente, o VPS, para análise de
estruturas com danos, reator, tubulação e depois se usa as informações adquiridas de um
ensaio não destrutivo, ultrassom, como base de entrada de dados para introdução das
dimensões do dano no programa, finalmente procura-se a efetividade desses processos
aplicando-os a um caso real de um equipamento em operação.
No Capítulo 1, se estabelece um breve histórico dos problemas com equipamentos e os
esforços a que são submetidos e porque falham, usa-se esse fato para justificar o estudo. Neste
capítulo estão dispostos os objetivos principais a serem atingidos.
O Capítulo 2, aborda uma revisão bibliográfica contendo conceitos de autores
nacionais e estrangeiros sobre engenharia reversa, ensaios não destrutivos, ultrassom, noções
de mecânica da fratura, noções de corrosão e de construção de equipamentos com overlay,
contempla ainda uma lista de materiais mais utilizados na construção de dutos e de reatores de
hidrotratamento, também é feito uma análise crítica aplicável ao estudo de caso, parte desse
capítulo como tabelas de tubos padronizados API foi colocada no apêndice.
No Capítulo 3, se estabelece a metodologia aplicada para se atingir os objetivos
propostos, assim se detalha as etapas de construção dos corpos de prova, se apresenta os
equipamentos de ultrassom utilizados e descrição das modificações necessárias ao VPS para
que este atinja os objetivos esperados.
No Capítulo 4, é proposto resultados e discussões com um método alternativo de
localização e dimensionamento de trincas em sistemas de overlay tentando relacionar a
resposta dos defeitos com a perturbação gerada nas ondas ultrassônicas ao passarem de um
metal para o outro, no caso, de aço carbono para aço inox, descreve-se ainda alguns
problemas com os reatores de hidrotratamento, esses resultados serão comparados com as
medições obtidas com o método tradicional ultrassônico de ressonância para detecção de
trincas. Apresenta-se ainda os resultados das adaptações do VPS Micro Cracks como
programa capaz de realizar construção CAD de equipamentos e tubulações, de permitir a
inserção de defeitos nas paredes dos equipamentos e também de permitir a imposição de
27
restrições e de condições de carregamento ao sistema a ser analisado, sua interação com um
sistema CAE (ALGOR) e análise estrutural com simulação dos resultados.
Observa-se ainda que foi necessário criar um arquivo capaz de reconhecer dois metais
diferentes soldados entre si, mas submetidos às mesmas condições de trabalho e possuindo
trinca em seus corpos, desenvolver ferramentas de refino localizado de malhas
computacionais, entre outras.
Ainda no Capítulo 4, são apresentados os resultados das medições com ultrassom por
diferentes aparelhos e diferentes técnicas para defeitos conhecidos e os resultados são
comparados às medidas feitas desses defeitos por um projetor de perfil, também é apresentado
o resultado das análises estruturais fornecidas pelo VPS Micro Cracks no reator e tubulação. e
é mostrado a simplicidade das telas de comunicação do novo VPS com o usuário.
Finalmente no Capítulo 5, são apresentadas as conclusões do trabalho realizado e é
apresentada uma lista de sugestão para futuros trabalhos a serem desenvolvidos para
continuidade da pesquisa. Logo após, se apresenta as referências bibliográficas utilizadas
como base de estudo e o apêndice .
28
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Noções de Engenharia Reversa
A Engenharia Reversa é uma tecnologia que envolve uma vasta gama de atividades
apresentando vários conceitos multidisciplinares que se complementam. Apresenta-se a seguir
algumas definições assumidas por autores consagrados:
Varady (1997) – “Enquanto a engenharia convencional transforma conceitos e
modelos em peças reais, a Engenharia Reversa transforma em engenharia modelos e
conceitos.”
Dickin (1996) – “A Engenharia Reversa consiste em produzir novas peças, produtos
ou ferramentas a partir de modelos ou componentes existentes.”
Daschbach (1995) – “A Engenharia Reversa é o processo de levantar dimensões, com
rapidez e exatidão, determinar padrões geométricos tais como áreas e volumes além de definir
as tolerâncias de um modelo existente.”
Puntambekar (1994) – “Apesar do processo de Engenharia Reversa (que começa
com um modelo físico e termina com um modelo CAD) aparentar ser o oposto do processo de
manufatura convencional (que começa com um modelo CAD e produz uma peça física) na
verdade os conceitos globais são muito similares (Figura 1). A principal diferença é que o
protótipo existente na Engenharia Reversa incorpora a especificação do produto em
manufatura convencional.
29
Figura 1 – Manufatura convencional e Engenharia Reversa, adaptado de Puntambekar (1994).
Dong-Fan (1996) – “O ciclo completo da Engenharia Reversa até o produto final é
composto por cinco estágios: a medição tridimensional, a reconstrução da superfície, a
usinagem dos pontos digitalizados, a checagem da qualidade da geometria e a interface para
protótipo (Figura 2).”
Figura 2 – O ciclo de trabalho da Engenharia Reversa (Chen Dong Fan, 1996).
30
Como mostra a Fig. 2 observa-se que o processo de Engenharia Reversa caracteriza-se
pela reprodução de um modelo físico, para que este possa transformar-se em um modelo
digital. No processo convencional de engenharia, cria-se primeiramente o modelo virtual, para
que se possa então, confeccionar produtos correspondentes ao modelo físico.
Na Engenharia Reversa, porém, como o próprio nome diz, o processo ocorre de trás
para frente, ou seja, o modelo físico já existe e necessita-se do modelo virtual para que as
etapas da engenharia possam ser formuladas e pode ser utilizado em diversas aplicações que
serão abordadas adiante.
2.1.1– Etapas da Engenharia Reversa
O processo de Engenharia Reversa pode ser dividido em duas etapas: a digitalização
do produto e a criação do modelo CAD a partir dos dados digitalizados (PUNTAMBEKAR,
1994):
1. Digitalização do produto: invariavelmente este é o primeiro passo
do processo e existe uma enorme variedade de equipamentos
dimensionais para este fim. As duas principais funcionalidades
exigidas de um equipamento de digitalização são: evitar estragos no
protótipo e velocidade de trabalho. Na digitalização obtém-se uma
nuvem de pontos sendo que a distância entre eles é muito
importante para obter uma captação satisfatória da superfície,
especialmente em regiões onde há uma rápida mudança de
curvatura.
2. Criação do modelo CAD a partir dos dados digitalizados: este é o
passo crucial no processo de Engenharia Reversa, já que os dados
são apresentados como um oceano de pontos no espaço. A
geometria deve ser assentada sobre estes pontos, sendo uma etapa
essencialmente manual, cuja interação e descrição é determinada
pelo usuário. Muitos autores não acreditam que o sistema seja capaz
de fazer todo o processo automaticamente sem nenhuma
intervenção manual para objetos de complexidade razoável.
31
Alguns autores consideram a existência de uma fase intermediária entre a digitalização
e o modelo CAD (Figura 3). Esta fase compreenderia a interpretação dos dados da
digitalização para posterior alimentação do modelo CAD. Pode-se extrair esta informação
através de cortes e medições feitas diretamente sobre a malha triangular ou nuvem de pontos.
Dong-Fan (1996) –
“A Engenharia Reversa é composta por 3 etapas: digitalização da peça,
extração das entidades e criação do modelo CAD a partir destas
informações. Com a técnica de reconstrução da Engenharia Reversa,
superfícies são criadas diretamente sobre um arquivo de pontos, mesmo que
ele possua milhares de pontos.”
No caso deste projeto a engenharia reversa será utilizada para construção de modelos
do equipamento contendo defeitos ou danos encontrados pelo ensaio de ultrassom e
digitalizados diretamente pelo inspetor no VPS, virtual pipe system, a fim de simular o
comportamento da estrutura.
Atualmente, estão sendo desenvolvidos scaners próprios para o ensaio de ultrassom
que permitem a transmissão digital dos dados da peça ensaiada e do dano para o computador.
2.2 Ensaio Não Destrutivo – Ultrassom
Analisando as definições a seguir:
Conforme a ABENDI os Ensaios Não Destrutivos (END) são técnicas utilizadas na
inspeção de materiais e equipamentos sem danificá-los, sendo executados nas etapas de
fabricação, construção, montagem e manutenção.
De acordo com a NDT os Testes Não Destrutivos (NDT) constituem-se no uso de
técnicas não invasivas para determinar a integridade de materiais, componentes e estruturas
ou medir quantitativamente algumas características em objetos.
Segundo a ASNT os Ensaios Não Destrutivos podem ser definidos como um
conjunto de métodos usados para examinar um objeto, material ou sistema sem impactar no
seu uso futuro.
32
Vimos que existe uma grande variedade de ensaios não destrutivos específicos capazes
de atender a um ou mais de um dos requisitos dessas definições anteriores, assim, cada ensaio
tem seu princípio físico de funcionamento, seu campo de aplicação e suas limitações.
Nenhum ensaio não destrutivo por si só, pode ser considerado melhor ou pior que
outro, mas sim, aplicável a determinada situação sob determinadas condições, portanto, deve
um especialista determinar a aplicação do ensaio efetivamente requerido para cada caso.
Os Ensaios Não Destrutivos são utilizados para:
Detecção e avaliação de descontinuidades;
Detecção de vazamentos;
Medições dimensionais;
Caracterização de estruturas e microestruturas;
Avaliação de propriedades físicas e mecânicas dos materiais;
Medição de campos de tensões e monitoração do crescimento de defeitos;
Medição de variáveis dinâmicas, deslocamento, aceleração, velocidade; e
Determinação de composição química e seleção de material.
Alguns END’s são constantemente utilizados no dia a dia da indústria e efetivamente
resolvem a maioria dos problemas de fabricação, montagem e manutenção, de forma que, são
considerados END’s convencionais, são eles: ensaio visual, ensaio por líquido penetrante,
ensaio por partículas magnéticas, ensaio por ultrassom, ensaio de corrente Eddy e radiografia
industrial, sendo os demais END’s como: ultrassom B e C Scan, Phased Array, TOFD, IRIS,
radiografia digital, identificador de ligas, etc, considerados ensaios especiais ou não
convencionais, até por que, muitos deles são de aplicações bastante específicas.
Os Ensaios Não Destrutivos podem ser completamente caracterizados pelos fatores
relacionados a seguir:
Fonte de geração de energia ou forma de geração de dados e sinais no
sensor (origem ou geração do sinal);
Natureza e forma dos sinais, imagem ou gráficos gerados resultantes da
interação do END com a peça em exame e com a descontinuidade e/ou
propriedade procurada (princípio físico da resposta);
Formas de detecção ou captação do significado do sinal gerado
(equipamento ou sensor de detecção da resposta);
Método de registro da indicação ou registro do sinal (equipamento de
registro, captação, forma de saída, registro da resposta); e
33
Forma direta ou indireta de interpretação dos resultados, (Leitura direta,
dispositivo de interpretação e análise).
Assim, cada método de END fornece informações sobre um ou mais de um dos
parâmetros abaixo na sua interação com os materiais:
Existência ou não de Descontinuidades;
Tipo de Estrutura;
Dimensões;
Propriedades físicas, químicas e mecânicas;
Análise da composição química e metalúrgica;
Análise de tensões, avaliações dinâmicas e medições de
desenvolvimento de defeitos; e
Análise de sinais e respostas de sinais.
Conforme a ASNT a arte de inspecionar sem destruir evoluiu industrialmente
principalmente a partir da década de 1950, desde simples curiosidade de laboratório na década
de 1920, acompanhando o crescimento e desenvolvimento de mercados até se tornar uma
ferramenta indispensável de produção capaz de diferenciar produtos.
O aumento da concorrência e o aparecimento de novos produtos e serviços, assim
como a aproximação dos mercados e o nível de informação fizeram uma mudança
significativa no perfil do consumidor, tornando-o mais exigente.
Uma característica marcante dos END’s é que eles raramente medem diretamente a
propriedade de interesse. O valor dessa propriedade geralmente é obtido a partir de sua
correlação com outra grandeza que é medida durante a realização do teste.
2.2.1 Razões Para Uso Dos Ensaios Não Destrutivos (END’s)
Conforme a ASNT os ensaios não destrutivos modernos são usados pelos fabricantes
para garantir a integridade de produtos, para recondicioná-los, para evitar falhas, prever
acidentes, salvar vidas humanas, aumentar a vida útil dos produtos, melhorar a relação custo
34
benefício, manter a reputação dos fabricantes e a satisfação dos consumidores, ajudar no
projeto e desenvolvimento de novos produtos, controlar o processo de fabricação, diminuir os
custos de fabricação, aumentar os lucros e manter um uniforme nível de qualidade de
fabricação.
Atualmente, o comprador de um produto tem sempre a expectativa de que poderá
usufruir deste por um longo período de tempo sem a ocorrência de defeitos ou necessidade de
manutenção. O comprador de um automóvel ou o usuário de um meio de transporte público,
por exemplo, espera poder usar os veículos sem atrasos ou falhas devidas a defeitos
mecânicos. Um industrial deseja que seus equipamentos funcionem melhor, mais rápido, e, se
possível, automaticamente, independentemente da sua complexidade. Em outras palavras, a
confiabilidade e a disponibilidade são indispensáveis.
Em geral, a ocorrência de acidentes ou falhas causam prejuízos, incômodo e
inconveniência, mas em certos casos, são totalmente impensáveis ou inadmissíveis. A falha
no sistema de direção de um ônibus lotado ou de um trem de passageiros a 100 km por hora,
ou da turbina e/ou do trem de aterrissagem de um avião durante voo, decolagem e pouso,
poderá resultar na perda de dezenas ou centenas de vidas humanas. O vazamento de pequenas
quantidades de material radiativo de uma usina nuclear, o vazamento de produtos químicos
e/ou combustíveis na indústria química, petroquímica e de petróleo, podem matar e/ou afetar a
vida de milhares ou milhões de pessoas, além de comprometerem o meio ambiente com
impactos que podem ser irreversíveis. Nestes casos, não se pode contar apenas com a sorte
para evitar tais ocorrências.
Mas se por um lado a garantia de qualidade e confiabilidade de produtos é uma
importante razão para uso dos END’s, igualmente importante é que isto gere riqueza para os
seus usuários. Isto pode ocorrer de forma implícita ou explícita. A garantia de satisfação do
comprador é uma fonte implícita de lucro e tem consequência direta da reputação do
fabricante, que aumenta sua vantagem competitiva.
Os END’s também podem contribuir para o aumento dos lucros na medida em que,
quando aplicados no desenvolvimento de novos produtos, indicam aos projetistas
necessidades de mudanças no projeto, através por exemplo, da análise experimental de
tensões onde são mostrados os campos de tensões do produto e assim pode-se obter produtos
mais leves, mais resistentes, mais confiáveis e de menor custo.
Durante a fabricação seriada o controle dos processos produtivos é fundamental para a
manutenção da qualidade e para evitar que se produzam sucatas em grande escala, aí os
35
END’s têm tido papel importante no estabelecimento de padrões de qualidade e minimização
de perdas.
Finalmente, podemos afirmar que um produto não precisa ser necessariamente
“perfeito”, mas deve apresentar um nível de qualidade adequado para uma determinada
finalidade e compatível com a exigência do mercado.
O custo de produção tende a se tornar mais alto à medida que as tolerâncias de
fabricação diminuem na busca da perfeição, logo o valor de venda de um produto varia com o
seu processo de fabricação, insumos, matéria prima e nível de qualidade de fabricação
adotado, portanto, deve-se buscar um padrão de fabricação ótimo onde se obtém o lucro
máximo, assim níveis de qualidade que busquem a perfeição são impraticáveis porque levam
a preços inaceitáveis de mercado. A Figura 3 demonstra curvas de custo de produção versus
preço final de revenda em função das tolerâncias de fabricação, indicando o ponto ótimo.
Figura 3- Relação entre os custos de produção e venda de produtos e seu nível ótimo de qualidade.
http://balancedscorecard.blogspot.com/ em 02/09/2009
As indústrias fabricantes de produtos e as firmas prestadoras de serviços, no atual
contexto mundial, estão se estruturando para atingir níveis ideais de qualidade, observa-se que
estes níveis são dinâmicos e necessitam serem constantemente analisados e atualizados sob
pena de se perder mercado como por exemplo, tem acontecido com grandes marcas mundiais
consagradas de automóveis, bancos, CIA de seguro e de petróleo que estão em concordata
porque seus produtos e serviços não mais atendem ao atual padrão de qualidade praticado pela
concorrência.
Assim, a busca da “perfeição” é algo que para ser alcançado deve ser antecedido de
uma mudança estrutural na empresa e, também, deve contar com o esforço de todos os
funcionários. O objetivo do nível de qualidade a ser alcançado deve ser fixado a nível de
Custo (valor monetário)
Nível de perfeição
36
gerência e de direção, pois a qualidade do produto abaixo do ótimo tira a competitividade da
empresa e, acima deste, pode encarecer demais o preço final de venda, o que também tira sua
competitividade. A realização de inspeção por ensaios não destrutivos requer mão-de-obra
qualificada e equipamentos desenvolvidos especificamente para cada tipo de ensaio. Com
isso, o custo do homem/hora, se comparado com a maioria de outros profissionais da
indústria, é alto, como também, é vultoso o investimento para aquisição dos equipamentos de
inspeção de acordo com (CUNHA e MOTTA, 2002).
No setor privado, essas expectativas estão associadas à necessidade de permanência no
mercado e de lucratividade da empresa, exigindo que o sistema da qualidade seja
desenvolvido para servir como instrumento para melhorar o posicionamento da empresa no
mercado. O processo de melhoria será orientado ao aperfeiçoamento de produtos, serviços e
processos, não apenas para satisfazer e encantar o consumidor, mas também para reduzir os
custos de produção e maximizar a lucratividade do negócio. As métricas escolhidas devem,
pois, levar em conta a redução dos custos e a melhoria das margens de lucro alcançadas
através da gestão da qualidade. (LINS, 2001).
Os “custos da qualidade” (CQ) serão resultantes da soma dos custos da conformidade
(COC) mais os custos da não conformidade (CONC): CQ = COC + CONC.
Os custos da qualidade são, então, uma ferramenta gerencial. Aferir o andamento de
um processo de melhoria da qualidade pelos seus custos traz ao administrador algumas
vantagens importantes, preserva os objetivos de lucratividade e de desempenho do
empreendimento, obriga a uma avaliação realista das fontes de custos e explicita uma série de
custos que estão, geralmente ocultos. Estabelece (LINS, 2001).
O custo da qualidade é variável com o tempo, com a política de qualidade adotada e
com o compromisso da empresa e com o nível de controle de qualidade especificado.
Uma política de qualidade bem aplicada tende ao reconhecimento completo dos
problemas que afetam um produto.
Com o passar do tempo há assimilação dos procedimentos de fabricação e de
qualidade culminando em padronização das tarefas.
As auditorias de qualidade explicitam as falhas e forçam a pesquisa e desenvolvimento
de soluções, que muitas vezes se traduzem em mudanças radicais nos produtos e processos
fabris, reduzindo o custo final do produto e/ou implementando melhorias.
37
2.2.2 Confiabilidade dos END’s
Como já se sabe um END raramente mede diretamente a propriedade de interesse, mas
sim, propriedades a elas relacionadas. A confiabilidade dos END’s depende fortemente da
correlação entre a propriedade de interesse e a propriedade realmente medida. A validade
desta correlação não pode ser assumida sem uma prova convincente para cada situação
específica. Esta correlação deve ser bem conhecida para:
• Cada material específico;
• Para cada método de produção ou fabricação;
• Para cada método específico de teste; e
• Para cada aplicação ou condição de serviço do objeto inspecionado.
Se qualquer um destes fatores é modificado, novas evidências da correlação entre
propriedade medida e de interesse devem ser buscadas.
Numa análise probabilística, existem cinco possíveis situações ao término de uma
avaliação não destrutiva:
1- A peça pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que pode;
2- A peça não pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que não pode;
3- A peça pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que não pode;
4- Peça não pode ser utilizada e o ensaio demonstrou que pode; e
5- O ensaio não detectou com clareza o defeito e requer exame complementar.
As situações 1 e 2 são desejáveis e sua ocorrência resulta em sucesso da inspeção. A
situação 3 implica em prejuízo desnecessário e a situação 4 implica em alto risco de falha, a
situação 5 demanda aumento de custo de inspeção. Assim, o sucesso da inspeção deve ser
procurado e maximizado.
Em geral, as normas de inspeção impõem regras e critérios que devem ser
rigorosamente seguidos para se obter sucesso na inspeção, tendo como base, o conhecimento
acumulado ao longo do tempo e os novos conhecimentos adquiridos sobre as correlações
entre propriedade medida e as propriedades de interesse, considerando os diferentes fatores
citados anteriormente.
A detectabilidade dos END´s está também associada à competência e à experiência do
inspetor além da efetividade do procedimento de ensaio adotado. Em ensaios sem registro
38
permanente como ultrassom convencional esse fator é preponderante, pois requer do inspetor
interpretação imediata dos sinais na tela do aparelho, a todo o momento, durante o ensaio.
A literatura mostra inumeráveis exemplos onde, por causa de resultados falhos do
inspetor durante as inspeções de END, ocorreram acidentes importantes. STEPHENS (2000)
no seu trabalho mostra como Serge Crutzen e Matt Golis definiram a confiabilidade total do
sistema de inspeção através de um modelo empírico conceitual, onde o fator humano constitui
um dos elementos principais que afetam a confiabilidade do sistema de inspeção. Ele
apresenta que o estado físico e mental, a experiência e treinamento do pessoal, assim como as
condições sob as quais o pessoal pode operar e inspecionar tem influência na habilidade de
detecção do sistema END.
Estudos realizados por HARRIS (1992), mostram que a taxa relativa de detecção do
defeito durante a inspeção é de aproximadamente 50%. Por outra parte, DRURY (2000)
demonstrou que as funções de busca (se refere ao sinal ou à descontinuidade) e de decisão do
inspetor são as maiores causas de erros de interpretação (MORÉ, GUIMARÃES e XEXÉO,
2003).
Portanto, não é possível atingir plenamente a excelência em segurança sem que sejam
abordados de forma efetiva os aspectos humanos e organizacionais. Para isto, é preciso ter
conhecimento sobre erro humano, ou seja, pleno conhecimento da formação do
comportamento humano, cuja disciplina mais apropriada para isto é a cultura de segurança. O
erro humano pode promover dois tipos de falha: a humana, cuja causa fundamental é o erro do
homem, e organizacional, em que o erro humano é apenas causa imediata, cuja causa
fundamental são as CLNO (Condições Latentes de Natureza Organizacional), afirma
(SOLDATE, 2006).
Define-se então confiabilidade como “a probabilidade de um produto desempenhar sua
função prevista por um período de tempo especificado e sob condições especificadas”
(RIBEIRO, 1981), ou ainda, é a probabilidade de um componente ou sistema não falhar
durante a sua vida útil (LOPES, 2001).
Assim vemos que diversos fatores afetam o inspetor durante a realização do ensaio,
quer sejam externos quer sejam psicológicos, sendo mais agravante o fato que a intensidade
desses agentes jamais se repete para a mesma pessoa e varia de pessoa para pessoa, o que
dificulta a criação de modelos que expliquem quantitativamente a influência do inspetor na
confiabilidade do ensaio.
Diversos modelos são utilizados para correlacionar grande números de variáveis
complexas, como por exemplo, o modelo de Fuzzy ou Program for Inspection of Steel
39
Components (PISC) ou Performance Demonstration Initiative (PDI) ou European Network
for Inspection Qualification (ENIQ) porém, todos explicitam a dificuldade de quantificação
desses parâmetros.
Assim, a solução para aumento da confiabilidade dos END’s adotada mundialmente, e
que vem reproduzindo resultados satisfatórios, é implementar nos países sistemas de
qualificação e certificação de inspetores, capaz de aferir continuamente as competências
técnicas e físicas dos diversos inspetores em diferentes níveis e ensaios. No Brasil, o SNQC
END (Sistema Nacional de Qualificação e Certificação de inspetores de END), certifica
inspetores de END´s níveis 1, 2 e 3, sendo o inspetor 1 um operador do ensaio, o 2 um
inspetor pleno e o 3 um supervisor com atribuição de coordenar e assistir as atividades dos
demais, esse sistema gerido pela ABENDI tem diferenciado nossa indústria das demais,
dentro do continente Sul-americano.
2.2.3 Tipos de END’s
Várias formas de energia e matéria podem ser usadas como meio de inspeção não
destrutiva desde que cada um dos cinco elementos básicos característicos dos END’s vistos
anteriormente sejam atendidos. De modo geral, os END’s podem ser classificados como
volumétricos (Ultrassom US, Raios X – RX, Phased Array – PA, Time Of Flight Diffraction
– TOFD), superficiais e subsuperficiais (Líquido Penetrante – LP, Partículas Magnéticas –
PM, Ensaio Visual – EV, Eddy Current – EC, Alternating Current Field Measurement –
ACFM) e especiais que são de aplicação muito específica (Internal Rotary Inspection System
– IRIS, Termografia, Análise de Vibrações, Identificador de ligas, etc.). Em função da
abrangência e dos objetivos do trabalho, serão abordados os ensaios de ultrassom mais
comumente aplicados na indústria e para informação dos demais END´S indicamos os sites da
ABENDI, ASNT, NDT.
40
2.2.3.1 Ensaio por Ultrassom
Segundo a NDT e ASNT, desde o primeiro quarto do século passado começaram as
pesquisas sobre ultrassom, Sokolov em 1929 e 1935, Mulhauser em 1931 e Firestone 1935 e
Simons 1940 foram os precursores do ensaio em materiais metálicos. Japão, Europa e USA
até 1950 realizaram independentemente pesquisas do uso dos ultrassons principalmente na
área médica obtendo diferentes aplicações e desenvolvendo equipamentos para usos
específicos.
A NDT informa ainda que no início dos anos 1970 o desenvolvimento da eletrônica e o
surgimento das teorias de mecânica da fratura modificaram significativamente os critérios de
projeto possibilitando a admissão de estruturas com defeitos conhecidos, o que impulsionou o
desenvolvimento de técnicas não intrusivas de localização e dimensionamento desses defeitos.
Sugiram os primeiros detectores ultrassônicos de falhas, analógicos, que evoluíram
substituindo os tubos de raios catódicos por visores LCD (Liquid Crystal Display), os
componentes eletrônicos internos por placas de circuitos integrados, adquiriram memória
passando a executar eletronicamente uma série de operações antes feitas pelos inspetores e
operadores, adaptaram também novas funções e reduziram de tamanho e de peso.
Atualmente aplicações cada vez mais tecnológicas surgem para o uso das ondas
ultrassônicas e suas interações com a matéria, Phased Array, Tofd, IRIS são exemplos de
métodos modernos e já consolidados como técnicas de inspeção.
A técnica de ensaio por ultrassom é o END, que maior aporte de pesquisa tem
recebido nos últimos 40 anos e tem apresentado soluções cada vez mais impressionantes, já é
possível hoje se verificar granulometria, estado de tensões e direção de laminação usando
ondas de ultrassom, além de visualização 1D (A SCAN), 2D (B SCAN), 3D (C SCAN) e até
4D. Todo esse desenvolvimento só foi possível devido à concorrência mundial existente entre
os fabricantes de aparelhos, na busca de achar aplicações para as diversas respostas dadas pela
matéria na interação com as muitas frequências ultrassônicas e na tentativa de fazer este
método substituir o ensaio radiográfico devido às limitações ambientais impostas aos RX’s,
como afirma a NDT.
Com a entrada recente da China e da Índia como fabricantes de aparelhos de ultrassom
acirrou-se ainda mais a concorrência no mercado.
41
Conforme ASME V (2004), Artigos 4 e 5 e ASNT, a principal finalidade do ensaio
por ultrassom é a detecção de descontinuidades internas em materiais ferrosos e não ferrosos,
metálicos e não metálicos, através da introdução de um feixe sônico com características
compatíveis com a estrutura e geometria do material a ser ensaiado. Este feixe sônico quando
introduzido numa direção favorável em relação à descontinuidade (interface), será refletido
por esta descontinuidade ocasionando na tela do aparelho um pico ou uma imagem (eco de
defeito).
A Técnica por pulso-eco (técnica mais utilizada) consiste basicamente em ter emissão
e recepção da onda ultrassônica pelo mesmo transdutor, o que viabiliza a inspeção por apenas
um lado da peça, comumente o externo, possibilitando a inspeção de equipamentos fechados e
em operação.
As ondas ultrassônicas podem se mover de diferentes formas a depender de seu ângulo
de entrada nos materiais, essas formas de movimento apresentam velocidades características
para cada material, assim podemos ter ondas longitudinais ou de compressão que fazem as
partículas do material vibrarem na mesma direção de propagação da onda, são normalmente
as mais velozes com cerca de 6.000m/s nos aços e 1.500m/s na água, já as ondas transversais
ou de cisalhamento fazem as partículas do material vibrarem transversalmente na direção da
propagação da onda, e tem velocidade de cerca da metade da velocidade da onda longitudinal,
existe ainda diversos tipos de ondas superficiais nas quais o modo de propagação da onda
caracteriza-se pela forma como se comportam as partículas na superfície do material.
O ultrassom é um ensaio volumétrico e busca principalmente descontinuidades
internas, porém também pode encontrar descontinuidades superficiais.
As demais técnicas de ensaio ultrassônico, diferentemente da técnica pulso-eco,
necessitam da utilização de dois ou mais transdutores posicionados na mesma superfície ou
em superfícies opostas, ou ainda, de sincronia de deslocamento entre os transdutores.
A localização e dimensionamento de descontinuidades pela técnica pulso-eco são
largamente aplicada e para ser executada necessita de uma série de operações precedentes
para aferição e calibração do aparelho.
A existência de diversos blocos padrões permite a calibração do aparelho em escalas
convenientes de percurso sônico capaz de cobrir a dimensão que se pretende investigar, esses
blocos ainda possuem furos e rasgos padronizados onde se pode fazer uma série de
verificações do desempenho do conjunto, equipamento e transdutor.
Além dos blocos padrões algumas normas sugerem a criação de blocos de referência
onde se introduz defeitos com dimensões conhecidas e, assim, pode se traçar curvas de
42
resposta desses defeitos para diferentes distâncias (percurso sônico) estabelecendo as
chamadas “curvas de referência”, observa-se que o decaimento da energia do pulso sônico
com a distancia é exponencial, pode-se ainda diminuir e aumentar a energia cedida ao ensaio
traçando as curvas complementares. É comum se traçar curvas para 100, 50 e 20% da
intensidade de resposta do defeito de referência, assim estas curvas tornam-se objeto
comparativo entre a real descontinuidade encontrada e comportamento da descontinuidade de
referência no mesmo percurso sônico, logo, defeitos que reflitam a onda sônica em
intensidade maior que o da descontinuidade de referência emitirão ecos que extrapolarão as
curvas denotando uma maior superfície refletiva, ao contrário, defeitos de menor superfície de
reflexão emitirão ecos discretos bem abaixo das curvas de referência. Servem então estas
curvas como critério para aceitação e rejeição de defeitos na peça em exame.
Existem ainda curvas e ábacos que foram criados por fabricantes de aparelhos e/ou por
normas, que permitem a determinação do tamanho estimado de um refletor interno por
interpolação. Observa-se que estes ábacos também foram traçados tendo como referência um
defeito padrão com dimensões conhecidas.
Em qualquer situação defeitos planares como trincas e falta de fusão em soldas são
bons refletores, enquanto que defeitos esféricos refletem bem menos que trincas quando
comparados defeitos da mesma dimensão e sob favoráveis ângulos de exame. As curvas e
ábacos são normalmente traçadas tendo como referência defeitos circulares fabricados.
Calibrado e verificado o aparelho, traçadas ou plotadas as curvas de referência, ainda
se precisa saber a perda ou ganho de energia na transferência do pulso sônico entre o
transdutor e a superfície dos blocos, normalmente mais lisas e com menor rugosidade, o
transdutor e a superfície da peça a ser examinada, normalmente mais rugosa e então corrigir
essa diferença.
Inicia-se a inspeção com o processo de varredura na superfície a ser ensaiada em
padrões estabelecidos e analisa-se cada eco ou imagem de resposta emitida ao aparelho, vale
ressaltar que quinas e superfícies opostas pertencentes à geometria da peça em exame, quando
em situações favoráveis, emitem ecos de alta energia e não podem ser confundidas com
defeitos, além disso, geometrias complexas de peças fazem o pulso sônico reverberar bastante
dentro delas, causando o aparecimento de ecos fantasmas provenientes de mudanças de modo
de propagação das ondas ultrassônicas, esses inconvenientes dificultam a interpretação do
ensaio.
Existem transdutores Normais (que introduzem o pulso sônico na direção normal à
superfície de exame), Angulares (introduzem o pulso conforme um ângulo com a normal à
43
superfície de exame, 30, 45, 60, 70, 75 graus) e Duplo cristal (que possuem dois cristais um
emissor e outro receptor) e que são excelentes para medição de espessura de materiais.
A possibilidade de utilização de transdutores Angulares permite o exame de soldas
sem remoção do reforço e ainda a detecção de defeito em diferentes ângulos em relação à
superfície de exame.
Figura 4 - Esquema básico de END por ultrassom. http://www.ndt.net/ndtaz/ndtaz.php
Figura 5- Detecção de furos por transdutor normal de US http://www.olympus-
ims.com/pt/ultrasonics/intro-to-pa/ em 02/09/2009
Figura 6- Detecção de furos por transdutor angular de US http://www.olympus-
ims.com/pt/ultrasonics/intro-to-pa/ em 02/09/2009
44
As principais vantagens da inspeção pelo método ultrassônico são:
Não danifica ou deixa resíduos corrosivos no material testado;
Pode ser feito com o equipamento em operação;
Pode ser feito em equipamentos pintados;
Alto poder de penetração, possibilitando análise de seções bastante
espessas;
Alta sensibilidade, permitindo a detecção de defeitos extremamente
pequenos;
Rápido e de resposta imediata;
Possibilita identificar a localização das descontinuidades;
Pode ser automatizado;
Possui alta portabilidade;
Não necessita para realização da inspeção, de acesso pelos dois lados;
Pode ser executado em juntas com geometrias complexas; e
Pode ser utilizado em materiais metálicos e não metálicos.
As principais desvantagens são:
Necessita de muita habilidade e experiência do inspetor;
Grãos grosseiros de certos metais de base e de solda (Ni e Inox
Austeníticos) podem dispersar e atenuar drasticamente o som e causar
sinais que perturbam a realização do ensaio;
O reforço da raiz, cobre-juntas e outras condições aceitáveis de geometrias
de juntas podem causar indicações falsas;
Peças pequenas e pouco espessas são difíceis de inspecionar;
A melhor detecção da descontinuidade depende da orientação da
descontinuidade em relação ao feixe sônico;
A identificação das descontinuidades requer muita experiência do
inspetor/operador ainda assim não é totalmente segura;
Não mantém registros permanentes do ensaio (passado);
Requer calibrações constantes; e
Geometrias complexas promovem conversão de modo da onda o que
dificulta a interpretação.
45
Figura 7 - Inspeção de um duto pelo ensaio por ultrassom. http://www.ndt.net/ndtaz/ndtaz.php
2.2.3.2 Ultrassom Phased Array (PA)
A tecnologia de Ultrassom Phased Array vem sendo utilizada desde muitos anos na
área médica. A técnica de Phased Array tem a capacidade de modificar as características
acústicas de uma sonda ultrassônica e isso é feito controlando eletronicamente a emissão e
recepção dos sinais em cada elemento transdutor de uma sonda (transdutor) com múltiplos
transdutores (CARNEVAL, 2007).
O método PA possibilita visualização e dimensionamento bastante preciso da
descontinuidade porque possui a flexibilidade de variar a angulação do feixe sônico assim
como focalizá-lo na região de interesse, associado a uma visão C SCAN, ainda possui
marcadores que podem ser posicionados no início e final do defeito dando mensuramento
automático do tamanho do refletor.Ver Figs. 8, 9 e 10.
Transdutores de múltiplos cristais (16, 32, 64 cristais) que podem ser acionados
independentemente provocam interferência construtiva permitindo os recursos acima citados,
assim sem modificar a posição do transdutor pode-se fazer um escaneamento completo da
seção com variação discreta dos ângulos, além do mais as telas do PA apresentam
alternativamente a disposição A SCAN para melhor interpretação do inspetor (NEAU e
HOPKINS, 2006).
46
1.
2.
3.
4.
5.
Figura 8 – Pricipio físico do phased-arrays; a interferência positiva das ondas sônicas permite focar na
profundidade desejada alem de variar o ângulo de observação. Referencia:The promise of ultrasonic
phased arrays and the role of modeling in specifying systems; Guillaume Neau and Deborah Hopkins – 2006
Comparado com o ultrassom convencional apresenta-se como uma solução bem mais
completa, contudo, como toda nova técnica ainda prescinde de adaptações que permitam sua
utilização generalizada, assim, melhor portabilidade, menor custo, criação de procedimentos
de ensaio, menor tamanho e facilidade de manipulação dos transdutores, treinamentos dos
operadores, difusão da técnica, menor preço do serviço e aceitação do mercado são alguns
exemplos de barreiras a serem vencidas pela técnica.
(a) (b) (c) (d)
6. Figura 9 - Transdutor phased array de múltiplos elementos: (a)Para focalizar o feixe sônico a uma
certa profundidade, (b)Para propiciar a angulação do feixe sônico e (c) e (d)Para propiciar a
angulação e a focalização do feixe sônico. Referencia: The promise of ultrasonic phased arrays and the
role of modeling in specifying systems; Guillaume Neau and Deborah Hopkins – 2006
47
Figura 10- Detecção de furos por transdutor Phased Array de US http://www.olympus-
ims.com/pt/ultrasonics/intro-to-pa/ em 02/09/2009
2.2.3.3 Ultrassom TOFD
A possibilidade de se utilizar o tempo de percurso dos sinais ultrassônicos que são
difratados pelas pontas superiores e inferiores dos defeitos como referência para seu
dimensionamento, abriu um novo horizonte às inspeções ultrassônicas. A técnica de intervalo
de tempo empregando onda difratada (TOFD – Time of Flight Diffraction) se baseia nas
difrações de ultrassom causadas pelas extremidades (superior e inferior) da trinca presente no
interior do cordão de solda. SILVA e REBELLO (2007) afirmaram também, na IV
Conferência Pan-americana de END Buenos Aires, que quando se introduz num cordão de
solda um feixe de ondas ultrassônicas provenientes de um transdutor angular emissor que tem
suas reflexões e difrações captadas por outro transdutor angular, que atuando apenas como
receptor de ondas sônicas, pode-se detectar e medir o tamanho de um refletor interno do tipo
trinca.
Assim a técnica TOFD necessita de dois transdutores angulares posicionados em lados
opostos da região a ser inspecionada deslocando-se simultaneamente, sendo um emissor e
outro receptor captando a onda ultrassônica ressonante da ponta de uma trinca.Ver Fig. 11.
O principal problema apresentado por esta técnica é que defeitos não planares como
poros e escória geram muito pouca ou nenhuma difração dificultando sumariamente sua
detecção pela técnica, além disso, posições desfavoráveis das trincas com relação à angulação
do feixe alteram o valor das dimensões reais dos defeitos, porém, a rapidez de execução e
facilidade de detecção e dimensionamento dos defeitos planares colocam esse método como
um dos mais promissores desenvolvimentos do ensaio por ultrassom.
48
Neste ensaio sinais vindos das duas superfícies, a de realização de ensaio e a de fundo
da peça limitam o campo de inspeção, assim, qualquer sinal entre eles determinam o
aparecimento de defeitos, logo o sinal azul é de uma onda que percorre a superfície da chapa
(onda lateral), os sinais vermelhos são difrações das pontas superior e inferior do defeito,
respectivamente, e o sinal verde é a reflexão do fundo da chapa. (CARNEVAL, 2007).
Figura 11 - Princípios da técnica TOFD na inspeção de solda, formação dos sinais: (a) Ondas laterais
difratadas (extremos da trinca) e refletida e (b) Sinal elétrico na tela do aparelho de ultrassom. Ref:
CARNEVAL, 2007
2.3 Noções de Mecânica da Fratura
Mecânica da fratura é uma parte da engenharia que busca permitir a convivência ou
operação segura de equipamentos com defeitos conhecidos e dimensionados, ou seja, admite a
existência de defeitos na estrutura e verifica o comportamento destes quando submetidos aos
esforços normais de operação do equipamento, determina ainda o tamanho crítico que uma
vez assumido impede a continuidade operacional e ou determina novas condições para
operação segura.
Para fazer tais análises é necessário dimensionar o defeito na estrutura com relativa
precisão, neste caso normalmente são realizados ensaios não destrutivos principalmente
ultrassom para dimensionamento de defeitos internos. Também é necessária a correta
verificação da tenacidade do material.
Os materiais podem fraturar de forma frágil quando se observa pouca absorção de
energia durante a fratura ou dúctil, quando há uma grande absorção de energia durante a
fratura do material.
Analisando microscopicamente as fraturas podemos classificá-las em dois tipos,
fratura por cisalhamento quando há deslizamento de planos atômicos no mesmo plano das
49
tensões cisalhantes aplicadas, precedido por grandes deformações próximas à ponta da trinca
ou fratura por clivagem onde os planos atômicos são separados em direção ortogonais ao de
propagação da fratura devido a uma tensão trativa aplicada, a nível atômico vê-se mudanças
de direção na propagação da trinca devido a esta seguir a direção dos planos cristalinos em
cada grão do material.
A mecânica da fratura linear elástica (MFLE) é uma teoria que tenta explicar a
ocorrência de fratura sem deformação plástica considerável.
Existem três modos de carregamento que forçam a propagação de trincas, são eles:
I - Carregamento de tração;
II – Carregamento por cisalhamento puro; e
III – Carregamento por cisalhamento combinado.
Figura 12 - Tipos de propagação das trincas.
Estudos realizados por Westergaard e depois por Irwin chegaram à seguinte equação
KI=cte X tensão X (dimensão da trinca X PI) exp1/2; sendo Ki um fator correlacionado entre
o tamanho da trinca e a tensão aplicada para o modo I de carregamento, assim KI é definido
como fator de intensidade de tensão, pode-se então criar curvas correlacionado KI a
localização e dimensão do defeito com o tamanho de um corpo de prova e tipo de solicitação
aplicada, deste modo se obtém dessas curvas a determinação do KI(crítico) que é uma
constante do material em função da temperatura de ensaio, taxa de carregamento e
microestrutura, esse KIc é chamado tenacidade a fratura do material.
A determinação do KIc do material é fator de extrema importância na análise de
mecânica da fratura.
Para explicar a fratura em materiais dúcteis, ou seja, onde há bastante deformação
plástica, analisa-se primeiro a deformação provocada pela trinca na sua vizinhança, essa
deformação é tanto maior quanto menor for a espessura do corpo de prova – CP – ensaiado,
ou seja, para diferentes espessuras estes materiais apresentam KIc diferentes, ou seja, cps
finos deformam mais absorvem mais energia e propagam menos a trinca, logo pode-se
50
determinar para cada material uma espessura mínima que potencializa a propagação de
trincas, este valor é chamado de Kc.
Fatores como a temperatura, a resistência a tração e ao escoamento e a forma de
carregamento afetam significativamente a tenacidade a fratura dos materiais.
A mecânica da fratura Elastoplástica (MFEP) é a teoria que melhor explica o
comportamento de propagação de trincas em materiais dúcteis e até tenazes, baseia-se no
método de abertura de trincas CTOD (Crack Tip Opening Displacement) e no método da
integral J.
Para os métodos apresentados aqui entende-se que para uma trinca caminhar em um
material dúctil é necessário a nucleação e coalescimento de cavidades na região próxima à
ponta da trinca, entende-se, também, que no CTOD se mede a abertura da trinca, ou seja, o
afastamento das paredes da trinca.
Toda trinca para se propagar em materiais dúcteis tem que provocar encruamento do
material próximo à sua ponta, este fato leva a um arredondamento da ponta da trinca, a
combinação desses dois fatores dificulta sua propagação, logo, para que esta propagação
continue é necessária uma abertura crítica (CTOD) com energia suficiente para reativar a
propagação da trinca.
A integral J correlaciona a energia potencial necessária para propagação da trinca com
a abertura da trinca e, conseqüentemente, com as propriedades do material como módulo de
elasticidade E e o coeficiente de Poison ν, assim pode-se determinar em laboratório um valor
crítico para a integral J conforme ASTM E 399 (Standard Test Method for Linear-Elastic
Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials).
Pode então traçar curvas de J versus tamanho da trinca e avaliar a energia necessária
para iniciar a propagação de uma trinca (valor do CTOD) e correlacionar o aumento do
tamanho da trinca com a variação de J, uma vez que as curvas em materiais dúcteis e tenazes
são crescentes.
2.4 Noções de Corrosão
A corrosão, em aspecto amplo, pode ser definida como a deterioração de um material
pela ação química ou eletroquímica do meio, associada ou não a esforços mecânicos. O
51
estudo da corrosão tem um grande interesse tecnológico devido ao elevado custo relacionado
com as perdas de equipamentos, produtos, etc. Em países desenvolvidos, onde os processos
de prevenção contra a corrosão se encontram mais desenvolvidos, estima-se um custo anual
de milhões de dólares.
Os elevados custos associados aos processos corrosivos justificam o esforço
empenhado em se buscar métodos cada vez mais eficazes de controle deste processo de
deterioração.
2.4.1 Mecanismo da Corrosão
São muitas as formas de ataque existente em equipamentos de processo na indústria do
petróleo e mais de uma forma de ataque pode acontecer simultaneamente e, ainda, podemos
ter formas de corrosão que só se manifestam em condições especiais, quer quando o
equipamento está operando ou quando está parado.
Observa-se que cada metal, ou liga, apresenta uma resistência maior ou menor à
corrosão, o que é diretamente função do meio no qual o material se encontre e das condições
de serviço. Até mesmo os metais que são considerados nobres, por serem praticamente
inatacáveis em meios comuns, podem estar sujeitos ao processo corrosivo dependendo do
meio no qual se encontrem. Pode-se então dizer que algumas combinações entre metais e
meios corrosivos são demasiadamente prejudiciais.
Embora a corrosão seja associada à destruição de materiais, deve-se considerar que a
formação de uma camada de óxido sobre um metal nem sempre é desfavorável. O óxido pode
ser protetor agindo como uma barreira que impede o contato entre o metal e o ambiente que o
cerca. Exemplos clássicos são a formação de película protetora de óxido de cromo (Cr
2
O
3
) ou
a formação de óxido de alumínio (Al
2
O
3
) que, além de protetor, confere aspecto decorativo.
52
2.4.2 Tipos de Corrosão
Pode-se denominar tipos de corrosão as condições determinantes do processo ou,
ainda, o mecanismo que o provoca. São diversos os tipos de corrosão e mecanismos de
deterioração observados em equipamentos industriais, para esta trabalho citamos
apenasnoções de corrosão sob tensão, corrosão fadiga e deterioração associada ao hidrogênio.
Corrosão associada a esforços mecânicos
A corrosão pode se tornar um processo ainda mais danoso quando à agressividade do
meio, soma-se a presença de esforços mecânicos.
1• Corrosão sob tensão (CST): Corrosão sob tensão, trincamento transgranular e/ou
intergranular de alguns materiais quando tensionados por tração e submetidos a determinados
meios corrosivos, algumas variáveis influenciam diretamente no processo como temperatura,
tensão, composição do meio e do material, orientação de grãos, composição e distribuição de
precipitados e tempo.
Tem-se como exemplo clássico desta forma de corrosão o aparecimento de trincas em
aços inox da série 300 quando submetidos a meios clorados e ácidos politiônicos, o mesmo
acontecendo a ligas de cobre quando submetidos à presença de amônia e derivados.
Geralmente, inicia em um pite ou outro concentrador de tensão que ao reduzir área da
seção transversal, aumenta a tensão à qual o material está sujeito iniciando o processo, uma
característica importante é que não há perda de massa do material.
2 Sensitização: Precipitação de carbonetos de cromo nos contornos de grão de um
material austenítico, tornando o material vulnerável à corrosão intergranular. Muito verifcada
nos aços inoxidáveis da serie 300 quando estes trabalham em temperaturas entre 400
0
C e 800
0
C esse processo é mais intenso quanto maior for a temperatura e o tempo de operação nessa
temperatura.
3 • Corrosão – fadiga: Processo cíclicos gerados por tensões mecânicas ou térmicas
agravados quando associados a um meio corrosivo podem levar à fratura de componentes
metálicos em um tempo inferior ao estimado para a sua vida útil.
As falhas por fadiga normalmente ocorrem com níveis de tensão abaixo do limite de
escoamento do material, normalmente após muitos ciclos, mas também podem ocorrer muitas
vezes com baixas aplicações de tensões cíclicas, fadiga de baixo ciclo, principalmente quando
associadas a tensões térmicas. Quando esse processo ocorre em meio corrosivo a
53
agressividade aumenta a velocidade de corrosão, as ligas sujeitas a este ataque são aquelas
que têm uma camada protetora, rompida durante a propagação da trinca a cada ciclo.
4• Fragilização pelo hidrogênio: o trincamento de materiais devido à interação com o
hidrogênio pode ocorrer através de diversos mecanismos. A presença de hidrogênio atômico
adsorvido na superfície e a difusão deste elemento para o interior do material são requisitos
fundamentais para que ocorra a fragilização pelo hidrogênio, independente do mecanismo que
esteja prevalecendo. O hidrogênio atômico intersticial, muito pequeno, apresenta grande
mobilidade em qualquer material. Presente em solução sob a forma monoatômica, o
hidrogênio se difunde através da rede cristalina ou é transportado pela movimentação de
discordâncias. Também pode interagir com precipitados, microporos ou contornos de grãos.
Essas e outras imperfeições da rede cristalina são os lugares onde o hidrogênio se instala
preferencialmente.
O empolamento pelo hidrogênio ocorre por sua difusão e precipitação como,
hidrogênio molecular (H
2
). A concentração e pressão aumentarão no interior de um defeito,
até a formação de bolhas no material. O empolamento é observado em vários equipamentos
da indústria do petróleo, onde gás sulfídrico (H
2
S) está presente, como vasos de pressão,
reatores, tanques de armazenamento e tubulações. O hidrogênio pode ainda formar gás
metano combinando com o carbono do aço em altas temperaturas. O hidrgênio na rede
cristalina altera a tenacidade do materias tornado-o mais frágil.
2.5 Noções de construção com sistemas de duplo metal (Overlay)
Não recomendamos a construção de equipamentos tipo vaso de pressão (reatores,
vasos, permutadores de calor, torres e etc.), fabricados em aço inoxidável integral. É
recomendável que sejam especificados materiais bimetálicos, utilizando na parte estrutural
aço carbono ou baixa liga e na camada de revestimento aço inoxidável (overlay ou clad).
Lembrando que no caso de se utilizar overlay deve-se tomar precauções no procedimento de
soldagem para não gerar trincamento a quente (BATISTA, 2006).
A construção de alguns equipamentos como vasos de pressão, reatores, tubulações etc.
por vezes requerem que esses possuam revestimentos internos metálicos com materiais mais
54
nobres que resistam às condições de serviço estabelecidas como resistência ao fluido, pressões
e temperaturas elevadas.
Esses revestimentos são normalmente de baixa espessura, e esta, varia desde a ordem
de micrometros até alguns milímetros e são aplicadas sobre um material estrutural base,
comumente constituído de aço carbono ou aço baixa liga e que quase sempre não suportam,
sem o dito revestimento, a condição de trabalho e o fluido contido nestes equipamentos,
assim, processos como cladiamento (clad), metalização e revestimentos com solda (overlay)
são empregados para possibilitar tal construção e a operação destes equipamentos.
Apesar de resistentes tais revestimentos não estão imunes aos processos corrosivos,
eles apenas retardam a agressão que se manifesta de diversas formas com ou sem perda de
massa do revestimento, aqui estamos interessados em processos corrosivos muito comuns de
corrosão sob tensão, fragilização e ataque pelo hidrogênio e corrosão fadiga, onde o resultado
da corrosão é o aparecimento de trincas no revestimento que caminham em direção ao metal
de base ameaçando a integridade do equipamento.
Equipamentos revestidos internamente constituem-se quase sempre em partes muito
importantes de uma planta de processo de hidrotratamento e determinam a continuidade
operacional destas plantas industriais, assim é de vital importância a monitoração e
acompanhamento desses equipamentos, pois falhas catastróficas não são desejadas.
O regime operacional destes equipamentos são divididos em campanhas com duração
média acima de dois anos de operação contínua, sendo suas paradas operacionais
programadas para épocas convenientes, acordadas e definidas em função de diversos fatores,
dentre eles, a perda de integridade deste ou de outros equipamentos constituintes do sistema.
Durante a parada programada de manutenção são verificados internamente e
externamente o maior número de equipamentos possíveis, principalmente aqueles que
constituem risco de parada não programada da planta, neste cenário os equipamentos
revestidos internamente são sempre objeto de verificação interna, pois esta é uma
oportunidade onde se pode ter acesso a esses revestimentos.
No caso específico de reatores de hidrotratamento as paradas de operação constituem
atividade de risco para o equipamento e as velocidades dessas paradas podem provocar sérios
danos à integridade devido principalmente, às tensões geradas no material bimetálico e a
formação de ácidos politiônicos na superfície das paredes internas pelo contato destas com
água e ar.
Na parada são realizadas diversas inspeções nos revestimentos internos dos
equipamentos, na sua maioria testes não destrutivos cujo objetivo é sempre verificar a real
55
situação da integridade do revestimento. O aparecimento de trincas nos revestimentos
internos, desperta questionamentos importantes do tipo:
Qual o comprimento desta trinca?
Qual a sua profundidade?
Essa trinca já atravessou o revestimento?
Qual a sua velocidade de propagação?
Essa trinca impede a operação do equipamento?
Essa trinca pode ser monitorada, como?
Essa trinca pode ser reparada?
O equipamento terá que ser substituído?
Realmente tais trincas não são desejadas e uma vez encontradas devem ser
efetivamente dimensionadas e, ainda assim, algumas das perguntas acima podem ficar sem
resposta.
Clad é um revestimento que pode ser feito por colaminação a quente (1.200ºC) de
duas chapas ou por explosão, ou seja, é distribuída uma quantidade de explosivos plásticos
sobre a superfície de uma das chapas que são colocadas de forma sobreposta e que depois de
detonado promove uma ligação entre elas através de uma onda de choque.
Overlay constitui-se em depósito de cordões de solda sobre uma superfície de forma a
recobri-la com o material do depósito, podendo ser feito de forma manual ou por máquinas
automáticas ou semiautomáticas.
A camada de metal de solda depositado pode ser constituída de um único material em
uma ou mais camadas, ou ainda, de dois ou mais materiais diferentes depositados camadas
sobre camadas.
Quando se tem depósito de mais de uma camada a última camada depositada provoca
alterações metalúrgicas na camada anterior trazendo benefícios ao revestimento porque faz
uma espécie de tratamento térmico na camada anterior.
56
Figura 13 - Revestimento com depósito por solda com arco submerso. Ref: Paschold, R.,Karlisson, L.,Gittos, M.
F.The esab welding and cutting journal vol. 62 NO., 2007
Nos equipamentos que trabalham em altas temperaturas e com presença de hidrogênio
com pressão parcial elevada, como é o caso de reatores de hidrotratamento em refinarias,
existe o risco de difusão do hidrogênio através do overlay e a possibilidade dele se acumular
na interface entre os materiais, podendo desenvolver trincas e descolamento nesta região. O
desenvolvimento dessas trincas e sua forma de propagação são função de diversos fatores que
dependem dos materiais envolvidos, base e de revestimento, da operação do equipamento, da
idade e da sua forma de fabricação.
2.6 Materiais mais utilizados para construção de reatores de hidrotratamento
BEZERRA (2002) afirma que, os reatores de hidroprocessamento utilizados em
refinarias de petróleo são, geralmente, compostos de um metal de base revestido com dupla
camada de aço inoxidável austenítico. Estes materiais têm diferentes propriedades termo-
elástico, que causam elevadas tensões de revestimento durante o desligamento do reator,
podendo levar à nucleação e propagação de trincas. Além disso, a parede do reator está sujeita
a um ambiente corrosivo, rico em hidrogênio, a alta pressão e temperatura.
Já SIQUARA (2006) estabelece que um dos aços mais utilizados na fabricação de
componentes de reatores de hidrotratamento é o aço ferrítico Cr-Mo. Esses aços possuem
excelente resistência à fluência, tenacidade e resistência à corrosão, uma expansão térmica
57
relativamente baixa além de alta condutividade térmica quando comparados aos aços carbono,
e ainda que os reatores de HDT operam em condições com a constante presença de
hidrogênio. Neste ambiente, o hidrogênio é capaz de ser adsorvido na parede e,
posteriormente, se difundir através da sua espessura, podendo causar danos nas paradas
programadas. A fragilização pelo hidrogênio em aços mesmo se presente em concentrações
muito pequenas é um fenômeno de deterioração das suas propriedades mecânicas,
principalmente a perda de ductilidade, pela propagação de trincas.
SIQUARA (2006) ainda concluiu em seus estudos de comparação das propriedades de
aços novos e envelhecidos para reatores que, os ensaios de tração do aço 2,25 Cr-1Mo nas
condições “zero”, envelhecida em serviço e envelhecida artificialmente hidrogenadas e não
hidrogenadas mostrou que o maior efeito da presença do hidrogênio é a redução da
ductilidade. Os resultados apresentaram entre 46 a 64% de redução na ductilidade, fato capaz
de facilitar a propagação de trinca frágil em reatores que estão em serviço.
ZUMPANO (2004) expõem em seu trabalho sobre a tenacidade a fratura dos aços
2,25Cr e 1Mo, que estes aços apresentam um fenômeno de redução da tenacidade quando
passam por temperatura entre 343 a 593
0
C, chamada de fragilização ao revenido que é
provocada pela precipitação de carbonetos duros nos contornos de grão do aço, resultado da
difusão de impurezas, principalmente fósforo, para o contorno do grão nessas temperaturas,
assim os contornos de grão passam a ser potenciais nucleadores de trincas.
A solução desse problema é um controle apurado de impurezas na fase de fabricação
dos aços para reatores de HDT.
N. M. Yokosuka e R. K. Yokorama em (1986) patentearam um método de
resfriamento de reatores de HDT onde garantem que não havendo resfriamento abaixo de
100
0
C, não haverá propagação de trincas induzidas pelo hidrogênio, ou seja, qualquer que seja
a forma de parada do equipamento deve haver controle do seu resfriamento e caso não haja
surgirão trincas na interface entre os metais, observa-se ainda que nesta temperatura o
adentramento para inspeção e outros serviços de manutenção no vaso torna-se arriscada.
Por todos os fatos acima estabelecidos a especificação de materiais para trabalhar em
reatores de HDT torna-se complicada, além do mais, por melhor que seja a especificação a
operação destes equipamentos influencia diretamente no desempenho e na vida útil do
componente.
As especificações API abaixo são as que traduzem a melhor escolha para chapas para
vasos com serviço em altas temperaturas e com hidrogênio.
58
API 934A Materials and Fabrication of 2 1/4Cr-1Mo, 2 1/4Cr-1Mo-1/4V, 3Cr-1Mo,
and 3Cr-1Mo-1/4V Steel Heavy Wall Pressure Vessels for High temperature, High-
pressure Hydrogen Service.
API 934C Materials and Fabrication of 1 1/4Cr-1/2Mo Steel Heavy Wall Pressure
Vessels for High-pressure Hydrogen Service Operating at or Below 825 °F (441 °C).
API 941 Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in
Petroleum Refineries and Petrochemical Plants.
Mostramos também a classificação ASTM para estes materiais na Tabela 1 seguinte.
Tabela 1- Materiais utilizados na construção de reatores de HDT
Aços
Chapas
Peças Forjadas
Tubos
1¼Cr-½Mo
1Cr-½Mo
ASTM A 387
Gr. 11,
Cl. 1 or Cl. 2
ASTM A 387
Gr. 12,
Cl. 1 or Cl. 2
SA 182 Gr. F11, Cl. 1, 2 e 3
SA 336 Gr. F11, Cl. 1, 2 e 3
SA 182 Gr. F12, Cl. 1, 2 e 3
SA 336 Gr. F12
SA 335 Gr. P11
SA 369 Gr. FP 11
SA 335 Gr. P12
SA 369 Gr. FP 12
2¼Cr - 1Mo
ASTM A 387
Gr 22, Cl 2
2.7 Materiais mais Utilizados para Construção de Dutos
Os dutos são projetados para atender as exigências de projeto previamente
estabelecidas. Porém, em serviço comumente os dutos são expostos a condições operacionais
e ambientais mais severas, tais como aumento na pressão e/ou temperatura de operação e
condições ambientais não condizentes com o projeto, fatores como estes comprometem a
estrutura aumentando consideravelmente o nível de risco (MISHINA, 2005).
As características necessárias aos dutos utilizados para transporte de óleos, gases e de
risers rígidos, exigem o emprego de aços de alta resistência mecânica, elevada tenacidade à
fratura, boa soldabilidade e resistência aos efeitos prejudiciais do meio ambiente e do fluido
59
transportado. A tendência é utilizar aços que atingem os requisitos para dutos API 5L graus
X70 e X80, com carbono equivalente máximo de 0,43% (BUSCHIAZZO, 2006).
São múltiplas as origens dos esforços atuantes nos componentes de dutos e estruturas
de plataformas, como: ventos, correntes marinhas e aqueles resultantes dos trabalhos
desenvolvidos na própria planta. A repetibilidade destes esforços é uma característica comum
a todos eles, isto é, tem-se um processo de fadiga, se constituindo num agravante ao processo
de corrosão e/ou vice-versa (SILVA, 2006).
Afirma ainda que, atualmente, devido às condições de uso por largo período de tempo,
parte da rede dutoviária no Brasil já alcançou 30 anos. O CENPES/Petrobras vem dedicando
especial atenção para os problemas de corrosão localizada e vem investindo em novas
técnicas de monitoramento e detecção de falha em dutos.
A corrosão de tubulações enterradas, empregadas para transporte de óleo ou gás, pode
resultar na sua ruptura, causando severos danos ambientais e perdas econômicas. A corrosão
de estruturas enterradas é um sistema difícil de simular, pois as propriedades químicas e
físicas do solo mudam constantemente com o tempo e profundidade.
Durante a operação, os dutos são frequentemente sujeitos a esforços repetitivos,
gerando tensões cíclicas que, ao longo do tempo podem levar o material ao colapso através de
processo de fadiga. Nas juntas soldadas, as trincas de fadiga frequentemente originam-se em
pontos de grande concentração de tensões criados pelo cordão de solda, em defeitos de
soldagem e inclusões. Os aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) utilizados na fabricação
de dutos, segundo a API (American Petroleum Institute), seguem a especificação API 5L, e
devem apresentar características como elevada resistência mecânica, elevada tenacidade à
fratura, boa soldabilidade e resistência aos efeitos do meio ambiente (BELTRÃO, 2005).
Pelo exposto acima se vê a necessidade de especificar corretamente o material de um
duto durante a fase de projeto e de se acompanhar sua operação durante sua vida útil, os
mecanismos de dano são diversos, nenhum sistema de proteção é 100% eficaz e não protege
contra todas as possibilidades de dano, logo os danos acontecem, evoluem e se acumulam
com a passagem do tempo, requerendo na tubulação intervenções e/ou uso de técnicas de
inspeção, avaliação e monitoramento mais eficazes para avaliação da sua integridade.
O desenvolvimento pela API de aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) tem
tentado resolver os anseios requeridos pelo mercado, no apendice relacionamos as principais
propriedades desses aços.
60
Observa-se ainda que existem fatores como ocupação humana do solo, obras em geral
inclusive de instalação de outros dutos, movimentação natural ou artificial de terra na região
do duto, não são previstas em projeto, mas afetam a integridade da tubulação.
61
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
A lógica metodológica utilizada para realização desse trabalho em termos gerais consiste em
coordenar um objetivo híbrido composto de diferentes frentes de trabalho com a finalidade
precípua de se verificar a integridade de um equipamento. Para isso, foram construídos corpos
de provas com defeitos conhecidos, desenvolvido um método de detecção desses defeitos e,
ao mesmo tempo, adaptado um software para ser capaz de simular o comportamento
estrutural do equipamento com o dano. Para desenvolvimento do novo método de detecção de
trincas, método da emvoltória, usou-se aparelhos de ultrassom analógico e digital, esse novo
método foi comparado ao método da difração, método de ultrassom consagrado de
dimensionamento de trincas em materiais metálicos e ambos os resultados foram comparados
com as medidas realizadas com um projetor de perfil.
Na adaptação do programa VPS micro cracks, desenvolveu-se ferramentas que possibilitaram
a inserção de dois materiais soldados entre si, aumentou-se o numero de subdivisões da malha
dos tubos gerados nas direções radiais, longitudinais e circunferenciais, inseriu-se a
possibilidade de refinamento localizado da malha e a inserção de dano localizado com mouse,
inseriu-se uma biblioteca de tubos padronizados, modificou-se as condições de carregamento
e as telas de interface do programa com o usuário gerando janelas de interação dinâmica.
Essas modificações possibilitam via teclado criação de um protótipo virtual do equipamento
com dano e análise usando o software comercial ALGOR.
62
3.1 Equipamentos utilizados no desenvolvimento da técnica da envoltória
3.1.1 Aparelho Analógico de ultrassom
Marca: Krautkramer Modelo: USK7
Espessura de ensaio: 10 a 1000mm
Velocidae: 1000mm/s a 9999mm/s
Ganho: 100dB degraus de .2 a 20 dB
Frequência: 0,5 1 10MHz
Foi utilizado um aparelho analógico de ultrassom a fim de comparar as respostas desse tipo de
equipamento aos demais equipamentos digitais na execução dos ensaios.
Figura 14– aparelho de ultra-som analógico USK7
63
3.1.2 Aparelhos digitais utilizados
Utrassonic Flaw Detector Mach I (T)
Espessura de ensaio: 10 a 5000mm
Velocidae: 1000mm/s a 9999mm/s
Ganho: 140dB degraus de .5 a 20 dB
Frequência: 0,5; 1; 15MHz
Figura 15– aparelho de ultra-som digital mach 1T
64
Krautkramer USM 35
Espessura de ensaio: 0,5 a 9999mm
Velocidae: 1000mm/s a 15000mm/s
Ganho: 110dB degraus de .5 a 12 dB
Frequência: 0,2; 1; 12MHz
Figura 16– aparelho de ultra-som digital USM 35
65
Sonatest Sitescan 380m
Espessura de ensaio: 1 a 20000mm
Velocidae: 256m/s a 16000mm/s
Ganho: 110dB degraus de .0,5 a 20 dB
Frequência: 0,5 1 35MHz
Figura 17– aparelho de ultra-som digital Sonatest
66
3.1.3 Aparelho de alta tecnologia (Phased Array)
Phasor XS GE Inspection Technologies
Espessura de ensaio: 0 a 14060mm
Velocidae: 1000m/s a 16000m/s
Ganho: 40dB degraus de .6 dB/µ - seg
Frequência: 0,6 1 6,5MHz
Figura 18– aparelho de ultra-som phased Array
67
3.1.4 Projetor de Perfil
Mitutoyo PH A14 ( capacidade de aumento de até 50X)
Todos os corpos de prova foram medidos com o projetor de perfil, essas medidas
foram feitas de cada lado dos corpos de prova, sendo realizadas três medições, sem intensões
estatística maior e retirada a média aritmética das medidas de cada lado. Essa média das
medidas foram consideradas, nesse trabalho, como medida real do defeito ou do entalhe e
serviu de comparação para análise das medidas obtidas pelas outras técnicas ultrassônicas.
Tabelas contendo todas as medidas obtidas são apresentadas no Capítulo 4 de
resultados e discussões, assim como os gráficos mostrando a variação entre a medida real e as
obtidas pelas técnicas discutidas.
Figura 19 - Projetor de perfil PH A14
Figura 20– Projetor de perfil PH A14, detalhes da medição de trincas nos CP’s
68
3.2 Corpos de prova
Construídos em aço 2¼ de Cr e 1Mo, ASTM A 347 revestidos com dupla camada de aço
inoxidável austenítico AISI 309 e AISI 304L com média 3mm por camada de revestimento,
os CP’s possuem rasgos fabricados por eletroerosão com diferentes profundidades e trincas
reais como mostra a tabela 2
Figura 21– Corpos de Prova 3, 2 e 1 respectivamente
Tabela 2 Dimensões dos corpos de prova
Tabela -2 Dimensões dos Corpos de Prova
Nº
CP
Largura
mm
Altura
mm
Comprimento
mm
Entalhe mm
Trinca mm
1
2
3
4
Lado
A
Lado
B
1
40
48
250
NA
NA
NA
NA
6,5
11,5
2
40
48
200
NA
NA
NA
NA
4,0
5,5
3
40
75
330
3,0
5,0
6,5
12,5
8,5
10,5
* Dimensão esperada de fabricação
69
3.3 Metodologia utilizada para desenvolvimento do Método Alternativo de
Localização de Trincas (Método das Envoltórias)
Os passos utilizados para desenvolvimento do novo método de ensaio contemplou as
etapas a saber:
Fabricação de corpos de prova semelhantes à estrutura a ser examinada e com defeitos
naturais e artificiais conhecidos.
Verificação do comportamento das ondas ultrassônicas em sistemas de duplo metal
com diversos aparelhos de ultrassom, analógicos, digitais e alta tecnologia, a fim de
confirmar o comportamento típico dessas ondas na interface dos dois diferentes
metais.
Medição dos defeitos e entalhes em ambos os lados de cada corpo de prova através do
projetor de perfil.
Medição dos defeitos e entalhes com US analógicos e digital com transdutores de 45 e
60 graus utilizando as técnicas de difração e da envoltória em cada corpo de prova.
Tabulação das medições feitas com cada transdutor e cada ângulo em cada lado do
corpo de prova.
Extração das médias das medições.
Comparação das médias das medidas realizadas de cada técnica com a média do
projetor de perfil, através de gráficos.
3.4 Proposta de Método Ultrassônico Alternativo para localização de trincas em
overley
70
3.4.1 Trincas em Reatores de Hidrotratamento
É conhecida a alta difusibilidade do hidrogênio nos materiais. Sabe-se ainda que quanto maior
a pressão parcial do hidrogênio livre em contato com o material e quanto maior a temperatura
maior a difusão, porém, o trincamento pelo hidrogênio depende também de outros fatores
como a tenacidade do material, microestrutura formada e nível de inclusões. Alguns aços
como o ASTM A 387 Gr 22 classe 2 com 2,25Cr – 1Mo apresentam excelente
comportamento quanto a dificuldade de propagação de trincas por hidrogênio (ZUMPANO e
FERREIRA, 2004), fato que justifica o uso desse material como metal base na construção de
reatores de hidrotratamento, onde faz-se revestimento com dupla camada com solda de aço
inoxidável, não obstante a parada destes reatores é fator de risco para o aparecimento de
trincas, e paradas com velocidades de resfriamento superiores a 150C/h potencializam o
aparecimento de trincas na região de interface, entre o metal de base e o metal de
revestimento, felizmente estudo de casos mostram a tendência dessas trincas é permanecerem
na interface desse conjunto, o que causa descolamento do overlay (BAGDASARIAN, 1994).
SIQUARA (2006) concluiu que com o passar dos anos de operação o aço 2,25Cr –
1Mo, devido principalmente à ação da difusão do hidrogênio apresenta redução de
propriedades mecânicas e modificação de microestrutura, perdendo tenacidade e se tornando
mais susceptível ao aparecimento e propagação de trincas induzidas pelo hidrogênio.
Logo se faz necessária a localização e monitoração de tais trincas visto que muitos
reatores já expiraram 20 anos de serviço e continuam a trabalhar em elevadas temperaturas e
pressão, além do mais o Inspectioneering Journal, set/out 2005 volume 11/issue 5 pg 6, afirma
que fatores externos podem modificar o comportamento local do material e iniciar a
propagação das trincas no metal de base, e que, esta possibilidade não está descartada por
nenhum dos especialistas e é claramente exposta pela comunidade científica atual. A seguir
mostramos uma típica microestrutura da região de interface do metal de base 2,25Cr e 1Mo
com aço inox da série 300.
71
Figura 22 - Fotomicrografia da região de interface de ovelay aumento 100X e 200X
Figura 23 – Macrografia de um corpo de prova de charpy onde vê-se após ensaio a tendência de propagação de
trinca de permanecer na direção da zona de ligação entre os metais.(BATISTA 2006).
Como citado no Cap 2, ZUMPANO (2004) e N. M. Yokosuka e R. K. Yokorama,
(1986). Alertam para vários fatores que determinam o aparecimentos de trincas.
Vê-se então que são muitas as possibilidades de sirgimento de trincas em paredes de
reatores de HDT, razão suficiente para desenvolvimento de novos métodos de inspeção,
detecção e monitoramento dessas fissuras de forma a evitar possíveis acidentes.
3.4.2 Método Convencional Ultrassônico de Dimensionamento de Trinca
72
Os métodos convencionais de dimensionamento de trincas, método dos 6dbs, 12dbs e
20dbs, assim como os métodos da região sã dependem do acompanhamento da redução de
intensidade do eco para 50%, 20%, 10% e 0% na tela do aparelho quando se desloca o
transdutor para a região onde o feixe sônico incide próximo as bordas das descontinuidades,
esta análise fica prejudicada em duplo metal, visto que a reflexão da interface do overlay
interfere no correto dimensionamento da altura desse eco, mas não impede de ser executada.
O método de localização e dimensionamento das trincas por difração é bastante
preciso e aplicável ao caso, porém, o fato de ter que se aumentar em mais de 10dbs os ecos a
fim de se investigar o eco de difração da ponta da trinca transforma as reflexões de interface
do overlay em ruído desinteressante na aplicação dessa técnica dificultando a análise do
inspetor.O método da difração foi o escolhido para comparação com o método novo proposto.
A difração de ondas ultrassônicas na ponta de uma trinca acontece quando fazemos
incidir uma onda longitudinal ou transversal (1) na ponta da trinca. Como resultados têm-se a
geração de ondas esféricas (4) e (5) que se propagam em todas as direções dentro da peça,
com energia bem inferior à da onda original (1), conforme se vê na figura a seguir.
Essas ondas difratadas têm baixa intensidade de energia e são captadas pelo aparelho
de ultrassom e servem como parâmetro para dimensionamento do tamanho da trinca.
Figura 24 – Esquema de geração de ondas difratadas na ponta de uma trinca. (www.ndt-ed.org)
73
3.4.3 Introdução do Método Alternativo de Localização de Trincas (Método das Envoltórias)
A localização e dimensionamento de trincas internas em materiais por ultrassom não é
tarefa muito fácil de ser executada. Fatores geométricos como: tamanho, espessura e forma
das peças muitas vezes impossibilitam essa tarefa, por outro lado o tamanho da trinca e seu
posicionamento, relativo às superfícies de inspeção acabam por vezes dificultando
sobremaneira sua detecção.
Somando-se aos fatos anteriores a possibilidade de inspecionar um material bimetálico
composto de materiais com características acústicas diferentes, tornam o ensaio extremamente
difícil de ser interpretado, porque a diferença entre materiais dão diferentes respostas ao pulso
sônico enviado, e mais, a região de interface entre os dois metais provocam conversão de
modo da onda gerada alterando a qualidade da resposta.
O ensaio ultrassônico de materiais cladeados ou com overlay se encaixam
perfeitamente na descrição anterior, ressaltando-se o fato de que os defeitos nesses
revestimentos, como trincas, por exemplo, também mudam a resposta do sinal ultrassônico
enviado.
O uso de avançadas técnicas de ensaio ultrassônicas além de muito caras, não
garantem total detectabilidade de defeitos nesse caso, ao passo que ensaios convencionais
podem e devem ser aplicados desde que demonstrem resultados seguros na sua aplicação.
Assim, o desafio é desenvolver novos procedimentos e técnicas capazes de apresentar boas
respostas durante o ensaio usando equipamentos convencionais de ultrassom, o método a
seguir proposto almeja atingir tal objetivo.
Na região de interface do revestimento com overlay (aço carbono e aço inoxidável
austenítico), existe uma zona de grande variação metalúrgica e a diferença de granulometria
desses aços nessa região gera uma reflexão de onda quando se faz incidir sobre ela uma onda
ultrassônica.
Essa reflexão na tela do aparelho de ultrassom muda conforme a inclinação do ângulo
de entrada da onda sônica enviada, essa reflexão da interface também apresenta variação na
sua forma característica quando existe um defeito, tipo trinca, no revestimento nesta região e
pode-se notar que, quanto maior é o defeito maior é a mudança na reflexão característica da
onda na interface, enquanto que as reflexões dessa interface na região sem defeito no
revestimento apresentam pequenas mudanças.
74
Logo pode-se traçar um perfil do comportamento típico da região, construindo uma
curva que envolva toda combinação de ecos gerados pela região integra.
A linha que envolve o conjunto de ecos, provocados por essa interface na região sem
defeito, foi denominada de envoltória e verificada as mudanças nela quando comparada com a
região com trincas, para isso, propôs-se um procedimento que permitisse a utilização de
aparelhos convencionais portáteis de ultrassom e que fosse de fácil execução.
(a)
(b)
Figura 25 – (a) e (b) Envoltória mostra comportamento da região sã contorno branco(a) e com trinca em verde
(b)
75
3.4.4 Procedimento proposto para inspeção usando a Técnica da Envoltória
Aparelhos convencionais analógicos ou digitais com cabeçotes MWB 45 N4, MWB 60
N4.A listagem dos procedimentos passo-a-passo é apresentada a seguir e ilustrada na tabela 3
1. Calibrar o aparelho em uma escala conveniente que cubra a espessura da peça a ser
inspecionada;
2. Deslocar o cabeçote em uma região integra ou um corpo de prova com as mesmas
características do equipamento a ser inspecionado, desloque com o controle lateral os
ecos até encontrar o conjunto de ecos referente à reflexão oriunda da interface do
overlay.
3. Ajustar o conjunto para que fique no centro da tela e para que tenha o tamanho de
aproximadamente 50% da altura da tela.
4. Traçar uma linha que envolva todo conjunto desses ecos que aparece na tela,
deslocar o cabeçote para um lado e para outro e complete sua linha envoltória com as
variações que se apresentarem na região integra, elas não são muito significativas.
5. Anotar o ganho (número de decibéis) da sua curva, adicione 2db e trace uma nova
envoltória (± 25% do ganho).
6. Iniciar a inspeção deslizando suavemente o cabeçote pelo lado externo do
equipamento com overlay e avaliar toda e qualquer indicação ou situação em que a
envoltória fugir de suas curvas traçadas, caso saiba a localização de uma trinca e
quiser apenas dimensioná-la, desloque o cabeçote transversalmente a ela até que
surja um eco que extrapola as curvas, esse eco deve ser maximizado a 100% da
altura da tela, nessa posição risque sobre a superfície do equipamento o ponto de
saída do feixe sônico, deslize suavemente o cabeçote até esse eco retornar tocando a
curva de +2dbs e risque novamente nessa nova posição o ponto de saída do feixe,
execute com o auxílio de um paquímetro a medição entre esses dois pontos e divida
pela tangente do ângulo do transdutor utilizado, essa leitura dá o tamanho
aproximado da trinca nesse ponto. Não esquecendo de antes da realização do ensaio
verificar o ângulo real do cabeçote e o ponto de saída do feixe sônico do transdutor.
76
Figura 26 – Mostra a marcação do tamanho da trinca sobre cordão de solda
Tabela 3 – Passo-a-passo para execução do método alternativo
Procedimento para execução do método da envoltória (passo a passo)
Calibrar uma escala adequada no
aparelho usando os blocos
padrões V1 e V2, essas escalas
devem cobrir pelo menos duas
vezes a espessura da peça.
Posicionar o transdutor e notar o
aparecimento de conjunto de ecos
referente à reflexão do overlay.
No caso de transdutor normal este
conjunto de ecos aparece entre o
eco inicial e o eco de fundo, no
caso de transdutor angular o
conjunto de ecos aparece logo
após o eco inicial
77
Executar medida direta da
espessura do overlay medindo do
início da base do conjunto de ecos
da interface até o eco de fundo.
Calibrar uma escala no aparelho
posicionar o transdutor na região
sã e ver o comportamento
conjunto de ecos, traça-se uma
curva que abrigue todas as
variações dos ecos dessa região.
Deslocar para a região da trinca e
notar o crescimento dos ecos,
nessa região se deve maximizar o
eco e marcar na peça a saída do
feixe, deslocar o transdutor para
fora do defeito até que a reflexão
de defeito atinja a curva da região
sã.
Posicionar o transdutor 60 em
região sã, notar o conjunto de
ecos provindos da interface do
overlay, traçar a curva de região
sã.
78
Verificar a diferença de
comportamento na região da
trinca em relação à região sã,
nessa região se deve maximizar o
eco e marcar na peça a saída do
feixe, deslocar o transdutor para
fora do defeito até que a reflexão
de defeito atinja a curva da região
sã, como se trata de transdutor
angular procede-se a divisão da
marcação do defeito pela tangente
do ângulo usado.
3.5 Metodologia utilizada para adaptação do VPS
Estrategicamente montou-se uma equipe composta de pessoas com diferentes
formações e experiência para desenvolvimento e identificação das necessidades de adaptação
do VPS na aplicação de análise de integridade de equipamentos, objetivando a interação
dessas experiências e formações de forma a dar ao software a maior aplicabilidade possível.
Assim a equipe foi montada com:
1 professor orientador PHD em engenharia da computação.
1 engenheiro mecânico especialista em inspeção de equipamentos com mais de 20
anos de experiência.
1 engenheiro mecânico com experiência em programação computacional.
1estudande de graduação de engenharia mecânica com experiência em programação
computacional.
Desta forma, criou-se um cronograma de trabalho com reuniões periódicas onde se discutia o
desenvolvimento de cada ferramenta, assim como sua aplicabilidade e interface com o
usuário.
79
3.6 VPS Micro Cracks
O projeto VPS Micro Cracks (Virtual Pipe System) consiste em um sistema orientado
ao objeto para a visualização de microtrincas em reatores de hidrotratamento e dutos de
petróleo e gás. Inicialmente, o sistema assume que o arquivo contendo os dados da peça
analisada, seja digitalizado e/ou através de um ensaio não destrutivo seja disponibilizado.
Nesse arquivo contém informações referentes à geometria e os esforços aplicados nas
tubulações e equipamentos. Os dados são transformados e adquire a forma de um modelo
CAD para a representação do equipamento e da trinca. Esse procedimento permite a inspeção
e melhor visualização da peça trincada.
Os dados da peça são transformados em um modelo contendo um conjunto de
informações que forma uma malha 3D. O modelo é formado por um conjunto de informações
referentes à teoria de análise por métodos de elementos finitos que facilita a manipulação do
objeto em outras aplicações.
Detectado o dano na tubulação é possível ampliar a região de interesse através de
ferramentas convencionais da computação gráfica (i.e. zoom), ou aplicar ferramentas mais
elaboradas de realidade virtual imersiva para se obter uma hiperampliação da trinca. Com o
uso destas ferramentas o usuário pode visualizar e avaliar o dano de forma mais completa.
Porém, a real vantagem do programa é a possibilidade de se poder acrescentar força e
cargas virtuais aleatórias, bem como condições de contorno específicas para deformar ainda
mais uma região de microtrinca estudada. No caso, esses carregamentos além de virtuais,
podem não ser representativos de uma situação real, mas auxiliam enormemente na busca por
trincas de pouca visibilidade. Através dessa técnica as deformações virtuais transformam
microtrincas em trincas bem visíveis em um ambiente virtual apropriado.
As vantagens do sistema VPS vão mais adiante. Foi desenvolvido um módulo que
gera, automaticamente, uma interface entre o VPS e o software comercial de elementos finitos
ALGOR viabilizando os cálculos de deformações “on-line” sem que o usuário precise
abandonar o módulo CAD do VPS enquanto ativando o módulo CAE do ALGOR. É uma
ferramenta muito interessante para ser usada na simulação da propagação do dano.
Finalmente, o usuário pode visualizar em 3D a microtrinca num ambiente de realidade
virtual com magnitudes de ampliação superiores àquelas disponíveis através de técnicas de
80
microscopia eletrônica de varredura (MEV). A Figura 28 mostra a interface gráfica do VPS
Micro Cracks.
Figura 27 – Tubulação exibida no módulo CAD do VPS Micro Cracks
3.6.1 A Engenharia Reversa no VPS Micro Cracks
No VPS a montagem do objeto virtual pode ser feita pela digitalização de tubos em
uso pela indústria de petróleo que tem um formato próprio chamado de Arquivo LEM que
será descrito no item 3.6.2. Também é possível a construção CAD do vaso pela simples
digitação dos valores de projeto.
O software é a junção destas etapas resultando numa ferramenta computacional para
auxílio de projetos de vasos. O fluxograma da Figura 28 mostra as etapas de criação de um
equipamento no software e apresenta como pode ser aplicada a engenharia reversa no projeto.
81
Figura 28 – Etapas da Engenharia Reversa no VPS Micro Cracks
3.6.2 O Arquivo de Leitura LEM (Leitor de Estruturas Mecânicas)
Para que o software tivesse um banco de dados com diferentes geometrias de
equipamento, foi necessário desenvolver uma estrutura de arquivo com informações
fundamentais para a construção do objeto a ser projetado como: espessura de parede, módulo
de elasticidades, coeficiente de Poisson, informações geométricas, etc. A seguir, está descrito
um exemplo base do arquivo que contém a estrutura das informações do banco de dados do
VPS Micro Cracks.
Esse arquivo funciona como um input do sistema que faz a leitura dos dados e
transforma as informações geométricas do equipamento em uma malha quadrangular
construindo a carcaça e, automaticamente, o casco cilíndrico. As demais informações são
armazenadas como dados iniciais do sistema, podendo ser modificado para melhor se adequar
ao projeto desejado.
Exemplo de um arquivo LEM:
ARQUIVO_DE_LEITURA_DE_ESTRUTURA_MECANICO
Coordenada_da_origem
NS ND xi yi zi Espessura Id_Mat E Poisson
2 18 2.0 1.97 0 0.25 2 3 4
Id Seção x y z
0 1 0.0 1.97 0
1 1 0.12 1.29 0
2 1 0.47 0.68 0
3 1 1.00 0.24 0
4 1 1.65 0.0 0
5 1 2.35 0.0 0
6 1 3.00 0.24 0
7 1 3.53 0.68 0
8 1 3.88 1.29 0
9 1 4.00 1.97 0
ALGOR
Protótipo
Existente
(Tubo)
Dados
Digitalizados
(LEM)
VPS
Análise
Dos
Resultados
(FEA)
82
10 1 3.88 2.65 0
11 1 3.53 3.26 0
12 1 3.00 3.70 0
13 1 2.35 3.94 0
14 1 1.65 3.94 0
15 1 1.00 3.70 0
16 1 0.47 3.26 0
17 1 0.12 2.65 0
18 2 0.51 1.97 1
19 2 0.60 1.46 1
20 2 0.86 1.01 1
21 2 1.25 0.68 1
22 2 1.74 0.50 1
23 2 2.26 0.50 1
24 2 2.75 0.68 1
25 2 3.14 1.01 1
26 2 3.40 1.46 1
27 2 3.49 1.97 1
28 2 3.40 2.48 1
29 2 3.14 2.93 1
30 2 2.75 3.26 1
31 2 2.26 3.44 1
32 2 1.74 3.44 1
33 2 1.25 3.26 1
34 2 0.86 2.93 1
35 2 0.60 2.48 1
ND – Número de seções
ND – Número de Divisões
Xi, Yi e Zi – Coordenadas Inicial de Referência
Espessura – Espessura Inicial da Parede do Trocador de Calor
E – Módulo de Elasticidade do Material do Trocador
Id – Identidade do Vértice
Id_Mat – Identidade do Material
Seção – Parte a que o Vértice Pertence
x, y e z – Coordenadas da Geometria do Trocador
Para a construção do objeto foi desenvolvido um algoritmo cuja função é transformar
informações geométricas 2D em uma malha 3D aplicando teorias CAD através da linguagem
C++. Na visualização da nuvem de pontos em geometria de tubo foi usada a biblioteca gráfica
OpenGL, que teve como finalidade mostrar o objeto na interface do software. Essa biblioteca
foi implementada através da linguagem de programação C++ e compilada usando MS Visual
C++. A seguir, está descrito parte do código C++ que transforma as informações geométricas
do banco de dados em uma malha 3D cúbica tornando possível a ampliação do VPS Micro
Cracks para aplicações dentro das análises de elementos finitos.
funcao criando_os_novos_nos()
83
{
real origem_X = 0.0;
real origem_Y = 0.0;
real origem_Z = 0.0;
origem_X = Coordenadas_de_referencia[0];
origem_Y = Coordenadas_de_referencia[1];
origem_Z = Coordenadas_de_referencia[2];
coordinate Origem(origem_X, origem_Y, origem_Z);
coordinate Origem_Flutuante(origem_X, origem_Y, origem_Z);
real Espessura_de_parede = 20*Espessura;
inteiro Num_nos = Numero_de_secoes*Numero_de_devisoes;
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z = inteiro[Num_nos];
para i=0 enquanto i<Num_nos , i++, faça
{
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i]= real[3];
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i][0] = 0.0;
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i][1] = 0.0;
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i][2] = 0.0;
}
inteiro Id_criado = 0;
para i=0, até i<Num_nos, i++, faça
{
Id_criado = i+Quant_de_no_atual+1;
Id_do_no_criado = Id_criado;
real Coord_X_no_lido = Mat_Id_nos_coord_X_Y_Z[i][0];
real Coord_Y_no_lido = Mat_Id_nos_coord_X_Y_Z[i][1];
real Coord_Z_no_lido = Mat_Id_nos_coord_X_Y_Z[i][2];
coordinate Coord_Atual(Coord_X_no_lido, Coord_Y_no_lido, Coord_Z_no_lido);
Origem_Flutuante.set_z(Coord_Z_no_lido);
Vetor Direcao_do_vetor = Coord_Atual - Origem_Flutuante;
Vetor Nova_direcao = Direcao_do_vetor.normalise();
coordinate coord_novo_no = Espessura_de_parede*Nova_direcao + Coord_Atual;
real Coord_X_no_criado = coord_novo_no.get_x();
real Coord_Y_no_criado = coord_novo_no.get_y();
real Coord_Z_no_criado = coord_novo_no.get_z();
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i][0] = Coord_X_no_criado;
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i][1] = Coord_Y_no_criado;
Mat_Id_novos_nos_coord_X_Y_Z[i][2] = Coord_Z_no_lido;
3.6.3 Arquivo de Dados CVM (Crack View Model)
O arquivo criado para armazenar as informações sobre o modelo analisado pelo ensaio
não destrutivo, CVM, contém dados da geometria da tubulação, do equipamento e dos
esforços solicitantes na estrutura. O formato elaborado contempla a estrutura com que o
84
software ALGOR lê os dados de acordo com seu próprio formato. A partir dessa composição
foram desenvolvidos algoritmos para a leitura e salvação de arquivos.
Um modelo CAD possui em sua estrutura várias informações inerentes ao tipo de
estudo a ser realizado por se tratar de um trabalho de engenharia. A estrutura CVM traz
informações diversas sobre a tubulação e/ou equipamento como: quantidade de nós,
quantidade de elementos, tipos de carregamento aplicado, direção do carregamento, etc. Essas
informações tornam o aplicativo com maior diversidade e aplicabilidade. A Figura 29 mostra
a forma com que são armazenados os dados do modelo.
Figura 29 – Forma de armazenamento de dados do modelo no VPS Micro Cracks
A formatação dos dados criada pelo projeto VPS está descrita detalhadamente a
seguir. Ela segue, mais ou menos, o padrão de armazenamento de dados dos softwares de
elementos finitos disponíveis no mercado. Com isso, o CVM se torna compatível a outros
softwares de elementos finitos.
Informações dos nós
Número de nós
Propriedade do nó
Material do nó
85
Coordenadas
dos nós
Graus de liberdade dos nós
em relação à rotação e
translação (Exemplo:
000000 - preso em todas as
direções para rotacionar e
transladar)
Informações dos elementos
Número de elementos
86
Identidades dos nós pertencentes aos elementos
Identidade da superfície
do elemento
Identidade
do
material
Propriedade do
elemento
Índices dos
elementos
Grupo ao qual o elemento
pertence
Número de carregamentos nos nós
Número de
carregamento
Propriedade do nó
Material do nó
Direção e intensidade de
aplicação do carregamento
Fator multiplicador
de carga
Tipo de carregamento (Exemplo:
21-indica força)
Nó em que está sendo
aplicado o carregamento
Número de carregamentos no elemento
Número de
carregamento
87
3.6.4 O Módulo de Visualização CAD
Na investigação da microtrinca em uma seção da tubulação e/ou equipamento através
de ensaio não destrutivo, é criado um arquivo input da região do dano. Este arquivo consiste
em um conjunto de coordenadas espaciais e de um conjunto de informações correspondente à
intensidade das distorções detectadas nos ensaios não destrutivos (ex: valores da intensidade
de resposta da interfaçe do defeito em decibeis (db)) que define a geometria da região afetada
(GUERRA, 2005).
O módulo de CAD do VPS Micro Cracks, permite acessar informações e imagens para
cada seção analisada. As ferramentas de ampliação, renderização, seleção, etc., detalham
melhor os danos presentes no modelo (BRITO JUNIOR, 2006). Essa característica torna a
aplicação mais amigável e de fácil manipulação pelo usuário. Na Figura 30 é possível ver
botões para as chamadas destas ferramentas de visualização com aplicação do módulo
CAD/CAE.
Ferramenta de geração de tubos ou cascos cilíndricos padronizados ou customizados
via biblioteca inserida no programa, permite uma grande variedade de seleção de diâmetros
padronizados e também criação de diâmetros específicos para cada caso.
Fator multiplicador
de carga
Propriedade
sequencial dos
carregamentos
Direção e intensidade de
aplicação do carregamento
Identidade da face
do Elemento
Tipo de carregamento (Exemplo:
10-indica pressão)
Índices do elemento
Grupo ao qual o elemento pertence
88
Ferramenta de inserção de novas espessuras e materiais possibilita a criação de cascos
cilíndricos conjugados com diferentes materiais, mas submetidos ao mesmo esforço, o que
atende ao caso de vasos cladeados ou com revestimento interno com solda, overlay.
Ferramenta de refino local de malha possibilita a criação via teclado ou mouse de
descontinuidades de qualquer tamanho e forma via ferramenta de remoção de elementos
refinados correspondente ao local e dimensão do dano.Como pode ser visto na sequencia de
figras.
(a)
Figura 30 – (a) e (b) Algumas ferramentas desenvolvidas para o VPS Micro Cracks
89
3.6.5 A Interface CAE
Sabe-se que todos os ensaios não destrutivos possuem suas próprias formas de
armazenamento de dados adequadas ao método aplicado. Dessa forma, no Módulo CAE se
fez necessário a implementação de uma rotina de leitura de dados para ajustar o VPS a
disponibilizar um padrão próprio de informação de entrada/saída (input/output) de entidades
geométricas e não geométricas. A base dessa formulação foi espelhada nas formas usuais de
armazenamento de dados dos softwares de Elementos Finitos comercias (GEETHA, 2004).
No momento, VPS apresenta compatibilidade com alguns pacotes CAE existentes no
mercado: ALGOR e ABAQUS.
O módulo CAE corresponde a uma interface desenvolvida para integrar VPS e os
softwares comerciais citados anteriormente, onde algumas ferramentas CAE dos softwares de
elementos finitos contemplam o projeto. A Figura 31 mostra uma seção do tubo antes da
simulação da deformação e a Figura 32, após a aplicação do esforço no modulo CAE.
Figura 31 – Seção de um duto antes de uma deformação
O VPS Micro Cracks permite através do Módulo CAE a interligação com o software
ALGOR que, por sua vez, possibilita ao usuário trabalhar com malhas 3D refinadas ou não. A
manipulação do material, os cálculos de elementos finitos e módulo de visualização de
tensões são algumas das funções disponibilizadas através da interface criada entre as duas
90
aplicações. A Figura 32 mostra um reator após uma solicitação mecânica com propagação de
microtrinca, mostrando a versatilidade das ferramentas envolvidas.
Os benefícios da interligação entre estes aplicativos vão mais adiante. A possibilidade
de se ter uma representação dinâmica do diagrama tensão-deformação, tornando a análise do
dano mais real, é mais uma das ferramentas do ALGOR a ser explorada. O CAE gera arquivo
de extensão de vídeo (i.e. *.avi) mostrando a deformação ao longo do tempo.
(a)
(b)
Figura 32 – Seção de um reator após de uma solicitação mecânica: (a) Resultado atual do VPS e (b) Resultado
esperado
91
3.6.6 O Ambiente de Realidade Virtual
A visualização em realidade virtual está disponível no VPS como opção de chamada
para a criação automática de um ambiente virtual no formato VRML (Virtual Reality
Modeling Language) representando o tubo trincado. Neste ambiente o usuário é capaz de
visualizar simulações previamente elaboradas dos casos particulares de micro trincas. Pode
ajustar vistas importantes do surgimento da trinca, bem como acompanhar sua propagação
através de animação.
Os arquivos no formato VRML ocupam pouco espaço de memória, podendo ser
transportado em um disquete comum até um laboratório de realidade virtual com monitor de
projeção, onde se pode visualizar o conteúdo do arquivo no espaço 3D com o uso de
periféricos (ex: óculos, capacete, etc). A Figura 33 adiante mostra em ambiente de realidade
virtual a seção de uma tubulação, podendo ser analisado por vários ângulo de aproximações
de escala (i.e. zoom).
Figura 33(a) – Reator em um ambiente de realidade virtual: (a) Parte do código elaborado para criação da
animação do objeto e (b) Visualização em realidade virtual
92
Figura 33(b) – Reator em um ambiente de realidade virtual: (a) Parte do código elaborado para criação da
animação do objeto e (b) Visualização em realidade virtual
93
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 A Região de Interface do Overlay do CP 001
Conforme mostra a micrografia abaixo fica explícita a diferença entre materiais, de um
lado aço carbono com uma estrutura tipicamente bainítica característica dos aços baixa liga
Cr-Mo, região mais escura, do outro lado aço inoxidável austenítico da série 300 separados
por uma região de ligação bem definida entre eles.
Observa-se ainda uma boa uniformidade dessa região de fusão, fato inesperado,
porque era de se esperar maior diluição entre os materiais e, assim, uma zona de fusão mais
sinuosa e mais larga.
Não se nota na região próxima à trinca evidências de descolamento do overlay, nem de
ramificação da trinca e nem desvio desta para a interface entre os materiais, como estabelece a
literatura, mesmo observando a região com aumento maior.
Figura 34– Fotomicrografia do CP1 mostrando a região de transição entre aço carbono e aço inox com trinca
atravessando os dois materiais, não há evidências de descolamento. Aumento 100X
94
Figura 35– Fotomicrografia do CP1 mostrando a região de transição entre aço carbono e aço inox com trinca
atravessando os dois materiais, onde pode-se perceber linha fusão entre os dois materiais à direita estrutura
bainítica do aço carbono. Aumento 200X
4.2 Comportamento das ondas de ultrassom na interface do overlay
Como era de se esperar existe uma interface separando os dois materiais metálicos
quando se faz depósito com solda tipo overlay como mostra as micrografias das Figuras 34 e
35, atribuímos a esta interface o comportamento de reflexão apresentado pelas ondas
ultrasssônicas durante o ensaio de US nesses materiais bimetálicos, e é essa reflexão que gera
na tela do aparelho de ultrassom um sinal característico correspondente a sua localização
detectada pelo ensaio.
Essa reflexão característica da interface se altera quando analisada em diferentes
regiões com e sem trincas durante o ensaio, apresentando modificações significativas na sua
geometria, quando se ensaia uma região com uma trinca independentemente do aparelho
utilizado como se demonstra nas figuras a seguir.
Foram usados os corpos de provas bimetálicos 1, 2 e 3 como base de verificação do
comportamento das ondas ultrassônicas e da reflexão destas na interface dos dois metais em
diversos aparelhos de diferentes marcas e modelos, a fim de validar esse comportamento
como padrão geral e não como uma apresentação relacionada a uma única marca ou modelo,
95
fato que ficou evidenciado como mostram as figuras seguintes onde se vê diferentes
equipamentos mostrando o mesmo comportamento das ondas de ultrassom na interface do
CP1 mostrando à esquerda a análise de uma região integra e à direita uma região com trinca.
Taebela 4 Comparação da resposta entre aparelhos de US na detecção de tricas em ovelay
Tabela -4 Comparação entre aparelhos de diversos fabricantes do comportamento da resposta do
overlay na região íntegra sem defeito, com a região com trinca no bloco de 48mm (40 mm aço Cr-Mo
e 8mm aço inox)
Região íntegra
Região com a trinca
Fabricante/
/Modelo/Escala/db
Krautkramer/
USM 35 –Escala
150mm
61,03 db
GE/ Inspection
technologies
phasor XS -
Escala
51,0 db
NewSonic/
Mach-I(T) -
Escala 200mm
71,0 db
96
Sonatest/
380W -
Escala 100mm
55,7 db
4.3 Medições dos Tamanhos das Trincas e dos Entalhes dos CP’s
As tabelas aseguir apresentam os resultados de diversas medições ultrassônicas do
tamanho das trincas e dos entalhes usando os transdutores angulares de 45
0
e 60
0
nos CP´s
001, 002 e 001 executadas pelas técnicas de difração da ponta da trinca e técnica da envoltória
(nova técnica proposta), e a comparação dessas medidas com as medições feitas no projetor
de perfil.
Para efeito de comparação foram feitas três medidas para cada trinca ou entalhe para
cada técnica por ângulo do transdutor de cada lado do corpo de prova e tirada uma média
aritmética de cada grupo de medidas.
Todas as medições foram feitas com aparelho de ultrassom analógico e digital, nos
mesmos pontos de cada CP, foram usados os blocos padrões V1 e V2 para calibração de
escalas nos aparelhos.
As médias foram agrupadas em tabelas que resumem a performance de cada técnica e
de cada transdutor angular.
Foi considerado a média das medidas executadas com projetor de perfil como medida
real, assim se estabeleceu uma verificação da variação das médias de cada técnica com a
média da medida real para fim de comparação do desempenho de cada técnica. Não foi feita
nenhuma abordagem estatística pois esse não é o foco principal do trabalho, vez que os
resultados mostram a efetividade da nova técnica quando comparada com a tradicional,
porém, pode-se utilisar as medidas aqui apresentadas e estudá-las estatisticamente para
quantificar a nova técnica apresentada.
97
Tabelas de 5 a 8 apresentando as medições e a média das medidas serve de base de
dados para contrução dos gráficos de barras comparando os resultados obitidos por cada
método.
98
Tabela 5 A– Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 1, 2 e 3 pelas técnicas de difração com aparelho de ultrassom anlógico.
Tabela -5A MEDIDAS DAS TRINCAS E ENTALHES DOS CORPOS DE PROVA US ANALÓGICO DIFRAÇÃO
PROJETOR DE PERFIL
US ANALÓGICO 45 GRAUS
US ANALÓGICO 60 GRAUS
CP
LOCAL
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
TÉCNICA: DIFRAÇÃO
TÉCNICA: DIFRAÇÃO
US 01
TRINCA LADO A
6,759
6,765
6,765
6,763
11,1
11
11
11,033
6,1
6,5
6,3
6,3
TRINCA LADO B
11,578
11,65
11,657
11,628
15,9
16
16
15,967
12,2
12,5
12,4
12,367
US 02
TRINCA LADO A
4,323
4,324
4,324
4,3237
8,8
8,5
8,1
8,4667
8,6
8,3
8,4
8,4333
TRINCA LADO B
5,611
5,57
5,5
5,5603
9,5
9,6
9,4
9,5
6,4
6,5
6,4
6,4333
US 03
ENTALHE 1 LADO A
3,092
3,087
3,103
3,094
6
6,3
6,1
6,1333
3,9
3,9
4,3
4,0333
ENTALHE 1 LADO B
ENTALHE 2 LADO A
5,05
5,04
5,043
5,0443
7,6
7,7
7,5
7,6
5,9
5,5
6,1
5,8333
ENTALHE 2 LADO B
ENTALHE 3 LADO A
6,663
6,652
6,652
6,6557
11
11,1
11,3
11,133
8,8
8,6
8,4
8,6
ENTALHE 3 LADO B
ENTALHE 4 LADO A
12,554
12,546
12,55
12,55
13,3
13
12,9
13,067
11,9
12,5
11,9
12,1
ENTALHE 4 LADO B
TRINCA LADO A
8,543
8,538
8,544
8,5417
12,6
12
11,9
12,167
10,2
10,6
10,1
10,3
TRINCA LADO B
10,666
10,664
10,658
10,663
13,9
14,4
13,8
14,033
11
12,1
11,4
11,5
99
Tabela 5B – Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 3, 2 e 1 pelas técnicas da envoltória com aparelho de ultrassom anlógico.
Tabela 5B MEDIDAS DAS TRINCAS E ENTALHES DOS CORPOS DE PROVA US ANALÓGICO ENVOLTÓRIA
PROJETOR DE PERFIL
US ANALÓGICO 45 GRAUS
US ANALÓGICO 60 GRAUS
CP
LOCAL
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
TÉCNICA: ENVOLTÓRIA
TÉCNICA: ENVOLTÓRIA
US 01
TRINCA LADO A
6,759
6,765
6,765
6,763
7,4
7,5
7,5
7,4667
6,5
6,8
6,5
6,6
TRINCA LADO B
11,578
11,65
11,657
11,628
12,5
13,4
13,2
13,033
8,9
8,9
8,8
8,8667
US 02
TRINCA LADO A
4,323
4,324
4,324
4,3237
8
8,1
8
8,0333
7,1
7,3
7,2
7,2
TRINCA LADO B
5,611
5,57
5,5
5,5603
7,6
7,6
7,4
7,5333
8
8
7,9
7,9667
US 03
ENTALHE 1 LADO A
3,092
3,087
3,103
3,094
4,8
5,2
5
5
3,4
3,4
3,1
3,3
ENTALHE 1 LADO B
ENTALHE 2 LADO A
5,05
5,04
5,043
5,0443
6,3
6,6
6,5
6,4667
5,5
5,6
5,6
5,5667
ENTALHE 2 LADO B
ENTALHE 3 LADO A
6,663
6,652
6,652
6,6557
9,9
10,2
10,1
10,067
7,9
8,5
8
8,1333
ENTALHE 3 LADO B
ENTALHE 4 LADO A
12,554
12,546
12,55
12,55
15,3
15
14,8
15,033
12
11,4
11,2
11,533
ENTALHE 4 LADO B
TRINCA LADO A
8,543
8,538
8,544
8,5417
14,6
13,6
13,9
14,033
10,5
10,4
10,4
10,433
TRINCA LADO B
10,666
10,664
10,658
10,663
14,1
14,6
14,7
14,467
6,5
7
7,2
6,9
100
Tabela 6A – Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 1, 2 e 3 pelas técnicas da difração com aparelho de ultrassom digital
Tabela – 6A MEDIDAS DAS TRINCAS E ENTALHES DOS CORPOS DE PROVA US DIGITAL DIFRAÇÃO
PROJETOR DE PERFIL
US DIGITAL 45 GRAUS
US DIGITAL 60 GRAUS
CP
LOCAL
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
TÉCNICA: DIFRAÇÃO
TÉCNICA: DIFRAÇÃO
US 01
TRINCA LADO A
6,759
6,765
6,765
6,763
10,5
10,5
10,4
10,467
10,9
11,3
11
11,067
TRINCA LADO B
11,578
11,65
11,657
11,628
12,3
11,9
11,9
12,033
8,3
8,4
8,2
8,3
US 02
TRINCA LADO A
4,323
4,324
4,324
4,3237
5,3
5,6
5,5
5,4667
6,9
7
7
6,9667
TRINCA LADO B
5,611
5,57
5,5
5,5603
5,5
5,6
5,4
5,5
6,5
6,5
6,4
6,4667
US 03
ENTALHE 1 LADO A
3,092
3,087
3,103
3,094
3,7
3,8
3,6
3,7
4,6
4,6
4,5
4,5667
ENTALHE 1 LADO B
ENTALHE 2 LADO A
5,05
5,04
5,043
5,0443
6,2
6,4
6,5
6,3667
8
7,9
8
7,9667
ENTALHE 2 LADO B
ENTALHE 3 LADO A
6,663
6,652
6,652
6,6557
8,5
8,6
8,4
8,5
7,3
7,2
7,3
7,2667
ENTALHE 3 LADO B
ENTALHE 4 LADO A
12,554
12,546
12,55
12,55
11,4
11,5
11,5
11,467
10,4
104
10,3
41,567
ENTALHE 4 LADO B
TRINCA LADO A
8,543
8,538
8,544
8,5417
7,5
7,5
7,4
7,4667
6,5
6,5
6,6
6,5333
TRINCA LADO B
10,666
10,664
10,658
10,663
14,1
14
14,4
14,167
11,6
11,7
11,5
11,6
101
Tabela 6B – Medidas das trincas e dos entalhes dos CP’s 1, 2 e 3 pelas técnicas da envoltória com aparelho de ultrassom digital
Tabela -6B MEDIDAS DAS TRINCAS E ENTALHES DOS CORPOS DE PROVA US DIGITAL ENVOLTÓRIA
PROJETOR DE PERFIL
US DIGITAL 45 GRAUS
US DIGITAL 60 GRAUS
CP
LOCAL
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
1
2
3
MÉDIA
TÉCNICA: ENVOLTÓRIA
TÉCNICA: ENVOLTÓRIA
US 01
TRINCA LADO A
6,759
6,765
6,765
6,763
11
11,5
10,5
11
9,2
9,3
9,1
9,2
TRINCA LADO B
11,578
11,65
11,657
11,628
10,3
10,3
10,7
10,433
8
8,1
8
8,0333
US 02
TRINCA LADO A
4,323
4,324
4,324
4,3237
6,8
6,8
6,9
6,8333
7,5
7,4
7,5
7,4667
TRINCA LADO B
5,611
5,57
5,5
5,5603
6,3
6,7
6,6
6,5333
6,5
6,5
6,4
6,4667
US 03
ENTALHE 1 LADO A
3,092
3,087
3,103
3,094
4,4
4,5
4,5
4,4667
4
4
3,9
3,9667
ENTALHE 1 LADO B
ENTALHE 2 LADO A
5,05
5,04
5,043
5,0443
6,7
6,7
6,5
6,6333
7,1
7,2
7,2
7,1667
ENTALHE 2 LADO B
ENTALHE 3 LADO A
6,663
6,652
6,652
6,6557
9
9,1
8,9
9
8,5
8,5
8,6
8,5333
ENTALHE 3 LADO B
ENTALHE 4 LADO A
12,554
12,546
12,55
12,55
13
13
13,1
13,033
10,5
10,4
10,6
10,5
ENTALHE 4 LADO B
TRINCA LADO A
8,543
8,538
8,544
8,5417
10,5
10,5
10,3
10,433
7,1
6,9
7,1
7,0333
TRINCA LADO B
10,666
10,664
10,658
10,663
11
11
10,9
10,967
11
11,1
11,1
11,067
102
Tabela 7 Média das medidas (mm) us analógico
Tabela -7 MÉDIA DAS MEDIDAS (mm) US ANALÓGICO
CP
EQUIPAMENTO
PROJ DE PERFIL
ULTRASSOM ANALÓGICO : TÉCNICAS
DIFRAÇÃO
ENVOLTORIA
LOCAL DA MEDIDA
45 GRAUS
60 GRAUS
45 GRAUS
60 GRAUS
US 01
TRINCA LADO A
6,8
11,0
6,3
7,5
6,6
TRINCA LADO B
11,6
16,0
12,4
13,0
8,9
US 02
TRINCA LADO A
4,3
8,5
8,4
8,0
7,2
TRINCA LADO B
5,6
9,5
6,4
7,5
8,0
US 03
ENTALHE 1 LADO A
3,1
6,1
4,0
5,0
3,3
ENTALHE 1 LADO B
ENTALHE 2 LADO A
5,0
7,6
5,8
6,5
5,6
ENTALHE 2 LADO B
ENTALHE 3 LADO A
6,7
11,1
8,6
10,1
8,1
ENTALHE 3 LADO B
ENTALHE 4 LADO A
12,6
13,1
12,1
15,0
11,5
ENTALHE 4 LADO B
TRINCA LADO A
8,5
12,2
10,3
14,0
10,4
TRINCA LADO B
10,7
14,0
11,5
14,5
6,9
103
Figura 36 Gráfico 1 MEDIDAS DO PROJETOR DE PERFIL X ULTRASSOM ANALÓGICO CP US 01, 02 E 03
104
Tabela – 8 média das medidas (mm) us digital
Tabela – 8 MÉDIA DAS MEDIDAS (mm) US DIGITAL
CP
EQUIPAMENTO
PROJ DE
PERFIL
ULTRASSOM ANALÓGICO : TÉCNICAS
DIFRAÇÃO
ENVOLTORIA
Phased Array
LOCAL DA MEDIDA
45 GRAUS
60 GRAUS
45 GRAUS
60 GRAUS
US 01
TRINCA LADO A
6,8
10,5
11,1
11,0
9,2
TRINCA LADO B
11,6
12,0
8,5
10,5
8,0
US 02
TRINCA LADO A
4,3
5,5
7,0
6,9
7,5
TRINCA LADO B
5,6
5,5
6,5
6,5
6,5
US 03
ENTALHE 1 LADO A
3,1
3,7
4,6
4,5
4,0
2,4
ENTALHE 1 LADO B
ENTALHE 2 LADO A
5
6,5
8,0
6,7
7,2
5,8
ENTALHE 2 LADO B
ENTALHE 3 LADO A
6,7
8,5
7,3
9,0
8,5
7,0
ENTALHE 3 LADO B
ENTALHE 4 LADO A
12,6
11,5
10,4
13,0
10,5
11,6
ENTALHE 4 LADO B
TRINCA LADO A
8,5
7,5
6,5
10,5
7,0
11,5
TRINCA LADO B
10,7
14,0
11,6
11,0
11,1
105
Fihura 37 Gráfico 2 MEDIDAS DO PROJETOR DE PERFIL X ULTRASSOM DIGITAL CP US 01, 02 E 03
106
Pelos graficos apresentados aqui apenas podemos afirmar que a nova técnica
proposta é capaz de detectar os defeitos, nada podemos afirmar sobre sua eficácia.
Na tabela 9 a seguir, são mostrados os comportamentos das trincas dos CP’s 1, 2
e 3 analisados pelo método Phased Array e TOFD, que são os métodos mais modernos
utilizados na inspeção ultrassônica atual.
Analisando as imagens abaixo se vê que a interface do usuário (inspetor) com o
equipamento é bastante difícil e que ainda assim o resultado apresentado depende muito
do especialista, vê-se ainda que mesmo utilizando complexos programas de
computadores e hardware de última geração os aparelhos atuais de ultrassom , limitam-
se a apresentação dos resultados do ensaio não mostrando o comportamento do defeito
no equipamento, nem simulando sua performance.
Tabela 9 – Tabela comparativa do comportamento das trincas
Medição de entalhes e trincas entre técnicas nos blocos de 48 e 75mm por métodos
de ultrassom Modernos
Técnica moderna Phased
Array e TOFD
Resultado
Observações
Bloco de 75mm, região do
entalhe 1
Medida 75-63,4 = 11,6
Espessura do overlay = 4,8
Ganho 52 db
Técnica
Phased
Array
107
Bloco de 75mm, região do
entalhe 2
Medida 75-68 = 7
Espessura do overlay = 2,7
Ganho 52 db
Técnica
Phased
Array
Bloco de 75mm, região do
entalhe 3
Medida 75-72,1 = 2,9
Espessura do overlay = 5,8
Ganho 52 db
Técnica
Phased
Array
Bloco de 75mm, região do
entalhe 4
Medida 75-72,6 = 2,4
Espessura do overlay = 6
Ganho 52 db
Técnica
Phased
Array
108
Bloco de 75mm, região da
trinca
Medida
Espessura do overlay = 6
Ganho 52 db
Técnica
Phased
Array
Bloco de 48mm, região da
trinca
Medida 47,5-36 = 11,5
Espessura do overlay = 7,8
Ganho 45 db
Técnica
Phased
Array
Bloco de 48mm, região da
trinca
Medida 47,5-36,5 = 11,0
Espessura do overlay = 7,2
Posição 150mm
Ganho 19 db
Técnica
TOFD
109
4.4 Estudo de caso
Esse estudo de caso tem o objetivo de validar o VPS Micro Cracks modificado
como ferramenta de análise. Para isso, estudou-se o exemplo de um reator real trincado
com dimensões do equipamento e dos defeitos retirados do projeto do equipamento e de
relatórios de inspeção, o equipamento encontra-se trabalhando em uma refinaria
Brasileira e tem mais de 20 anos de operação.
Com a análise do VPS se pretende chegar à conclusão de que o equipamento
pode operar de forma segura como está ocorrendo nesse momento. Pretende-se ainda
ampliar o tamanho do defeito e analisar o comportamento desse equipameno até que se
chegue a um tamanho crítico de defeito, dimensão essa que não deve ser atingida em
operação.
Assim, o VPS poderá ser usado como ferramenta de acompanhameno e
monitoração e prevenção de falhas em equipamentos estáticos.
Figura 38 – Arranjo esquemático de um reator de hidrotratamento
110
Tabela 10 – Dados de um reator de hidrotratamento
Equipamento
D 2401
P de
Proj.
Kgf/cm2
T de
proj.
0
C.
Material
casco
Comp.
L&T.
mm
Esp.
Mm
D
int.
mm
Material
tampos
Comp.
Trinca
mm
Prof.
da
trinca
Metal de base
154,7
410
ASTM
A387/D
20250
74
1387
ASTM
A387/D
67
8
Overlay
ASTM
A304L
6
*Conforme desenho, SUO 04811 revisão 0, radiografia total projeto ASME VIII div 2.
4.5 Análise pelo Software VPS Micro Cracks
Os objetivos principais foram alcançados mediante o plano de trabalho
elaborado. Os dados obtidos pelos ensaios não destrutivos mostrou-se bastante eficaz na
montagem do arquivo de leitura CVM, uma vez que os dados disponíveis contêm
informações importantes na elaboração do modelo a ser analisado.
Seguindo alguns passos metodológicos foram desenvolvidas formas próprias de
armazenamento e gravação eletrônica de dados para facilitar as interfaces CAD, FEM e
realidade virtual chamado CVM.
A aplicação conjunta entre a biblioteca gráfica OpenGL e a Linguagem C++
mostrou ser uma poderosa ferramenta para visualização e criação de um ambiente CAD
de análise de modelos de tubulações de gás e petróleo.
A implementação de algoritmos que aplicam as funções da biblioteca gráfica
OpenGL como: translucidez, sombreamento e contexto de luzes tornou o módulo CAD
do VPS Micro Cracks em um ambiente compatível com os softwares comerciais. Com
isso, foram possíveis a visualização do objeto e a interação com o usuário.
111
Figura 39a – Interface criada para o VPS Micro Cracks
Figura 39b – Interface criada para o VPS Micro Cracks
112
Figura 40 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
Figura 41 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
113
Figura 42 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
Figura 43– Interface criada para o VPS Micro Cracks
114
Figura 44 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
Figura 45 – Interface criada para o VPS Micro Crkacs
115
Figura 46 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
Figura 47 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
116
Figura 48 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
Figura 49 – Interface criada para o VPS Micro Cracks
117
Um importante resultado para a pesquisa foi a implementação de uma rotina de
criação de uma microtrinca na estrutura. O usuário poderá, embora que de forma
simplificada, inserir trincas e fazer simulações do seu comportamento.
(a) (b)
Figura 50 – Célula de uma tubulação no ambiente CAD. (a) Representação das cargas aplicadas e criação
da microtrinca (b) Sombreamento da microtrinca
A associação do projeto VPS com os outros pacotes CAE comercial, como
ALGOR e ABAQUS, mostrou ser uma ferramenta de grande diversidade de aplicação.
O VPS Micro Cracks permite através do Módulo CAE a interligação com o software
ALGOR que, por sua vez, possibilita ao usuário trabalhar com malhas 3D refinadas ou
não, por exemplo.
Figura 51 – Módulo CAE simulando a propagação da microtrinca
A visualização em realidade virtual desenvolvido no VPS, como opção de
chamada que gera automaticamente um arquivo no formato VRML de representação do
118
tubo trincado, possibilitou a ampliação da microtrinca em escalas de difícil detecção até
mesmo por um microscópio de varredura eletrônica. Neste ambiente o usuário é capaz
de visualizar simulações previamente elaboradas dos casos particulares de micro trincas.
119
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.
5.1 Conclusões
Neste trabalho foram investigadas ferramentas computacionais para a
visualização de microtrincas em tubulações de petróleo e gás natural e em equipamentos
bem como o desempenho da detecção de trincas por ultrassom em overlay de aço inox
sobre aço Cr/Mo.
O conjunto de ferramentas CAD, CAE e Realidade Virtual foram agrupados e
avaliados através do desenvolvimento de um software acadêmico denominado VPS
Micro Cracks, assim algumas conclusões puderam ser obtidas deste estudo, são:
• A visualização 3D das microtrincas, em ambiente CAD, é possível com o
uso da linguagem C++ e da Biblioteca OpenGL.
• A criação de uma interface entre o VPS e os softwares ALGOR/ABAQUS
de elementos finitos mostrou-se bem adequada para a análise mecânica do
dano em um ambiente CAE comercial.
• O módulo de Realidade Virtual possibilitou simular uma possível
propagação da microtrinca em um ambiente imersivo do tipo CAVE com
ampliação superior àquela obtida em microscópios eletrônicos de varredura
(MEV).
• A visualização interna de microtrincas é possível com o desenvolvimento de
algoritmo para o controle de opacidade/translucidez do modelo.
• A simulação do desempenho do programa em análise de um caso real, reator
de hidrotratamento com dano mostrou-se eficaz.
120
• O desempenho da nova técnica de detecção de trincas em overlay apresentou
resultados satisfatórios quando comparadas com as técnicas tradicionais
existentes.
5.2 Trabalhos Futuros
Diante dos resultados alcançados e com a expansão dos estudos na aplicação das
várias opções que o conjunto CAD, CAE e Realidade Virtual têm mostrado ser
eficiente, o projeto pode ser utilizado em várias áreas da engenharia como: visualização
de microtrincas em soldas, resistências de matérias, modelagem de sólidos, etc., com
grandes perspectivas de contribuição na área. Além disso, pode-se observar, para um
estudo mais aprofundado, a inserção de trincas com geometria mais complexas
incluindo-as dentro das paredes dos tubos e ou equipamentos (não visível ao olho) e
ainda estudo de uma nova adaptação sobre as direções de propagação das trincas.
Em relação ao dimensionamento de trincas em sistemas com overlay, são
sugeridos:
Estudos comparativos da detecção de trincas por ultrassom em camadas de
diferentes materiais pelas técnicas TOFD, Fased Array e Envoltória.
Estudo comparativo da detecção por ultrassom em overlay pelas técnicas
TOFD e Fased Array e Envoltória para trincas no revestimento inclinadas
com diferentes espessuras de revestimento.
Estudo da correlação entre causas e efeitos nas microestruturas formada na
região de ligação do overlay e o comportamento das ondas de ultra-som ao
passar por essa região.
Automatização da aquisição de dados do ensaio de ultrassom diretamente
para o VPS Micro Cracks possibilitando a criação da topologia do defeito em
tempo real durante o ensaio.
121
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